船舶中組立結構機器人焊接工藝參數規劃

喻天祥，祁 超,2，王冬梅，劉 堅，成宇韜,2

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032;2.船舶智能制造國家工程研究中心，上海 200032)

0 引 言

近年來，面對國內外的競爭壓力，我國越來越多的船舶企業意識到數字化建設與智能制造升級的重要性，必須加快推動智能化技術與船舶制造技術融合，積極尋求突破，持續優化造船工藝流程，加快中間產品智能生產線建設，將智能制造作為轉型升級和提質增效的重點方向。大力推動船舶智能制造、提升船舶建造質量和效率、降低成本和資源能源消耗是增強核心競爭力的有效途徑。應以數字化設計為源頭、以數字工業軟件系統為支撐、以自動化/智能化設備為手段，通過廣泛應用智能加工裝備，加快提升船舶建造效率，降低資源消耗，最終達到降低成本、提升競爭力的目標。研究機器人焊接工藝參數規劃技術，是研制船舶中組立結構機器人焊接裝置的重要環節之一。

1 背景分析

在將機器人焊接技術應用于船舶復雜結構的自動焊接過程中，機器人焊接工藝的自動匹配是重要環節。在半自動人工干預情況下，需要結合焊縫周圍的零件結構形式，對焊接構件每條焊縫的焊接工藝進行設置，不僅費時費力，而且不夠精確。在離線編程環境下，設計算法對焊縫的關聯零件特征進行識別，結合焊接工藝參數庫，可自動生成焊縫的合理焊接工藝參數，提升機器人自動化焊接的效率和焊接質量。

針對面向船舶焊接工藝規劃的參數規則匹配方法進行研究闡述，對焊接工藝規劃的特點進行分析，對基于零件焊縫的特征進行焊接工藝設計的技術過程進行梳理。在設置焊縫特征與工藝參數之間的匹配規則、提取工件及焊縫信息、提取焊縫特征和按規則匹配焊縫特征得到工藝參數等方面進行探討。機器人焊接工藝規劃的相關零件、模型和焊縫信息源于設計系統，利用接口軟件從設計軟件中提取工件設計數據，加以分析處理，以滿足機器人在虛擬環境中完成工件焊接工藝規劃的需要，并在離線環境中預覽和基于規則生成工藝參數，生成的焊接程序支撐現場焊接裝備的高效執行，提升現場設備的運行效率及焊接質量。

2 工件及焊縫信息處理

設計模型和工藝數據是機器人焊接工藝參數規劃的輸入，在進行工藝參數規劃前，需要從設計系統中導出設計數據。目前在行業內應用較為廣泛的設計軟件為AM、Tribon、船舶產品設計(Ship Product Design,SPD)和CATIA等，這些設計軟件主要是進行船舶產品的生產設計，包括船體結構、輪機、電氣、設備和舾裝等各個專業。在通過設計系統完成生產設計后，設計模型和工藝信息包羅萬象。隨著智能制造裝備在生產環節的應用，智能化裝備對設計模型和工藝信息的要求更高，設計直接輸出的模型和工藝信息不可直接使用，需要進行二次處理。根據機器人智能化焊接的需要，重點對焊縫相關的零件屬性、裝配關系和空間位置等進行提取，理清焊縫與零件、零件與零件間的空間拓撲關系，結合現場的工藝試驗，針對典型特征的焊縫進行歸類，形成工藝參數庫，基于焊縫和零件特征匹配焊接工藝。

工件及焊縫信息處理過程可分為模型工藝信息提取、焊縫關聯的模型特征歸類、工藝信息的表達與管理、工藝信息與模型的關聯等具體工作。三維模型作為工藝信息的載體，進行機器人焊接工藝規劃。基于三維模型的工藝交互，使特征信息的表達更為充分和直觀，焊縫及關聯模型通過幾何形狀信息展示，所見即所得，更便捷地進行工藝信息的編輯。在完成機器人運動路徑及工藝參數規劃后的仿真環節，三維圖形便于進行工藝決策，對焊接過程的工藝過程進行優化分析，如調整機器人焊接姿態和優化復雜構件中的焊縫焊接作業順序等。

3 焊接工藝數據庫構建

機器人焊接工藝數據庫包含導入的模型信息、典型特征的焊接工藝參數和工藝參數匹配規則等。模型信息源于計算機輔助設計(Gomputer Aided Design,CAD)系統，經現場試件反復多次試驗形成典型特征的最優工藝參數，基于模型進行焊縫關聯零件的特征梳理，基于特征表達焊縫的工藝。焊接工藝數據庫構建流程如圖1所示。焊接工藝數據庫構建包括模型的零件數據、焊縫數據、焊縫隊列、焊縫節點、隔板索引信息、隔板輪廓三維數據信息和型材端部三維數據信息等[1-2]。

4 焊縫特征智能化識別

焊縫特征是用于工藝參數匹配的依據，焊縫特征分為設計屬性和計算特征。

4.1 設計屬性

設計屬性為焊縫在設計時已確定的屬性，通常可從設計軟件中抽取，主要設計屬性如表1所示，其中：contour類型為復合類型，其結構如圖2所示。

表1 焊縫設計屬性

圖2 contour類型

4.2 計算特征

計算特征為對焊縫輪廓及焊縫關聯零件進行分析后得到的焊縫特征，焊縫主要計算特征如表2所示，其中：焊縫長度為焊縫每一段長度之和；焊接位置使用ISO 6947規范表示；延伸形式為父板與連接板連接時的延伸關系，如圖3所示；端部遮擋零件為焊縫端部存在零件遮擋，如圖4所示；端部開孔尺寸為焊縫父板端部存在開孔，如圖5所示。

圖4 端部遮擋示例

圖5 端部開孔示例

表2 焊縫計算特征

圖3 延伸形式示例

計算特征識別可通過對設計軟件提供的幾何信息進行計算后得出，以焊接位置為例，其計算步驟如下：

(1)建立用戶坐標系，在工件上選取底面，在底面上選取一點作為坐標原點O，沿工件底面的一邊選取一點作為x+方向，沿工件底面與該邊相鄰的另一邊選取一點作為y+方向，確定原點、x軸和y軸，進而確定坐標系。

(2)將設計數據中的所有點位坐標經矩陣變換轉換至用戶坐標系下。

(3)按焊縫的起終點確定焊縫方向向量W，將焊縫方向向量投影至用戶坐標系的xOy平面W′，計算W與W'的夾角α，若α=90°則位置為PF，若α=-90°則位置為PG，若α=0°或α=180°則需要通過步驟4進一步判斷。

(4)計算父板正對焊縫一面的法向量Vp，計算連接板正對焊縫一面的法向量Vc，計算Vp與Vc的夾角β，若β=0°則位置為PA，若β=45°則位置為PB，若β=90°則位置為PC，若β=135°則位置為PD，若β=180°則位置為PE。

5 基于特征的焊縫焊接工藝匹配

在機器人焊接工藝數據庫中，工藝參數與焊縫特征的匹配關系通過工藝規則存儲，工藝規則是工藝知識的一種體現形式。常見的知識表示方法為狀態空間法、問題規約法、謂詞邏輯法、語義網絡法、框架表示和本體技術[3]，不同的表示方法用于不同的應用場景。所用的工藝規則使用謂詞邏輯法表示。

謂詞邏輯允許表達那些無法用命題邏輯表達的事情。一階謂詞驗算的根本目的在于將數學中的邏輯論證符號化。謂詞邏輯的基本組成部分是謂詞符號、變量符號、函數符號和常量符號[4]，為方便文本記錄及程序處理，使用一種基于S表達式(s-expression)表述謂詞邏輯的語法。S表達式是指一種以人類可讀的文本形式表達半結構化數據的約定，由John McCarthy提出并以在Lisp家族編程語言中的使用而為人所知[5]。

所用表達式的基本語法形式可采用圖6的巴科斯范式(Backus-Naur Form,BNF)(1～5)表示。

圖6 表達式語法

以焊接速度的設置規則為例，存在1條焊接規則：焊接板厚為8 mm的角焊縫需要設置焊接速度為3.9 mm/s。該規則的表達式為(If(And(=Thickness1 8)(=Position "PB"))(SetSpeed 3.9))。使用表達式表示的規則具有良好的可讀性，便于維護，表達式語法結構簡單非常適合程序解析處理。

6 結 語

船舶中組立結構機器人焊接工藝參數規劃需要明確機器人智能化焊接對工藝數據的需求，突破工藝數據基于特征智能化匹配的關鍵技術，形成機器人工藝參數規劃的規則庫，并基于特征表達進行模型及零件焊縫數據的提取與組織，通過基于規則的機器人焊接工藝參數的智能匹配，最終實現船舶中組立結構機器人焊接裝置更好落地，支撐船舶加工智能制造裝備高效連續均衡生產，促進船舶企業的智能制造轉型升級。