基于數字孿生的機器人焊接自動編程關鍵技術研究

張本順，孫凱，許燕玲，張華軍

1．哈爾濱工程大學 黑龍江哈爾濱 150001

2．江蘇自動化研究所 江蘇連云港 222006

3．上海交通大學材料學院上海市激光制造與材料改性重點實驗室 上海 200240

1 序言

機器人焊接因其質量穩(wěn)定、效率高、重復性好和柔性強的優(yōu)勢而越來越多地被應用在智能制造領域，例如，汽車行業(yè)中機器人焊接應用占比約40%。然而在海工裝備制造中，傳統(tǒng)的示教-再現型機器人卻很難大規(guī)模直接應用于實際焊接生產中，其應用不足2%。主要是因為在船舶海工焊接制造中存在著大量定制化非標件，加上多品種、小批量的特點（見圖1），導致機器人不能應用或者不適用，效率低下，迫切需要機器人焊接具有更高的適應性和柔性。因此，要實現機器人智能化焊接在船舶、海工、鋼結構和工程機械中的大規(guī)模應用推廣，還有很多亟需解決的重要問題[1，2]，其中機器人焊接自動編程技術是關鍵[3，4]。

圖1 船舶海工裝備制造中的多品種、小批量、定制化非標件

2 關鍵技術

要在多品種、小批量、定制化非標件的船舶海工裝備制造中實現大規(guī)模使用機器人焊接，需要突破的關鍵技術如圖2所示，包括焊接自動編程技術、機器人焊接控形與控性技術和視覺傳感系統(tǒng)等。

圖2 基于數字孿生及視覺傳感的海工裝備機器人智能化焊接關鍵技術

機器人智能化焊接解決方案如圖3所示，其中機器人焊接自動編程是關鍵，主要包括焊接數字孿生、離線編程、3D視覺等關鍵技術。利用數字孿生系統(tǒng)快速自動編程，再利用3D視覺自動修正焊接軌跡，可提高焊接效率，實現多品種、小批量、定制化非標件的機器人焊接，解決機器人智能化焊接在船舶海工裝備應用中的一些痛點和難點問題，逐步實現智能焊接替代人工，讓機器人焊接在這些領域能用、好用。

圖3 機器人智能化焊接解決方案

3 機器人焊接自動編程

目前，市場上關于焊接的自動編程軟件有很多，如以色列的S m a r t T C P、A B B機器人的RobotStudio、KUKA機器人的Simpro編程軟件、發(fā)那科機器人的Roboguide、荷蘭的RinasWeld、澳大利亞臥龍崗大學的Verbotics及荷蘭的Delfoi 機器人離線編程軟件等。機器人焊接自動編程流程如圖4所示，其實現主要包括以下4步。

圖4 機器人焊接自動編程流程

第一步，模型導入與焊縫編輯。從三維設計軟件里導出焊接工件三維模型，利用數字孿生系統(tǒng)對焊接工件模型進行編輯，設置焊縫，生成坡口并設置焊道焊接順序。

第二步，運動仿真與焊接仿真。在數字孿生系統(tǒng)中編輯機器人焊接動作，進行運動仿真，確認加工路徑正確、沒有碰撞，并生成機器人焊接路徑。

第三步，3D焊接軌跡校正。修正機器人實際焊接路徑，利用3D視覺掃描整個工件，對工件進行識別和空間定位，并校正三維零件模型和實際工件焊縫位置，獲得實際焊縫位置數據。

第四步，焊接過程控制。機器人根據焊接指令運動到焊縫起始位置開始焊接，并利用激光視覺傳感對焊接過程進行實時焊縫跟蹤控制，利用被動視覺傳感系統(tǒng)對熔池進行實時監(jiān)控，最終完成工件的整個焊接。

4 焊接數字孿生系統(tǒng)

“數字孿生”作為一種“改變游戲規(guī)則”的顛覆性技術，是傳統(tǒng)行業(yè)數字化轉型的重要驅動力量，可以實現物理空間與數字空間實時雙向同步映射及虛實交互，在虛擬信息空間構建一個機器人焊接動態(tài)過程的虛擬系統(tǒng)，基于多傳感技術在虛擬空間中完成實物的精準映射，實現對機器人焊接成形過程進行動態(tài)協(xié)同優(yōu)化控制，是實現機器人智能化焊接技術新的突破點。研究基于工業(yè)數字孿生驅動的機器人智能化焊接技術對機器人智能再制造技術的推廣具有重大意義。機器人焊接數字孿生的數字系統(tǒng)與實物系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 機器人焊接數字孿生系統(tǒng)的數字系統(tǒng)與實物系統(tǒng)

數字孿生是數字世界和物理世界深度融合的共生體，是智能制造應用落地的一個重要手段，具備開放和動態(tài)制造場景的識別與適應能力，對制造過程的實時感知與控制能力，以及實現系統(tǒng)的虛實交互與控制優(yōu)化，是下一代智能制造的關鍵[5]。

焊接發(fā)展歷史悠久，焊接過程復雜多變，尤其是船舶海工裝備焊接件品種多、批量小、定制化非標件多，裝配間隙不一致，以及工藝優(yōu)化滯后等，阻礙了機器人智能化焊接的發(fā)展?；跀底謱\生系統(tǒng)的機器人智能化焊接采用離線編程方法，允許終端用戶以直觀、快速的方式對機器人進行編程，工人能夠自動配置焊接參數和編程機器人，生成機器人軌跡并將其自動發(fā)送到機器人系統(tǒng)，而無需使用機器人示教器，通過實時控制命令主動將機器人焊接過程保持在界限內?；跀底謱\生系統(tǒng)，實現虛實數據交互融合，使焊接生產線物理實體與其數字孿生體實時聯(lián)動并相互映射，對機器人焊接生產過程進行實時反饋、迭代優(yōu)化、監(jiān)督報警等，為焊接過程提供決策建議，從而保證機器人焊接質量的穩(wěn)定性。

目前，基于數字孿生技術的建模和仿真與以往大不相同，不再是處于離線、獨立和特定階段存在的狀態(tài)，而是已經實現了與真實的物理世界建立持久、實時、可交互的連接。在焊接中，數字孿生模型和機器人焊接裝備實物是相互影響的，是機器人智能化焊接的關鍵技術。上海柏楚電子科技股份有限公司開發(fā)的焊接數字孿生系統(tǒng)建模及仿真軟件如圖6所示。

圖6 焊接數字孿生系統(tǒng)建模及仿真軟件

5 視覺傳感技術

視覺傳感器以非接觸特性、信息豐富、精度高、檢測速度快及適應性強等優(yōu)點[6]，在數字孿生系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，是修正焊接軌跡、實現焊接自動編程的關鍵，被廣泛用于機器人焊接定位、焊接導引、焊縫跟蹤和焊接過程監(jiān)控中?；?D視覺的機器人智能化焊接數字孿生系統(tǒng)如圖7所示。其中常用的3D視覺廠家有西安知象光電科技有限公司、中科融合感知智能研究院有限公司、浙江漢振智能技術有限公司等。

圖7 基于3D視覺的機器人智能化焊接數字孿生系統(tǒng)

在數字孿生系統(tǒng)中，數字世界和物理世界的準確協(xié)調聯(lián)動是關鍵，利用3D宏觀視覺技術，對工件整體形貌進行掃描，與工件模型進行比對后，可自動調節(jié)工件在數字孿生系統(tǒng)內的位置，并且由系統(tǒng)再次計算修正焊接軌跡及空移軌跡，以及通過點云配準對工件進行初定位[7]（見圖8），實現機器人的自動編程焊接。

圖8 基于3D視覺的焊接工件路徑修正及點云配準初定位

6 結束語

在船舶、海工、鋼結構和工程機械等焊接制造中存在著大量定制化非標件，傳統(tǒng)的示教-再現型機器人很難直接應用于這些領域的實際焊接生產中?；跀底謱\生及視覺傳感技術的機器人焊接自動編程是實現智能化焊接在多品種、小批量、定制化非標件領域應用的關鍵所在。因此，開展焊接數字孿生、離線編程、3D視覺焊接路徑修正和焊接定位等關鍵技術的研究，對于提升我國裝備制造焊接水平、提高船舶海工制造工程的自主配套能力，以及滿足國家新型船舶戰(zhàn)略安全需求均具有重要意義。