面向機器人應用的船體焊接工藝設計技術體系

何澤宇， 喻天祥， 祁 超， 鄭菊艷

(上海船舶工藝研究所，上海 200032)

0 引 言

當前國際造船市場競爭日益激烈、人力成本持續上升，各國造船企業均將船舶智能制造作為發展重點，各國政府也出臺相關政策對船舶智能制造予以支持[1-2]。焊接技術是船舶建造工程的關鍵技術，在船體建造中焊接工作量約占70%，焊接成本約占船體建造總成本的30%～50%[3-4]。船體結構復雜，作業空間有限，焊接工藝邏輯復雜[5]，且不同船型結構差異和工藝差異較大，傳統的機器人示教-再現方式無法滿足現場焊接作業要求，因此有必要研究面向機器人應用的船體焊接工藝設計技術體系。

1 技術體系實現的總體思路

機器人船體焊接工藝設計技術體系實現主要分為在線規劃焊接技術路線和離線規劃焊接技術路線，其實現思路如下：

(1)在線規劃焊接。通過工業相機、激光掃描等視覺設備采集現場工件待焊焊縫的方位、工藝特征等參數；上位機基于特征參數匹配焊接工藝并下發至機器人；機器人根據工藝信息自適應編程，在焊接執行階段通過焊縫起終點尋位、跟蹤等技術實現自適應調整。

(2)離線規劃焊接。在離線規劃軟件中導入待焊工件的三維工藝模型，抽取模型中的焊縫特征信息；基于特征匹配焊接工藝并生成離線規劃中間文件；下位機解析中間文件并結合現場工件定位數據生成作業指令下發至機器人；機器人在焊接執行階段通過焊縫起終點尋位、跟蹤等技術實現自適應調整。

2 技術體系中的關鍵技術

2.1 工藝模型特征參數化定義技術

在傳統焊接生產過程中，現場工程師通過雙眼觀察焊縫周邊結構，憑借經驗和焊接工藝卡判斷適用的焊接工藝。激光掃描裝置、工業相機、傳感器、三維設計模型文件等則是智能焊接設備的“眼睛”，智能焊接裝備以其感知焊縫周邊結構，通過工藝文件和若干規則確定焊接工藝。

面向機器人焊接的工藝模型特征參數分為結構特征和焊接工藝特征。結構特征描述焊縫周圍對機器人焊接具有影響的結構，包括焊縫連接的板、焊縫附近的型材和開孔等。焊接工藝特征為設計階段對焊縫的工藝要求，如焊腳、焊材、焊接方法等。智能焊接裝備的工件工藝信息輸入來源和格式多樣、信息量大，描述方法也各不相同。為標準地描述這些工藝信息[6]，中小組立焊接裝備根據作業需求參數化定義一系列工藝特征，利用數據庫存儲技術，可構建若干數據表用于存儲焊縫特征。

以智能中組立焊接裝備為例。圖1為中組立的常見結構，立板和底板形成的平焊縫W穿過1個T排結構。為標準地描述T排，用5個參數(板A的高度、板A的厚度、板B的寬度、板B的厚度、過焊孔半徑)描述這個帶過焊孔的T排，T排的其他結構特征對平焊縫W的焊接無影響，直接忽略。

圖1 中組立T排結構特征示例

2.2 工藝模型特征參數采集技術

工藝模型特征參數采集方式分為在線掃描和離線模型導入。在線掃描主要針對簡單結構，對操作人員要求較低。離線模型導入主要針對復雜結構，可更全面地獲取工件結構和工藝信息。小組立焊接裝備對簡單結構采用在線掃描、對復雜結構采用離線模型導入采集特征參數。中組立焊接裝備的焊接對象為相對復雜的中組立結構件，因此采用離線模型導入采集特征參數。

以小組立焊接裝備為例。在小組立智能焊接裝備的焊接對象為板材上的加強筋或型材時，結構相對簡單，焊接工藝要求也一致，因此采用在線掃描方式。將在線掃描得到的點云圖像擬合為一條條筋板，焊縫起終點與筋板重合，且分布于筋板兩側。最終提取的焊縫特征為每條焊縫的起終點坐標及焊接方向，如圖2所示。

圖2 小組立簡單工件焊接現場圖和掃描圖

在小組立智能焊接裝備的焊接對象為復雜小組立工件時，結構相對復雜，如圖3所示的2行3列小格子型。由于在線掃描只能得到工件的俯視數據，無法重構工件完整三維模型，也無法識別上方存在遮擋的焊縫，因此復雜小組立工件采用離線模型導入方式，將三維工藝模型導入離線軟件，離線軟件按照已定義的特征對模型中的待焊焊縫進行參數化描述。

2.3 工藝匹配技術

在船體焊接中影響焊接的工藝和結構特征很多，不同船型、不同船體部位的焊接工藝也不盡相同，并且焊接工藝也會隨焊接技術的發展而改進，因此用一系列固定的數學模型描述特征參數和焊接工藝之間的關系較為困難。

圖3 小組立復雜工件現場圖和模型圖

中小組立智能焊接裝備采用特征表達式的方式匹配焊接工藝。圖4為中小組立智能焊接規劃軟件的特征-焊接工藝配置頁面。左側區域為規則頁面，包含1個規則列表和當前選中規則的名稱描述及特征參數表達式。右側區域為焊接執行階段調用的焊接工藝參數，包含工藝文件號和參數。操作人員可通過對規則和表達式的增刪改，動態維護特征參數與焊接工藝的匹配關系。

圖4 特征-焊接工藝配置頁面

2.4 作業后處理技術

離線規劃最終會生成1個可供特定智能焊接系統執行的包含焊接路徑、工藝參數及特定動作指令的中間文件，供上位機執行，文件生成過程即為離線規劃的后處理過程。

中小組立裝備的后處理過程采用基于腳本引擎的焊接作業后處理技術。在離線規劃軟件中內置1個腳本引擎，在后處理過程中調用特定腳本，通過腳本程序處理離線規劃數據，生成中間文件。這種方式將后處理功能模塊化，通過修改腳本文件即可快速響應現場工藝及設備調整。腳本文件讀取機器人運動點位屬性信息，判斷需要執行的動作指令，并將這些指令寫入中間文件。

多機器人協同系統在汽車焊接生產線中的應 用 …………………………………………… 鐘 平，李華雄（31）

2.5 執行過程自適應調整技術

焊接執行階段需要考慮模型與實際工件的差異，主要包括工件擺放偏差、掃描誤差、工件加工和裝配誤差。為彌補這些差異，中小組立焊接裝備在焊接執行階段進行自適應調整，主要包含工件定位、焊縫定位、焊接過程中的跟蹤調整。

(1)工件定位。通過視覺掃描技術采集現場工件定位點位置，與離線中的工件定位點比較，計算現場工件與離線工件的位置差異，在上位機中補償，并將補償后的運動點位下發至機器人。采用在線掃描方式不需要該步驟。

(2)焊縫定位。為補償視覺定位與工件加工裝配的誤差，精確定位焊縫起終點。中小組立智能焊接裝備采用點激光尋位糾正起終點點位。

(3)焊接過程中的跟蹤調整。在焊接過程中為保證焊絲始終指向焊縫中心，保證焊接質量，使用線激光、電弧跟蹤技術，實時調整焊接動作。

3 應用實例

3.1 小組立智能焊接裝備

圖5為小組立智能焊接裝備模型。

圖5 小組立智能焊接裝備模型

表1 小組立4臺機器人焊接效率測算結果

1名焊工每天可焊接的焊縫長度約100 m[7]，小組立4臺機器人使用藥芯焊絲2班日產1 080 m，大致相當于10名熟練焊工的產量，且焊接質量穩定，焊腳尺寸滿足要求，比人工焊接節約20%以上的焊材。

3.2 門架式中組立智能焊接裝備

圖6為門架式中組立智能焊接裝備模型。

圖6 門架式中組立智能焊接裝備模型

以單道7 mm焊腳機器人實心焊絲焊接速度為參考，測算現場2臺機器人的焊接效率，結果如表2所示。

表2 中組立2臺機器人焊接效率測算結果

中組立2臺機器人使用實心焊絲2班日產404 m，大致相當于4名焊工1天的工作量，且焊接質量穩定，焊腳尺寸滿足要求，比人工焊接節約20%以上的焊材。

4 結 語

將機器人焊接技術應用于船體焊接過程，可大幅降低現場工人的勞動強度，保證焊接的一致性和穩定性，從而縮短建造周期，降低船舶建造成本，保證船體焊接質量，提高造船企業的競爭力。所研究的面向機器人應用的船體焊接工藝設計技術體系，可為國內造船企業深入利用基于機器人系統的智能焊接裝備提質增效打下基礎。