船用小組立焊接生產(chǎn)線智能化技術(shù)研究

康占賓，閆德俊，陳紅亮，蔣 巍，黃家勇

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東省艦船先進焊接技術(shù)企業(yè)重點實驗室， 廣州510715）

1 前言

目前，對傳統(tǒng)小組立構(gòu)件生產(chǎn)過程中，主要采用手工焊為主。在焊接過程中，由于施工人員的技能水平不一、所采用的焊接參數(shù)不同，導致生產(chǎn)的小組立構(gòu)件質(zhì)量參差不齊，難以保證質(zhì)量；傳統(tǒng)小組立焊接生產(chǎn)線的各工位分布較為分散、生產(chǎn)過程中各工序間占用的轉(zhuǎn)運時間較長，導致生產(chǎn)效率低下；并且每個工位的生產(chǎn)負荷分布不均，導致部件堆積的現(xiàn)象時有發(fā)生。

近些年來，隨著自動化、信息化技術(shù)在船舶行業(yè)的廣泛運用，國內(nèi)先進船廠已開始小組立焊接機器人的使用。但在使用過程中目前仍有很多不足之處，缺乏完善的工藝數(shù)據(jù)庫與工藝知識庫，不能實現(xiàn)焊接工藝的自動生成與下發(fā)等。

本文通過對某船舶企業(yè)傳統(tǒng)小組立焊接工藝流程進行梳理，對其工藝流程進行智能化升級技術(shù)研究：采用數(shù)字化、智能化設(shè)備代替落后的機械設(shè)備；通過焊接工藝數(shù)據(jù)庫與知識庫，實現(xiàn)對焊接工藝數(shù)據(jù)的實時收集與存儲、焊接工藝的自動生成與下發(fā)；通過在線檢測技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的在線檢測；通過智能管控系統(tǒng)，實現(xiàn)對生產(chǎn)狀態(tài)實時監(jiān)控、各工位生產(chǎn)負荷自動調(diào)整等功能的實現(xiàn)，最終完成生產(chǎn)線的智能化升級，實現(xiàn)高效高質(zhì)生產(chǎn)。

2 傳統(tǒng)制造下的小組立焊接工藝流程

要實現(xiàn)對小組立焊接生產(chǎn)線的智能化改造，首先要對傳統(tǒng)制造下小組立焊接生產(chǎn)線的工藝流程進行工序分解，并對各工序進行智能化升級改造時所涉及的智能要素進行研究，完成各工序的智能化改造，最終實現(xiàn)智能化生產(chǎn)。

通過對某船舶企業(yè)傳統(tǒng)的小組立焊接工藝流程進行梳理，得到傳統(tǒng)制造下的小組立焊接工藝流程，如圖1所示。平不一，焊接時采用的焊接參數(shù)難以控制，導致焊接質(zhì)量參差不齊，難以保證焊接質(zhì)量；

圖1 小組立焊接傳統(tǒng)工藝流程

（2）焊接生產(chǎn)線中各個工序分布較為分散、占用場地面積較大，需花費大量時間通過門吊或托盤對零件在各工序間進行轉(zhuǎn)運，導致生產(chǎn)效率低下；

（3）不能實時感知每個工序的進度、生產(chǎn)狀態(tài)及時調(diào)整各工序的生產(chǎn)負荷，導致生產(chǎn)效率低下；

（4）需要配備較多施工人員，造成人工成本上漲、經(jīng)濟效益降低。

傳統(tǒng)制造下的小組立焊接生產(chǎn)線由于設(shè)備較為落后，無法實現(xiàn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接，導致生產(chǎn)線的信息數(shù)據(jù)難以進行實時收集與傳輸，無法實現(xiàn)對生產(chǎn)零件的全程跟蹤與信息追溯；缺乏焊接工藝數(shù)據(jù)庫與知識庫，無法實現(xiàn)對焊接工藝數(shù)據(jù)的實時收集與存儲、焊接工藝的自動生成與下發(fā)等；缺乏先進的在線檢測，質(zhì)量無法得到保證；缺乏智能管控系統(tǒng)，無法實現(xiàn)對生產(chǎn)狀態(tài)實時監(jiān)控、各工位生產(chǎn)負荷自動調(diào)整等功能。

（1）托盤運輸：工人將上道工序加工好的零件按照流向裝入托盤中，并通過門吊將托盤輸送到建造區(qū)域；

（2）材料分揀：按照設(shè)計部下發(fā)的分段結(jié)構(gòu)圖，分揀同一圖紙中需要進行安裝的板材和型材材料；

（3）裝配劃線：將鋼板在裝配區(qū)域全面鋪開，根據(jù)設(shè)計部下發(fā)的裝配圖紙找出對應(yīng)的加強筋等扶強構(gòu)件，在零件上劃出相互組合時的位置線；

（4）點焊定位：將加強筋等扶強構(gòu)件，按照裝配線進行點焊固定裝配；

（5）人工焊接：通過手工焊接或者焊接小車對點焊固定后的小組立進行焊接；

（6）焊縫修補：依據(jù)檢驗標準對焊接后的小組立件進行檢查，對不合格的部件進行焊接修補；

（7）火工背燒矯正：將修補后的焊接工件進行翻身，在扶強構(gòu)件的焊接位置進行火工背燒處理，消除結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力、減小結(jié)構(gòu)變形；

（8）托盤區(qū)域：將小組立構(gòu)件裝入托盤或者平板車，運輸?shù)较乱还ば蜻M行生產(chǎn)。

傳統(tǒng)的小組立焊接生產(chǎn)作業(yè)，存在以下缺點：

（1）焊接時主要采用手工焊接，由于焊工技術(shù)水

3 小組立焊接生產(chǎn)線的智能化要素

要完成船用小組立焊接生產(chǎn)線的智能化升級改造，首先在設(shè)備方面要使用先進的數(shù)字化、智能化設(shè)備代替人工進行作業(yè)；在基礎(chǔ)設(shè)施方面，車間需布置網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)線的信息數(shù)據(jù)能夠與MES 系統(tǒng)進行實時交互；要通過完善的工藝數(shù)據(jù)庫與工藝知識庫，實現(xiàn)焊接工藝數(shù)據(jù)的收集、分析、存儲以及工藝的自動生成與下發(fā)；通過智能管控系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)的實時監(jiān)控；通過流水線控制，對各工序的生產(chǎn)負荷進行實時感知與調(diào)控，實現(xiàn)流水線式生產(chǎn)[4]。

小組立焊接生產(chǎn)線的智能化要素如下：

3.1 生產(chǎn)線單元及設(shè)備組成

生產(chǎn)線主要由輸送系統(tǒng)、焊接工位、背燒工位、卸料工位組成：

（1）焊接工位

包括機器人系統(tǒng)、焊接系統(tǒng)、定位設(shè)備、輔件；

（2）背燒工位

包括自動背燒設(shè)備、控制臺等。

3.2 智能管控

智能管控系統(tǒng)能夠控制流水線上所有設(shè)備，實現(xiàn)工件的輸送、焊接、背燒等功能的全自動流水式生產(chǎn)。主要包括生產(chǎn)作業(yè)控制與生產(chǎn)信息管理兩大功能：

（1）生產(chǎn)作業(yè)控制

主要控制流水線作業(yè)的生產(chǎn)節(jié)奏，實現(xiàn)各工序的生產(chǎn)負荷均衡；控制各個工位作業(yè)輥道的啟停；實現(xiàn)自定義焊接焊腳高度的設(shè)定；支持機器人預焊接動作模擬，驗證生成焊接工藝的正確性；補償生成的焊接路徑與實際焊縫的偏差；每次焊接作業(yè)結(jié)束后，自動完成焊槍清潔；設(shè)有故障診斷系統(tǒng)，包括故障自動報警、信息提示及自動保護停機等功能；

（2）生產(chǎn)信息管理

實時顯示各個工位的工作狀態(tài)；根據(jù)實際焊接的啟停時刻，統(tǒng)計有效焊接時間、焊接米數(shù)、焊腳信息等；采集并記錄焊接作業(yè)時的電流、電壓、焊接速度等參數(shù)；實時查詢焊接機器人易耗品的使用壽命；根據(jù)船廠要求上傳本地信息。

3.3 焊接工藝數(shù)據(jù)庫

焊接工藝數(shù)據(jù)庫具備數(shù)據(jù)錄/導入、工藝查詢、數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)還原、數(shù)據(jù)清理、用戶管理等功能。傳統(tǒng)的小組立構(gòu)件生產(chǎn)數(shù)據(jù)多為非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，主要存在于紙質(zhì)文件或現(xiàn)場施工及工藝人員的腦海中。為此，需對傳統(tǒng)工藝數(shù)據(jù)進行信息化、數(shù)字化、結(jié)構(gòu)化處理，并存儲于工藝數(shù)據(jù)庫中。此外，需要對生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)進行采集，對處理后的工藝數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中，并對工藝數(shù)據(jù)庫開放標準數(shù)據(jù)接口為工藝生成及其他業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.4 在線檢測

生產(chǎn)線的在線檢測，主要包括以下幾個方面：

（1）焊接工件來料幾何信息檢測

通過結(jié)構(gòu)光視覺傳感檢測方法，實現(xiàn)對來料尺寸、組隊尺寸及工件信息的識別；

（2）焊接參數(shù)檢測

結(jié)合焊接工藝特點，實現(xiàn)對焊接電流、焊接電壓等信號檢測；

（3）焊接過程在線監(jiān)控

通過焊接熔池視覺監(jiān)控與檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)對焊偏、咬邊、下塌、未熔合等缺陷的在線檢測，并給出報警和評判；

（4）焊后焊道成形檢測

建立焊道的結(jié)構(gòu)光條紋圖像與焊道熔寬、余高的關(guān)系模型，通過數(shù)據(jù)處理軟件實現(xiàn)點云圖像的圖形化；通過基于模糊評價算法的焊接缺陷評價軟件，對出現(xiàn)焊接缺陷的焊道位置進行評判和報警。

3.5 生產(chǎn)對象

小組立構(gòu)件主要由一塊或者兩塊基面板與加強筋、肘板等扶強構(gòu)件組成[5]。本生產(chǎn)線主要生產(chǎn)除特殊結(jié)構(gòu)形式（帶曲邊、折邊、拼板對接以及可能導致焊槍或機械臂干涉的特殊小組立結(jié)構(gòu)）以外的小組立工件。

3.6 工藝生成

焊接工藝知識庫在工藝數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，實現(xiàn)工藝知識建模、知識挖掘、知識檢索與存儲、典型工藝生成等功能。針對加工對象的特征信息，在工藝知識庫中進行檢索，對能夠完全匹配的工藝知識自動調(diào)用，對不能完全匹配的工藝知識基于推理自動生成。生成的工藝能夠通過MES系統(tǒng)，實現(xiàn)到設(shè)備終端的下發(fā)。

4 智能制造下的小組立焊接工藝流程

通過對智能制造下小組立焊接生產(chǎn)線的升級技術(shù)研究，得到的小組立智能焊接生產(chǎn)線工藝流程主要由以下工位模塊組成（見圖2）。

圖2 小組立 生產(chǎn)線工藝流程

4.1 焊接工位

采用3D 掃描系統(tǒng)自動獲取工件信息，并通過工藝知識庫自動生成焊接工藝，對拼裝點焊好的小組立構(gòu)件進行焊接作業(yè)，實現(xiàn)對小組立構(gòu)件機器人智能焊接。

（1）點焊裝配及輸送

在裝配平臺上根據(jù)定位孔指示，將基板、筋板和肘板進行組對及裝配點固；裝配完成后，流水線控制系統(tǒng)判斷焊接工位閑置與否，當焊接工位發(fā)送閑置信號后，智能管控系統(tǒng)判斷上料與裝配工位及檢查修補工位是否處于忙碌狀態(tài)，當收到不忙碌狀態(tài)信號時，控制輥道將小組立構(gòu)件輸送到焊接工位，實現(xiàn)生產(chǎn)節(jié)拍控制；

（2）3D激光掃描工件

機器人門架攜帶3D激光掃描設(shè)備，從焊接工位的一端向另一端移動，掃描工位上所有工件位置信息及焊縫位置信息，并把筋板位置與間距信息發(fā)送給機器人控制系統(tǒng)及上位機；

（3）激光尋位確定焊縫

根據(jù)3D 激光掃描的位置信息，機器人移動至焊縫位置附近，使用機械臂前端的激光尋位設(shè)備實現(xiàn)對焊縫位置進行精確定位；

（4）機器人智能焊接

兩臺機器人自動調(diào)用焊接程序，從焊縫兩側(cè)開始施焊作業(yè)；完成焊接后，機器人向控制系統(tǒng)發(fā)送焊接完成的指令；在焊接過程中，通過焊接在線檢測裝置，對焊接的質(zhì)量進行實時檢測，并對焊接故障進行信息報警等；

（5）焊槍清理

每次焊接作業(yè)完成后，自動進行焊槍清潔。

4.2 背燒工位

通過生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工件自動輸送至背燒工位，并通過背燒設(shè)備自動實現(xiàn)對小組立的修補背燒。

（1）工件輸送至背燒工位

機器人向控制系統(tǒng)發(fā)送焊接完成的狀態(tài)指令，輸送平臺將工件輸送至背燒工位。

（2）修補背燒

控制系統(tǒng)將由焊接工位得到的基準筋板位置信息傳送至背燒工位，自動調(diào)整基準槍頭位置；控制系統(tǒng)根據(jù)焊接工位3D 掃描測得的筋板間距，自動調(diào)節(jié)可移動槍頭至背燒位置；檢查修補完成的小組立工件通過輥道運送至光電開關(guān)位置，筋板或肘板前端觸發(fā)光電開關(guān)，背燒裝置開始點火背燒；背燒完成后，筋板末端離開光電開關(guān)時，背燒裝置停止工作。

4.3 卸料工位

將背燒完成的小組立工件輸送至卸料工位，操作工采用吊機將工件從流水線上卸下。

4.4 工藝自動生成系統(tǒng)

通過對來料組立的掃描確認組立的類型，并將信息反饋至焊接工藝知識庫；通過焊接加工工藝知識庫對焊接工藝進行自動匹配和推理生成，并對生成后的工藝通過MES 系統(tǒng)下發(fā)到設(shè)備中；也可通過設(shè)備中自帶的焊接工藝知識庫進行工藝知識的生成，通過自動調(diào)用生成的焊接工藝進行焊接。

4.5 智能管控系統(tǒng)

智能管控系統(tǒng)包括生產(chǎn)線生產(chǎn)狀態(tài)的實時監(jiān)控、各工位生產(chǎn)負荷自動調(diào)整、運行狀態(tài)信息數(shù)據(jù)的實時采集等功能，能夠操縱控制流水線上所有設(shè)備，實現(xiàn)工件的輸送、焊接、背燒等功能的全自動流水式生產(chǎn)。

5 結(jié)論

（1）梳理了典型船廠的小組立焊接傳統(tǒng)工藝流程，確定需要進行數(shù)字化、智能化升級改造的要素，為實現(xiàn)小組立智能焊接奠定了基礎(chǔ)；

（2）通過對生產(chǎn)線設(shè)備智能化升級、焊接工藝數(shù)據(jù)庫與工藝知識庫，完成了小組立焊接的在線檢測、智能管控系統(tǒng)等智能化要素的確認；

（3）通過對生產(chǎn)線進行合理規(guī)劃，構(gòu)建了包括焊接工位、背燒工位、卸料工位、智能管控系統(tǒng)等模塊組成的智能化焊接生產(chǎn)線，實現(xiàn)了小組立構(gòu)件的智能化生產(chǎn)；

（4）本文所述的小組立智能焊接生產(chǎn)線僅適用于近階段特定船企，由于每個船舶企業(yè)的生產(chǎn)場地及生產(chǎn)過程不同，需要做適當調(diào)整才能適用于其他船舶企業(yè)。