船舶制造焊接機器人應用關(guān)鍵技術(shù)分析

桂紀軍

（招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇 南通 226100）

0 引言

現(xiàn)階段，國內(nèi)造船技術(shù)逐漸向著智能化、高效化方向發(fā)展，各項造船技術(shù)應用也更具成熟度。焊接作業(yè)機器人智能化技術(shù)，屬于現(xiàn)階段最具智能化、高效化的一種造船技術(shù)，對于船舶制造專業(yè)化水準可起到良好的提升作用。對此，深入研究船舶制造技術(shù)當中焊接作業(yè)機器人關(guān)鍵技術(shù)的具體應用，有著一定的現(xiàn)實意義和價值。

1 簡述焊接作業(yè)機器人

焊接作業(yè)機器人，依據(jù)不同生產(chǎn)對象，可被劃分成型材和管材焊接作業(yè)機器人、便捷性焊接作業(yè)機器人、中組立形式焊接作業(yè)機器人、小組立形式焊接作業(yè)機器人[1]。小組立形式焊接作業(yè)機器人，其部件結(jié)構(gòu)重復、單一，比較適宜應用在機器人流水線生產(chǎn)當中，故被廣泛應用在船舶制造中。

2 船舶智能制造及試點初步探究

船舶智能制造的載體和集中體現(xiàn)是智能船廠。目前，國外先進船企正處于由“工業(yè)3.0”向“工業(yè)4.0”推進階段，還沒有實現(xiàn)真正意義上的智能船廠。智能船廠暫時沒有一個清晰權(quán)威的定義，本文初步探討其內(nèi)涵。智能船廠是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)與造船技術(shù)的交叉融合，是融合物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能等新興技術(shù)及先進管理概念，是具有較高水平的現(xiàn)代造船模式，是以數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計和大數(shù)據(jù)支撐的信息系統(tǒng)平臺、數(shù)字化智能化制造生產(chǎn)線及裝備、精益管理體系、生產(chǎn)流程管理與調(diào)度的智能化等重點的系統(tǒng)集成，以自動化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化技術(shù)為實現(xiàn)手段，以卓越運營為目標，將營銷、設(shè)計、生產(chǎn)、管理和服務(wù)等各環(huán)節(jié)動態(tài)優(yōu)化、有機融合，并相互滲透的船舶制造業(yè)，具備高度自動化、數(shù)字化、可視化、模型化以及集成化等特征。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 采集模型信息

焊接作業(yè)機器人，依據(jù)其內(nèi)部的控制系統(tǒng)、模型數(shù)據(jù)，采集模型信息技術(shù)可劃分成3D 基礎(chǔ)模型導入與離線編程、現(xiàn)場采集與自動識別2 種。3D 基礎(chǔ)模型導入與離線編程技術(shù)，需預先將小組立相應部件3D 基礎(chǔ)模型制作好，并把焊接作業(yè)路徑離線規(guī)劃好；現(xiàn)場采集與自動識別技術(shù)，智能化程度較高，技術(shù)員無需先將模型數(shù)據(jù)準備好，借助被動或者主動視覺的形式，便可實現(xiàn)對于待焊接作業(yè)位置自動識別，焊接作業(yè)具體路徑也能自動生成。現(xiàn)場采集與自動識別技術(shù)之下，前期做準備的時間可以省去，對技術(shù)員無特別高的要求。若不考慮到前期制作模型時間，3D 基礎(chǔ)模型導入與離線編程技術(shù)所需準備時間相對較少一些，且有著較高的燃弧效率。如激光采集，現(xiàn)場所采集指導位置信息大致是±10 mm 偏差，如果筋板末端屬于斜切形式，偏差會相對較大。為保證起弧所在位置信息更具精準度，需采用傳感手段，如觸碰尋位與激光尋位。在一定程度上，激光尋位在精度、速度方面優(yōu)勢突出，而觸碰尋位速度較慢一些。為保證焊絲實際伸出長度具有一致性，務(wù)必將自動剪絲設(shè)備配備好。如果小組立相應部件筋板的末端為R 孔形式，需借助點激光式傳感，將門架位置調(diào)整好，防止焊接作動作逐漸超出機械臂運動極限情況的出現(xiàn)。

3.2 選定焊接路徑及焊槍位姿

先行小組立式結(jié)構(gòu)十分簡單，無立角焊，各個筋板相互間無位置限制，以至于機器人尋位、焊接作業(yè)及撤出空間較大。故焊接路徑選定期間，機器人更換焊接作業(yè)位置期間，僅需移動距離。選定焊槍位姿方面，也只需要確保焊接成形，調(diào)試焊接作業(yè)工藝期間，需將最適宜位姿確定好便可。區(qū)別于先行小組立，小組立式部件結(jié)構(gòu)極具復雜性，臨近筋板多，焊槍備受限制。如雙層式底肋板的焊接作業(yè)順序，機器人首選焊接作業(yè)y 方向筋板，而后是x 方向筋板。x 方向筋板焊接作業(yè)期間，為防止焊槍與y 方向筋板發(fā)生碰撞，需對焊槍姿態(tài)加以調(diào)整，焊槍和底板角度應在45°以上[2]。

3.3 焊接作業(yè)流程

1）選定焊材。在尋位和焊接作業(yè)期間，小組立的焊接作業(yè)機器人于4、5、6 軸處頻繁轉(zhuǎn)動，角度大，且送絲軟管彎曲頻繁，有縫普通藥芯焊絲因藥粉泄露而產(chǎn)生送絲軟管堵塞情況，故需選定無縫形式藥芯焊絲；在尋位和焊接作業(yè)期間，因部件焊接作業(yè)機器人動作幅度相對較小，故可選用有縫普通藥芯焊絲。同時，需妥善配備好矯直裝置，以確保出絲能夠挺直。

2）選定焊接參數(shù)。通用部件的機器人為不擺動焊接作業(yè)方式，類似于船廠所用角焊機，故調(diào)試工藝應當依據(jù)角焊機各項參數(shù)；小組立的機器人焊接方式為正弦擺動形式，需設(shè)定好焊接作業(yè)速度、電壓及電流，并將極限位置的停留時間、頻率及擺度幅度等設(shè)定好。

3.4 集成化流水線

小組立集成化流水線內(nèi)部組成部分包含著上料、焊接、修補、背燒及卸料等工位。

1）在上料工位方面。裝配的小組立處部件應用上料工位，區(qū)別于人工焊接作業(yè)，裝配電焊需和筋板末端、短并等距離應超過50 mm，盡量讓點焊短，為防止機器人結(jié)合電焊大小與位置變化，導致焊接作業(yè)參數(shù)發(fā)生改變，防止電焊處焊縫有凸及偏大成型情況出現(xiàn)[3]。上料工位，應選用可升降輥輪，把已裝配完成部件有效頂起并運送至焊接作業(yè)工位上面，無需裝配筋板，牢固可靠；機器人并不會對筋板裝配間隙進行采集，對焊接作業(yè)參數(shù)加以調(diào)整，可防止因較大裝配間隙所致焊接作業(yè)偏小尺寸這一情況出現(xiàn)。上料工位處標注筋板與底板的放置極限，若底板放置已超出極限，則流轉(zhuǎn)期間會和機器人發(fā)生碰撞，引發(fā)導軌現(xiàn)象；而若筋板放置已超出極限，則將無法實施焊接作業(yè)。

2）在焊接工位方面。焊接工位，屬于焊接作業(yè)機器人具體操作位置，其中配置輥道，方便小組立各個部件流轉(zhuǎn)。而為能夠保證焊接作業(yè)的質(zhì)量，各輥道均接地。因受機器人總體結(jié)構(gòu)布局所影響，焊接工位的兩側(cè)均有盲區(qū)存在，機器人會因掃描的不夠到位，盲區(qū)工件無法得到有效的焊接處理。

3）在修補工位方面。焊接完成的各個部件會流轉(zhuǎn)至修補工位上面，此流程需由人工完成，可修補缺陷以焊腳偏小、咬邊、偏焊、機器人的漏焊等為主。

4）在背燒工位方面。背燒工位所用輥道等同于焊接作業(yè)工位，在它的下方設(shè)可橫向式移動背燒槍，能夠同時背燒5筋板5 條。背燒能夠借助可燃燒性氣體經(jīng)燃燒后所產(chǎn)生熱量，對工件表面實施加熱處理，對變形工件可起到矯平作用。流水線的工控機可借助焊接作業(yè)機器人所給定x 方向處筋板具體位置信息、流水線的編碼裝置所記錄傳輸距離等，將背燒槍具體位置、移動點火及熄火等各個動作時機精準計算出來。因未配置位置傳感裝置，故背燒操作針對修補工位有著極高的傳輸精度要求，在背燒期間相鄰幾個工位需移動，期間應確保臨近工位的傳輸速度具有一致性，防止因卡頓或者打滑等所致傳輸偏差情況出現(xiàn)。

5）在卸料工位方面。小組立的部件流轉(zhuǎn)當中最后工位即為卸料工位，實施行車卸料，此工位所用升降輥輪的傳感裝置等同于上料及修補工位，3 個工位實際長度相同，維持流動節(jié)拍的穩(wěn)定性。為避免工件傳輸已超出了卸料工位，需在末端位置設(shè)激光限位的傳感裝置，經(jīng)觸發(fā)后，停止輥輪轉(zhuǎn)動。這5 個工位均屬于平行工位，焊接工位上面工件有著較長停留時間，因整個生產(chǎn)線實際產(chǎn)能均有焊接作業(yè)機器人實際工作效率來決定，故需進一步將機器人識別尋位及焊接作業(yè)效率提升，確保能夠有效提高總產(chǎn)能。

4 船廠規(guī)劃建設(shè)重要意義

發(fā)展建設(shè)智能船廠的船舶工業(yè)實施智能制造的宏大目標。規(guī)劃設(shè)計智能船廠是發(fā)展理念和發(fā)展模式的創(chuàng)新，也是新形勢對規(guī)劃設(shè)計提出的更高要求。規(guī)劃設(shè)計智能船廠為船廠提供平臺和基礎(chǔ)，對提升投資和生產(chǎn)效益、船廠建設(shè)和運行以及促進船舶工業(yè)轉(zhuǎn)型升級都具有重要作用，規(guī)劃設(shè)計的水平是船廠技術(shù)水平的重要先決保證。

5 結(jié)語

通過以上分析論述之后，對于焊接作業(yè)機器人及船舶制造當中焊接作業(yè)機器人關(guān)鍵技術(shù)的具體應用情況有了更加深入的認識。從總體上來說，焊接作業(yè)機器人實操流程極具復雜性，對各項技術(shù)要求相對較高，那么，為了能夠在今后更好地發(fā)揮焊接作業(yè)機器人的關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢，高效化開展船舶制造實踐活動，便還需更多技術(shù)專家及研究者們能夠積極投身于實踐探索當中，多積累相關(guān)實踐經(jīng)驗，不斷提升自身專業(yè)化的技術(shù)水準，有效把握及完善焊接作業(yè)機器人各項現(xiàn)代化科學技術(shù)，為現(xiàn)代船舶制造行業(yè)的進步發(fā)展提供技術(shù)支持。