船舶復(fù)雜曲面爬行機(jī)器人自動焊接的關(guān)鍵技術(shù)研究

俞國慶，王曉佳，郜世杰，石永華

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船舶復(fù)雜曲面爬行機(jī)器人自動焊接的關(guān)鍵技術(shù)研究

俞國慶1，王曉佳2，郜世杰1，石永華2

（1. 海裝廣州局，廣州 510320；2. 華南理工大學(xué)，廣州 510640）

針對船舶船體復(fù)雜曲面的焊接存在曲率變化大、焊縫長和焊接姿態(tài)變化多等問題，本文設(shè)計了爬行式機(jī)器人自動焊接系統(tǒng)。通過旋轉(zhuǎn)電弧V形坡口上坡和下坡焊等焊接試驗對爬行式機(jī)器人自動焊接的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。試驗結(jié)果顯示爬行式機(jī)器人可以實現(xiàn)船舶船體復(fù)雜曲面的自動焊接，并且能保證焊接質(zhì)量、提高船舶焊接效率。結(jié)果表明爬行式機(jī)器人在船舶復(fù)雜曲面的自動焊接技術(shù)具有重要的研究與應(yīng)用價值。

船舶 爬行式機(jī)器人 自動焊接

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)化的影響，船舶制造業(yè)得到了迅速地的發(fā)展。焊接是船舶制造中的一項重要工藝技術(shù)，其工作量占船舶制造總工作量的40%以上[1]。因此焊接技術(shù)對船舶船體質(zhì)量和性能、制造周期、制造成本等方面有著重要的影響[2]。

目前，船舶分段建造和合攏中存在大量的曲面焊縫，由于這些曲面焊縫的焊接過程中存在曲率變化大、焊縫長度長和焊接姿態(tài)變化多等特點(diǎn)，因此焊接環(huán)境較為復(fù)雜，大多由人工焊接完成[3]。然而，人工焊接存在成本高、效率低、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，因此迫切需要采用新的自動化焊接技術(shù)來提高焊接質(zhì)量和焊接效率。

爬行式機(jī)器人是一個集成的自動化焊接系統(tǒng)，它可以實現(xiàn)復(fù)雜曲面自動焊接，這不僅可以提高船舶焊接質(zhì)量和效率，也降低了生產(chǎn)成本。因此對船舶復(fù)雜曲面爬行式機(jī)器人自動焊接技術(shù)進(jìn)行研究具有重要意義。

1 爬行式機(jī)器人自動焊接關(guān)鍵技術(shù)研究

爬行式機(jī)器人自動焊接系統(tǒng)主要由機(jī)械本體及驅(qū)動、無線控制、焊縫位置檢測、旋轉(zhuǎn)電弧焊接等四個子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 爬行機(jī)器人自動焊接系統(tǒng)組成框架

1.1 機(jī)械本體及驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

機(jī)器人機(jī)械本體及驅(qū)動系統(tǒng)由四輪驅(qū)動底盤(底部裝有永磁鐵)、二維移動平臺、送絲裝置、伺服電機(jī)以及旋轉(zhuǎn)電弧裝置組成，如圖2所示。機(jī)械本體對外連接氣瓶和焊機(jī)，實現(xiàn)電氣輸入。機(jī)械本體通過伺服電機(jī)驅(qū)動四輪機(jī)構(gòu)，可利用永磁鐵吸附于船體表面并進(jìn)行爬行。二維平臺帶動旋轉(zhuǎn)電弧焊槍進(jìn)行水平方向和高度方向的移動。送絲裝置把焊絲送往焊槍末端，通過旋轉(zhuǎn)電弧裝置，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)電弧焊接任務(wù)。

圖2 機(jī)器人的機(jī)械本體及驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計框架

永磁吸附裝置的設(shè)計是爬行機(jī)器人本體及驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵，它將影響著爬行機(jī)器人在船體的運(yùn)動，因此需要對爬行機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，找出最優(yōu)的設(shè)計方案。爬行機(jī)器人的受力情況如圖3 所示，機(jī)器人在船體表面移動時機(jī)器人受到船體對機(jī)器人的支持力N1、N2，輪子與船體表面的摩擦力1、2，機(jī)器人上的磁鐵對船體的吸引力以及機(jī)器人本身的重力。

由于機(jī)器人前后兩輪之間的距離很小且船體表面的弧度不大，因此可以認(rèn)為兩輪之間的船體表面近似平面。兩輪的連線與水平線的夾角為，長2。N1、N2垂直于指向機(jī)器人，輪子與船體表面的摩擦因數(shù)為。吸引力的作用點(diǎn)在兩輪的正中間，即線的中點(diǎn)，方向垂直于指向船體表面。機(jī)器人重力為，重心在方向上與的距離為，在方向上與的距離為。

圖3 爬行機(jī)器人受力分析

對O求矩：

機(jī)器人在船體表面移動時可能由于吸引力沒有足夠大，導(dǎo)致機(jī)器人不能正常移動，甚至墜落。此時，有以下三種情況：

情況一：

機(jī)器人前輪先離開船體表面。此時，2=F= 0，代入上式，解得：

情況二：

機(jī)器人后輪先離開船體表面。此時，1= F= 0，代入上式，解得：

情況三：

機(jī)器人不能靜止在船體表面，沿著船體表面滑下，此時有1=μF1，2=μF2，解得：

根據(jù)上述受力分析計算可得:機(jī)器人整機(jī)不超過60kg，磁鐵安裝高度不超過16 mm的情況下，可確保機(jī)器人倒吸于船體上而不會墜落。為了讓機(jī)器人輪胎與船體表面產(chǎn)生足夠大的摩擦力，需要把磁鐵安裝高度控制在12 mm以內(nèi)，以提供足夠的正壓力。

1.2 無線控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

無線控制系統(tǒng)包括底層控制系統(tǒng)和無線手持控制器。

1.2.1 底層控制系統(tǒng)

底層控制系統(tǒng)的設(shè)計框圖如圖4所示，底層控制系統(tǒng)是連接機(jī)械及電氣系統(tǒng)與無線手持控制器的關(guān)鍵系統(tǒng)，該子系統(tǒng)對外負(fù)責(zé)接收無線手持控制器的控制信號，反饋傳感器信號到手持控制器，進(jìn)行圖像采集及無線傳輸，驅(qū)動兩個步進(jìn)電機(jī)和一個直流電機(jī)以完成運(yùn)動控制，并控制底盤剎車開關(guān)和旋轉(zhuǎn)電弧轉(zhuǎn)速。子系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸則由FPGA和MT7620N兩個核心芯片控制。

1.2.2 無線手持控制器

無線手持控制器提供良好的人機(jī)操作界面，對通過底層控制系統(tǒng)進(jìn)行移動焊接機(jī)器人的手動和自動控制。本文設(shè)計的無線手持控制器的主要軟件界面如圖5所示。無線手持控制器與底層控制系統(tǒng)之間的控制信號傳輸，采用基于UDP網(wǎng)絡(luò)接口與串口相互轉(zhuǎn)換的自定義通信協(xié)議，如圖6所示。該協(xié)議包括兩部分，無線控制器發(fā)送部分以及器接收部分。

圖4 底層控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 無線手持控制器主要軟件界面

1.3 焊縫檢測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

為實現(xiàn)焊縫位置檢測和焊接表面質(zhì)量監(jiān)控兩種功能，本研究采用兩個CCD工業(yè)相機(jī)進(jìn)行圖像采集，前置相機(jī)用于焊縫位置檢測，后置相機(jī)用于焊縫表面質(zhì)量監(jiān)控，具體方案如圖7所示。

焊縫位置檢測是基于坡口內(nèi)熔池質(zhì)心的，關(guān)鍵是如何求取最大連通域質(zhì)心。最大連通域反映了V型坡口內(nèi)熔池的區(qū)域范圍，此區(qū)域存在對稱性，可以通過求取質(zhì)心的縱向線的位置得出焊縫的中心位置。求解過程中，把白色區(qū)域灰度記為()=1，黑色區(qū)域的像素值記為()=0，質(zhì)心坐標(biāo)求解公式如下：

采用提取最大連通域的方法可以有效地去除飛濺等小區(qū)域的干擾，鎖定熔池區(qū)域，圖8為飛濺情況下提取最大連通域的效果。

1.4 旋轉(zhuǎn)焊接系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

旋轉(zhuǎn)電弧裝置設(shè)計是關(guān)鍵技術(shù)。旋轉(zhuǎn)電弧裝置主要用于焊縫跟蹤，其原理是利用高速旋轉(zhuǎn)的電弧，采集每一周的電流信號進(jìn)行分析，進(jìn)而計算出焊縫偏差。用于焊縫跟蹤的旋轉(zhuǎn)電弧一般旋轉(zhuǎn)頻率偏高，可達(dá)到50 Hz以上。高速旋轉(zhuǎn)的電弧有利于在較短的移動距離內(nèi)，盡可能多地采集旋轉(zhuǎn)過程中的電流信號，以計算出更為精確的焊縫偏差。

圖6 自定義通信協(xié)議

圖7 視覺方案示意圖

圖8 飛濺情況下提取最大連通域

如圖9所示，電弧裝置可以直接通過螺紋安裝于現(xiàn)有的機(jī)器人焊槍的頭部。裝置主要由空心軸電機(jī)、連接件、氣罩、彈簧、壓緊滑塊和偏心機(jī)構(gòu)組成。送絲軟管直接延伸到偏心機(jī)構(gòu)上端，偏心緊固螺釘控制偏心滑塊的偏心距離，實現(xiàn)焊絲的偏心?？招妮S電機(jī)為偏心機(jī)構(gòu)提供了動力，使其迫使焊絲末端進(jìn)行圓周運(yùn)動，實現(xiàn)焊接過程中電弧的旋轉(zhuǎn)。

2 爬行機(jī)器人自動焊接關(guān)鍵技術(shù)實船應(yīng)用

在船廠進(jìn)行了爬行機(jī)器人實船焊接試驗，分別進(jìn)行上坡焊和下坡焊實船焊接應(yīng)用，如圖10所示。

圖9 旋轉(zhuǎn)電弧焊槍結(jié)構(gòu)示意圖

圖10 爬行機(jī)器人實船焊接應(yīng)用

圖11 旋轉(zhuǎn)電弧傾斜平板堆焊焊縫

實船焊接結(jié)果表明，焊縫質(zhì)量受到電流、電壓、保護(hù)氣體、焊槍姿態(tài)、坡口大小、焊接速度等的影響，通過工藝優(yōu)化，上坡焊和下坡焊的焊縫有明顯均勻的魚鱗狀，焊縫平滑美觀，余高基本恒定，焊接接頭力學(xué)性能滿足要求，說明該機(jī)器人焊接系統(tǒng)可滿足船舶曲面焊縫的自動焊接要求。

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一種用于船舶曲面焊縫焊接的爬行機(jī)器人自動焊接系統(tǒng)，并進(jìn)行了船舶V形坡口上下坡焊和仰焊等實船焊接應(yīng)用。結(jié)果表明適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電弧參數(shù)和焊接參數(shù)可以獲得良好的焊縫，爬行機(jī)器人自動焊接技術(shù)在船舶復(fù)雜曲面的焊接具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 王一鳴. 高級焊接工藝在大型船舶建造中的重要意義[J]. 中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè), 2018, (8): 152.

[2] 陳家本. 船舶焊接技術(shù)的進(jìn)展及對再發(fā)展的建議[J]. 造船技術(shù), 2004, (3): 29-33.

[3] 倪慧鋒. 船舶焊接技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 現(xiàn)代焊接, 2007, (11): 23-24.

[4] 錢曉莉. 回歸方程的檢驗標(biāo)準(zhǔn)[J]. 財貿(mào)研究, 1994, (2): 66.

Research on Key Technologies of a Crawl Type Robot in Automatic Welding of the Ship Complex Surfaces

Yu Guoqing1, Wang Xiaojia2, Gao Shijie1, Shi Yonghua2

(1. Navy Equipment Bureau at Guangzhou, Guangdong 510320, China;2. South China University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510640, China)

TP242

A

1003-4862（2018）10-0005-05

2018-05-14

俞國慶（1966-），男，高級工程師，主要從事船舶裝備監(jiān)造與管理。E-mail: 50094525@qq.com