面向機(jī)器人應(yīng)用的船體焊接工藝設(shè)計(jì)技術(shù)體系

何澤宇， 喻天祥， 祁 超， 鄭菊艷

(上海船舶工藝研究所，上海 200032)

0 引 言

當(dāng)前國際造船市場競爭日益激烈、人力成本持續(xù)上升，各國造船企業(yè)均將船舶智能制造作為發(fā)展重點(diǎn)，各國政府也出臺(tái)相關(guān)政策對船舶智能制造予以支持[1-2]。焊接技術(shù)是船舶建造工程的關(guān)鍵技術(shù)，在船體建造中焊接工作量約占70%，焊接成本約占船體建造總成本的30%～50%[3-4]。船體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，作業(yè)空間有限，焊接工藝邏輯復(fù)雜[5]，且不同船型結(jié)構(gòu)差異和工藝差異較大，傳統(tǒng)的機(jī)器人示教-再現(xiàn)方式無法滿足現(xiàn)場焊接作業(yè)要求，因此有必要研究面向機(jī)器人應(yīng)用的船體焊接工藝設(shè)計(jì)技術(shù)體系。

1 技術(shù)體系實(shí)現(xiàn)的總體思路

機(jī)器人船體焊接工藝設(shè)計(jì)技術(shù)體系實(shí)現(xiàn)主要分為在線規(guī)劃焊接技術(shù)路線和離線規(guī)劃焊接技術(shù)路線，其實(shí)現(xiàn)思路如下：

(1)在線規(guī)劃焊接。通過工業(yè)相機(jī)、激光掃描等視覺設(shè)備采集現(xiàn)場工件待焊焊縫的方位、工藝特征等參數(shù)；上位機(jī)基于特征參數(shù)匹配焊接工藝并下發(fā)至機(jī)器人；機(jī)器人根據(jù)工藝信息自適應(yīng)編程，在焊接執(zhí)行階段通過焊縫起終點(diǎn)尋位、跟蹤等技術(shù)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整。

(2)離線規(guī)劃焊接。在離線規(guī)劃軟件中導(dǎo)入待焊工件的三維工藝模型，抽取模型中的焊縫特征信息；基于特征匹配焊接工藝并生成離線規(guī)劃中間文件；下位機(jī)解析中間文件并結(jié)合現(xiàn)場工件定位數(shù)據(jù)生成作業(yè)指令下發(fā)至機(jī)器人；機(jī)器人在焊接執(zhí)行階段通過焊縫起終點(diǎn)尋位、跟蹤等技術(shù)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整。

2 技術(shù)體系中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 工藝模型特征參數(shù)化定義技術(shù)

在傳統(tǒng)焊接生產(chǎn)過程中，現(xiàn)場工程師通過雙眼觀察焊縫周邊結(jié)構(gòu)，憑借經(jīng)驗(yàn)和焊接工藝卡判斷適用的焊接工藝。激光掃描裝置、工業(yè)相機(jī)、傳感器、三維設(shè)計(jì)模型文件等則是智能焊接設(shè)備的“眼睛”，智能焊接裝備以其感知焊縫周邊結(jié)構(gòu)，通過工藝文件和若干規(guī)則確定焊接工藝。

面向機(jī)器人焊接的工藝模型特征參數(shù)分為結(jié)構(gòu)特征和焊接工藝特征。結(jié)構(gòu)特征描述焊縫周圍對機(jī)器人焊接具有影響的結(jié)構(gòu)，包括焊縫連接的板、焊縫附近的型材和開孔等。焊接工藝特征為設(shè)計(jì)階段對焊縫的工藝要求，如焊腳、焊材、焊接方法等。智能焊接裝備的工件工藝信息輸入來源和格式多樣、信息量大，描述方法也各不相同。為標(biāo)準(zhǔn)地描述這些工藝信息[6]，中小組立焊接裝備根據(jù)作業(yè)需求參數(shù)化定義一系列工藝特征，利用數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)技術(shù)，可構(gòu)建若干數(shù)據(jù)表用于存儲(chǔ)焊縫特征。

以智能中組立焊接裝備為例。圖1為中組立的常見結(jié)構(gòu)，立板和底板形成的平焊縫W穿過1個(gè)T排結(jié)構(gòu)。為標(biāo)準(zhǔn)地描述T排，用5個(gè)參數(shù)(板A的高度、板A的厚度、板B的寬度、板B的厚度、過焊孔半徑)描述這個(gè)帶過焊孔的T排，T排的其他結(jié)構(gòu)特征對平焊縫W的焊接無影響，直接忽略。

圖1 中組立T排結(jié)構(gòu)特征示例

2.2 工藝模型特征參數(shù)采集技術(shù)

工藝模型特征參數(shù)采集方式分為在線掃描和離線模型導(dǎo)入。在線掃描主要針對簡單結(jié)構(gòu)，對操作人員要求較低。離線模型導(dǎo)入主要針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可更全面地獲取工件結(jié)構(gòu)和工藝信息。小組立焊接裝備對簡單結(jié)構(gòu)采用在線掃描、對復(fù)雜結(jié)構(gòu)采用離線模型導(dǎo)入采集特征參數(shù)。中組立焊接裝備的焊接對象為相對復(fù)雜的中組立結(jié)構(gòu)件，因此采用離線模型導(dǎo)入采集特征參數(shù)。

以小組立焊接裝備為例。在小組立智能焊接裝備的焊接對象為板材上的加強(qiáng)筋或型材時(shí)，結(jié)構(gòu)相對簡單，焊接工藝要求也一致，因此采用在線掃描方式。將在線掃描得到的點(diǎn)云圖像擬合為一條條筋板，焊縫起終點(diǎn)與筋板重合，且分布于筋板兩側(cè)。最終提取的焊縫特征為每條焊縫的起終點(diǎn)坐標(biāo)及焊接方向，如圖2所示。

圖2 小組立簡單工件焊接現(xiàn)場圖和掃描圖

在小組立智能焊接裝備的焊接對象為復(fù)雜小組立工件時(shí)，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，如圖3所示的2行3列小格子型。由于在線掃描只能得到工件的俯視數(shù)據(jù)，無法重構(gòu)工件完整三維模型，也無法識(shí)別上方存在遮擋的焊縫，因此復(fù)雜小組立工件采用離線模型導(dǎo)入方式，將三維工藝模型導(dǎo)入離線軟件，離線軟件按照已定義的特征對模型中的待焊焊縫進(jìn)行參數(shù)化描述。

2.3 工藝匹配技術(shù)

在船體焊接中影響焊接的工藝和結(jié)構(gòu)特征很多，不同船型、不同船體部位的焊接工藝也不盡相同，并且焊接工藝也會(huì)隨焊接技術(shù)的發(fā)展而改進(jìn)，因此用一系列固定的數(shù)學(xué)模型描述特征參數(shù)和焊接工藝之間的關(guān)系較為困難。

圖3 小組立復(fù)雜工件現(xiàn)場圖和模型圖

中小組立智能焊接裝備采用特征表達(dá)式的方式匹配焊接工藝。圖4為中小組立智能焊接規(guī)劃軟件的特征-焊接工藝配置頁面。左側(cè)區(qū)域?yàn)橐?guī)則頁面，包含1個(gè)規(guī)則列表和當(dāng)前選中規(guī)則的名稱描述及特征參數(shù)表達(dá)式。右側(cè)區(qū)域?yàn)楹附訄?zhí)行階段調(diào)用的焊接工藝參數(shù)，包含工藝文件號(hào)和參數(shù)。操作人員可通過對規(guī)則和表達(dá)式的增刪改，動(dòng)態(tài)維護(hù)特征參數(shù)與焊接工藝的匹配關(guān)系。

圖4 特征-焊接工藝配置頁面

2.4 作業(yè)后處理技術(shù)

離線規(guī)劃最終會(huì)生成1個(gè)可供特定智能焊接系統(tǒng)執(zhí)行的包含焊接路徑、工藝參數(shù)及特定動(dòng)作指令的中間文件，供上位機(jī)執(zhí)行，文件生成過程即為離線規(guī)劃的后處理過程。

中小組立裝備的后處理過程采用基于腳本引擎的焊接作業(yè)后處理技術(shù)。在離線規(guī)劃軟件中內(nèi)置1個(gè)腳本引擎，在后處理過程中調(diào)用特定腳本，通過腳本程序處理離線規(guī)劃數(shù)據(jù)，生成中間文件。這種方式將后處理功能模塊化，通過修改腳本文件即可快速響應(yīng)現(xiàn)場工藝及設(shè)備調(diào)整。腳本文件讀取機(jī)器人運(yùn)動(dòng)點(diǎn)位屬性信息，判斷需要執(zhí)行的動(dòng)作指令，并將這些指令寫入中間文件。

多機(jī)器人協(xié)同系統(tǒng)在汽車焊接生產(chǎn)線中的應(yīng) 用 …………………………………………… 鐘 平，李華雄（31）

2.5 執(zhí)行過程自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)

焊接執(zhí)行階段需要考慮模型與實(shí)際工件的差異，主要包括工件擺放偏差、掃描誤差、工件加工和裝配誤差。為彌補(bǔ)這些差異，中小組立焊接裝備在焊接執(zhí)行階段進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，主要包含工件定位、焊縫定位、焊接過程中的跟蹤調(diào)整。

(1)工件定位。通過視覺掃描技術(shù)采集現(xiàn)場工件定位點(diǎn)位置，與離線中的工件定位點(diǎn)比較，計(jì)算現(xiàn)場工件與離線工件的位置差異，在上位機(jī)中補(bǔ)償，并將補(bǔ)償后的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)位下發(fā)至機(jī)器人。采用在線掃描方式不需要該步驟。

(2)焊縫定位。為補(bǔ)償視覺定位與工件加工裝配的誤差，精確定位焊縫起終點(diǎn)。中小組立智能焊接裝備采用點(diǎn)激光尋位糾正起終點(diǎn)點(diǎn)位。

(3)焊接過程中的跟蹤調(diào)整。在焊接過程中為保證焊絲始終指向焊縫中心，保證焊接質(zhì)量，使用線激光、電弧跟蹤技術(shù)，實(shí)時(shí)調(diào)整焊接動(dòng)作。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 小組立智能焊接裝備

圖5為小組立智能焊接裝備模型。

圖5 小組立智能焊接裝備模型

表1 小組立4臺(tái)機(jī)器人焊接效率測算結(jié)果

1名焊工每天可焊接的焊縫長度約100 m[7]，小組立4臺(tái)機(jī)器人使用藥芯焊絲2班日產(chǎn)1 080 m，大致相當(dāng)于10名熟練焊工的產(chǎn)量，且焊接質(zhì)量穩(wěn)定，焊腳尺寸滿足要求，比人工焊接節(jié)約20%以上的焊材。

3.2 門架式中組立智能焊接裝備

圖6為門架式中組立智能焊接裝備模型。

圖6 門架式中組立智能焊接裝備模型

以單道7 mm焊腳機(jī)器人實(shí)心焊絲焊接速度為參考，測算現(xiàn)場2臺(tái)機(jī)器人的焊接效率，結(jié)果如表2所示。

表2 中組立2臺(tái)機(jī)器人焊接效率測算結(jié)果

中組立2臺(tái)機(jī)器人使用實(shí)心焊絲2班日產(chǎn)404 m，大致相當(dāng)于4名焊工1天的工作量，且焊接質(zhì)量穩(wěn)定，焊腳尺寸滿足要求，比人工焊接節(jié)約20%以上的焊材。

4 結(jié) 語

將機(jī)器人焊接技術(shù)應(yīng)用于船體焊接過程，可大幅降低現(xiàn)場工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證焊接的一致性和穩(wěn)定性，從而縮短建造周期，降低船舶建造成本，保證船體焊接質(zhì)量，提高造船企業(yè)的競爭力。所研究的面向機(jī)器人應(yīng)用的船體焊接工藝設(shè)計(jì)技術(shù)體系，可為國內(nèi)造船企業(yè)深入利用基于機(jī)器人系統(tǒng)的智能焊接裝備提質(zhì)增效打下基礎(chǔ)。