船舶制造焊接機(jī)器人應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

喻 軍，王羽澤，李 超，趙佳文

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

近年來全球造船市場持續(xù)低迷，接單難、交船難和產(chǎn)能過剩是各國船廠都需應(yīng)對的難題，市場需求的變化引發(fā)整個產(chǎn)業(yè)的布局重新調(diào)整，迫使船廠采用智能制造代替?zhèn)鹘y(tǒng)的生產(chǎn)方式。智能焊接是智能制造的代表，在船舶建造過程中，焊接工作量占到40%以上，焊接設(shè)備的智能化升級對于船舶建造的質(zhì)量控制、效率提升和工作危險度降低而言具有重大意義。

近年來，我國已有大型船企開始嘗試采用機(jī)器人焊接技術(shù)進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)焊接，不僅得到了國家有關(guān)政策的支持，而且受到了企業(yè)的歡迎。

1 船舶制造焊接機(jī)器人簡介

按照生產(chǎn)對象的不同，可將焊接機(jī)器人分為小組立焊接機(jī)器人、中組立焊接機(jī)器人、便攜式焊接機(jī)器人和管材與型材焊接機(jī)器人等，本文的研究對象為小組立焊接機(jī)器人。

小組立部件因結(jié)構(gòu)單一、重復(fù)，適合采用機(jī)器人流水線模式生產(chǎn)，國內(nèi)外已有不少應(yīng)用實例[1]。上海外高橋造船有限公司（以下簡稱“外高橋造船”）在小組立部件制作中嘗試采用智能焊接機(jī)器人焊接代替人工焊接，目前已引入2套焊接機(jī)器人系統(tǒng)，并于2018年正式投入生產(chǎn)。

1.1 通用部件焊接機(jī)器人

外高橋造船的通用部件焊接機(jī)器人（見圖1）用于焊接先行小組立部件；該機(jī)器人系統(tǒng)在軌道式門架（三自由度）下倒裝2臺6軸焊接機(jī)器人，配備有工業(yè)照相機(jī)，用于采集待焊位置信息；機(jī)器人第6軸安裝有激光傳感器，可精確定位焊縫并在焊接過程中實現(xiàn)跟蹤功能。

1.2 小組立智能生產(chǎn)線

外高橋造船的小組立智能生產(chǎn)線（見圖 2）采用的焊接機(jī)器人系統(tǒng)與通用部件焊接機(jī)器人類似，同樣是在移動式門架下倒裝有2臺焊接機(jī)器人，該系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是采用自適應(yīng)邏輯編程技術(shù)（ALPT），能自主分析激光傳感獲得的模型數(shù)據(jù)并智能規(guī)劃焊接路徑，可用于焊接結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的小組立部件。此外，該生產(chǎn)線還具有自動傳輸和背燒功能。

圖1 外高橋造船的通用部件焊接機(jī)器人

圖2 外高橋造船的小組立智能生產(chǎn)線

2 模型信息采集技術(shù)

目前國內(nèi)外投入應(yīng)用的小組立焊接機(jī)器人按模型數(shù)據(jù)和控制系統(tǒng)可分為“現(xiàn)場采集+自動識別”和“3D模型導(dǎo)入+離線編程”2類（見表1）。

表1 小組立焊接機(jī)器人對比

“3D模型導(dǎo)入+離線編程”模式需提前制作好小組立部件的3D模型并離線規(guī)劃好焊接路徑（有些機(jī)器人可根據(jù)3D模型自主規(guī)劃焊接路徑[2]，如Kranendonk所用的RINASWELD軟件）；“現(xiàn)場采集+自動識別”模式更加智能，操作人員不必預(yù)先準(zhǔn)備模型數(shù)據(jù)，通過主動視覺或被動視覺方式自主識別待焊位置并自動生成焊接路徑。相比較而言，“現(xiàn)場采集+自動識別”模式可節(jié)約大量的前期準(zhǔn)備時間，且對操作人員的要求比較低；若不考慮前期的3D模型制作時間，“3D模型導(dǎo)入+離線編程”模式所需的現(xiàn)場準(zhǔn)備時間更少，燃弧效率（燃弧時間/焊接工位作業(yè)時間）更高。

“現(xiàn)場采集+自動識別”模式最大的缺陷是現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)不足以重構(gòu)模型，得到的只是工件的俯視圖，而非3D視圖。采用“3D模型導(dǎo)入+離線編程”模式的機(jī)器人可根據(jù)3D模型實現(xiàn)控制焊槍空間姿態(tài)避免碰撞工件和通過筋板末端結(jié)構(gòu)類型快速確定起弧位置等功能。

現(xiàn)場采集的位置信息存在誤差，以激光采集為例，誤差約為±10mm，若筋板末端形式為斜切（見圖3a）），則誤差會更大，可達(dá)到±70mm。確定起弧位置需更精準(zhǔn)的位置信息，因此還需后續(xù)精確傳感，常用的傳感方式可分為激光尋位和觸碰尋位2種，激光尋位的速度更快、精度更高，觸碰尋位的速度相對比較慢。為保證焊絲伸出長度保持一致，需配備自動剪絲裝置。觸碰尋位的優(yōu)點(diǎn)是無需額外夾持激光傳感器，焊槍可勝任更狹小空間內(nèi)的尋位和焊接任務(wù)。

圖3 小組立筋板末端形式

外高橋造船的2臺機(jī)器人均采用激光尋位的方式，不同之處在于：小組立機(jī)器人采用的是點(diǎn)激光傳感方式，焊前確定好起弧位置之后會關(guān)閉，焊槍在焊接過程中擺動并依靠弧壓傳感對中，保證焊接位置正確；通用部件機(jī)器人采用線激光傳感，除了在焊前確定起弧位置以外，還負(fù)責(zé)在焊接過程中跟蹤矯正焊槍位置，因此無須通過焊槍擺動采集弧壓信息來對中。

若小組立部件筋板末端形式包含“R孔”（如圖3b）所示），則還需依賴點(diǎn)激光傳感調(diào)整門架的位置，以避免焊接動作超出機(jī)械臂運(yùn)動極限。

3 焊接路徑和焊槍位姿的選擇

焊接路徑指的是機(jī)器人一次性焊接多塊筋板時對焊接順序的選擇，包括對每條焊道起熄弧位置的選擇。焊接路徑的選擇對機(jī)器人燃弧效率的影響很大。焊槍位姿指的是焊槍相對于待焊點(diǎn)的空間位置和姿態(tài)[3]，除了由焊接電流、電壓和速度決定的線能量以外，對焊縫成型質(zhì)量有重要影響。焊槍空間位置決定被焊母材的熔化量和焊絲的熔敷量；焊槍姿態(tài)決定電弧力對熔池液態(tài)金屬的作用方向，與重力共同決定熔池液態(tài)金屬的流動行為，進(jìn)而影響焊縫成形質(zhì)量[1]。

先行小組立結(jié)構(gòu)簡單，沒有立角焊，且任意筋板之間不存在位置限制，機(jī)器人有足夠大的空間進(jìn)行尋位、焊接和撤出，因此在排布焊接路徑時只需保證機(jī)器人在更換作業(yè)位置（熄弧后到下一個起弧位置）時移動的距離盡量短即可；焊槍位姿的選擇只需保證焊縫成形即可，一旦在焊接工藝調(diào)試時確定合適的位姿，即可將其作為不變量保留在程序中。

與先行小組立不同，小組立部件的結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜，存在很多相互靠近的筋板，對焊槍的限制較多。以雙層底肋板焊接順序（見圖4）為例，機(jī)器人會首先焊接y方向的筋板，隨后焊接x方向的筋板。在焊接x方向的筋板時，焊槍為避免碰撞y方向的筋板（圖4標(biāo)注位置，間距約為 30mm），需調(diào)整焊槍的姿態(tài)，此時焊槍與底板的角度大于45°。

對于存在立角焊的小組立部件而言，焊接路徑會更復(fù)雜一些，機(jī)器人會在焊接y方向的筋板的同時完成立角焊和x方向的筋板部分長度的焊接，隨后再補(bǔ)充焊接完x方向的筋板。

圖4 雙層底肋板焊接順序

4 焊接工藝

4.1 焊材的選擇

小組立焊接機(jī)器人在尋位、焊接時，第4、第5和第6軸轉(zhuǎn)動頻繁且角度較大，送絲軟管會隨之頻繁彎曲，普通的有縫藥芯焊絲會出現(xiàn)藥粉泄露堵塞送絲軟管的問題，因此采用無縫藥芯焊絲；通用部件焊接機(jī)器人在尋位、焊接時動作幅度不大，因此采用普通的有縫藥芯焊絲。

目前2臺機(jī)器人都采用盤裝焊絲，為通過降低更換焊絲的頻率來提高效率，計劃換用桶裝焊絲。需注意的是，換用桶裝焊絲意味著送絲距離更長，應(yīng)通過配備合適的矯直裝置來保證出絲挺直。

4.2 焊接參數(shù)的選擇

通用部件機(jī)器人采用不擺動的焊接方式，與船廠廣泛采用的角焊機(jī)類似，因此調(diào)試工藝可參照角焊機(jī)參數(shù)；小組立機(jī)器人采用正弦擺動的焊接方式，除了焊接電流、電壓和速度以外，還需匹配合適的擺動參數(shù)，包括擺動幅度、頻率和極限位置停留時間。

5 流水線的集成

通用部件焊接機(jī)器人原本采用托盤上料和卸料，后為提高生產(chǎn)效率進(jìn)行改造，將機(jī)器人軌道加長，并在軌道長度方向上將工作區(qū)域等分為A和B。改造之后上料和卸料不再采用托盤，當(dāng)機(jī)器人在A區(qū)域工作時，工人在B區(qū)域上料裝配，機(jī)器人完成A區(qū)域的焊接工作之后可立即開始在B區(qū)域工作，此時工人在A區(qū)域卸料，如此循環(huán)流轉(zhuǎn)，保證機(jī)器人的燃弧效率。

小組立智能生產(chǎn)線由上料工位、焊接工位、修補(bǔ)工位、背燒工位和卸料工位等5個工位組成。

1) 上料工位用于裝配小組立部件，與人工焊接不同，裝配點(diǎn)焊應(yīng)盡量短并與筋板末端保持一定的距離（不小于 50mm）。保證點(diǎn)焊盡量短的目的是避免機(jī)器人根據(jù)點(diǎn)焊的位置和大小改變焊接參數(shù)，避免由此造成點(diǎn)焊所在位置的焊縫明顯凸起，成形偏大。此外，上料工位采用可升降的輥輪將裝配好的部件頂起運(yùn)送到焊接工位，該過程無需行車參與，因此無需筋板裝配，十分牢固；點(diǎn)焊與筋板末端保持一定的距離是為了避免對點(diǎn)激光尋位造成影響。

除了無法識別點(diǎn)焊的位置和大小以外，機(jī)器人不會采集筋板的裝配間隙，也不會以此為根據(jù)調(diào)整焊接參數(shù)，因此應(yīng)避免裝配間隙過大而導(dǎo)致焊縫尺寸偏小的現(xiàn)象。與人工焊接相比，機(jī)器人焊接對裝配間隙的要求更嚴(yán)格，應(yīng)盡量避免鋼板變形和切割自然坡口帶來的裝配間隙過大（見圖5）。目前國內(nèi)外都有廠商在研發(fā)裝配間隙跟蹤識別和補(bǔ)償技術(shù)，待這些技術(shù)應(yīng)用之后，有助于放寬對裝配間隙的要求。

圖5 導(dǎo)致裝配間隙過大的原因

上料工位上標(biāo)注有底板放置極限和筋板放置極限（見圖6），底板放置超過極限會在流轉(zhuǎn)過程中碰撞機(jī)器人導(dǎo)軌，筋板放置超過極限則處于焊接機(jī)器人工作范圍以外，會導(dǎo)致無法焊接。

2) 焊接工位是焊接機(jī)器人工作的位置，配備輥道用于小組立部件流轉(zhuǎn)。為保證焊接質(zhì)量，每條輥道都接地。受機(jī)器人自身結(jié)構(gòu)布局的限制，焊接工位兩端都存在盲區(qū)，機(jī)器人因掃描不可達(dá)或機(jī)械臂不可達(dá)，無法焊接處于盲區(qū)的工件。

3) 完成焊接的部件會繼續(xù)流轉(zhuǎn)到修補(bǔ)工位，修補(bǔ)工作依靠人工進(jìn)行，修補(bǔ)的缺陷包括機(jī)器人漏焊、偏焊、咬邊和焊腳偏小等。

4) 背燒工位采用與焊接工位相同的輥道，下方布置可橫向移動的背燒槍，可同時對5條筋板進(jìn)行背燒。背燒利用可燃?xì)怏w燃燒產(chǎn)生的熱量加熱工件背面，達(dá)到矯平變形工件的目的。

流水線工控機(jī)通過焊接機(jī)器人給出的x方向筋板的位置信息和流水線編碼器記錄的傳輸距離計算出背燒槍的位置和移動、點(diǎn)火、熄火等動作的時機(jī)。由于并未配備位置傳感器，因此背燒操作對修補(bǔ)工位傳輸精度的要求較高。背燒過程需幾個相鄰的工位聯(lián)動，應(yīng)注意保證相鄰工位傳輸速度（線速度）一致，避免因打滑、卡頓等帶來傳輸誤差。

5) 卸料工位是小組立部件流轉(zhuǎn)的最后一個工位，采用行車卸料，該工位采用的升降輥輪式傳輸裝置與上料工位和修補(bǔ)工位相同，且3個工位的長度一致，保證流轉(zhuǎn)節(jié)拍穩(wěn)定。此外，為防止工件傳輸超出卸料工位，在末端設(shè)置激光限位傳感器，觸發(fā)之后輥輪會停止轉(zhuǎn)動。

5個工位為平行工位，工件在焊接工位停留的時間最長，因此整條生產(chǎn)線的產(chǎn)能取決于焊接機(jī)器人的工作效率[4]。廠商和外高橋造船的技術(shù)人員一直在努力提高機(jī)器人的識別、尋位和焊接效率，目前產(chǎn)能比剛投產(chǎn)時提高將近1倍。

圖6 裝備位置極限

6 結(jié) 語

在造船行業(yè)，機(jī)器人焊接代替人工焊接的趨勢已不可逆轉(zhuǎn)，尤其是結(jié)構(gòu)相對簡單的小組立部件的焊接。外高橋造船投入應(yīng)用的2套小組立焊接機(jī)器人系統(tǒng)已取得良好應(yīng)用示范效果。本文對機(jī)器人應(yīng)用過程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，主要得到以下結(jié)論：

1) 目前國內(nèi)外應(yīng)用的小組立焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)類似，絕大部分采用移動式門架下倒裝2臺焊接機(jī)器人的模式；

2) 小組立機(jī)器人按模型數(shù)據(jù)和控制系統(tǒng)可分為“現(xiàn)場采集+自動識別”和“3D模型導(dǎo)入+離線編程”2類，前者優(yōu)勢明顯，需準(zhǔn)備的時間較短，對操作人員的要求較低，能根據(jù)不同工件的特點(diǎn)智能選擇焊接方案；

3) 為保證機(jī)器人的燃弧效率，應(yīng)注意焊接路徑的選擇，并應(yīng)注重匹配合適的焊槍位置姿態(tài)，保證焊縫成形；

4) 焊材選擇應(yīng)注意是否需采用適合機(jī)器人焊接的無縫藥芯焊絲，選擇的焊接參數(shù)應(yīng)同時匹配合適的焊槍擺動參數(shù)；

5) 小組立部件裝配應(yīng)注意避免定位焊影響機(jī)器人激光尋位；

6) 焊接生產(chǎn)線中決定產(chǎn)能的是焊接機(jī)器人的燃弧效率。