楊 帥， 鄭惠錦， 蘇娟娟， 甘 露

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

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船舶典型板架結(jié)構(gòu)機(jī)器人焊接系統(tǒng)

楊 帥， 鄭惠錦， 蘇娟娟， 甘 露

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

針對船舶典型板架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，傳統(tǒng)焊接機(jī)器人無法進(jìn)行高效率運(yùn)用的現(xiàn)狀，開發(fā)出一種無需人工示教編程的全自動機(jī)器人焊接系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化非示教編程技術(shù)，通過激光掃描來獲取結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，經(jīng)過后臺計(jì)算得到焊縫具體位置及起止點(diǎn)。整個焊接過程無需人工干預(yù)，機(jī)器人系統(tǒng)可自動尋找焊縫并進(jìn)行焊接，包括平角焊、立角焊、包角焊、圓弧焊等多個復(fù)雜位置焊縫。該機(jī)器人系統(tǒng)適用于船舶典型板架結(jié)構(gòu)的焊接，解決了傳統(tǒng)焊接機(jī)器人無法焊接裝配精度不高、無工裝夾具、焊縫短且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件的問題。

機(jī)器人焊接；船舶；典型板架結(jié)構(gòu)；非示教編程

0 引言

隨著工業(yè)4.0和《中國制造2025》的提出，生產(chǎn)制造行業(yè)大力發(fā)展自動化、智能化制造技術(shù)，而其中最具代表性的設(shè)備就是機(jī)器人[1]。機(jī)器人具有精準(zhǔn)度高、可重復(fù)性強(qiáng)、效率高等優(yōu)勢，既可改善產(chǎn)品質(zhì)量，又能提升產(chǎn)量，還能解決人力成本高等一系列問題，機(jī)器人的應(yīng)用必將日益得到重視[2]。

目前，在生產(chǎn)制造中應(yīng)用的機(jī)器人多為手臂式機(jī)器人，可用于搬運(yùn)、噴漆、焊接等。其中，焊接機(jī)器人多用于汽車、家電等行業(yè)。這些行業(yè)產(chǎn)品的特點(diǎn)為模塊化程度高、裝配精度高、批量大、產(chǎn)品尺寸較小，而船舶行業(yè)結(jié)構(gòu)多為大型部件，具有結(jié)構(gòu)形式多樣，焊縫種類多，裝配精度差等特點(diǎn)，如圖1所示。因此，傳統(tǒng)的焊接機(jī)器人應(yīng)用于船舶制造難度較大。

圖1 船舶典型板架結(jié)構(gòu)

1 工作原理及核心設(shè)備

1.1 工作原理

根據(jù)船舶復(fù)雜板架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制定新型焊接機(jī)器人系統(tǒng)。首先，通過建模方式，將多種不同的格子間類型、焊縫形式、焊道數(shù)量等信息集成到機(jī)器人系統(tǒng)，并規(guī)劃焊接路徑。在機(jī)器人落位后，先選定需要進(jìn)行焊接的格子間類型，根據(jù)工藝要求選擇焊接參數(shù)。焊接啟動后，機(jī)器人采用激光掃描的方法獲得焊縫具體位置及起止點(diǎn)，掃描完畢后，機(jī)器人按照前期規(guī)劃的焊接順序進(jìn)行自動焊接，并采用弧壓跟蹤的方式實(shí)時調(diào)整焊接路徑，進(jìn)一步保證焊縫位置的精準(zhǔn)，以獲得良好的焊接質(zhì)量。完成一個格子間的焊接后，機(jī)器人自動移動到下一個格子間進(jìn)行焊接。圖2為焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)的控制界面。

圖2 焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)的控制界面

上述工作原理的實(shí)現(xiàn)，其關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)化非示教編程技術(shù)。結(jié)構(gòu)化非示教編程技術(shù)理論上適用于結(jié)構(gòu)化工件類型的產(chǎn)品。結(jié)構(gòu)化工件指的是每種工件都可以歸類于幾類工件中的某一類，每一類的所有工件，除了尺寸不一樣外，其他參數(shù)都一樣。

結(jié)構(gòu)化非示教離線編程技術(shù)有以下特點(diǎn)：(1) 基于工件特征自動創(chuàng)建焊縫路徑；(2) 一鍵操作機(jī)器人掃描焊接工件；(3) 修改實(shí)際工件尺寸參數(shù)；(4) 集成焊接參數(shù)的管理；(5) 多個工件共同焊接；(6) 模板文件的生產(chǎn)和管理；(7) 單臺機(jī)器人的控制；(8) 多臺機(jī)器人的控制；(9) 離線與在線程序無縫銜接。

1.2 核心設(shè)備

機(jī)器人焊接系統(tǒng)核心設(shè)備主要由機(jī)械手臂、焊接電源、激光掃描裝置和控制柜組成。

1.2.1 機(jī)器人系統(tǒng)

包括6軸機(jī)械手臂、控制柜、焊接電源及相關(guān)配套軟件，可實(shí)現(xiàn)接觸尋位、多層多道焊接、弧壓跟蹤等多種功能。圖3為機(jī)器人系統(tǒng)。

圖3 機(jī)器人系統(tǒng)

1.2.2 導(dǎo)軌

在6軸機(jī)械手臂的基礎(chǔ)上，再加入一個外部軸，即導(dǎo)軌，可使機(jī)器人在焊接完一個格子間后，自動移動到下一個格子間進(jìn)行焊接，極大地提高了效率。通過控制系統(tǒng)的優(yōu)化，可保證移動位置的精準(zhǔn)。導(dǎo)軌采用模塊化設(shè)計(jì)，可適應(yīng)不同的焊接長度要求。

1.2.3 激光掃描系統(tǒng)

機(jī)器人系統(tǒng)集成激光掃描裝置，可尋找格子間

內(nèi)部結(jié)構(gòu)相應(yīng)焊縫位置，并通過后臺計(jì)算，規(guī)劃出焊縫起止點(diǎn)。圖4為激光掃描過程。

圖4 激光掃描

2 焊接工藝及實(shí)施效果

人工焊接容錯率高，對于裝配精度以及焊縫中的突變等要求不高，可根據(jù)情況的改變隨時調(diào)整焊接手法、焊接速度等；而機(jī)器人焊接過程穩(wěn)定，不受人為因素干擾，但機(jī)器人焊接只能根據(jù)前期設(shè)定的工藝路徑及焊接參數(shù)進(jìn)行焊接，對裝配精度要求較高。

本機(jī)器人系統(tǒng)綜合考慮人工焊接與普通機(jī)器人焊接的優(yōu)缺點(diǎn)，針對船舶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、機(jī)器人的可達(dá)性及姿態(tài)變換等問題，制定專用于船舶板架結(jié)構(gòu)的機(jī)器人焊接工藝以及圓角過渡、搭接過渡和包角焊等工藝，以保證焊接質(zhì)量。

2.1 焊接工藝參數(shù)

試驗(yàn)板架結(jié)構(gòu)材料為普通船A級鋼，厚度為12 mm，焊接方法為CO2氣體保護(hù)焊，焊接位置包括平、立等，通過焊接工藝試驗(yàn)，確定機(jī)器人焊接具體工藝參數(shù)如表1和表2所示。

表1 平角焊工藝參數(shù)

表2 立角焊工藝參數(shù)

裝配間隙0～1 mm時，機(jī)器人焊接參數(shù)與人工焊接相近，焊接質(zhì)量良好，焊縫表面無氣孔、咬邊等缺陷，焊縫成形良好；裝配間隙1～5 mm時，焊接工藝參數(shù)調(diào)整幅度較大，并且機(jī)器人焊槍擺弧、擺長和角度也需要做相應(yīng)的調(diào)整。

2.2 位置可達(dá)性

機(jī)器人共有6個軸，每個軸具有一定的可達(dá)性。當(dāng)需要焊槍以最好的姿態(tài)到達(dá)一些特殊位置時，相關(guān)軸可能會超出自身可達(dá)范圍，這時就需要手動調(diào)整其他軸來配合，或者以犧牲焊槍姿態(tài)來保證焊槍的可達(dá)性。當(dāng)這種情況出現(xiàn)時，需要通過調(diào)整焊接工藝來保證焊接質(zhì)量。

2.3 圓角過渡

典型板架結(jié)構(gòu)補(bǔ)板焊接時，從立角焊轉(zhuǎn)成平角焊的過程中，由位置A→位置B時(見圖5)，有一個圓角過渡，此時焊槍角度變化較大，機(jī)器人需在短時間內(nèi)大幅度調(diào)整姿態(tài)。在此過程中，很難保證焊接質(zhì)量，需做相應(yīng)的工藝優(yōu)化試驗(yàn)驗(yàn)證。本系統(tǒng)通過驗(yàn)證采用補(bǔ)板的立角焊、平角焊分開焊接，在圓角處重疊熄弧點(diǎn)，獲得了成形良好的焊縫，實(shí)現(xiàn)圓角焊的平穩(wěn)過渡。

圖5 圓角過渡

焊接圓角焊時，容易出現(xiàn)余高過高的缺陷，機(jī)器人系統(tǒng)采用調(diào)整熄弧工藝避免此類缺陷的產(chǎn)生。

2.4 搭接過渡

在補(bǔ)板與肋板連接處的平角焊，從位置A→位置B→位置C(見圖6)，同樣由于焊槍角度變化過大、過快，導(dǎo)致在搭接焊位置處容易出現(xiàn)虛焊問題。本系統(tǒng)采用在焊接前1道立角焊時，于起弧處(B位置)稍作停留，這樣在焊接平角焊，焊槍再次通過B位置時，可解決由于焊槍角度變化過大、過快導(dǎo)致的B位置虛焊問題，保證焊縫飽滿。

圖6 搭接過渡

2.5 包角焊

船廠在包角焊施工時極易出現(xiàn)缺陷焊縫。機(jī)器人焊接時，不但由于焊槍角度變化問題會產(chǎn)生缺陷，也會由于工藝原因?qū)е沦|(zhì)量問題。解決此類由位置A→位置B(見圖7)，由位置C→位置D，由位置E→位置F等問題，既需做相應(yīng)的工藝參數(shù)調(diào)整，也需進(jìn)一步調(diào)整焊接路徑，可在相同位置采用2道焊等方式來實(shí)現(xiàn)包角焊。

圖7 包角焊

2.6 焊后效果

如圖8所示，機(jī)器人焊接系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵的包角焊、搭接過渡、圓弧過渡焊等焊接工藝，焊縫成形良好，焊縫質(zhì)量滿足要求。

圖8 焊后質(zhì)量

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

機(jī)器人焊接系統(tǒng)相比人工焊接可極大地提高效率與效益。

(1) 機(jī)器人可24 h連續(xù)作業(yè)。按3班工作制，每班2名工人計(jì)算，可代替6名工人。

(2) 機(jī)器人不會出現(xiàn)由于疲勞、情緒等原因?qū)е碌馁|(zhì)量問題，焊接質(zhì)量穩(wěn)定。若焊接參數(shù)正確，機(jī)器人焊接無需修補(bǔ)，較人工焊接需經(jīng)常修補(bǔ)可節(jié)省20%以上的返修時間。

(3) 操作簡便，1人可操作多臺，極大地節(jié)省人工。工人操作機(jī)器人只需約1 min時間，可根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃、分段大小合理分配時間。

(4) 相比人工焊接，在保證質(zhì)量的前提下，采用機(jī)器人焊接可選用更大的焊接工藝參數(shù)，例如提高焊接電流、焊接電壓、焊接速度，進(jìn)一步提高20%左右的效率。

4 結(jié)論

新型機(jī)器人焊接系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)船舶板架結(jié)構(gòu)的智能化焊接，焊接質(zhì)量可靠，可適應(yīng)0～5 mm的裝配間隙，適用于船廠的實(shí)際生產(chǎn)工作，可極大提高焊接生產(chǎn)效率。

此類船舶智能化焊接系統(tǒng)的優(yōu)勢明顯，在國外一些發(fā)達(dá)造船國家已實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，例如丹麥Inrotech公司開發(fā)的自適應(yīng)中組立機(jī)器人已在德國Meyer船廠實(shí)船應(yīng)用，但在國內(nèi)仍屬于起步階段。這是由于很多造船企業(yè)認(rèn)為船舶智能化焊接系統(tǒng)的一次性投資相較于傳統(tǒng)作業(yè)方式要高，且考慮到國內(nèi)船舶行業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀，對在企業(yè)內(nèi)部實(shí)施的技術(shù)可行性存在疑慮。但考慮現(xiàn)有船舶先進(jìn)制造的發(fā)展趨勢，以及船舶智能焊接系統(tǒng)的綜合效益，逐步在國內(nèi)推廣相關(guān)智能技術(shù)，對于當(dāng)前船舶行業(yè)深度調(diào)整和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級有積極的促進(jìn)作用。

[1] 趙伯楗，曹凌源，鄭惠錦，等.船舶高效焊接工藝及裝備[J].國防制造技術(shù), 2010, 6(3):5-11.

[2] 中國船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會.2015年船舶工業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析[J].船舶與配套，2016，3：54-60.

RobotWeldingSystemforTypicalShipPlateStructures

YANGShuai,ZHENGHuijin,SUJuanjuan,GANLu

(ShanghaiShipbuildingTechnologyResearchInstitute,Shanghai200032,China)

According to the characteristics of the typical ship plate structure, and because the traditional welding robot can not be used efficiently, a kind of automatic robot system with non teaching programming is invented. The structure of non teaching programming technology is used in this system, and structural data is obtained by laser scanning. The specific location of the weld joint and the starting and ending points are calculated by backstage. No manual intervention throughout the welding process, the welding, including fillet welding, vertical fillet welding, bao welding, circular arc welding and other complex weld position can be found and welded automatically by the robot system. The robot system is suitable for the welding of the typical ship plate structure, and solves the problem that the traditional welding robot can not weld joint like the low assembly accuracy, no tooling fixture, short welding joint and complex structure.

robot welding system; ship; typical plate structure; non teaching programming fixture

楊 帥(1985-)，男，工程師，研究方向?yàn)楹附庸に嚰白詣踊?/p>

1000-3878(2017)03-0072-04

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