基于數字化測量的大型構件智能裝焊方法研究

杜劭峰， 高 瑞， 班永華， 楊羲昊， 高培軍， 邊 東

（1.特種車輛及其傳動系統智能制造國家重點實驗室， 內蒙古包頭 014030； 2.內蒙古第一機械集團有限公司， 內蒙古包頭 014032）

0 引言

我國特種車輛行業在研究應用數字化裝配技術方面存在很大差距， 現行落后的制造模式決定了大型構件在裝配過程中普遍存在零件定位不準確、 間隙大、 相互干涉、配切量大等問題。落后的裝配方式無法滿足復雜構件高質高效裝焊需要， 大型構件裝焊方式一直沿用專用裝配臺定位、劃線測量、人工調整的方法，并且裝焊時基于工程圖紙，并在裝焊工裝上完成。部件的相對位置關系通過工裝保證，如果出現位置偏差，則需要人工進行零件修補，導致裝配精度和效率都很低。 對于干涉部位采用手工配切修整，切口尺寸精度低、質量差，造成生產效率低下。

目前，飛機、汽車等裝配制造過程也采用基于模型的裝配方式實現產品精確制造， 并運用精確測量技術在定位、裝配、變形控制等方面進行實時測量調整[1-2]。 但與航空航天大部件裝配過程相比， 大型構件裝焊是由多個零（部）件按照一定的裝配順序及要求在統一的平臺上完成整體裝配，與飛機大部件裝配過程差別較大，主要體現在裝配零部件數量較多，定位關系復雜，既有零件與零件之間的定位，又有零件與工裝之間的定位，完成結構裝配后需要進行定位焊。 因此，大型構件裝焊不能完全照搬航空航天的大部件裝焊模式，而是要充分借鑒其數字化、自動化及裝配過程動態測量實時調整等先進技術， 實現基于數字化大型構件智能裝焊，滿足高質量、高效率、低成本的要求[3]。 特種車輛行業亟需轉變研發及制造模式，開展特種車輛大型構件測量仿真裝配調整裝焊一體化集成技術研究， 有效解決了裝配現場中技術人員找不準零部件準確定位的問題[4-6]，確保大型構件的裝焊質量和裝焊效率，為有效提升武器裝備的質量與一致性、縮短研制生產周期提供強有力的技術保障。 由傳統研制生產方式向精益研發制造方式的轉變已刻不容緩。同時， 開展基于數字化測量的智能裝焊瓶頸技術研究，實現大型構件精益制造，對推動特種車輛行業整體精益制造水平的提升具有十分重要的意義。

1 系統架構

以某型號大型構件為對象， 開展特種車輛大型構件智能裝焊工藝技術與裝備研究， 突破零件測量、 虛擬裝配、定位調整、裝配焊接、焊后評估的關鍵技術途徑，達到了對大型構件零件的快速測量以獲取零件狀態， 基于測量結果進行虛擬裝配和虛擬調整， 根據基于實測數據的仿真結果進行大型構件零件的定位調整、點固焊接，然后進行大型構件整體測量、評估焊接變形，而后進行大型構件連續焊接、整體測量、評估焊接變形量，同時開展焊接工藝優化及仿真技術研究，將工藝優化結果落實在裝焊工藝中，實現大型構件測-仿-裝-調-焊-評一體化集成。 通過基于實測數據的過程管控和工藝仿真優化焊接工藝確保了大型構件裝配一次成功率，大幅地提升了大型構件的裝焊一致性， 極大地減少了裝配過程的配切和調整工作量，進而提高了大型構件裝焊效率。 系統架構圖見圖1。

圖1 系統架構圖

2 工藝流程

通過測量系統中光筆測量得到數據并進行導入、管理，虛擬裝配系統獲取尺寸數據后進行調整，直至滿足裝焊的技術要求，隨后到裝配及調整系統，調整之后到機器人焊接系統先進行點焊然后焊接， 最后測量輸出拼接間隙焊縫位置體積等數據， 在設計模型的基礎上定義附著測量尺寸的基準點，然后應用測量尺寸進行間隙調整，最后對輸出結果進行數據積累， 能夠對同種零件多批次測量數據進行板件均勻性、一致性分析，便于優化設計或改進工藝。 大型構件智能裝焊工藝流程圖見圖2。

圖2 工藝流程圖

3 系統應用與實例驗證

采用機器人對大型構件零件自動貼靶標點， 用于零件裝配過程中位置和空間姿態的實時跟蹤； 完成靶標點固定后， 由搬運機器人將零件搬運到裝配臺相應工裝位置處，裝配臺工裝實現零件預定位，系統中光學跟蹤器捕捉零件上靶標點的空間坐標， 并與大型構件標準三維模型進行比對，并由系統自動計算出零件需要調整的X、Y、Z 三方向運動值， 由執行機構按照系統給出的調整值驅動零件進行動作，完成零件的定位裝配。由焊接機器人對定位裝配好的零件進行點焊固定， 當所有零件完成裝配后，由焊接機器人進行大型構件整體焊接，最后采用激光掃描儀對大型構件整體外形尺寸進行掃描， 確定最終尺寸能否滿足設計要求，并對焊接變形情況進行判定。

通過三維自動掃描測量系統如圖3 所示， 實現了大型構件整體和零件快速測量及焊縫體積快速預測， 積累了大量制造過程數據； 通過虛擬裝配技術實現了裝配間隙的提前預測及仿真， 通過復雜零件定位調整技術實現了復雜構件的精確調整， 通過裝焊精度評估技術為確保裝焊質量和裝焊工藝優化提供直觀的依據。

圖3 大型構件測量系統動態跟蹤組成圖

大型構件裝配時， 首先將構成大型構件的零部件放置到上料輥道， 通過上料輥道將零部件傳輸到靶標點安裝工位上， 由靶標點安裝機器人按照每個零部件預設的靶標點位置進行敷設。 敷設好靶標點的零部件由兩個搬運機器人協同搬運至裝配平臺， 調整姿態后放置到相應的裝焊平臺上的工裝上進行初定位，兩個光學跟蹤器捕捉零部件上的靶標點位置信息， 并將信號反饋到控制系統， 控制系統將信號與三維模型標準信息進行比對， 通過偏差值判斷零件位置是否在標準范圍內，如在標準范圍內則該零件裝配完成， 如果偏差值超過了允許的范圍，控制系統將自動計算需要調整的量，并轉換為能夠執行的X、Y、Z 量值， 根據控制系統給出的調整值進行動作，驅動零件運動后，光學跟蹤器再捕捉靶標點信號，并重復上述判定程序直至滿足要求。

零件精確定位后， 焊接機器人通過地面滑軌移動到零件旁進行點焊固定位置。 大型構件每個零件都需要按照上述流程進行裝配和定位點焊， 當所有零件完成裝配后，焊接機器人對每一條外部焊縫進行焊接，由于焊接機器人在大型構件的一側， 需要將大型構件進行吊起后旋轉180°完成另外一面的焊接。焊接完成后，采用激光掃描儀并結合光學跟蹤器對大型構件整體進行掃描， 檢驗大型構件外形尺寸是否滿足設計要求， 同時對焊后大型構件焊接變形量進行評估。整體進行掃描，檢驗大型構件外形尺寸是否滿足設計要求， 同時對焊后大型構件焊接變形量進行評估。采用該方法將自動化裝配、數字化測量調整進行有效結合，提高了效率的同時，大大提高了裝配焊接精度。 大型構件智能裝焊系統工作圖見圖4。

圖4 系統工作圖

4 結束語

通過本文提出的測量仿真裝配調整裝焊評估一體化集成技術研究， 實現基于實測數據的虛擬仿真與零件裝配及定位調整技術創新， 同時實現大型構件焊接與焊后評估的技術創新， 進而達到測量仿真裝配調整裝焊評估的整個裝焊過程的技術創新， 結合焊接工藝仿真優化焊接參數、焊接順序等，實現大型構件裝焊質量和裝焊效率的大幅提升，并可在特種車輛行業推廣應用，提升車輛行業整體制造技術水平。