面向船體復雜工件的機器人自適應焊接技術

何澤宇，喻天祥，王冬梅，劉 堅

(上海船舶工藝研究所，上海 200032)

0 引 言

機器人焊接技術在工業領域特別是汽車行業已廣泛應用，而在船舶制造行業剛剛起步[1-3]。船體工件差異大、批量小，難以設計通用工裝，船體焊接工位需要執行復雜且重復性較差的焊接任務。

離線軟件基于船體設計模型預先生成差異化的焊接任務，包含差異化的機器人運動軌跡和差異化的焊接工藝。在生產階段中，現場操作人員將當前工件對應的離線文件導入設備，智能焊接設備即可執行適用于當前工件的機器人程序。離線軟件的數據來源于設計數據，并不包含對現場誤差的補償，因此必須通過機器人自適應技術在作業執行階段修正焊接路徑。

1 背景分析

船體工件動輒數十噸、上百噸，小組立階段的工件可達數百公斤，工件裝配以半自動裝配和人工裝配為主，零件之間的接合方式以點焊、弧焊為主[4]。船體工件的上述特點使焊接過程不可避免地產生各種誤差：工件擺放誤差、零件加工和裝配誤差、熱變形等。弧焊對焊槍位置的要求較高，在起弧過程中焊絲必須在與鋼材接觸瞬間形成短路將焊絲熔化，在焊接過程中焊絲沿焊縫方向保持左右擺動才能將熔融的焊材均勻覆蓋在焊縫上。

傳統船體焊接工位主要為人工或半自動工位[5-6]，焊工根據現場情況實時調整焊接，而離線規劃式智能焊接裝備往往在工件上線前已生成作業規劃，無法預知現場產生的誤差。離線仿真生成的焊接點位必須經過焊接任務執行階段修正，這種修正過程即為船體機器人焊接的自適應過程。通過對船體工件誤差的分析，可確定機器人自適應流程。通過三維掃描技術定位工件，為通過焊縫起終點掃描技術精確定位焊縫起終點、確保焊槍可在正確位置起弧和收弧，在焊接過程中通過焊縫跟蹤技術對焊縫進行跟蹤。

2 關鍵技術

2.1 船體工件定位技術

船體工件體積大、質量重、搬運困難，并受限于現場加工排期，較難在焊接前將待加工工件精確調整至預定位置，因此需要對工件整體進行定位補償?；谝曈X掃描技術獲取工件若干關鍵點的實測坐標，與離線規劃給出的理論坐標進行比較，計算得出實際工件的整體偏移和偏轉。依據計算結果對工件進行定位，同時對工件的所有焊接任務點位進行粗定位。部分智能焊接設備采用物理標尺獲取關鍵點坐標，現場操作人員將關鍵點坐標輸入設備，計算工件的整體位置偏移。

2.2 焊縫起終點尋位技術

工件定位存在誤差，工件裝配允許存在誤差，即使經工件整體定位糾偏，單條焊縫仍存在一定誤差。為確保焊槍在焊縫實際的起終點位置起弧和熄弧，需要對焊縫起終點進行尋位。焊縫起終點尋位主要方式如下：

(1)接觸式尋位。機器人在尋位運動過程中，焊絲、導電嘴等部位與焊縫關聯鋼板接觸產生電信號，機器人停止運動，通過當前機器人停止位置對離線程序下發位置進行修正。

(2)非接觸式尋位。機器人通過外置傳感器測量與關聯鋼板的距離，通過測量數據對程序位置進行修正。

2.3 焊接過程中的跟蹤技術

工件加工誤差、裝配誤差及焊接過程中的熱變形等因素會不可避免地導致修正后的離線軌跡和實際焊接軌跡存在一定偏差。在焊接過程中對機器人的軌跡偏差進行實時補償，完成精確的焊接過程是保證焊接質量的關鍵。目前主流跟蹤方式如下：

(1)擺動電弧跟蹤。電弧傳感器通過檢測焊接電流或電壓的變化跟蹤焊縫，利用焊槍與工件之間的距離變化引起的焊接電流電壓變化實時監測焊槍高度和左右的偏差，將偏差信息傳遞至機器人系統，從而對機器人末端軌跡進行補償。

(2)線激光跟蹤。線激光跟蹤傳感器包含電荷耦合器件(Charge-Coupled Device,CCD)攝像機和半導體激光器，激光器作為結構光源，以預定角度將激光條紋發送至工件表面，攝像機透過光學濾光片觀察激光條紋和焊縫；在焊縫跟蹤時，一般將傳感器置于焊槍前側，采集即將焊接位置的結構信息傳遞至機器人以進行合理調整。

3 技術應用

3.1 焊接裝備

圖1為門架式中組立智能焊接裝備模型。該裝備是典型的離線規劃式智能焊接裝備。操作人員提前將工件設計模型數據導入離線規劃軟件生成離線規劃文件，現場將離線規劃文件導入智能裝備，在任務執行階段通過機器人自適應焊接技術保證焊接精度和質量。目前該裝備已在廣船國際有限公司示范應用，應用于深中通道隧道鋼結構焊接。

圖1 門架式中組立模型

3.2 焊接實踐

門架式中組立智能焊接裝備采用3D掃描方式定位工件，采用點激光尋位方式定位焊縫起終點，采用擺動電弧跟蹤方式在焊接過程中進行跟蹤。

(1)3D掃描定位

3D掃描傳感器下掛在機器人旁的1根垂向外部軸上，單工位配備2個傳感器。在工件到位后，使用2個傳感器分別掃描工件前后側關鍵點，得到關鍵點附近的點云圖片，基于點云庫(Point Cloud Library，PCL)計算關鍵點位置。工件關鍵點點云擬合如圖2所示。綜合前后2個關鍵點計算工件整體偏移值，將結果補償至工件上的所有焊接任務。

圖2 工件關鍵點點云擬合

(2)點激光尋位

點激光傳感器位于焊槍基座附近的工裝上，通過該傳感器測量至焊縫關聯鋼板的距離，尋找焊縫關聯鋼板的邊界定位焊縫起終點。焊縫典型結構如圖3所示。焊縫起點為3塊鋼板交會結構，焊縫終點為2塊鋼板交會結構。起點尋位需要測量底板、連接板和障礙板與理論位置的差異，得出實際的焊縫起點。終點尋位需要測量底板和連接板與理論位置的差異，尋找連接板邊界，得到實際焊縫終點。

圖3 焊縫典型結構示例

(3)擺動電弧跟蹤

使用線激光跟蹤需要在焊槍附近加裝線激光傳感器，在焊接過程中需要保持線激光束照射在焊接位置前方，會造成很多焊接位置不可達。在綜合考慮現場環境和加工對象后，中組立智能焊接裝備采用擺動電弧跟蹤方式進行焊接過程中的跟蹤。

3.3 焊接效果

圖4和圖5分別為門架式中組立智能焊接裝備平焊縫和立焊縫的焊接效果，焊縫表面光滑均勻、無氣孔，現場探傷滿足焊接要求。

圖4 平焊縫焊接效果

圖5 立焊縫焊接效果

4 結 語

機器人自適應焊接技術運用在離線規劃式智能裝備中可有效補償現場工件與理論設計數據之間的差異，焊接效果滿足焊接要求。對于變形較大的焊縫，后續需要繼續研究焊接工藝自適應，通過實時改變焊接電流、電壓和送絲速度等工藝參數確保焊縫可較好填充。