船舶小組立復(fù)雜結(jié)構(gòu)智能焊接裝備應(yīng)用方案

陸燕輝， 劉 華

(南通中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

0 引 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)勞動(dòng)力成本的逐漸提升，以廉價(jià)勞動(dòng)力為支撐的“中國(guó)制造”經(jīng)濟(jì)模式難以為繼。焊接作為造船過程中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，產(chǎn)品質(zhì)量非常關(guān)鍵。在焊接過程中，由于煙塵、弧光、金屬飛濺的存在，工作環(huán)境非常惡劣。在船舶分段焊接方面，我國(guó)船舶企業(yè)基本以機(jī)械化、半自動(dòng)化為主，日韓船舶企業(yè)則已基本實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化。在分段的小組立過程中，日韓船舶企業(yè)已基本實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接生產(chǎn)，我國(guó)除幾家骨干船廠實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單部件的機(jī)器人焊接外，大部分還處于離散半自動(dòng)作業(yè)。國(guó)內(nèi)骨干船舶企業(yè)焊接自動(dòng)化率最高僅約20%，日韓先進(jìn)船舶企業(yè)則可達(dá)到68%。我國(guó)船舶企業(yè)在推行焊接智能化方面仍需要對(duì)標(biāo)找差、補(bǔ)齊短板[1]。

開展小組立智能焊接裝備研究能夠?yàn)閺?fù)雜結(jié)構(gòu)的自動(dòng)焊接提供有效的技術(shù)支持，也是船舶企業(yè)提升焊接自動(dòng)化率、實(shí)現(xiàn)智能制造的先決條件。目前，國(guó)內(nèi)骨干船舶企業(yè)正逐步開展智能化焊接裝備升級(jí)改造，雖然引進(jìn)了國(guó)外先進(jìn)制造裝備，但仍存在較多問題：(1)國(guó)內(nèi)船舶企業(yè)沒有成熟的工藝積累，工藝庫(kù)、動(dòng)作庫(kù)被國(guó)外船舶企業(yè)技術(shù)壟斷；(2)引進(jìn)裝備對(duì)船廠開放性小、使用范圍受限；(3)引進(jìn)裝備采購(gòu)與維護(hù)成本較大[2]；等等。

1 方案實(shí)施路徑介紹

重點(diǎn)研究小組立復(fù)雜結(jié)構(gòu)的機(jī)器人焊接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)板全周焊接、全周圓弧焊接、傾斜角度焊接、小空間端部包角焊接、雙層多道大焊腳焊接等復(fù)雜工藝的智能焊接，填補(bǔ)小組立復(fù)雜分段自動(dòng)化焊接的空白，完善船體分段智能化焊接體系，提升船舶小組立結(jié)構(gòu)件自動(dòng)化焊接比例和焊接效率。

基于圖1所示方案實(shí)施路徑，可打造具備較高自適應(yīng)程度的船舶小組立焊接流水線，廣泛適配小組立焊接的柔性生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)從小型簡(jiǎn)單工件至大型復(fù)雜工件的全自動(dòng)焊接，消除車間場(chǎng)地和傳統(tǒng)分道焊接對(duì)生產(chǎn)效率提升的限制。

圖1 小組立復(fù)雜結(jié)構(gòu)智能焊接裝備應(yīng)用方案實(shí)施路徑

2 智能制造焊接裝備關(guān)鍵技術(shù)

2.1 面向機(jī)器人焊接的小組立三維結(jié)構(gòu)模型處理技術(shù)

針對(duì)船舶小組立復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫的特點(diǎn)，對(duì)其所需要的模型信息與工藝信息進(jìn)行梳理，開展基于統(tǒng)一三維工藝模型數(shù)據(jù)規(guī)范的復(fù)雜焊縫信息提取，為模型的后處理建立統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)源。然后，開展面向機(jī)器人焊接的復(fù)雜焊縫焊接數(shù)據(jù)特征分析，建立復(fù)雜焊縫特征的表達(dá)方法并對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化描述。其次，基于參數(shù)化的復(fù)雜焊縫特征表達(dá)方法，研究三維工藝模型的分類與可視化技術(shù)，形成一套針對(duì)小組立復(fù)雜焊縫工藝模型分類可視化的技術(shù)體系。最后，在焊縫模型可視化的基礎(chǔ)上，開展規(guī)則驅(qū)動(dòng)的三維工藝模型數(shù)據(jù)交互及優(yōu)化處理，對(duì)焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化并構(gòu)建不同分類的焊接工藝視圖。通過上述要點(diǎn)的研究，開發(fā)小組立三維結(jié)構(gòu)模型處理軟件，對(duì)復(fù)雜焊縫的焊接坐標(biāo)進(jìn)行生成與轉(zhuǎn)換，形成面向機(jī)器人焊接的工藝文件，為復(fù)雜焊接作業(yè)路徑規(guī)劃與仿真提供數(shù)據(jù)輸入。

2.2 復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)器人焊接仿真技術(shù)

根據(jù)復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)器人焊接工藝的特點(diǎn)，對(duì)路徑規(guī)劃及仿真方案展開研究，通過對(duì)路徑規(guī)劃的關(guān)鍵影響因素進(jìn)行分析，構(gòu)建路徑規(guī)劃模型。開展基于三維模型的離線編程路徑規(guī)劃技術(shù)的研究、復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)器人焊接路徑仿真技術(shù)研究、復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)器人焊接優(yōu)化決策研究等，突破路徑規(guī)劃數(shù)學(xué)模型構(gòu)建技術(shù)，仿真優(yōu)化決策技術(shù)，解決作業(yè)路徑規(guī)劃的難點(diǎn)問題。最后，面向小組立復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接離線編程與仿真的需求，開發(fā)復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接規(guī)劃與仿真平臺(tái)并進(jìn)行軟件的應(yīng)用與驗(yàn)證[3]。

2.3 復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)

以小組立復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接工藝為對(duì)象，開展構(gòu)建焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)框架技術(shù)、機(jī)器人焊接基礎(chǔ)工藝數(shù)據(jù)庫(kù)、典型特征焊縫工藝數(shù)據(jù)庫(kù)等內(nèi)容研究，構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，并展開試驗(yàn)驗(yàn)證[4]。具體實(shí)施過程如下：

(1)根據(jù)焊接工藝規(guī)程、接頭形式、焊接方法、焊接參數(shù)和備注等主要信息元素，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃數(shù)據(jù)庫(kù)的表結(jié)構(gòu)、索引、主鍵等元素，形成工藝數(shù)據(jù)庫(kù)框架的構(gòu)建方案。從數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、調(diào)用效率、參數(shù)定制化、架構(gòu)擴(kuò)展等角度優(yōu)化構(gòu)建方案，最終形成焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)框架。

(2)針對(duì)船板的焊接工藝操作規(guī)程提取共性的基礎(chǔ)參數(shù)和方法，構(gòu)建機(jī)器人基礎(chǔ)焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)補(bǔ)板全周焊接、全周圓弧焊接、傾斜角度焊接等復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接的生產(chǎn)需要，提取其焊縫工藝的典型特征和相關(guān)參數(shù)，形成以復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接工藝為代表的典型特征焊縫工藝數(shù)據(jù)庫(kù)。

(3)基于船舶中小組立焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的框架、機(jī)器人焊接基礎(chǔ)焊接工藝、典型特征焊縫工藝的研究，構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 智能制造焊接裝備應(yīng)用方案

3.1 應(yīng)用范圍和工藝流程

3.1.1 應(yīng)用范圍

在方案中，裝備的主要加工對(duì)象是較大尺寸部材和復(fù)雜部件，可實(shí)現(xiàn)圓周焊接、補(bǔ)板焊接、傾角焊接等多種高難度焊接工藝，比常規(guī)人工生產(chǎn)焊接效率提升50%以上。

針對(duì)現(xiàn)有小組立焊接機(jī)器人生產(chǎn)線具備的雙層底結(jié)構(gòu)的平角焊、立角焊、包角焊功能，方案裝備應(yīng)用范圍主要為21.0 m×12.0 m×1.5 m(長(zhǎng)×寬×高)以內(nèi)的小組立工件。其典型類型如圖2所示。

圖2 典型焊接類型

3.1.2 工藝流程

裝備處于數(shù)控切割和自由邊打磨之后、針對(duì)較大尺寸部材和復(fù)雜部件進(jìn)行的機(jī)器人焊接工作。具體工藝流程為：配材、定位焊→機(jī)器人焊接→手工修補(bǔ)→搬出。

(1)配材、定位焊。該工序從數(shù)控切割和自由邊打磨獲得工件后，按照加工要領(lǐng)配置組合相關(guān)零件，對(duì)主板上的輔助件進(jìn)行定位焊。

(2)機(jī)器人焊接。將完成定位焊的工件吊運(yùn)至機(jī)器人定盤上，機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)焊接。

(3)手工修補(bǔ)。針對(duì)機(jī)器人無(wú)法完成的焊接區(qū)域，進(jìn)行手工修補(bǔ)。

(4)搬出。將完成修補(bǔ)的工件吊運(yùn)出定盤，并根據(jù)需要循環(huán)焊接或運(yùn)送到下一工序。

3.2 焊接數(shù)據(jù)處理

3.2.1 建立焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)

建立焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)以便于分段制造裝備的關(guān)鍵工藝參數(shù)動(dòng)態(tài)辨識(shí)。

(1)典型焊接工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)建立

根據(jù)工藝模型特征的類型、參數(shù)類別、工藝影響因素及表達(dá)的方法，開展基于特征表達(dá)的規(guī)則庫(kù)構(gòu)建技術(shù)研究，通過對(duì)每種特征的編碼及特征參數(shù)在表述弧線焊縫特點(diǎn)的作用程度進(jìn)行分析，梳理三維工藝模型與特征之間的邏輯關(guān)系及影響權(quán)重，如補(bǔ)板大小、連接板類型、過焊孔大小、焊接方向等在表述工藝模型時(shí)的作用等。對(duì)特征參數(shù)、模型幾何信息、工藝模型表述方法等方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，形成一套基于特征表達(dá)的規(guī)則庫(kù)構(gòu)建技術(shù)體系。

分別針對(duì)包角等典型位置開展機(jī)器人擺動(dòng)參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)的優(yōu)化試驗(yàn)研究，重點(diǎn)進(jìn)行擺幅、停留時(shí)間、姿態(tài)傾角等關(guān)系進(jìn)行工藝交叉試驗(yàn)研究，獲得工藝參數(shù)與質(zhì)量(特別是成形質(zhì)量)的關(guān)系，并建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖3所示。

圖3 典型焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)

(2)典型部材仿真模擬加工

焊接機(jī)器人在生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)設(shè)備干涉、運(yùn)動(dòng)裝置無(wú)法到達(dá)預(yù)設(shè)位置、生產(chǎn)節(jié)拍不符合生產(chǎn)要求等問題，通過在仿真軟件中按照機(jī)器人實(shí)際的運(yùn)動(dòng)參數(shù)建立模型及布局，確保仿真場(chǎng)景中的設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的一致性。通過在仿真場(chǎng)景中重現(xiàn)機(jī)器人的作業(yè)路徑，對(duì)整體作業(yè)進(jìn)行仿真優(yōu)化，確保機(jī)器人按預(yù)設(shè)的作業(yè)路徑運(yùn)行[5]。

通過系統(tǒng)建模，實(shí)現(xiàn)弧線焊縫機(jī)器人動(dòng)作的仿真模擬，并在此基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化。①?gòu)臒o(wú)規(guī)則擺放的多個(gè)工件中自動(dòng)選擇最高效的焊接順序。船舶工件同規(guī)格的占比很小，在批量制作不同規(guī)格的工件時(shí)，需要通過智能模擬的方式，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的實(shí)際情況，排列出最優(yōu)的焊接順序。②優(yōu)化單個(gè)大工件焊縫焊接順序，減少焊接變形和應(yīng)力。焊縫的常規(guī)焊接方式會(huì)產(chǎn)生較大的焊接變形。通過對(duì)焊接變形的模擬計(jì)算，結(jié)合焊接經(jīng)驗(yàn)，形成一套專用的焊接順序準(zhǔn)則，減少焊接變形。③自動(dòng)平衡多臺(tái)機(jī)器人的焊接加工量。均衡化生產(chǎn)是提升機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)率的有效方式。機(jī)器人在獲取工件信息后，能自動(dòng)計(jì)算出焊接時(shí)間，從而平衡機(jī)器人相互間的焊接物量。

3.2.2 工藝數(shù)據(jù)導(dǎo)入與處理

通過工藝處理軟件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模型的導(dǎo)入與處理，如圖4所示。其處理步驟包括：①將設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的三維生產(chǎn)設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)化為圖形數(shù)據(jù)文件和供計(jì)算機(jī)輔助制造(Computer Aided Manufacturing, CAM)軟件使用的焊縫信息(XML數(shù)據(jù)格式)，支持焊角修正、長(zhǎng)度修正、工件坐標(biāo)原點(diǎn)指定等功能；②在CAM軟件中對(duì)焊縫進(jìn)行處理，焊接姿態(tài)劃分、干涉檢測(cè)、焊縫分割，并進(jìn)行焊接條件和動(dòng)作的匹配；③在設(shè)備控制軟件中對(duì)焊接數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)動(dòng)作庫(kù)+工藝庫(kù)生成機(jī)器人程序，并根據(jù)仿真結(jié)果生成設(shè)備需要的全部焊接數(shù)據(jù)。

注：CAD為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

3.3 裝備總體設(shè)計(jì)與優(yōu)化

以小組立智能焊接裝備關(guān)鍵功能與技術(shù)體系為基礎(chǔ)，開展裝備總體設(shè)計(jì)，包括主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、輔助裝置設(shè)計(jì)與空間布局設(shè)計(jì)等，形成總體設(shè)計(jì)方案。

應(yīng)用數(shù)字映射技術(shù)將總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬運(yùn)行驗(yàn)證，包括小組立智能焊接裝備的機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)、作業(yè)節(jié)拍設(shè)置、工藝執(zhí)行情況、裝備運(yùn)行環(huán)境等，綜合驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性，發(fā)現(xiàn)存在的不足之處，并優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

該裝備由多臺(tái)機(jī)器人組成，具備如下2種運(yùn)行模式：

(1)節(jié)拍式獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)模式。機(jī)器人互相獨(dú)立，在綜合考慮裝配、修補(bǔ)因素的基礎(chǔ)上，以固定的節(jié)奏流動(dòng)式生產(chǎn)。此生產(chǎn)方式將機(jī)器人生產(chǎn)線各道工序均衡化。

(2)聯(lián)機(jī)運(yùn)行模式。在制作超大尺寸工件時(shí)，將開啟聯(lián)機(jī)運(yùn)行模式，多臺(tái)機(jī)器人可同時(shí)對(duì)1個(gè)工件聯(lián)機(jī)焊接(需要綜合考慮機(jī)器人之間互相避讓、配合)。聯(lián)機(jī)運(yùn)行模式能大幅降低單個(gè)工件的加工周期。

整個(gè)設(shè)備硬件機(jī)構(gòu)由機(jī)器人、焊機(jī)、龍門裝置等組成：

(1)機(jī)器人。由多臺(tái)6軸多關(guān)節(jié)型焊接機(jī)器人組成，配備對(duì)應(yīng)控制柜和接觸傳感中繼箱。該型機(jī)器人支持外部擴(kuò)展軸，內(nèi)部安裝有防撞傳感器，以保證機(jī)器人在發(fā)生意外碰撞時(shí)能夠使機(jī)器人及時(shí)停止工作，避免不必要的損失，保證操作人員的安全。

(2)焊機(jī)。由焊機(jī)、送絲機(jī)、焊槍等設(shè)備組成，實(shí)現(xiàn)小組立工件的自動(dòng)焊接。

(3)龍門裝置。在導(dǎo)軌組件上安裝多套龍門裝置，每套龍門裝置安裝1套行走機(jī)構(gòu)、1套橫行機(jī)構(gòu)、1套旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和2套升降機(jī)構(gòu)。2臺(tái)機(jī)器人吊頂式安裝于升降機(jī)構(gòu)上。

3.4 綜合控制系統(tǒng)

結(jié)合小組立智能焊接裝備的運(yùn)行控制和信息管理等系統(tǒng)功能需求，整合小組立智能焊接各相關(guān)功能軟件，開展電氣設(shè)計(jì)、控制邏輯編程和控制界面設(shè)計(jì)等工作，開發(fā)小組立智能焊接裝備綜合控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)裝備軟、硬件的集中控制。

(1)電氣控制系統(tǒng)。整個(gè)電氣控制系統(tǒng)由電氣控制系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、操作盒、現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)、機(jī)器人控制箱、報(bào)警系統(tǒng)等組成。

(2)視覺系統(tǒng)。以焊接機(jī)器人為載體，選取工業(yè)相機(jī)及相匹配的鏡頭通過 PC 端的有效控制來(lái)對(duì)焊接路徑圖像進(jìn)行拍攝，從而提取焊接路徑的有效信息。為了得到完整的工件焊接路徑，且焊前不會(huì)對(duì)圖像的攝取產(chǎn)生影響，視覺傳感器的朝向與焊槍的朝向須始終保持一致。

(3)復(fù)雜環(huán)境感知與識(shí)別。利用控制系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別待加工分段，并在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)施分段焊接。①分段識(shí)別：將工件信息與焊接數(shù)據(jù)相比較，匹配對(duì)應(yīng)后識(shí)別出該分段；②空間位置定位：利用工件上2個(gè)原點(diǎn)位置，通過視覺系統(tǒng)確認(rèn)工件的空間定位；③焊縫信息獲?。壕C合①、②兩點(diǎn)的功能，在工件進(jìn)入機(jī)器人焊接空間后，感知焊縫位置，匹配焊接數(shù)據(jù)。

(4)焊接可視化加工系統(tǒng)。①焊接狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與診斷。多個(gè)角度設(shè)置機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)，在控制端能觀察機(jī)器人的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并依據(jù)需求做出調(diào)整。②機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)率、燃弧率、焊接速度、電流、電壓等信息的實(shí)時(shí)采集。

4 結(jié) 語(yǔ)

大尺寸船體復(fù)雜工件自動(dòng)焊接是推進(jìn)船廠自動(dòng)化焊接布局的重要一環(huán)，從焊接參數(shù)研究、焊接數(shù)據(jù)處理、裝備總體設(shè)計(jì)等方面闡述船舶小組立復(fù)雜結(jié)構(gòu)智能焊接的應(yīng)用方案，突破圓周焊接、補(bǔ)板焊接、傾角焊接等多種高難度焊接工藝技術(shù)。利用該方案構(gòu)建的智能焊接裝備已在南通中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司應(yīng)用并取得初步成果。該裝備實(shí)現(xiàn)小組立復(fù)雜結(jié)構(gòu)的自動(dòng)焊接，有效填補(bǔ)原有機(jī)器人焊接裝備的短板，比常規(guī)人工生產(chǎn)焊接效率提升約50%，并且與原有機(jī)器人焊接裝備一起形成規(guī)模效應(yīng)，顯著提高船體加工機(jī)器人的焊接物量占比。實(shí)踐證明，該方案在船廠擁有良好的應(yīng)用前景。