面向船舶小組立的門式機器人焊接系統應用

謝靜遠， 邢宏巖， 周文鑫， 張 然， 郭海平

(上海船舶工藝研究所，上海 200032)

0 引 言

現代大型船舶工業不僅是關系到國家領土安全及經濟發展的戰略型產業，而且是在大體結構不變基礎上具備一定程度定制化的系統工程。自2010年起，我國已躋身造船大國之列，完工量、新接訂單量及在手訂單量已連續多年穩居世界前列，但修正總噸工時消耗、全員造船效率等指標與世界造船強國相比仍有較大差距。勞動力成本日漸高漲使船舶制造行業效率提升迫在眉睫。

近年來，數字化、智能化、流水線化結構件加工設備已在汽車、數碼產品等制造業細分領域得到廣泛應用，但尚未在船舶行業得到廣泛普及。隨著“工業4.0”時代的到來，2018年12月，工業和信息化部、國家國防科工局聯合發布《推進船舶總裝建造智能化轉型行動計劃(2019—2021年)》，明確指出加快信息通信技術與造船技術相融合，逐步實現數字化、網絡化、智能化造船，船舶工業轉型升級已經成為大勢所趨。造船市場低迷的現狀迫使整個船舶制造行業的布局向流水線化、批量化方向調整。

小組立是船舶制造過程最小的組件單元。傳統的小組立生產采用手工焊接形式，勞動力成本高，質量控制難度大，施焊周期較長，生產效率低下[1]。在船舶制造過程的轉型升級的大環境下，小組立部件結構較為簡單、需求量較大，適合作為數字化、智能化、流水線化結構件加工生產的先頭兵[2]。

1 焊接機器人的發展情況

1.1 硬件發展情況

經過半個多世紀的發展，工業機器人在物料搬運、非接觸式加工、零部件裝配及自動化檢測等生產過程中均有不同深度、廣度的應用。非接觸式加工中的焊接機器人是在工業機器人中應用較廣的主流品類，約半數以上的全球在役工業機器人應用于焊接加工流程。1959年，工業機器人尤尼梅特(UNIMATE)問世。1961年，美國通用汽車公司安裝該工業機器人，標志機器人在工業領域正式投入應用。20世紀80年代，美國軍方將工業機器人應用于軍艦建造，工業機器人逐漸走入航運及船舶制造業。20世紀90年代，日本大型造船企業開始采用機器人進行焊接作業。1995年，韓國造船企業改造生產線，焊接機器人逐步應用于造船工業，在較大程度上促進韓國造船業崛起[3]。進入21世紀以來，北歐各國企業的焊接機器人生產和應用逐步成熟，奧地利、芬蘭等國的焊接機器人系統廣泛應用于丹麥、德國、新加坡等國的大型造船企業。日韓等國造船企業正逐步完成小組立焊接生產線的機器人化，工人投入逐漸減少，生產效率明顯提高。

我國造船企業對工業機器人的應用起步較晚，近年來焊接機器人陸續投入使用。2014年1月，滬東中華造船(集團)有限公司立項小組立智能生產線，2016年5月建成投產；2015年3月，中船黃埔文沖船舶有限公司立項吊環智能焊接單元，2017年10月建成投產；2017—2018年，上海外高橋造船有限公司、廣船國際有限公司等紛紛立項相關項目，目前已基本完成投產。焊接機器人生產應用成效良好，人均效率均大幅提升，每套系統每年可節約人工及耗材成本數十萬至百萬余元。

1.2 軟件發展情況

工業機器人作業編程軟件的發展大致可分3個階段：通過示教進行作業再現階段(示教再現)，通過離線編程進行作業下發階段(離線編程)，自主識別編程階段(自主編程)[4]。

(1)示教再現

通過人工或示教盒引導機器人末端的夾持器、焊槍等功能執行器具依照固定的路徑及輸出參數完成預設的動作，該過程稱為示教。由用戶示教過程編制的程序可被機器人記憶并不斷再現，指導機器人完成重復性較高的工作。在工業機器人發展初期，投入生產的機器人多通過人工示教進行編程。20世紀末，使用示教盒示教的方式逐漸興起。目前，通過示教作業進行編程的機器人仍占據工業生產領域的主流地位，在汽車、消費級數碼產品等領域的生產裝配得到大規模的應用[5]。我國在“七五”和“八五”期間研制、生產的工業機器人多屬于示教再現型機器人。

(2)離線編程

針對焊縫復雜、小批量、柔性化生產的工件，示教再現型機器人應用效率較低。在車體焊接過程中，焊接機器人針對單個工件的示教作業需要數月時間，而施焊過程僅需要十余小時[6]。對于大批量、重復度高的車體焊接作業，單次示教可應用于數年生產，效率并非不可接受，但面對小組立等結構變化程度高、單次生產部件少的工件，示教再現型機器人則顯得效率過低。另一方面，示教再現精度不高，且工人需要長期在焊件周圍作業，安全性、舒適性較傳統的人工焊接未得到完全改善。因此，施焊與編程同步進行、幾乎不存在停機等待時間的離線編程逐漸成為造船企業采用的主流編程方式。

在離線編程模式中，操作人員讀取目標焊件三維模型，在相應的軟件環境下通過離線編程軟件遠程編輯、修改機器人運行軌跡，軟件編譯模型和指令生成機器人作業代碼，控制機器人依設定軌跡運行。部分軟件設置仿真模塊，通過工件模型、生產設備模型及廠房設施模型針對機器人的運行軌跡進行仿真模擬，在焊接作業下發前確認焊接路徑的合理性，可避免造成設備及焊件損壞。典型離線編程的關鍵步驟如圖1所示。

注：CAD為計算機輔助設計(Computer Aided Design)；TCP為傳輸控制協議(Transmission Control Protocol)；I/O為輸入/輸出(Input/Output)

與傳統的示教編程相比，離線編程為遠程操作，操作人員無須現場作業，在一定程度上提高安全性及舒適性。作業程序在目標焊件運送至產線前完成編制，編程工作不占用焊接機器人工作時間，在上一焊件施焊完畢前完成下一焊件程序的編制，大幅提高小批量、柔性生產流程中的作業效率。離線編程更便于實現復雜的焊接路徑，但離線編程準確性在較大程度上依賴輸入資料與現場的匹配程度，如工件三維模型與前道工序實際輸入焊件間的加工及裝配差距、機器人的安裝精度等。盡管機器人重復定位精度較高，但在實際生產過程中受制于上述方面的誤差，其絕對定位精度難以通過離線編程方式滿足。盡管不占用機器人工作時間，但對于較為復雜的焊件而言，離線編程中的焊縫路徑建立、軌跡和工藝規劃仍較為繁瑣，即使離線編程軟件已逐步集成碰撞仿真檢測、布局規劃及耗時計算等功能，目前仍無任何一款離線編程軟件可提供真正意義上的完整焊接軌跡及工藝規劃，這意味著離線編程工作仍在較大程度上依賴編程人員及使用者的經驗。

(3)自主編程

隨著各種測量、傳感技術日益成熟，人工智能、圖像識別等新技術不斷涌現，關于機器人自主編程技術的思考逐年增加[7]。人們希望通過視覺、超聲等傳感器及工業相機獲取現場目標焊件及周圍環境信息，可自動識別工件外形尺寸、類型，通過圖像處理算法提取工件數模，并通過特征點自動識別目標焊縫位置、自動規劃機器人焊接路徑、自動生成工藝特征等參數，最終自動生成帶機器人運動位姿的焊接作業程序。程序無須依賴使用者的經驗，而是通過讀取焊接工藝專家數據庫匹配對應工藝需求，進而通過需求及參數匹配對應焊接工藝，并根據工藝信息自適應生成機器人焊接程序，下發至機器人執行。該方式不僅無須停機操作，且無須操作人員干預，適合在自動化程度需求較高的工業環境下針對復雜焊件進行真正的無人化和自動化生產[8]。

2 門式機器人焊接系統在船舶小組立中的應用

2.1 小組立焊接

小組立是船舶制造的一種生產管理模式，是船體分段裝配的一個生產階段，是現代造船業為加快造船速度、提高造船品質、形成規模生產而采用的生產管理方法。在船舶制造過程中，小組立工件是較為基本和常見的零部件，具有結構簡單、數量龐大等特點。平面分段小組立典型結構如圖2所示。

圖2 平面分段小組立典型結構

小組立工件由一系列成型拼板焊接而成，在制造過程中需要大量的焊接作業，占整體焊接作業量的15%以上。在傳統的人工焊接生產方式中，切割完畢的小組立結構板和筋板輸送至組立部，在焊接定盤上鋪展。工人將結構板及筋板一一對應，在板材上劃線，通過點焊將匹配的筋板和結構板進行初步固定。焊工對固定的小組立集中進行焊接，并依據焊工個人的經驗進行修補或后處理，焊接完畢送往背燒及打磨工位。在該過程中焊工不接觸小組立生產圖紙，生產效率在較大程度上取決于工位鋪開生產的面積及投入的熟練焊工數量。近年來，熟練焊工逐漸流失，惡劣的生產環境使焊工的培養速度難以為繼，用工成本逐年上升。該方式的成品生產質量過于依賴焊工的個人經驗及技能，產品質量不穩定，生產效率遠不能滿足現代造船企業的要求[9]。液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)船、液化石油氣(Liquefied Petroleum Gas，LPG)船及豪華郵船等高附加值、高技術船舶對焊接質量的嚴苛要求非傳統的人工焊接方式可滿足。因此，作為在船舶生產過程中較為基礎、數量較為龐大的結構件，造船企業迫切需求一種更穩定、高效、高質量的生產方式。

2.2 門式機器人焊接系統

焊接機器人在歐洲和日韓等地的造船企業中已逐漸得到廣泛而成熟的應用，但在我國的造船企業中焊接機器人的應用仍處于較為初級、亟待普及的階段。近年來，參照歐洲REIS、KRANENDONK等機器人集成公司的產品，結合小組立的結構特點及焊接需求，我國研發諸多門式機器人焊接系統，其典型結構如圖3所示。

圖3 門式機器人焊接系統典型結構

整套系統由輥道、門架、焊接機器人及若干焊接配件組成。點固過后的小組立工件放置輥道上表面，由架設在輥道兩側地面或懸空軌道上的門架帶動懸掛于門架下方的焊接機器人對小組立目標焊縫進行焊接。由于小組立焊件形式多樣、每種形式數量較少，軟件層面采用離線編程技術。近年來，激光測量及機器視覺技術逐漸應用于小組立焊接機器人系統，為焊縫精確定位提供重要貢獻。

在傳統的焊接過程中，手工焊的速度約0.3 m/min，大幅低于焊接機器人1.6 m/min的常規速度[10]。在焊接過程中，機器人運行軌跡由軟件及安裝精度控制，穩定性和精密度優于人工焊接。得益于工藝參數調整，焊接機器人施焊完畢的焊縫較手工而言更加美觀，可在一定程度上減少后續清渣及打磨工作的耗時。

3 門式機器人焊接系統的應用難題

3.1 配套硬件的成本

離線編程模式使操作人員可離開車間較為惡劣的生產環境，遠程操作機器人進行施焊，但施焊精度在較大程度上依賴機器人配套硬件的加工及安裝精度。配套硬件主要分為2個部分：作為機器人外部軸的門架和在車間內與門架配合的地軌。國內配套門架的生產普遍采用起重機行業生產標準，加工精度及運行過程中的撓度均為千分之一。小組立生產設備門跨距普遍約10.0 m，這意味著裝配完畢的門架誤差可能超過10.0 mm。若無特殊要求，地軌生產及安裝誤差普遍會達5.0～10.0 mm。這些累積誤差大幅超過機器人焊接的容許范圍。而提高加工及裝配精度、減小撓度將導致設計及制造成本的大幅增加。考慮在長期使用導致變形后的可維修性，雙梁式門架顯著優于單梁式門架，但雙梁式門架設計會大幅提高加工成本。高昂成本導致的高售價可能使造船企業在小組立焊接自動化改造過程中望而卻步。

3.2 模型與現場工件的匹配度

離線編程過程不僅對配套硬件的模型與實際生產加工完畢的設備匹配程度要求較高，而且對現場工件的判斷完全依賴輸入模型，對模型與現場工件的匹配度要求更高。在部分造船企業采用的設計流程中，三維模型通常不包含全部的加工細節，而三維圖紙對工件部分細節的缺失很可能導致機器人判斷失誤。切板、畫線、點固等前道工序造成的隨機誤差逐步累積，可能導致運抵焊接工位的工件與原始模型的偏差超出離線編程的容許范圍。

3.3 焊接過程的實時調整

在人工焊接過程中，經驗豐富的焊工可根據熔池形成等工件現狀，實時調整焊接方案或參數。對于批量施焊的機器人而言，隨機誤差造成的影響只能通過擴大焊接容錯率加以規避，而常規離線編程方案容錯率往往較低。

3.4 焊接過程的實時調整

與人工焊接和示教焊接相比，現有的離線編程在必需勞動時長方面的提升仍較為有限。盡管不再大量需要熟練焊工，但焊接軌跡及工藝規劃仍重度依賴離線編程人員及操作人員根據現有模型針對各焊縫逐條進行編輯，編程過程雖無須停機進行等待，但焊縫規劃工作仍需要在施焊前花費熟練工大量的工作時間。

4 門式機器人焊接系統的發展方向

基于門式機器人焊接系統的應用難題，促進我國船舶小組立焊接的自動化、數字化、流水線化普及過程，需要編程方式由第二代的離線編程向第三代的自主編程逐步邁進。自主編程通過多傳感器的信息融合，無須模型輸入，可根據點云識別自動完成工件建模、焊縫識別及規劃，確保焊接方案符合現場工件的實際情況。根據傳感器閉環控制及熔池質量的圖像識別，在施焊過程中確保對焊縫的精確跟蹤，以確保對焊接質量的精準把控。因此，自主編程方式可在一定程度上降低對硬件加工、裝配精度及現場焊件與圖紙匹配度的要求。自主編程技術的發展雖暫時無法完全滿足投產需要，但可通過在基于離線編程的門式機器人焊接系統內集成滿足上述功能的傳感器，以降低模型與現場工件的匹配度要求，提升機器人焊接容錯率及焊縫質量。

5 結 語

日韓等國造船企業在造船關鍵作業環節已全面實現數字化，正向智能化方向發展，而目前我國只是在某些作業環節的單機方面達到數字化，大多作業環節仍靠手工作業。我國應以智能制造為主攻方向，并將海洋工程裝備與高技術船舶作為十大重點領域之一。隨著機器人焊接技術的快速發展，該技術在船舶制造領域的應用得到廣泛關注。小組立結構簡單、數量巨大，非常適合通過離線編程技術建造機器人裝焊流水線進行生產。近年來，門式小組立機器人焊接系統已逐步代替傳統的手工焊接，開始在國內各大造船企業投入應用。基于小組立構件的結構特點，門式焊接系統搭配離線編程這一模式無疑是較合適小組立焊接的自動化、數字化解決方案。