李成棟,寧飛龍,李 陽(yáng),趙思博,朱柏林,張梓涵

(江蘇海洋大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 連云港 222005)

隨著智能制造時(shí)代的到來(lái),為了能在新一輪科技革命中引領(lǐng)社會(huì)發(fā)展,世界主要制造業(yè)大國(guó)紛紛出臺(tái)相關(guān)政策響應(yīng)社會(huì)變革。例如美國(guó)“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略、德國(guó)“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略、“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略等。中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部于2018年12月印發(fā)《推進(jìn)船舶總裝建造智能化轉(zhuǎn)型行動(dòng)計(jì)劃(2019—2021年)》,文件明確指出,要加速新一代 ICT(information and communications technology)與先進(jìn)造船技術(shù)深度融合,逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化[1]。

焊接作為金屬零部件之間連接的一種重要技術(shù)手段,在工業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位。在船舶建造過(guò)程中焊接所需要的時(shí)間、成本占有很大的比重,船舶自動(dòng)化焊接技術(shù)的高低直接影響船舶建造的質(zhì)量與效率[2]。人工焊接速度通常為40～60 cm/min,而焊接機(jī)器人的焊接速度平均為50～160 cm/min,可見(jiàn)機(jī)器人的焊接效率顯著高于人工焊接。相比傳統(tǒng)焊接,機(jī)器人焊接還具有恒定的焊接參數(shù)、穩(wěn)定的焊接質(zhì)量、良好的外觀等優(yōu)點(diǎn),因此在船舶建造中大規(guī)模應(yīng)用焊接機(jī)器人將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)[3-4]。隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,焊接技術(shù)將朝著智能化方向發(fā)展[5]。

目前國(guó)內(nèi)大部分船舶建造企業(yè)仍以手工焊接為主,相比日韓等發(fā)達(dá)國(guó)家,國(guó)內(nèi)的船舶自動(dòng)化焊接水平整體偏低。本文主要從國(guó)內(nèi)外焊接機(jī)器人在船舶建造中的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀、軟硬件技術(shù)、關(guān)鍵核心技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀方面進(jìn)行闡述,希望能對(duì)國(guó)內(nèi)焊接機(jī)器人的發(fā)展有所幫助。

1 國(guó)內(nèi)外焊接機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外焊接機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀

1.1.1 美國(guó) 1960年美國(guó)研發(fā)出世界上第一個(gè)具有工業(yè)用途的機(jī)器人——尤尼曼特[6],自此開(kāi)啟了機(jī)器人的研發(fā)之旅。20世紀(jì)60年代到70年代美國(guó)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研究進(jìn)展緩慢并且主要集中在大學(xué)及科研機(jī)構(gòu)。究其原因有兩個(gè):一是社會(huì)出現(xiàn)較高的失業(yè)率,導(dǎo)致政府沒(méi)有過(guò)多的資金投入到機(jī)器人研發(fā)中;二是政府對(duì)機(jī)器人應(yīng)用的忽視而沒(méi)有給予相關(guān)政策支持,導(dǎo)致企業(yè)不愿冒險(xiǎn)投入研發(fā)資金。70年代后期政府和企業(yè)對(duì)機(jī)器人應(yīng)用的認(rèn)識(shí)雖有所改觀,但研發(fā)重點(diǎn)主要集中在軍工等領(lǐng)域。直到80年代其他國(guó)家在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域異軍突起,如1988年Unimation公司被瑞士的史陶比爾(Staubli)公司收購(gòu)[7],美國(guó)政府和企業(yè)才感到形勢(shì)嚴(yán)峻,開(kāi)始重視機(jī)器人的研發(fā),通過(guò)制定相關(guān)政策和加大資金投入來(lái)激勵(lì)機(jī)器人的研發(fā)。由于前期技術(shù)積累很快便研發(fā)出帶有視覺(jué)和力覺(jué)的第二代機(jī)器人,并快速占據(jù)美國(guó)60% 的機(jī)器人市場(chǎng)。為了提高船舶建造效率,降低生產(chǎn)成本,美國(guó)洛杉磯造船廠于1983年引進(jìn)CM-T3-566型電弧焊機(jī)器人,以改善阿馮爾造船廠的縱桁和橫梁組裝生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率[8],生產(chǎn)線的引入大大提高了生產(chǎn)效率。20世紀(jì)末美國(guó)軍船研究所提出了一種新型船舶技術(shù)——雙殼船技術(shù)[9]。為了提高這種船舶的制造精度與速度,研究人員提出將傳感器技術(shù)與焊接機(jī)器人相結(jié)合,使操作人員可根據(jù)各種傳感器反饋的數(shù)據(jù),操作六自由度機(jī)械臂上的焊頭在指定分段位置進(jìn)行精準(zhǔn)焊接,使用改進(jìn)的機(jī)器人降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度并大幅提高了船舶的建造速度與精度。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,美國(guó)也誕生了多家機(jī)器人公司,如成立于1992年的波士頓動(dòng)力公司;代表產(chǎn)品如SoptMini機(jī)器人(2019年已進(jìn)入量產(chǎn)階段)、Atlas人形機(jī)器人等(已處于世界領(lǐng)先水平)。圖1為尤尼曼特機(jī)器人示意圖。

圖1 尤尼曼特機(jī)器人示意圖[6]Fig.1 Schematic diagram of the Unimet robot[6]

1.1.2 日本 日本現(xiàn)代化的船舶建造起步也相對(duì)較早,由于日本資源稀缺和人口老齡化問(wèn)題,工業(yè)機(jī)器人一經(jīng)誕生便引起了政府的重視。20世紀(jì)70年代初提出“無(wú)人船廠”概念[10]。日本焊接機(jī)器人的發(fā)展分為3個(gè)階段[11]:① 1970年之前為初期探索。1968年,川崎公司從Unimation公司引進(jìn)機(jī)器人技術(shù),并在第二年實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)[7]。但因處于起步階段,所以研發(fā)的機(jī)器人普遍制造成本高、工作性能不佳。② 70年代中后期到80年代為實(shí)用研究階段。這一時(shí)期日本造船廠主要致力于研發(fā)應(yīng)用于板材裝配和船體焊接的工業(yè)機(jī)器人[12]。③ 80年代中期至今,日本船舶焊接技術(shù)朝著智能化方向發(fā)展。隨著現(xiàn)代化船舶規(guī)格尺寸越來(lái)越大,為解決大尺寸焊件焊接困難的問(wèn)題,日本造船廠研發(fā)出一種由多機(jī)器人協(xié)作的新型焊接系統(tǒng)。如1995年11月日本鋼管津工廠投入使用的小合攏工作站,該工作站占地8×16 m2,通過(guò)中央電腦控制10臺(tái)機(jī)器人協(xié)作,焊接自動(dòng)化程度達(dá)到世界先進(jìn)水平,該工作站的投入使用節(jié)省了大量勞動(dòng)力、降低了勞動(dòng)成本、提高了產(chǎn)品一致性。

目前,機(jī)器人焊接普遍以平面焊接為主,曲面板材的焊接面臨諸多技術(shù)壁壘,為此日本希望將第三代機(jī)器人應(yīng)用于曲面板材焊接中,追求實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化船舶建造[12-13]。日本船舶制造業(yè)正在探索一條依靠智能網(wǎng)聯(lián)和人工智能等先進(jìn)技術(shù)推動(dòng)船舶智能制造的道路[14]。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,日本誕生了享譽(yù)世界的機(jī)器人公司,比如FANUC、安川電機(jī)等。根據(jù)資料顯示,2022年日本提供了全球45%的工業(yè)機(jī)器人,機(jī)器人出口比例達(dá)78%。由此可見(jiàn)日本機(jī)器人的發(fā)展與應(yīng)用處于世界領(lǐng)先水平。目前其焊接機(jī)器人的使用率在全球排名第一。圖2為日立造船株式會(huì)社三維曲面船體外板的機(jī)器人焊接。

圖2 日立造船株式會(huì)社三維曲面船體外板機(jī)器人焊接[9]Fig.2 Robot welding of the outer plate of a three-dimensional curved hull of Hitachi Shipbuilding[9]

1.1.3 韓國(guó) 韓國(guó)作為一個(gè)外向型經(jīng)濟(jì)體,國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要依靠進(jìn)出口貿(mào)易,所以對(duì)海運(yùn)需求較大,這為韓國(guó)走向世界造船強(qiáng)國(guó)奠定了基礎(chǔ)。20世紀(jì)70年代末美國(guó)將國(guó)內(nèi)低附加值的工業(yè)轉(zhuǎn)移到韓國(guó),這不僅促進(jìn)了韓國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也增加了韓國(guó)造船技術(shù)的知識(shí)儲(chǔ)備。20世紀(jì)90年代,韓國(guó)實(shí)行技術(shù)引進(jìn)與自主研發(fā)并行的政策,使韓國(guó)逐步成為僅次于日本的船舶建造強(qiáng)國(guó)[15]。如1995年大宇重工玉浦船廠引進(jìn)新型平面分段生產(chǎn)線,該生產(chǎn)線的投入大幅提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。同年三星重工和現(xiàn)代重工創(chuàng)新性提出將骨材裝配工位、焊接工位與現(xiàn)有平面分段流水線相融合,新的制造工藝有效提高了焊接效率和焊接質(zhì)量。圖3為三星油輪側(cè)壁爬行式焊接機(jī)器人系統(tǒng)。

圖3 三星油輪側(cè)壁爬行式焊接機(jī)器人系統(tǒng)[9]Fig.3 Samsung tanker sidewall crawling welding robot system[9]

為擺脫技術(shù)依賴(lài)并提升自主創(chuàng)新能力,韓國(guó)大宇造船公司投資2 470萬(wàn)美元建立了機(jī)器人研究中心[16]。通過(guò)與研究中心合作韓國(guó)國(guó)立大學(xué)的KamBo等研制出一款用于船體格子間構(gòu)件的輪式智能移動(dòng)焊接機(jī)器人,該機(jī)器人具有體積小巧、質(zhì)量輕的特點(diǎn)[11]。韓國(guó)近年的發(fā)展模式是船舶制造企業(yè)牽頭,重點(diǎn)項(xiàng)目“產(chǎn)、學(xué)、研”相結(jié)合。如2019年韓國(guó)海洋工程研究所和韓國(guó)船級(jí)社牽頭組織,各大高校、研究所參與的韓國(guó)自主水面船舶項(xiàng)目[17]。歷經(jīng)多年發(fā)展韓國(guó)國(guó)內(nèi)誕生了世界著名的造船企業(yè),如現(xiàn)代重工、大宇造船和三星重工等,并且承擔(dān)全球70%的LNG船訂單。正是因?yàn)楣I(yè)機(jī)器人在船舶中的大量應(yīng)用,使造船企業(yè)能夠承擔(dān)如此大量的訂單。

1.1.4 歐洲 20世紀(jì)70年代中期由于日本船舶進(jìn)攻歐洲市場(chǎng)、韓國(guó)造船業(yè)異軍突起,導(dǎo)致歐洲造船業(yè)市場(chǎng)發(fā)生了巨大的變化,同時(shí)該時(shí)期歐洲對(duì)環(huán)境保護(hù)提出較高要求以及勞動(dòng)力成本過(guò)高,導(dǎo)致傳統(tǒng)的造船模式無(wú)法適應(yīng)當(dāng)?shù)卮爸圃鞓I(yè)的發(fā)展,從而造船市場(chǎng)大量東移。隨著工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn),歐洲各國(guó)開(kāi)始重視機(jī)器人研發(fā)工作,并在船舶建造中使用機(jī)器人,以改善勞動(dòng)力不足的現(xiàn)象。如奧地利 IGM機(jī)器人系統(tǒng)公司研制出一套適用于甲板、層板的自動(dòng)焊接流水線及用于豪華客輪、油輪制造的機(jī)器人焊接系統(tǒng),該系統(tǒng)包含10個(gè)機(jī)器人,不僅節(jié)省大量勞動(dòng)力還提高了生產(chǎn)效率。丹麥歐登塞鋼鐵船舶制造公司研制出一種每天可焊接長(zhǎng)度為3 km的B4型焊接機(jī)器人,以完成大噸位、大容量的大型集裝箱船的制作[11]。經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀(jì)的研發(fā),歐洲機(jī)器人普及率僅次于美國(guó)和日本,工業(yè)機(jī)器人質(zhì)量同樣處于世界先進(jìn)水平,誕生了一大批頂尖的機(jī)器人公司,比如瑞典ABB公司、德國(guó)KUKA等。圖4為B4型焊接機(jī)器人。

圖4 B4型焊接機(jī)器人[11]Fig.4 B4 welding robot[11]

1.2 國(guó)內(nèi)焊接機(jī)器人應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀

從國(guó)外焊接機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀可以看出,機(jī)器人焊接在發(fā)達(dá)國(guó)家造船業(yè)中具有較高的普及率,也獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)在此方面起步較晚,早期同樣以技術(shù)引進(jìn)為主。20世紀(jì)70年代初期我國(guó)機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)開(kāi)始興起,“七五”期間將機(jī)器人技術(shù)列入“863”計(jì)劃攻關(guān)項(xiàng)目。從1985年哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)出第一臺(tái)HY-1型焊接機(jī)器人,到1999年由中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)有限公司、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所聯(lián)合開(kāi)發(fā)出HT-100A型點(diǎn)焊機(jī)器人[18],這15年間,我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展實(shí)現(xiàn)了從實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段到工廠應(yīng)用階段的跨越?！熬盼濉逼陂g我國(guó)開(kāi)始大力支持船舶用機(jī)器人的研發(fā)工作,在此之后機(jī)器人的研究進(jìn)入快速發(fā)展階段,各大企業(yè)、高校、研究所等相繼開(kāi)發(fā)出各種用于船舶或附屬設(shè)施建造的機(jī)器人。如由潘際鑾院士團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的無(wú)軌道全位置爬行式弧焊機(jī)器人,可應(yīng)用于艦船、車(chē)輛、大型貯器等大型結(jié)構(gòu)件的焊接[19]。江蘇科技大學(xué)和上海外高橋造船廠于2007年成功研制出了我國(guó)首條管-管、管-法蘭主從自動(dòng)焊接系統(tǒng)[10]。2018年上海外高橋研發(fā)的小組立智能生產(chǎn)線能夠進(jìn)行焊縫位置采集、焊縫自動(dòng)定位以及焊縫跟蹤等。由此可以看出我國(guó)已經(jīng)有能力研發(fā)可實(shí)用的船用焊接機(jī)器人,但造船企業(yè)對(duì)機(jī)器人的整體應(yīng)用與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍處于基礎(chǔ)階段,焊接機(jī)器人的性能仍未能得到造船企業(yè)的廣泛認(rèn)可。目前國(guó)內(nèi)大型船舶制造企業(yè)的焊接機(jī)器人仍然以ABB,FANUL,安川電機(jī),KUKA這四大機(jī)器人家族的產(chǎn)品為主,未來(lái)仍需加大研發(fā)力度,不斷追趕日韓等國(guó),才能逐步提高國(guó)產(chǎn)焊接機(jī)器人的市場(chǎng)占有率。圖5為彎管機(jī)器人工作站。

圖5 彎管機(jī)器人工作站[10]Fig.5 Bending pipe robot welding station [10]

2 焊接機(jī)器人軟硬件技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 硬件技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1.1 機(jī)械本體 隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展,人們對(duì)機(jī)器人提出了高精度、高速度的要求。不但要求機(jī)器人具有良好的控制性能,還要求具有高性能的機(jī)械結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)機(jī)器人存在結(jié)構(gòu)笨重、體積大的不足,未來(lái)的機(jī)器人將在具有足夠的強(qiáng)度、剛度以及較好的動(dòng)態(tài)性能的同時(shí)具有更輕的質(zhì)量。質(zhì)量大會(huì)導(dǎo)致慣性大,進(jìn)而影響機(jī)械臂的機(jī)動(dòng)性能,在頻繁啟停的過(guò)程中不可避免造成機(jī)械振動(dòng),影響精度?，F(xiàn)在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)使用尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化以及拓?fù)鋬?yōu)化這3種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式協(xié)助設(shè)計(jì)師完成機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中拓?fù)鋬?yōu)化具有顯著的優(yōu)勢(shì),這種新型的優(yōu)化方式不受結(jié)構(gòu)初始形狀以及設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)水平的限制,并且還會(huì)得到新穎的機(jī)械結(jié)構(gòu)[20]。但拓?fù)鋬?yōu)化得到的往往是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的曲面造型,在正式定型前需要工程師對(duì)經(jīng)過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次優(yōu)化以提高產(chǎn)品的可加工性。如Kouritem等[21]提出針對(duì)機(jī)械臂上不同部位受到的應(yīng)力不同選用不同的材料,通過(guò)ANSYS軟件應(yīng)力仿真后發(fā)現(xiàn)同等條件下機(jī)械臂質(zhì)量減少35.5%。

船舶建造中要進(jìn)行大量的板材焊接,目前板材裝配一般分為平面裝配法和柵格裝配法。根據(jù)不同結(jié)構(gòu)部位和組件大小,焊接機(jī)器人可分為吊籃式焊接機(jī)器人、移動(dòng)式焊接機(jī)器人、龍門(mén)架式焊接機(jī)器人[22]及其他類(lèi)型焊接機(jī)器人。

(1) 吊籃式焊接機(jī)器人。20世紀(jì)90年代韓國(guó)研發(fā)出一款新型機(jī)器人——吊籃式焊接機(jī)器人。工作時(shí),工程師首先將焊件的焊接工作分割為若干個(gè)區(qū)間,當(dāng)一個(gè)區(qū)間的焊接工作完成后,需要使用專(zhuān)用起重機(jī)將機(jī)器人調(diào)運(yùn)至下一個(gè)工作區(qū)間,在新的區(qū)間焊接機(jī)器人需要利用定位傳感器定位焊縫起點(diǎn)后進(jìn)行焊接,如此往復(fù)直到完成所有區(qū)間的焊接[22]。因?yàn)橹貜?fù)定位及非連續(xù)焊接,因此這種焊接方式焊接效率較低。圖6為大宇船廠的固定式六軸吊籃式焊接機(jī)器人。

圖6 大宇船廠的固定式六軸吊籃式焊接機(jī)器人[23]Fig.6 Fixed six-axis hanging basket welding robot of Daewoo Shipyard[23]

(2) 移動(dòng)式焊接機(jī)器人。吊籃式焊接機(jī)器人在開(kāi)放板的焊接中應(yīng)用廣泛,但不適用于雙層船體結(jié)構(gòu)的焊接。雙層船體由上部板、下部板、主梁、橫向腹板和加強(qiáng)筋構(gòu)成,最后形成一個(gè)狹窄的 U形結(jié)構(gòu)。為解決雙層船體結(jié)構(gòu)的焊接問(wèn)題,Namkug等[24]設(shè)計(jì)了一款移動(dòng)式焊接機(jī)器人,試驗(yàn)表明移動(dòng)式焊接機(jī)器人能提高25%的焊接效率。圖7為德國(guó)邁爾船廠引進(jìn)的360°旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂焊接機(jī)器人。

圖7 360°旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂焊接機(jī)器人[24]Fig.7 Welding robot with 360° rotating manipulator[24]

(3) 龍門(mén)式焊接機(jī)器人。吊籃式和移動(dòng)式焊接機(jī)器人在工作時(shí),可以采用特殊的運(yùn)輸方式,即通過(guò)行車(chē)或起重機(jī),移動(dòng)到指定位置進(jìn)行焊接。這種方式無(wú)法滿(mǎn)足大型船舶結(jié)構(gòu)焊接,因此龍門(mén)式焊接機(jī)器人應(yīng)用而生。20世紀(jì)90年代,日本造船廠第一次將龍門(mén)焊接機(jī)器人應(yīng)用于小合攏生產(chǎn)線,并將其倒置安裝到可沿x,y,z3個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的軌道上[11]。Wang等[25]提出一種龍門(mén)焊接機(jī)器人系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)工件類(lèi)型和位置自動(dòng)識(shí)別、自適應(yīng)機(jī)器人路徑規(guī)劃、焊縫跟蹤等。龍門(mén)式焊接機(jī)器人將移動(dòng)式機(jī)器人與吊籃式焊接機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行結(jié)合,不僅提高了焊接效率,而且能夠完成大型結(jié)構(gòu)件的焊接。

(4) 其他類(lèi)型焊接機(jī)器人?？紤]到大型船舶的尺寸結(jié)構(gòu)特點(diǎn),有學(xué)者提出設(shè)計(jì)一種能夠在外立面上自主爬行焊接的機(jī)器人。如Kermorgant[26]提出的磁履帶式爬行機(jī)器人,能夠在負(fù)重100 kg的條件下沿垂直的剛體表面移動(dòng)。隨著機(jī)器視覺(jué)的發(fā)展,未來(lái)的自適應(yīng)爬行焊接機(jī)器人將會(huì)有更大的發(fā)展空間。

2.1.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力,包括驅(qū)動(dòng)裝置和傳動(dòng)裝置。常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)裝置有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電驅(qū)動(dòng)[27]。3種驅(qū)動(dòng)裝置的優(yōu)點(diǎn)與不足對(duì)比如表1所示。常見(jiàn)的傳動(dòng)裝置有齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、諧波齒輪傳動(dòng)以及帶傳動(dòng)等。

表1 驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)比Table 1 Comparison of drive units

因焊接機(jī)器人對(duì)精度和速度具有較高的要求,因此目前的焊接工業(yè)機(jī)器人基本上采用電驅(qū)動(dòng)裝置。自工業(yè)機(jī)器人出現(xiàn)以來(lái),經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也由最初的電液脈沖馬達(dá)驅(qū)動(dòng)發(fā)展到現(xiàn)在的交流伺服驅(qū)動(dòng)[28]。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有運(yùn)行平穩(wěn)、動(dòng)靜態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)。例如以永磁同步電機(jī)為執(zhí)行元件,采用閉環(huán)控制技術(shù)(矢量控制和正弦波脈寬調(diào)制)的交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是目前廣泛使用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[29]。雖然使用電驅(qū)動(dòng)具有很多優(yōu)點(diǎn),但是由于電驅(qū)動(dòng)高轉(zhuǎn)速、低扭矩的特點(diǎn),因此通常無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng),這就要求必須匹配力矩放大器——傳動(dòng)裝置,兩者共同作用以驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)裝置與傳動(dòng)裝置組合使用會(huì)不可避免地帶來(lái)空間尺寸大、安裝維修困難等問(wèn)題,因此研發(fā)速度高、精度高、體積小的驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有重要的意義。此外機(jī)電一體化也是當(dāng)今驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展的重要方向。將驅(qū)動(dòng)裝置與傳動(dòng)裝置進(jìn)行集成,通過(guò)簡(jiǎn)化傳動(dòng)裝置甚至取消傳動(dòng)裝置,不僅能提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度、可靠性還能減輕質(zhì)量。這也是未來(lái)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的重要方向。美國(guó)Kollmorgen公司于1949年研制的內(nèi)置力矩電機(jī)具有轉(zhuǎn)速低、輸出力矩大的特點(diǎn),這種電機(jī)目前在工業(yè)控制領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的使用。理論上同樣可以滿(mǎn)足大多數(shù)焊接機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)要求, 但在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用仍然受美國(guó)及國(guó)際專(zhuān)利保護(hù),并且目前高端電機(jī)的精密制造難度大,生產(chǎn)成本高。相信未來(lái)隨著科研人員的不斷突破,生產(chǎn)成本逐漸降低,高精度輕型焊接機(jī)器人會(huì)逐步應(yīng)用直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

2.1.3 傳感系統(tǒng) 機(jī)器人通過(guò)傳感系統(tǒng)獲得感知能力,可獲取內(nèi)外環(huán)境狀態(tài)信息。傳感器通過(guò)通信協(xié)議將每個(gè)機(jī)械臂和關(guān)節(jié)的信息傳輸?shù)娇刂茊卧?控制單元通過(guò)收集所有傳感器信息判斷出機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),包括內(nèi)部傳感器和外部傳感器。內(nèi)部傳感器可以獲取機(jī)器人本體的狀態(tài)信息,如速度傳感器、位置傳感器等;外部傳感器可以獲取機(jī)器人所處工作環(huán)境或工作狀態(tài)信息,如力傳感器、觸覺(jué)傳感器、視覺(jué)傳感器等[30-31]。傳感器介紹如表2所示。

表2 傳感器介紹Table 2 Introduction of sensors

在自動(dòng)化焊接機(jī)器人中視覺(jué)傳感器具有重要的作用。視覺(jué)傳感器將攝像機(jī)拍攝的圖片進(jìn)行圖像處理,獲取特征信息,比如面積、重心、長(zhǎng)度、位置等,并將數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出和結(jié)果判斷。其中圖像傳感器可以使用激光掃描器、線陣或者面陣CCD攝像機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等。在焊縫識(shí)別、路徑規(guī)劃等方面離不開(kāi)視覺(jué)傳感器的應(yīng)用。未來(lái)機(jī)器人將朝著智能化、無(wú)人化方向發(fā)展,多傳感器融合技術(shù)將是另一熱點(diǎn)問(wèn)題。

2.2 軟件技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

50多年來(lái),焊接機(jī)器人軟件技術(shù)發(fā)展可分為3代,即“示教再現(xiàn)”型焊接機(jī)器人、基于傳感技術(shù)的離線編程焊接機(jī)器人以及自主編程焊接機(jī)器人。

2.2.1 “示教再現(xiàn)”型焊接機(jī)器人 所謂“示教再現(xiàn)”,可以理解為兩步,即一為示教,二為再現(xiàn)。在示教過(guò)程中,用戶(hù)根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)帶領(lǐng)機(jī)器人逐步完整地演示一次焊接任務(wù)。在這個(gè)過(guò)程中機(jī)器人會(huì)記錄每一步的動(dòng)作指令,包括位姿、焊接電壓、電流等參數(shù)。然后工程師根據(jù)示教過(guò)程中記錄的關(guān)鍵點(diǎn)位編寫(xiě)該任務(wù)的運(yùn)行程序。接下來(lái)是再現(xiàn)的過(guò)程,這個(gè)過(guò)程僅需用戶(hù)按下啟動(dòng)按鈕,機(jī)器人便會(huì)按照所生成的程序精確地完成焊接作業(yè)[32]。

2.2.2 離線編程焊接機(jī)器人 由于“示教再現(xiàn)”型焊接機(jī)器人每次示教作業(yè)需要數(shù)月時(shí)間,而工作時(shí)間僅有十余小時(shí),對(duì)于單件大批量生產(chǎn)的作業(yè)任務(wù)來(lái)說(shuō)性?xún)r(jià)比較高,但是對(duì)于焊縫復(fù)雜、小批量生產(chǎn)作業(yè)來(lái)說(shuō)效率明顯過(guò)低,因此離線編程技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。所謂離線編程是指操作員在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行遠(yuǎn)程編輯,修改運(yùn)行軌跡,并編寫(xiě)代碼,使機(jī)器人按照預(yù)定的軌跡運(yùn)行[1]。與傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)示教編程方法相比,離線編程為遠(yuǎn)程操作,安全性及舒適性得到進(jìn)一步地提高。

2.2.3 自主編程焊接機(jī)器人 隨著人工智能時(shí)代的來(lái)臨,各種傳感器技術(shù)越來(lái)越成熟,人類(lèi)對(duì)機(jī)器人自主編程技術(shù)的需求也越來(lái)越大。未來(lái),利用圖像識(shí)別等新技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)自主編程。如通過(guò)視覺(jué)、超聲、工業(yè)攝像機(jī)等手段對(duì)焊接工件進(jìn)行初步的測(cè)量,并對(duì)焊接工件周邊環(huán)境進(jìn)行分析;結(jié)合圖像處理,實(shí)現(xiàn)工件數(shù)模自動(dòng)提取,借助特征點(diǎn)的輔助,實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的自動(dòng)識(shí)別以及工作軌跡的自動(dòng)生成[33]。

3 焊接機(jī)器人焊接關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

目前,焊接機(jī)器人的發(fā)展方向是機(jī)械化、自動(dòng)化、無(wú)人化。國(guó)外的船舶制造業(yè)通過(guò)采用傳感器檢測(cè)、機(jī)器人焊接等新技術(shù),已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一些焊接零件的自動(dòng)化和智能化生產(chǎn),具有明顯的成本效益。針對(duì)目前存在的焊接技術(shù)問(wèn)題,未來(lái)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)如下。

3.1 焊縫跟蹤技術(shù)

穩(wěn)定、準(zhǔn)確的焊縫跟蹤技術(shù)要求具有穩(wěn)定的焊接環(huán)境,但是工廠內(nèi)的焊接環(huán)境普遍復(fù)雜且惡劣,焊材表面的反射嚴(yán)重影響視覺(jué)傳感器的準(zhǔn)確性?？梢钥紤]采取視覺(jué)超前算法和模糊算法來(lái)改善反射系數(shù)高的問(wèn)題。此外還可以采用激光定位、焊槍剛性接觸碰撞定位的方法來(lái)提高定位精度[34]。Liu等[35]、Zhang等[36]針對(duì)多層多道次MAG焊接過(guò)程中焊接精度低的問(wèn)題,提出了一種基于激光視覺(jué)和條件生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)(CGAN)的機(jī)器人焊縫跟蹤系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠在1 s時(shí)間內(nèi)完成焊槍位置的校準(zhǔn),并且平均校準(zhǔn)誤差小于0.6 mm。船舶焊接中不可避免地存在較多的曲面焊縫,目前曲面焊縫的焊接仍然存在較多問(wèn)題。有學(xué)者提到將電弧傳感器應(yīng)用于曲面焊縫跟蹤中,但仍處于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段[37-38]。發(fā)展高速度、高精度在線檢測(cè)技術(shù)和多傳感器融合技術(shù)是今后的發(fā)展趨勢(shì)。

3.2 自動(dòng)編程技術(shù)

相比“示教再現(xiàn)”的編程技術(shù),離線編程提高了焊接的操作穩(wěn)定性和可控制性。但離線編程仍存在許多問(wèn)題,如離線編程對(duì)機(jī)器人重復(fù)定位精度和工件精度等有很高要求。在實(shí)際焊接過(guò)程中,若未考慮工件的位置和形狀公差等,焊接后的工件仍可能無(wú)法滿(mǎn)足要求[39]。雖然有學(xué)者提出全自動(dòng)CAD離線編程技術(shù),并且改善了焊接質(zhì)量,但面對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的焊件,編程會(huì)變復(fù)雜,也不能進(jìn)行精確的細(xì)節(jié)處理[40]。采用位置傳感器和可視化算法進(jìn)行自動(dòng)編程,不需要對(duì)工件進(jìn)行定位,操作簡(jiǎn)單,可以減少人力資源。例如Kuss等[41]提出的自適應(yīng)機(jī)器人焊接程序的裝配變化檢測(cè)方法,采用閉環(huán)控制和圖像識(shí)別技術(shù),對(duì)熔池焊接質(zhì)量進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別、跟蹤焊接軌跡并根據(jù)焊接效果適時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)。Wang等[20]針對(duì)傳統(tǒng)示教再現(xiàn)存在的開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)等問(wèn)題提出一種用于龍門(mén)焊接機(jī)器人的自適應(yīng)路徑規(guī)劃的新策略,試驗(yàn)結(jié)果表明該方法具有良好的效果。以上學(xué)者提出的方法都還處于理論階段或?qū)嶒?yàn)室試驗(yàn)階段,未進(jìn)行大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。未來(lái)要想實(shí)現(xiàn)智能化焊接,發(fā)展自動(dòng)編程技術(shù)不可或缺。圖8為龍門(mén)焊接系統(tǒng)。

圖8 龍門(mén)焊接系統(tǒng)[35]Fig.8 Gantry welding system[35]

3.3 多機(jī)器人協(xié)作

現(xiàn)代化的焊接工廠已向著數(shù)字化、信息化、智能化方向發(fā)展,焊件的軌跡不可避免地呈現(xiàn)錯(cuò)綜復(fù)雜,需要多機(jī)器人以及變位機(jī)相互配合,同時(shí)依靠傳感系統(tǒng)和模擬仿真系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能化焊接。目前乘用車(chē)車(chē)身焊裝生產(chǎn)線已基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、智能化。通過(guò)焊接機(jī)械臂的協(xié)作,幾分鐘便可完成一輛白車(chē)身的組裝。不少學(xué)者對(duì)用于船舶焊接的多機(jī)器協(xié)作技術(shù)進(jìn)行了研究。如譚民等[42]開(kāi)發(fā)了一款用于環(huán)縫焊接的多機(jī)器人平臺(tái),包括12臺(tái)機(jī)器人和1臺(tái)焊機(jī),機(jī)器人負(fù)責(zé)舉起船體,焊機(jī)進(jìn)行焊接。采用工控機(jī)作為控制系統(tǒng),負(fù)責(zé)船體模塊的姿態(tài)控制、機(jī)器人軌跡規(guī)劃以及系統(tǒng)狀態(tài)顯示等工作。該產(chǎn)品在試驗(yàn)中取得了一定的效果,但要想真正應(yīng)用到商業(yè)中還需要不斷迭代。多機(jī)器人協(xié)作在船舶建造領(lǐng)域中的應(yīng)用目前仍存在較大發(fā)展空間。通過(guò)多機(jī)器人協(xié)作可以提高生產(chǎn)效率,但多機(jī)器人同時(shí)工作易出現(xiàn)互相碰撞?？赏ㄟ^(guò)提前規(guī)劃焊接順序、設(shè)置焊接優(yōu)先級(jí)、安裝防碰撞傳感器等措施提高多機(jī)器人協(xié)作能力。

3.4 機(jī)器人控制技術(shù)

機(jī)器人控制技術(shù)包括視覺(jué)控制技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。如湯宇[43]為解決焊接現(xiàn)場(chǎng)焊縫跟蹤穩(wěn)定性差的問(wèn)題,提出一種基于無(wú)線遙控與視覺(jué)跟蹤的焊接控制系統(tǒng),試驗(yàn)結(jié)果表明視覺(jué)單元能在強(qiáng)烈噪聲干擾下快速準(zhǔn)確地識(shí)別焊縫特征位置,能夠滿(mǎn)足管道焊接的工藝要求。視覺(jué)控制技術(shù)的核心設(shè)備是視覺(jué)傳感器,通過(guò)視覺(jué)傳感器采集焊縫信息并將相關(guān)信息輸入工控機(jī),經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析與對(duì)比獲取焊接機(jī)器人的準(zhǔn)確位置。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)本質(zhì)上是模仿人類(lèi)的思考,在機(jī)器人焊接過(guò)程中難免會(huì)遇到一些棘手的焊接問(wèn)題,可以通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)進(jìn)行路徑優(yōu)化,再控制焊槍完成焊接。隨著機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展,相信未來(lái)自動(dòng)化焊接將在精準(zhǔn)化、智能化方向有較好的發(fā)展。

4 結(jié)論

本文介紹了美國(guó)、日本、韓國(guó)、歐洲及國(guó)內(nèi)的焊接機(jī)器人在船舶建造中的應(yīng)用現(xiàn)狀。發(fā)現(xiàn)美、日、韓等因造船業(yè)起步較早,經(jīng)過(guò)幾十年技術(shù)積累,這些國(guó)家的造船企業(yè)生產(chǎn)中已廣泛使用焊接機(jī)器人,并正致力于研發(fā)新一代智能化焊接機(jī)器人。國(guó)內(nèi)焊接機(jī)器人在船舶建造中的應(yīng)用雖起步較晚,但是因?yàn)橛辛藝?guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)可以借鑒,所以研發(fā)起點(diǎn)較高,在很多領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平,但在機(jī)器人智能化焊接方面與日韓等國(guó)家仍存在差距。

根據(jù)船舶不同焊接部位和焊件大小,將焊接機(jī)器人分為吊籃式焊接機(jī)器人、移動(dòng)式焊接機(jī)器人以及龍門(mén)架式焊接機(jī)器人等,并分別介紹其工作原理和工作領(lǐng)域。研究發(fā)現(xiàn)機(jī)器人本體的研發(fā)相對(duì)成熟,本體機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等雖然能夠滿(mǎn)足使用要求,但存在強(qiáng)度冗余、質(zhì)量大等現(xiàn)象,未來(lái)可以采用基于ANSYS拓?fù)鋬?yōu)化等技術(shù),實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面,研究簡(jiǎn)化傳動(dòng)系統(tǒng)的直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)將是未來(lái)發(fā)展的重要課題。此外隨著機(jī)器人智能化的發(fā)展,多傳感器融合發(fā)展具有十分重要的意義。

根據(jù)焊接機(jī)器人軟件發(fā)展的狀況將其分為3個(gè)發(fā)展階段,分別為“示教再現(xiàn)”型焊接機(jī)器人、離線編程焊接機(jī)器人以及自主編程焊接機(jī)器人,分別介紹了各代技術(shù)的工作原理以及不足,提出焊接機(jī)器人編程技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向?yàn)槎鄠鞲衅魅诤习l(fā)展,利用圖像處理技術(shù)結(jié)合算法優(yōu)化等自動(dòng)化編程。

最后對(duì)焊接機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)如焊縫跟蹤技術(shù)、自動(dòng)編程技術(shù)和多機(jī)器人協(xié)作等進(jìn)行介紹。目前機(jī)器人的焊接精度與設(shè)計(jì)值仍存在一定的偏差,焊接自動(dòng)化程度仍有較大提升空間,未來(lái)想要進(jìn)一步發(fā)展焊接機(jī)器人,提高焊接精度,仍然需要不斷努力突破技術(shù)壁壘。