船舶中組立結(jié)構(gòu)機(jī)器人焊接工藝參數(shù)規(guī)劃

喻天祥，祁 超,2，王冬梅，劉 堅(jiān)，成宇韜,2

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032;2.船舶智能制造國家工程研究中心，上海 200032)

0 引 言

近年來，面對(duì)國內(nèi)外的競(jìng)爭(zhēng)壓力，我國越來越多的船舶企業(yè)意識(shí)到數(shù)字化建設(shè)與智能制造升級(jí)的重要性，必須加快推動(dòng)智能化技術(shù)與船舶制造技術(shù)融合，積極尋求突破，持續(xù)優(yōu)化造船工藝流程，加快中間產(chǎn)品智能生產(chǎn)線建設(shè)，將智能制造作為轉(zhuǎn)型升級(jí)和提質(zhì)增效的重點(diǎn)方向。大力推動(dòng)船舶智能制造、提升船舶建造質(zhì)量和效率、降低成本和資源能源消耗是增強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)力的有效途徑。應(yīng)以數(shù)字化設(shè)計(jì)為源頭、以數(shù)字工業(yè)軟件系統(tǒng)為支撐、以自動(dòng)化/智能化設(shè)備為手段，通過廣泛應(yīng)用智能加工裝備，加快提升船舶建造效率，降低資源消耗，最終達(dá)到降低成本、提升競(jìng)爭(zhēng)力的目標(biāo)。研究機(jī)器人焊接工藝參數(shù)規(guī)劃技術(shù)，是研制船舶中組立結(jié)構(gòu)機(jī)器人焊接裝置的重要環(huán)節(jié)之一。

1 背景分析

在將機(jī)器人焊接技術(shù)應(yīng)用于船舶復(fù)雜結(jié)構(gòu)的自動(dòng)焊接過程中，機(jī)器人焊接工藝的自動(dòng)匹配是重要環(huán)節(jié)。在半自動(dòng)人工干預(yù)情況下，需要結(jié)合焊縫周圍的零件結(jié)構(gòu)形式，對(duì)焊接構(gòu)件每條焊縫的焊接工藝進(jìn)行設(shè)置，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且不夠精確。在離線編程環(huán)境下，設(shè)計(jì)算法對(duì)焊縫的關(guān)聯(lián)零件特征進(jìn)行識(shí)別，結(jié)合焊接工藝參數(shù)庫，可自動(dòng)生成焊縫的合理焊接工藝參數(shù)，提升機(jī)器人自動(dòng)化焊接的效率和焊接質(zhì)量。

針對(duì)面向船舶焊接工藝規(guī)劃的參數(shù)規(guī)則匹配方法進(jìn)行研究闡述，對(duì)焊接工藝規(guī)劃的特點(diǎn)進(jìn)行分析，對(duì)基于零件焊縫的特征進(jìn)行焊接工藝設(shè)計(jì)的技術(shù)過程進(jìn)行梳理。在設(shè)置焊縫特征與工藝參數(shù)之間的匹配規(guī)則、提取工件及焊縫信息、提取焊縫特征和按規(guī)則匹配焊縫特征得到工藝參數(shù)等方面進(jìn)行探討。機(jī)器人焊接工藝規(guī)劃的相關(guān)零件、模型和焊縫信息源于設(shè)計(jì)系統(tǒng)，利用接口軟件從設(shè)計(jì)軟件中提取工件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，加以分析處理，以滿足機(jī)器人在虛擬環(huán)境中完成工件焊接工藝規(guī)劃的需要，并在離線環(huán)境中預(yù)覽和基于規(guī)則生成工藝參數(shù)，生成的焊接程序支撐現(xiàn)場(chǎng)焊接裝備的高效執(zhí)行，提升現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行效率及焊接質(zhì)量。

2 工件及焊縫信息處理

設(shè)計(jì)模型和工藝數(shù)據(jù)是機(jī)器人焊接工藝參數(shù)規(guī)劃的輸入，在進(jìn)行工藝參數(shù)規(guī)劃前，需要從設(shè)計(jì)系統(tǒng)中導(dǎo)出設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。目前在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的設(shè)計(jì)軟件為AM、Tribon、船舶產(chǎn)品設(shè)計(jì)(Ship Product Design,SPD)和CATIA等，這些設(shè)計(jì)軟件主要是進(jìn)行船舶產(chǎn)品的生產(chǎn)設(shè)計(jì)，包括船體結(jié)構(gòu)、輪機(jī)、電氣、設(shè)備和舾裝等各個(gè)專業(yè)。在通過設(shè)計(jì)系統(tǒng)完成生產(chǎn)設(shè)計(jì)后，設(shè)計(jì)模型和工藝信息包羅萬象。隨著智能制造裝備在生產(chǎn)環(huán)節(jié)的應(yīng)用，智能化裝備對(duì)設(shè)計(jì)模型和工藝信息的要求更高，設(shè)計(jì)直接輸出的模型和工藝信息不可直接使用，需要進(jìn)行二次處理。根據(jù)機(jī)器人智能化焊接的需要，重點(diǎn)對(duì)焊縫相關(guān)的零件屬性、裝配關(guān)系和空間位置等進(jìn)行提取，理清焊縫與零件、零件與零件間的空間拓?fù)潢P(guān)系，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的工藝試驗(yàn)，針對(duì)典型特征的焊縫進(jìn)行歸類，形成工藝參數(shù)庫，基于焊縫和零件特征匹配焊接工藝。

工件及焊縫信息處理過程可分為模型工藝信息提取、焊縫關(guān)聯(lián)的模型特征歸類、工藝信息的表達(dá)與管理、工藝信息與模型的關(guān)聯(lián)等具體工作。三維模型作為工藝信息的載體，進(jìn)行機(jī)器人焊接工藝規(guī)劃?；谌S模型的工藝交互，使特征信息的表達(dá)更為充分和直觀，焊縫及關(guān)聯(lián)模型通過幾何形狀信息展示，所見即所得，更便捷地進(jìn)行工藝信息的編輯。在完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑及工藝參數(shù)規(guī)劃后的仿真環(huán)節(jié)，三維圖形便于進(jìn)行工藝決策，對(duì)焊接過程的工藝過程進(jìn)行優(yōu)化分析，如調(diào)整機(jī)器人焊接姿態(tài)和優(yōu)化復(fù)雜構(gòu)件中的焊縫焊接作業(yè)順序等。

3 焊接工藝數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

機(jī)器人焊接工藝數(shù)據(jù)庫包含導(dǎo)入的模型信息、典型特征的焊接工藝參數(shù)和工藝參數(shù)匹配規(guī)則等。模型信息源于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Gomputer Aided Design,CAD)系統(tǒng)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試件反復(fù)多次試驗(yàn)形成典型特征的最優(yōu)工藝參數(shù)，基于模型進(jìn)行焊縫關(guān)聯(lián)零件的特征梳理，基于特征表達(dá)焊縫的工藝。焊接工藝數(shù)據(jù)庫構(gòu)建流程如圖1所示。焊接工藝數(shù)據(jù)庫構(gòu)建包括模型的零件數(shù)據(jù)、焊縫數(shù)據(jù)、焊縫隊(duì)列、焊縫節(jié)點(diǎn)、隔板索引信息、隔板輪廓三維數(shù)據(jù)信息和型材端部三維數(shù)據(jù)信息等[1-2]。

4 焊縫特征智能化識(shí)別

焊縫特征是用于工藝參數(shù)匹配的依據(jù)，焊縫特征分為設(shè)計(jì)屬性和計(jì)算特征。

4.1 設(shè)計(jì)屬性

設(shè)計(jì)屬性為焊縫在設(shè)計(jì)時(shí)已確定的屬性，通常可從設(shè)計(jì)軟件中抽取，主要設(shè)計(jì)屬性如表1所示，其中：contour類型為復(fù)合類型，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1 焊縫設(shè)計(jì)屬性

圖2 contour類型

4.2 計(jì)算特征

計(jì)算特征為對(duì)焊縫輪廓及焊縫關(guān)聯(lián)零件進(jìn)行分析后得到的焊縫特征，焊縫主要計(jì)算特征如表2所示，其中：焊縫長(zhǎng)度為焊縫每一段長(zhǎng)度之和；焊接位置使用ISO 6947規(guī)范表示；延伸形式為父板與連接板連接時(shí)的延伸關(guān)系，如圖3所示；端部遮擋零件為焊縫端部存在零件遮擋，如圖4所示；端部開孔尺寸為焊縫父板端部存在開孔，如圖5所示。

圖4 端部遮擋示例

圖5 端部開孔示例

表2 焊縫計(jì)算特征

圖3 延伸形式示例

計(jì)算特征識(shí)別可通過對(duì)設(shè)計(jì)軟件提供的幾何信息進(jìn)行計(jì)算后得出，以焊接位置為例，其計(jì)算步驟如下：

(1)建立用戶坐標(biāo)系，在工件上選取底面，在底面上選取一點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)O，沿工件底面的一邊選取一點(diǎn)作為x+方向，沿工件底面與該邊相鄰的另一邊選取一點(diǎn)作為y+方向，確定原點(diǎn)、x軸和y軸，進(jìn)而確定坐標(biāo)系。

(2)將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中的所有點(diǎn)位坐標(biāo)經(jīng)矩陣變換轉(zhuǎn)換至用戶坐標(biāo)系下。

(3)按焊縫的起終點(diǎn)確定焊縫方向向量W，將焊縫方向向量投影至用戶坐標(biāo)系的xOy平面W′，計(jì)算W與W'的夾角α，若α=90°則位置為PF，若α=-90°則位置為PG，若α=0°或α=180°則需要通過步驟4進(jìn)一步判斷。

(4)計(jì)算父板正對(duì)焊縫一面的法向量Vp，計(jì)算連接板正對(duì)焊縫一面的法向量Vc，計(jì)算Vp與Vc的夾角β，若β=0°則位置為PA，若β=45°則位置為PB，若β=90°則位置為PC，若β=135°則位置為PD，若β=180°則位置為PE。

5 基于特征的焊縫焊接工藝匹配

在機(jī)器人焊接工藝數(shù)據(jù)庫中，工藝參數(shù)與焊縫特征的匹配關(guān)系通過工藝規(guī)則存儲(chǔ)，工藝規(guī)則是工藝知識(shí)的一種體現(xiàn)形式。常見的知識(shí)表示方法為狀態(tài)空間法、問題規(guī)約法、謂詞邏輯法、語義網(wǎng)絡(luò)法、框架表示和本體技術(shù)[3]，不同的表示方法用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。所用的工藝規(guī)則使用謂詞邏輯法表示。

謂詞邏輯允許表達(dá)那些無法用命題邏輯表達(dá)的事情。一階謂詞驗(yàn)算的根本目的在于將數(shù)學(xué)中的邏輯論證符號(hào)化。謂詞邏輯的基本組成部分是謂詞符號(hào)、變量符號(hào)、函數(shù)符號(hào)和常量符號(hào)[4]，為方便文本記錄及程序處理，使用一種基于S表達(dá)式(s-expression)表述謂詞邏輯的語法。S表達(dá)式是指一種以人類可讀的文本形式表達(dá)半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的約定，由John McCarthy提出并以在Lisp家族編程語言中的使用而為人所知[5]。

所用表達(dá)式的基本語法形式可采用圖6的巴科斯范式(Backus-Naur Form,BNF)(1～5)表示。

圖6 表達(dá)式語法

以焊接速度的設(shè)置規(guī)則為例，存在1條焊接規(guī)則：焊接板厚為8 mm的角焊縫需要設(shè)置焊接速度為3.9 mm/s。該規(guī)則的表達(dá)式為(If(And(=Thickness1 8)(=Position "PB"))(SetSpeed 3.9))。使用表達(dá)式表示的規(guī)則具有良好的可讀性，便于維護(hù)，表達(dá)式語法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單非常適合程序解析處理。

6 結(jié) 語

船舶中組立結(jié)構(gòu)機(jī)器人焊接工藝參數(shù)規(guī)劃需要明確機(jī)器人智能化焊接對(duì)工藝數(shù)據(jù)的需求，突破工藝數(shù)據(jù)基于特征智能化匹配的關(guān)鍵技術(shù)，形成機(jī)器人工藝參數(shù)規(guī)劃的規(guī)則庫，并基于特征表達(dá)進(jìn)行模型及零件焊縫數(shù)據(jù)的提取與組織，通過基于規(guī)則的機(jī)器人焊接工藝參數(shù)的智能匹配，最終實(shí)現(xiàn)船舶中組立結(jié)構(gòu)機(jī)器人焊接裝置更好落地，支撐船舶加工智能制造裝備高效連續(xù)均衡生產(chǎn)，促進(jìn)船舶企業(yè)的智能制造轉(zhuǎn)型升級(jí)。