面向船舶小組立的門式機器人焊接系統(tǒng)應(yīng)用

謝靜遠(yuǎn)， 邢宏巖， 周文鑫， 張 然， 郭海平

(上海船舶工藝研究所，上海 200032)

0 引 言

現(xiàn)代大型船舶工業(yè)不僅是關(guān)系到國家領(lǐng)土安全及經(jīng)濟發(fā)展的戰(zhàn)略型產(chǎn)業(yè)，而且是在大體結(jié)構(gòu)不變基礎(chǔ)上具備一定程度定制化的系統(tǒng)工程。自2010年起，我國已躋身造船大國之列，完工量、新接訂單量及在手訂單量已連續(xù)多年穩(wěn)居世界前列，但修正總噸工時消耗、全員造船效率等指標(biāo)與世界造船強國相比仍有較大差距。勞動力成本日漸高漲使船舶制造行業(yè)效率提升迫在眉睫。

近年來，數(shù)字化、智能化、流水線化結(jié)構(gòu)件加工設(shè)備已在汽車、數(shù)碼產(chǎn)品等制造業(yè)細(xì)分領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但尚未在船舶行業(yè)得到廣泛普及。隨著“工業(yè)4.0”時代的到來，2018年12月，工業(yè)和信息化部、國家國防科工局聯(lián)合發(fā)布《推進(jìn)船舶總裝建造智能化轉(zhuǎn)型行動計劃(2019—2021年)》，明確指出加快信息通信技術(shù)與造船技術(shù)相融合，逐步實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化造船，船舶工業(yè)轉(zhuǎn)型升級已經(jīng)成為大勢所趨。造船市場低迷的現(xiàn)狀迫使整個船舶制造行業(yè)的布局向流水線化、批量化方向調(diào)整。

小組立是船舶制造過程最小的組件單元。傳統(tǒng)的小組立生產(chǎn)采用手工焊接形式，勞動力成本高，質(zhì)量控制難度大，施焊周期較長，生產(chǎn)效率低下[1]。在船舶制造過程的轉(zhuǎn)型升級的大環(huán)境下，小組立部件結(jié)構(gòu)較為簡單、需求量較大，適合作為數(shù)字化、智能化、流水線化結(jié)構(gòu)件加工生產(chǎn)的先頭兵[2]。

1 焊接機器人的發(fā)展情況

1.1 硬件發(fā)展情況

經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，工業(yè)機器人在物料搬運、非接觸式加工、零部件裝配及自動化檢測等生產(chǎn)過程中均有不同深度、廣度的應(yīng)用。非接觸式加工中的焊接機器人是在工業(yè)機器人中應(yīng)用較廣的主流品類，約半數(shù)以上的全球在役工業(yè)機器人應(yīng)用于焊接加工流程。1959年，工業(yè)機器人尤尼梅特(UNIMATE)問世。1961年，美國通用汽車公司安裝該工業(yè)機器人，標(biāo)志機器人在工業(yè)領(lǐng)域正式投入應(yīng)用。20世紀(jì)80年代，美國軍方將工業(yè)機器人應(yīng)用于軍艦建造，工業(yè)機器人逐漸走入航運及船舶制造業(yè)。20世紀(jì)90年代，日本大型造船企業(yè)開始采用機器人進(jìn)行焊接作業(yè)。1995年，韓國造船企業(yè)改造生產(chǎn)線，焊接機器人逐步應(yīng)用于造船工業(yè)，在較大程度上促進(jìn)韓國造船業(yè)崛起[3]。進(jìn)入21世紀(jì)以來，北歐各國企業(yè)的焊接機器人生產(chǎn)和應(yīng)用逐步成熟，奧地利、芬蘭等國的焊接機器人系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于丹麥、德國、新加坡等國的大型造船企業(yè)。日韓等國造船企業(yè)正逐步完成小組立焊接生產(chǎn)線的機器人化，工人投入逐漸減少，生產(chǎn)效率明顯提高。

我國造船企業(yè)對工業(yè)機器人的應(yīng)用起步較晚，近年來焊接機器人陸續(xù)投入使用。2014年1月，滬東中華造船(集團)有限公司立項小組立智能生產(chǎn)線，2016年5月建成投產(chǎn)；2015年3月，中船黃埔文沖船舶有限公司立項吊環(huán)智能焊接單元，2017年10月建成投產(chǎn)；2017—2018年，上海外高橋造船有限公司、廣船國際有限公司等紛紛立項相關(guān)項目，目前已基本完成投產(chǎn)。焊接機器人生產(chǎn)應(yīng)用成效良好，人均效率均大幅提升，每套系統(tǒng)每年可節(jié)約人工及耗材成本數(shù)十萬至百萬余元。

1.2 軟件發(fā)展情況

工業(yè)機器人作業(yè)編程軟件的發(fā)展大致可分3個階段：通過示教進(jìn)行作業(yè)再現(xiàn)階段(示教再現(xiàn))，通過離線編程進(jìn)行作業(yè)下發(fā)階段(離線編程)，自主識別編程階段(自主編程)[4]。

(1)示教再現(xiàn)

通過人工或示教盒引導(dǎo)機器人末端的夾持器、焊槍等功能執(zhí)行器具依照固定的路徑及輸出參數(shù)完成預(yù)設(shè)的動作，該過程稱為示教。由用戶示教過程編制的程序可被機器人記憶并不斷再現(xiàn)，指導(dǎo)機器人完成重復(fù)性較高的工作。在工業(yè)機器人發(fā)展初期，投入生產(chǎn)的機器人多通過人工示教進(jìn)行編程。20世紀(jì)末，使用示教盒示教的方式逐漸興起。目前，通過示教作業(yè)進(jìn)行編程的機器人仍占據(jù)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的主流地位，在汽車、消費級數(shù)碼產(chǎn)品等領(lǐng)域的生產(chǎn)裝配得到大規(guī)模的應(yīng)用[5]。我國在“七五”和“八五”期間研制、生產(chǎn)的工業(yè)機器人多屬于示教再現(xiàn)型機器人。

(2)離線編程

針對焊縫復(fù)雜、小批量、柔性化生產(chǎn)的工件，示教再現(xiàn)型機器人應(yīng)用效率較低。在車體焊接過程中，焊接機器人針對單個工件的示教作業(yè)需要數(shù)月時間，而施焊過程僅需要十余小時[6]。對于大批量、重復(fù)度高的車體焊接作業(yè)，單次示教可應(yīng)用于數(shù)年生產(chǎn)，效率并非不可接受，但面對小組立等結(jié)構(gòu)變化程度高、單次生產(chǎn)部件少的工件，示教再現(xiàn)型機器人則顯得效率過低。另一方面，示教再現(xiàn)精度不高，且工人需要長期在焊件周圍作業(yè)，安全性、舒適性較傳統(tǒng)的人工焊接未得到完全改善。因此，施焊與編程同步進(jìn)行、幾乎不存在停機等待時間的離線編程逐漸成為造船企業(yè)采用的主流編程方式。

在離線編程模式中，操作人員讀取目標(biāo)焊件三維模型，在相應(yīng)的軟件環(huán)境下通過離線編程軟件遠(yuǎn)程編輯、修改機器人運行軌跡，軟件編譯模型和指令生成機器人作業(yè)代碼，控制機器人依設(shè)定軌跡運行。部分軟件設(shè)置仿真模塊，通過工件模型、生產(chǎn)設(shè)備模型及廠房設(shè)施模型針對機器人的運行軌跡進(jìn)行仿真模擬，在焊接作業(yè)下發(fā)前確認(rèn)焊接路徑的合理性，可避免造成設(shè)備及焊件損壞。典型離線編程的關(guān)鍵步驟如圖1所示。

注：CAD為計算機輔助設(shè)計(Computer Aided Design)；TCP為傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protocol)；I/O為輸入/輸出(Input/Output)

與傳統(tǒng)的示教編程相比，離線編程為遠(yuǎn)程操作，操作人員無須現(xiàn)場作業(yè)，在一定程度上提高安全性及舒適性。作業(yè)程序在目標(biāo)焊件運送至產(chǎn)線前完成編制，編程工作不占用焊接機器人工作時間，在上一焊件施焊完畢前完成下一焊件程序的編制，大幅提高小批量、柔性生產(chǎn)流程中的作業(yè)效率。離線編程更便于實現(xiàn)復(fù)雜的焊接路徑，但離線編程準(zhǔn)確性在較大程度上依賴輸入資料與現(xiàn)場的匹配程度，如工件三維模型與前道工序?qū)嶋H輸入焊件間的加工及裝配差距、機器人的安裝精度等。盡管機器人重復(fù)定位精度較高，但在實際生產(chǎn)過程中受制于上述方面的誤差，其絕對定位精度難以通過離線編程方式滿足。盡管不占用機器人工作時間，但對于較為復(fù)雜的焊件而言，離線編程中的焊縫路徑建立、軌跡和工藝規(guī)劃仍較為繁瑣，即使離線編程軟件已逐步集成碰撞仿真檢測、布局規(guī)劃及耗時計算等功能，目前仍無任何一款離線編程軟件可提供真正意義上的完整焊接軌跡及工藝規(guī)劃，這意味著離線編程工作仍在較大程度上依賴編程人員及使用者的經(jīng)驗。

(3)自主編程

隨著各種測量、傳感技術(shù)日益成熟，人工智能、圖像識別等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，關(guān)于機器人自主編程技術(shù)的思考逐年增加[7]。人們希望通過視覺、超聲等傳感器及工業(yè)相機獲取現(xiàn)場目標(biāo)焊件及周圍環(huán)境信息，可自動識別工件外形尺寸、類型，通過圖像處理算法提取工件數(shù)模，并通過特征點自動識別目標(biāo)焊縫位置、自動規(guī)劃機器人焊接路徑、自動生成工藝特征等參數(shù)，最終自動生成帶機器人運動位姿的焊接作業(yè)程序。程序無須依賴使用者的經(jīng)驗，而是通過讀取焊接工藝專家數(shù)據(jù)庫匹配對應(yīng)工藝需求，進(jìn)而通過需求及參數(shù)匹配對應(yīng)焊接工藝，并根據(jù)工藝信息自適應(yīng)生成機器人焊接程序，下發(fā)至機器人執(zhí)行。該方式不僅無須停機操作，且無須操作人員干預(yù)，適合在自動化程度需求較高的工業(yè)環(huán)境下針對復(fù)雜焊件進(jìn)行真正的無人化和自動化生產(chǎn)[8]。

2 門式機器人焊接系統(tǒng)在船舶小組立中的應(yīng)用

2.1 小組立焊接

小組立是船舶制造的一種生產(chǎn)管理模式，是船體分段裝配的一個生產(chǎn)階段，是現(xiàn)代造船業(yè)為加快造船速度、提高造船品質(zhì)、形成規(guī)模生產(chǎn)而采用的生產(chǎn)管理方法。在船舶制造過程中，小組立工件是較為基本和常見的零部件，具有結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)量龐大等特點。平面分段小組立典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 平面分段小組立典型結(jié)構(gòu)

小組立工件由一系列成型拼板焊接而成，在制造過程中需要大量的焊接作業(yè)，占整體焊接作業(yè)量的15%以上。在傳統(tǒng)的人工焊接生產(chǎn)方式中，切割完畢的小組立結(jié)構(gòu)板和筋板輸送至組立部，在焊接定盤上鋪展。工人將結(jié)構(gòu)板及筋板一一對應(yīng)，在板材上劃線，通過點焊將匹配的筋板和結(jié)構(gòu)板進(jìn)行初步固定。焊工對固定的小組立集中進(jìn)行焊接，并依據(jù)焊工個人的經(jīng)驗進(jìn)行修補或后處理，焊接完畢送往背燒及打磨工位。在該過程中焊工不接觸小組立生產(chǎn)圖紙，生產(chǎn)效率在較大程度上取決于工位鋪開生產(chǎn)的面積及投入的熟練焊工數(shù)量。近年來，熟練焊工逐漸流失，惡劣的生產(chǎn)環(huán)境使焊工的培養(yǎng)速度難以為繼，用工成本逐年上升。該方式的成品生產(chǎn)質(zhì)量過于依賴焊工的個人經(jīng)驗及技能，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)效率遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代造船企業(yè)的要求[9]。液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)船、液化石油氣(Liquefied Petroleum Gas，LPG)船及豪華郵船等高附加值、高技術(shù)船舶對焊接質(zhì)量的嚴(yán)苛要求非傳統(tǒng)的人工焊接方式可滿足。因此，作為在船舶生產(chǎn)過程中較為基礎(chǔ)、數(shù)量較為龐大的結(jié)構(gòu)件，造船企業(yè)迫切需求一種更穩(wěn)定、高效、高質(zhì)量的生產(chǎn)方式。

2.2 門式機器人焊接系統(tǒng)

焊接機器人在歐洲和日韓等地的造船企業(yè)中已逐漸得到廣泛而成熟的應(yīng)用，但在我國的造船企業(yè)中焊接機器人的應(yīng)用仍處于較為初級、亟待普及的階段。近年來，參照歐洲REIS、KRANENDONK等機器人集成公司的產(chǎn)品，結(jié)合小組立的結(jié)構(gòu)特點及焊接需求，我國研發(fā)諸多門式機器人焊接系統(tǒng)，其典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 門式機器人焊接系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

整套系統(tǒng)由輥道、門架、焊接機器人及若干焊接配件組成。點固過后的小組立工件放置輥道上表面，由架設(shè)在輥道兩側(cè)地面或懸空軌道上的門架帶動懸掛于門架下方的焊接機器人對小組立目標(biāo)焊縫進(jìn)行焊接。由于小組立焊件形式多樣、每種形式數(shù)量較少，軟件層面采用離線編程技術(shù)。近年來，激光測量及機器視覺技術(shù)逐漸應(yīng)用于小組立焊接機器人系統(tǒng)，為焊縫精確定位提供重要貢獻(xiàn)。

在傳統(tǒng)的焊接過程中，手工焊的速度約0.3 m/min，大幅低于焊接機器人1.6 m/min的常規(guī)速度[10]。在焊接過程中，機器人運行軌跡由軟件及安裝精度控制，穩(wěn)定性和精密度優(yōu)于人工焊接。得益于工藝參數(shù)調(diào)整，焊接機器人施焊完畢的焊縫較手工而言更加美觀，可在一定程度上減少后續(xù)清渣及打磨工作的耗時。

3 門式機器人焊接系統(tǒng)的應(yīng)用難題

3.1 配套硬件的成本

離線編程模式使操作人員可離開車間較為惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，遠(yuǎn)程操作機器人進(jìn)行施焊，但施焊精度在較大程度上依賴機器人配套硬件的加工及安裝精度。配套硬件主要分為2個部分：作為機器人外部軸的門架和在車間內(nèi)與門架配合的地軌。國內(nèi)配套門架的生產(chǎn)普遍采用起重機行業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，加工精度及運行過程中的撓度均為千分之一。小組立生產(chǎn)設(shè)備門跨距普遍約10.0 m，這意味著裝配完畢的門架誤差可能超過10.0 mm。若無特殊要求，地軌生產(chǎn)及安裝誤差普遍會達(dá)5.0～10.0 mm。這些累積誤差大幅超過機器人焊接的容許范圍。而提高加工及裝配精度、減小撓度將導(dǎo)致設(shè)計及制造成本的大幅增加?？紤]在長期使用導(dǎo)致變形后的可維修性，雙梁式門架顯著優(yōu)于單梁式門架，但雙梁式門架設(shè)計會大幅提高加工成本。高昂成本導(dǎo)致的高售價可能使造船企業(yè)在小組立焊接自動化改造過程中望而卻步。

3.2 模型與現(xiàn)場工件的匹配度

離線編程過程不僅對配套硬件的模型與實際生產(chǎn)加工完畢的設(shè)備匹配程度要求較高，而且對現(xiàn)場工件的判斷完全依賴輸入模型，對模型與現(xiàn)場工件的匹配度要求更高。在部分造船企業(yè)采用的設(shè)計流程中，三維模型通常不包含全部的加工細(xì)節(jié)，而三維圖紙對工件部分細(xì)節(jié)的缺失很可能導(dǎo)致機器人判斷失誤。切板、畫線、點固等前道工序造成的隨機誤差逐步累積，可能導(dǎo)致運抵焊接工位的工件與原始模型的偏差超出離線編程的容許范圍。

3.3 焊接過程的實時調(diào)整

在人工焊接過程中，經(jīng)驗豐富的焊工可根據(jù)熔池形成等工件現(xiàn)狀，實時調(diào)整焊接方案或參數(shù)。對于批量施焊的機器人而言，隨機誤差造成的影響只能通過擴大焊接容錯率加以規(guī)避，而常規(guī)離線編程方案容錯率往往較低。

3.4 焊接過程的實時調(diào)整

與人工焊接和示教焊接相比，現(xiàn)有的離線編程在必需勞動時長方面的提升仍較為有限。盡管不再大量需要熟練焊工，但焊接軌跡及工藝規(guī)劃仍重度依賴離線編程人員及操作人員根據(jù)現(xiàn)有模型針對各焊縫逐條進(jìn)行編輯，編程過程雖無須停機進(jìn)行等待，但焊縫規(guī)劃工作仍需要在施焊前花費熟練工大量的工作時間。

4 門式機器人焊接系統(tǒng)的發(fā)展方向

基于門式機器人焊接系統(tǒng)的應(yīng)用難題，促進(jìn)我國船舶小組立焊接的自動化、數(shù)字化、流水線化普及過程，需要編程方式由第二代的離線編程向第三代的自主編程逐步邁進(jìn)。自主編程通過多傳感器的信息融合，無須模型輸入，可根據(jù)點云識別自動完成工件建模、焊縫識別及規(guī)劃，確保焊接方案符合現(xiàn)場工件的實際情況。根據(jù)傳感器閉環(huán)控制及熔池質(zhì)量的圖像識別，在施焊過程中確保對焊縫的精確跟蹤，以確保對焊接質(zhì)量的精準(zhǔn)把控。因此，自主編程方式可在一定程度上降低對硬件加工、裝配精度及現(xiàn)場焊件與圖紙匹配度的要求。自主編程技術(shù)的發(fā)展雖暫時無法完全滿足投產(chǎn)需要，但可通過在基于離線編程的門式機器人焊接系統(tǒng)內(nèi)集成滿足上述功能的傳感器，以降低模型與現(xiàn)場工件的匹配度要求，提升機器人焊接容錯率及焊縫質(zhì)量。

5 結(jié) 語

日韓等國造船企業(yè)在造船關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)已全面實現(xiàn)數(shù)字化，正向智能化方向發(fā)展，而目前我國只是在某些作業(yè)環(huán)節(jié)的單機方面達(dá)到數(shù)字化，大多作業(yè)環(huán)節(jié)仍靠手工作業(yè)。我國應(yīng)以智能制造為主攻方向，并將海洋工程裝備與高技術(shù)船舶作為十大重點領(lǐng)域之一。隨著機器人焊接技術(shù)的快速發(fā)展，該技術(shù)在船舶制造領(lǐng)域的應(yīng)用得到廣泛關(guān)注。小組立結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)量巨大，非常適合通過離線編程技術(shù)建造機器人裝焊流水線進(jìn)行生產(chǎn)。近年來，門式小組立機器人焊接系統(tǒng)已逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工焊接，開始在國內(nèi)各大造船企業(yè)投入應(yīng)用。基于小組立構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點，門式焊接系統(tǒng)搭配離線編程這一模式無疑是較合適小組立焊接的自動化、數(shù)字化解決方案。