船舶小組立焊接機器人SPD軟件的應用

楊 軍， 顧軍軍， 王素清

(1.上海江南長興造船有限責任公司， 上海 201913； 2.滬東中華造船(集團)有限公司， 上海 200129)

0 引 言

船廠的勞動環境差，焊接過程中會產生大量的有毒有害氣體[1]，對工人的身體健康造成危害。船舶建造的焊接工時約占總工時的30%～40%，引進高效且質量穩定的焊接機器人可明顯提高焊接效率和改善工人的作業環境[2]。然而，船舶行業應用焊接機器人的難度在于分段組立結構的形式復雜多樣。一條大型船舶的焊縫多達幾十萬條，幾乎沒有任何兩個組立的形式是完全一樣的，只有引進能適應不同組立形式的柔性焊接機器人才能提高船舶焊接機器人的使用效率。

某公司安裝的4臺小組立焊接機器人，可根據上位系統提供的計算機輔助設計(Computer Aided Design, CAD)工件數模，采用離線編程軟件KCONG系統自動生成焊接信息，對提前拼裝點焊的小組立板材順次進行焊接作業。兩套龍門裝置可以對同一部材進行兩側同時焊接，對小組立部件進行平角焊接、包角焊接、立向上角縫焊接、立向上對接縫焊接等，實現分段小部件的柔性化、智能化焊接[3]。

船舶產品設計(Ship Product Design, SPD)是上海東欣軟件工程有限公司為造船及海洋工程設計與制造提供的完整解決方案，是應用廣泛且公司擁有自主知識產權的我國船舶類大型設計軟件，目前國內外鮮有對SPD軟件與焊接機器人接口的研究。引進小組立焊接機器人，解決SPD軟件與KCONG軟件的接口開發、優化焊接工藝圖紙設計成為迫切的課題。

1 SPD軟件與KCONG軟件的接口開發

智能制造的核心是建立互聯互通的網絡化工業生態，需要標準體系作為支撐[4]。為實現SPD軟件和KCONG軟件之間的數據傳遞，必須使兩家公司的軟件具有“共同語言”，也就是生成SPD軟件模型的標準數據文件(見圖1)。該數據文件包括零件的規格、材質和空間坐標位置等信息，機器人自帶的KCONG軟件在讀取這些模型的標準數據文件后，會對模型進行解析，并重新以KCONG軟件熟悉的語言重構模型(見圖2)，重新建立小組立各構件之間的空間關系。

圖1 SPD軟件模型的標準數據文件

圖2 KCONG軟件語言重構模型

為實現KCONG模型重構時所需數據文件的有效性，需要從下列4個方面進行SPD軟件的二次開發和數據設置工作。

1.1 SPD軟件焊接模塊的開發

1.1.1 建立焊接數據庫

為實現SPD軟件焊縫信息的抽取，必須建立小組立的焊縫信息數據庫。焊縫數據庫由焊縫編碼、焊腳高度和焊接代碼等組成，焊接代碼對應的坡口形狀如圖3所示。SPD軟件焊接模塊經過開發，現已實現所有對接焊和角接焊的焊接代碼建模，保證焊接基礎數據的完整性。如果將焊接代碼與焊接方法關聯起來，則可進一步通過截面積得到小組立焊接機器人所用焊材的預估物量[5]。

圖3 不同焊接代碼對應的坡口形狀

1.1.2 區分焊縫所屬階段

現代造船模式具有按區域設計、以中間產品為導向的設計特點，設計、工藝、管理一體化，殼舾涂一體化，各設計階段相互結合。一條船的結構建造通常分為6個階段：內場階段(C)、組立階段(B)、總組階段(P)、船塢階段(D)、碼頭階段(Q)和單元階段(U)，結構焊接主要發生在B、P、D三個階段。在分段設計之前，設計人員必須非常清晰地了解分段的建造方式，并將分段的建造流程以編碼的形式體現在分段裝配流程(Detail Assembly Procedure, DAP)中(見圖4)。焊接物量系統(見圖5)需要根據DAP的組立邏輯關系分解每個零件的每條焊接邊所屬的焊接階段，并將設計建模的焊接方法采集到相應的定額數據庫中，這樣才能有針對性地生成小組立階段的焊縫數據文件。

圖4 分段組立流程

圖5 焊接物量系統

1.2 焊腳高度的數據設置

一條船的焊縫數達幾十萬條，如果僅用手工定義焊腳高度，工作量過大，其定義又比較復雜，因此為了能快速定義分段焊腳高度，設計人員需在SPD軟件焊縫工藝分解模塊(見圖6)中先設置一個默認的焊腳高度，特殊情況可對焊腳高度按照《鋼質海船入級規范》中的公式進行修改。

圖6 焊縫工藝分解模塊

1.3 包角類型的數據設置

小組立零件的端部包角類型通常有包角和不包角兩種情況，逐一定義包角屬性較為繁瑣和耗時，若不進行清晰定義則會造成設備批量的重復焊接，增加工人打磨的工作量。通過分析零件端部形式和焊接要求，調整判斷條件，最終實現大部分零件的包角屬性可通過軟件自動計算。

1.4 基準面的數據選擇

小組立板架的基準面選擇為焊接機器人的行走路徑提供基礎，可基于母板上提供的K1/K2/K3基準點(見圖7)定位整個平面。由于小組立實際擺放時方向與軌道的行進方向存在一定的角度偏差，當固定于龍門架上的電荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD)攝像機將定位坐標傳輸回計算機后，系統會讀取KCONG軟件生成的指令，通過坐標轉換，按實際擺放位置規劃機械手的焊接路徑，最終實現柔性焊接。

圖7 小組立基準點設置

經過上述4個步驟后，SPD軟件就可以生成能被KCONG軟件識別的標準數據文件，但在前期測試過程中，設計人員發現KCONG軟件模型重構時零件端面切削丟失比較嚴重(見圖8)，導致后期生成的焊縫干涉檢查頻繁報錯，因此在KCONG軟件指令中增加一些控制零件端面切削的特殊代碼，使之能夠正常地獲取并重構模型的準確形狀。

圖8 KCONG軟件模型重構時零件端面切削丟失

2 SPD軟件小組立焊接工藝圖紙設計優化

除了解決KCONG軟件模型重構所需要的標準接口數據文件，還可以通過優化焊接工藝圖紙設計進一步發揮小組立機器人的實際作用，體現連續性生產和智能制造的要求。

2.1 小組立機器人工藝圖紙適用范圍的篩選

機器人手臂在焊接移動過程中，受焊槍本身的姿勢角度與大小限制，很可能與周圍的構件產生干涉。若存在焊槍與結構干涉：當機器人全自動焊接時，程序會自動過濾掉有問題的焊縫，導致大量的焊縫漏焊；當機器人半自動焊接時，程序無法識別干涉的情況，導致焊槍與結構直接相撞，損壞焊槍接頭。

為避免焊槍與結構干涉，設計人員在制作小組立焊接圖紙前應掌握各類可能的干涉情況，提前預判選擇并調整到位，特別是遇到下列兩種易干涉的情況時需要滿足：①當小組立焊接的部件含端面切削零件時，零件端部與構件的間隔至少為35 mm，零件本身的高度也應盡量小于100 mm；②當小組立焊接的部件含T型材時，其T排面板單邊的凈距離寬度與腹板扣除30 mm傳感高度后的比值應小于3/4(見圖9)。另外，設計人員需要考慮焊接場地的長、寬、高等限制條件，根據上述限制條件篩選制作小組立焊接文件，才能在機器人的能力范圍內發揮它的最大效率。

圖9 兩種易干涉情況的解決

2.2 零件間隙的設計模型優化

為保證機器人的正常施焊，在焊接工藝圖紙出圖之前，需對部分不符合機器人焊接工藝條件的設計模型進行優化，如斜裝的筋板S端距離邊界的凈距離不足35 mm，容易造成焊縫重疊和機器人焊槍干涉，因此需要調整SPD軟件算法，將延長距離35 mm 改為凈距離35 mm (見圖10)，同時應考慮板厚朝向引起間距變小的因素。

圖10 零件端部間隙較小的情況

2.3 圖紙中基準點的選擇和標示

設計部門在將可擴展標記語言(Extensible Markup Language, XML)文件提供給現場進行實際焊接時，可能出現構件擺放方向與設計定義方向剛好相反的情況，尤其是當構件超長時，在車間有限的空間內掉頭是相當困難的，為了輔助現場人員準確地放置小組立，防止重復吊運，在圖紙上準確顯示K1/K2/K3點是很有必要的。

2.4 圖紙中焊腳高度的顯示

焊腳高度決定機械手的動作類型，所有這些動作需要以數據的形式存儲在KCONG軟件動作庫中，以便隨時調用。在機器人自動焊接時，所有焊腳高度均可自動執行完畢，但對于某些半自動焊接的情況，則需要根據焊腳來控制焊接的速度和電流。可在小組立機器人焊接圖紙中標明所有構件的焊腳高度，同時對于焊接完成后的檢查也會起到輔助作用。

2.5 焊接設計的流程優化

原小組立焊接設計時，參考的圖紙包括結構工作圖中的焊腳標注和定位標注等，現場裝配工人根據圖紙進行裝配點焊定位和手工燒焊。為了保證機器人的指令輸入和正常生產，有效控制焊接質量[6]，重新梳理和優化相關的工藝流程，新的焊接工藝流程(見圖11)增加機器人焊接指令的制作過程。

圖11 小組立焊接機器人工藝流程

3 結 語

機器人技術在飛速發展的同時，其制造成本和價格不斷下降，這為船企應用焊接機器人提供有利條件。小組立焊接機器人已在某公司得到應用，在項目推進的過程中逐步積累一些經驗，后期將重點開發SPD軟件在小組立機器人焊接圖紙的批處理和過濾方面的應用功能，以進一步提高SPD軟件的焊接設計效率，希望能為相關研究提供參考，積極推進船舶行業智能制造的發展。