船體構件自由邊圓角打磨機器人系統(tǒng)研制

孫宏偉 王興華/中國船舶集團有限公司第七一六研究所

鋼板作為船舶原材料，經切割和成型，得到不同形狀規(guī)格的構件。構件作為重要的產品組成全覆蓋于船舶海洋工程領域。隨著船舶建造行業(yè)對加工制造的質量程度與生產效率要求的日益提升，作為重要加工環(huán)節(jié)的構件自由邊銑邊打磨一直以來完全依賴人工進行。同時，由于構件需要進行雙面打磨，無形中又增加了人工搬運和翻面等重體力勞動，特別是具有復雜形狀的構件自由邊，受限于構件的特點和構件切割形成的高硬度切割表面影響，傳統(tǒng)人工手持倒角機銑邊打磨誤差大，整體效率低。少數國外企業(yè)花重金采用大型數控機床式打磨設備對構件自由邊進行圓角打磨，但適應構件類型少、對前序構件切割質量要求嚴格、設備成本高等缺點，阻礙了數控機床式打磨設備的應用推廣。

通過研究船體構件圓角銑邊打磨原理，我們研制出一種基于工業(yè)機器人的柔性打磨系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠適應不同類型、種類以及一定切割坡口的構件，具有很好的實用價值。

船體構件加工現(xiàn)狀

壓載艙、淡水艙等部分的組立加工需要將組立構件自由邊進行倒圓角打磨處理，通常倒角半徑2-3毫米。操作工不但要手持倒角機進行人工自由邊倒角打磨，通常伴隨著人工對構件進行翻面，工作量十分巨大。同時，由于構件的類型多樣、打磨精度要求高，以往的自動化加工設備因為種種的瓶頸問題而使設備使用受限。主要包括以下問題，如表1所示。

表1 自動化加工瓶頸問題表

自由邊圓角打磨機器人系統(tǒng)研制

系統(tǒng)功能及原理

自由邊圓角打磨機器人系統(tǒng)（以下簡稱：打磨機器人系統(tǒng)）是針對船體構件自由邊打磨加工的新型設備，其多維感知與在線特征重建等設計思路，為智能化柔性打磨提供關鍵支撐。通過柔性打磨頭集成氣動阻尼裝置突破了低負載機器人系統(tǒng)的剛性接觸打磨難題?？筛鶕蚰卧K化配置，實現(xiàn)替代人工應用于不同類型構件自由邊打磨場景的功能。

工作原理：機器人打磨系統(tǒng)在執(zhí)行打磨任務之前，首先將構件逐個碼放到基座上（尺寸為2.2米×2米），構件邊緣保持在基座內，方向大致一致，水平放置。將構件碼放完成的基座運送到機器人打磨系統(tǒng)的上料區(qū)域，上料機器人上的3D視覺裝置確定待拾取構件位置并在線重建出完整的構件輪廓特征，根據構件輪廓搜索匹配設計模型庫中的對應圖紙，解析出自由邊位置。上料機器人規(guī)劃相應位姿拾取構件，同時氣動夾爪收縮將構件夾緊保持后，將構件放入打磨治具臺上。打磨治具臺分為左右工位，左右工位都對應有升降電機根據輪廓特征調整構件合適位置。定位機構壓緊構件，橫移電機帶動構件移動到指定打磨位置。治具臺下方預留粉塵回收裝置，便于收集打磨粉塵。打磨機器人運動，位置傳感器采集構件位置數據，確定構件平面，打磨機器人上搭載的線激光視覺傳感器根據上料階段的構件輪廓自動轉換為構件自由邊的掃描軌跡，同時驅動打磨機器人搭載線激光視覺傳感器對自由邊進行精確掃描，從而確定打磨的精確路徑軌跡，引導打磨機器人按軌跡進行打磨，同時獲取六維力控裝置采集的反作用力信息，根據力的大小調整接觸氣動阻尼狀態(tài)，從而實現(xiàn)構件的柔性打磨。打磨機器人配有刀庫，實現(xiàn)自動換刀功能，提升打磨效率。打磨的同時，右邊上料機器人按同樣的步驟將構件拾取到右邊打磨治具臺上，待到左邊構件打磨結束后，右邊打磨治具臺進行打磨作業(yè)，從而實現(xiàn)了循環(huán)打磨。

設備構成

機器人系統(tǒng)主要由上下料系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、輸送單元、機器人打磨單元和配套的電氣控制系統(tǒng)、安全防護系統(tǒng)、信息化綜合管控系統(tǒng)組成。

設備結構特性描述

機器人打磨系統(tǒng)（見圖 1）主要包括上下料機器人、安裝在上下料機器人上的3D視覺裝置、打磨機器人、線激光視覺傳感器、六維力控裝置、柔性打磨裝置、打磨治具臺、料盤、換刀庫以及控制系統(tǒng)構成。

圖1 機器人打磨系統(tǒng)總體圖

上下料機器人：1、打磨機器人 2、線激光視覺傳感器 3、六維力控裝置 4、打磨裝置 5、打磨治具臺 6、料盤 7、圓弧板 8、換刀庫 9以及控制裝置 10、底座63

上下料機器人共有兩臺，用于將料盤中構件自動拾取并放置在打磨治具臺上的固定位置，以及將打磨完畢的構件放置到料盤內。打磨機器人用于帶動線激光視覺傳感器、六維力控裝置、柔性打磨裝置實現(xiàn)對打磨治具臺上構件的自動化打磨作業(yè)。線激光視覺傳感器用于根據上料階段得到的構件輪廓軌跡掃描構件自由邊，從而獲得精確的打磨軌跡。六維力控裝置用于采集柔性打磨裝置對于構件自由邊打磨過程中接觸力的大小。柔性打磨裝置用于實現(xiàn)對構件自由邊的柔性打磨，同時避免接觸反作用力對打磨機器人的剛性沖擊。打磨治具臺用于夾緊、吸附構件在指定位置，避免打磨干涉。料盤由四個工作料盤組成，用于裝載和運輸構件。換刀庫用于打磨刀具的自動更換。

技術創(chuàng)新點

一種新的混合感知與數據驅動機制，解決構件尺寸不標準、切割質量不統(tǒng)一、自由邊位置不固定造成的自動化作業(yè)難題。

構件的種類、加工誤差、打磨位置對打磨設備的柔性程度和現(xiàn)場適應能力提出了極高的要求。因此，設備創(chuàng)新性的采用一種混合感知與數據驅動機制，將大場景3D傳感技術、自主激光掃描技術、力/位混合控制、PLM圖紙解析技術、視覺檢測技術相統(tǒng)一，打通數據傳輸鏈路，實現(xiàn)從構件來料自主識別拾取、構件打磨工藝參數自動調用、自由邊掃描軌跡自動生成、打磨路徑自主引導、刀刃缺陷自動檢測、刀具自動更換等全流程自主作業(yè)模式，真正意義上實現(xiàn)了高質量、智能化、柔性打磨作業(yè)。

圖2 打磨效果

應用案例

船體構件自由邊圓角打磨機器人系統(tǒng)，經過一年多時間的改進和調試，系統(tǒng)實際構件倒角打磨效果良好，打磨質量遠高于人工，性能穩(wěn)定。2022年8月在大連船舶重工集團公司分段車間正式投入生產使用，實踐證明相較于人工打磨和數控機床式打磨作業(yè)方式，機器人打磨系統(tǒng)的性能和價格具有突出優(yōu)勢。

結論

通過建設船體構件自由邊圓角打磨機器人系統(tǒng)，實現(xiàn)了構件自由邊人工打磨向智能化無人打磨作業(yè)模式的轉變，徹底解決了以往人工作業(yè)帶來的問題，整體作業(yè)效率明顯提升；在相同生產要求下，工作站整體成本較數控機床式裝備下降約50%，解決了人工翻板面臨的安全與效率難題，具備很高的性價比；設備能夠適應構件多品種、小批量的特點，不同類型的構件圓角打磨可實現(xiàn)自主切換;設備特有的柔性打磨工藝使打磨速率最高可達50毫米/秒，與數控機床式相當，較人工作業(yè)效率提高近30%，同時，打磨質量嚴格滿足國際PSPC要求;方便添加新品種構件，配置簡單，無須示教和軟件開發(fā)，生產柔性度高;支持國內主流的MES、DTMS信息化系統(tǒng)的深度定制，方便接入信息化車間網絡，從而實現(xiàn)生產過程的實時監(jiān)控與優(yōu)化。