可移動(dòng)智能焊接機(jī)器人在箱型梁結(jié)構(gòu)制造中的應(yīng)用

蔣宇軒，洪波，賈愛亭，李湘文，李高陽，黃海力，洪宇翔

1.中國計(jì)量大學(xué)浙江省智能制造質(zhì)量大數(shù)據(jù)溯源與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江杭州 310018

2.湘潭大學(xué)焊接機(jī)器人及應(yīng)用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖南湘潭 411105

3.廣東新會(huì)中集特種運(yùn)輸設(shè)備有限公司 廣東江門 529000

1 序言

大型復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)件是重型裝備中的關(guān)鍵核心構(gòu)件，其高效可靠焊接成形是行業(yè)全球性的難題。受國外進(jìn)口限制，我國對(duì)大型、復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)先進(jìn)焊接技術(shù)與產(chǎn)品需求均十分強(qiáng)勁[1]。箱型梁結(jié)構(gòu)是一類極具代表性的復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)形式，廣泛應(yīng)用于物流運(yùn)輸、物料搬運(yùn)、重型機(jī)械、海洋工程等領(lǐng)域大型裝備的承力部件。中厚板焊接是其制造的關(guān)鍵技術(shù)，因其通常具有多品種、小批量等特點(diǎn)，迫切需要機(jī)器人自動(dòng)化解決方案，以實(shí)現(xiàn)“提質(zhì)”“降本”“增效”和“機(jī)器替人”[2]。然而，一方面，由于箱型梁結(jié)構(gòu)在制造過程中工序間周轉(zhuǎn)多、組焊定位精度不易保證，加上工件焊接過程變形復(fù)雜時(shí)變，因此給產(chǎn)品質(zhì)量一致性控制造成困難，傳統(tǒng)的“示教-再現(xiàn)”型或“離線編程”型機(jī)器人難以實(shí)現(xiàn)其高效柔性化焊接制造；另一方面，盡管國內(nèi)外諸多研究人員在新一代智能化焊接機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究方面做了大量有益嘗試[3，4]，但由于實(shí)際焊接生產(chǎn)中工況復(fù)雜惡劣（弧光、煙塵、飛濺等）且多工位協(xié)作的作業(yè)環(huán)境，因此增加了機(jī)器人外部感知與穩(wěn)定作業(yè)的難度[5]，尚缺乏可靠適用的機(jī)器人智能化解決方案。當(dāng)前，諸多行業(yè)中此類構(gòu)件的焊接生產(chǎn)仍嚴(yán)重依賴全手工操作或半自動(dòng)化設(shè)備輔助方式進(jìn)行高標(biāo)準(zhǔn)和高風(fēng)險(xiǎn)的勞動(dòng)密集制造，生產(chǎn)效率已趨于極限，同時(shí)存在焊接質(zhì)量穩(wěn)定性差、廢品率與返修率高、產(chǎn)品缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭力、能耗大等問題。而隨著焊接結(jié)構(gòu)大型化、復(fù)雜化發(fā)展，產(chǎn)品制造精度、質(zhì)量性能要求的提升將對(duì)非智能化的焊接生產(chǎn)方式帶來更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

本文介紹了一種以電弧跟蹤傳感技術(shù)為核心的“免示教”可移動(dòng)智能焊接機(jī)器人裝備，配備自主研發(fā)的電弧跟蹤傳感、激光視覺尋位導(dǎo)引、焊接過程可視化監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，可在無人工示教編程的前提下實(shí)現(xiàn)基于“空間焊縫軌跡在線識(shí)別-焊接初始點(diǎn)尋位-間斷焊跳焊導(dǎo)引”的焊縫自主尋位導(dǎo)引，焊接過程偏差實(shí)時(shí)檢測(cè)與焊縫自動(dòng)跟蹤，同時(shí)實(shí)現(xiàn)熔池區(qū)域可視化監(jiān)測(cè)與工藝參數(shù)實(shí)時(shí)同步采集存儲(chǔ)。本裝備將箱型梁結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的“人工/半自動(dòng)焊”生產(chǎn)模式，轉(zhuǎn)型升級(jí)為智能焊接制造模式，大幅提升工件一次焊接合格率和生產(chǎn)效率，有效降低人工成本和勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也為產(chǎn)品全生命周期質(zhì)量控制提供可追溯的數(shù)據(jù)。

2 裝備組成

可移動(dòng)智能焊接機(jī)器人包括可移動(dòng)機(jī)器人本體、主控系統(tǒng)、電弧跟蹤傳感子系統(tǒng)、激光視覺尋位導(dǎo)引子系統(tǒng)和焊接過程可視化監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，如圖1所示。整個(gè)制造過程的實(shí)施由主控系統(tǒng)全局控制，通過激光視覺尋位導(dǎo)引子系統(tǒng)在線獲取箱型梁結(jié)構(gòu)件待焊焊縫軌跡，實(shí)現(xiàn)空間焊縫軌跡在線識(shí)別、焊接初始點(diǎn)尋位、間斷焊跳焊導(dǎo)引，結(jié)合電弧跟蹤傳感子系統(tǒng)與焊接機(jī)器人本體實(shí)現(xiàn)焊接過程中的實(shí)時(shí)糾偏，同時(shí)通過焊接過程可視化監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)進(jìn)行熔池區(qū)域可視化監(jiān)測(cè)與工藝參數(shù)實(shí)時(shí)同步采集存儲(chǔ)。具體工作流程如圖2所示。

圖1 可移動(dòng)智能焊接機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖2 系統(tǒng)工作流程

2.1 可移動(dòng)機(jī)器人本體

可移動(dòng)機(jī)器人本體采用直角坐標(biāo)系機(jī)器人構(gòu)型設(shè)計(jì)，是焊槍與各外部傳感子系統(tǒng)的載體。機(jī)器人具有5個(gè)自由度，分別為3個(gè)移動(dòng)軸（X軸、Y軸、Z軸）和2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸（旋轉(zhuǎn)軸1和旋轉(zhuǎn)軸2）。在焊接過程中，焊槍的位置可以在X、Y、Z方向調(diào)整，焊槍姿態(tài)通過旋轉(zhuǎn)軸1和旋轉(zhuǎn)軸2進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖3所示。

圖3 可移動(dòng)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)示意

2.2 主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)是可移動(dòng)智能焊接機(jī)器人裝備的控制和信號(hào)處理中樞，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。在主控系統(tǒng)中，工控機(jī)與PLC通過RS485總線進(jìn)行通信，由PLC下發(fā)信號(hào)控制伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)，控制機(jī)器人的位姿變換。此外，本系統(tǒng)還配備人機(jī)交互控制面板，在焊接作業(yè)前，首先通過人機(jī)交互控制面板檢測(cè)焊槍擺動(dòng)器的伺服編碼器是否處于正確的編碼位置；其次通過激光視覺尋位功能實(shí)現(xiàn)焊接起始點(diǎn)導(dǎo)引；最后焊接工作開始，在整個(gè)焊接過程中，由主控系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)頻率、擺動(dòng)側(cè)壁停留時(shí)間、擺動(dòng)幅度、擺動(dòng)波形、焊槍的對(duì)中控制與機(jī)器人的移動(dòng)速度進(jìn)行調(diào)整。

圖4 主控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2.3 電弧跟蹤傳感子系統(tǒng)

電弧跟蹤傳感子系統(tǒng)由擺動(dòng)電弧傳感模塊（霍爾傳感器、信號(hào)調(diào)理單元、信號(hào)處理單元）和焊槍擺動(dòng)器組成，如圖5所示。擺動(dòng)電弧傳感模塊屬于機(jī)械式電弧傳感，其作用是通過檢測(cè)焊接過程中實(shí)時(shí)電流、電壓差值可以間接獲得焊縫的位置信息[6，7]。焊槍擺動(dòng)器分為機(jī)械擺動(dòng)與電控?cái)[動(dòng)，由于箱型梁厚板的多層焊以及擺動(dòng)參數(shù)在線可調(diào)的要求，本裝備采用電控式焊槍擺動(dòng)器，其中安裝在X-Y運(yùn)動(dòng)模組上的電動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)焊槍的擺動(dòng)與弧長控制，連接主滑架與X-Y運(yùn)動(dòng)模組的傾角電動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)焊槍的角度調(diào)節(jié)。

圖5 電弧跟蹤傳感子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

該子系統(tǒng)具有抗弧偏吹、高溫以及強(qiáng)磁場(chǎng)干擾的優(yōu)點(diǎn)，在執(zhí)行焊縫實(shí)時(shí)跟蹤的同時(shí)，焊槍擺動(dòng)帶來的擺弧工藝不僅可以增加側(cè)熔深和改善焊縫組織，提高焊縫質(zhì)量和優(yōu)化焊縫成形，還能夠進(jìn)一步增加對(duì)焊接接頭裝配定位的允差范圍。其相關(guān)性能指標(biāo)見表1。

表1 電弧跟蹤傳感子系統(tǒng)性能指標(biāo)

2.4 激光視覺尋位導(dǎo)引子系統(tǒng)

激光視覺尋位導(dǎo)引子系統(tǒng)主要由圖像處理單元（微控制器）、圖像采集單元（包含濾光片、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、平面鏡、接收透鏡和CCD相機(jī)）、激光視覺傳感器組成[8]，如圖6所示。其中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和平面鏡構(gòu)成旋轉(zhuǎn)鏡裝置，在測(cè)量過程中，由微控制器控制電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)平面鏡偏轉(zhuǎn)，使入射激光角度發(fā)生變化，從而可以在系統(tǒng)位置和姿態(tài)不變的情況下進(jìn)行多個(gè)方向的測(cè)量，大大提高了測(cè)量自由度。

圖6 激光視覺尋位導(dǎo)引子系統(tǒng)進(jìn)行焊縫掃描示意

激光視覺尋位導(dǎo)引子系統(tǒng)的測(cè)量過程如下：首先，利用微控制器控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)平面鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，使得激光束在焊縫表面掃描；其次，工件表面的激光光斑通過濾光片和接收透鏡反射到CCD進(jìn)行成像；最后，將獲取的二維焊接坡口軌跡反饋給微控制進(jìn)行識(shí)別與分類，并進(jìn)行焊縫尋位導(dǎo)引。例如，在復(fù)雜箱型梁結(jié)構(gòu)中，存在多種不同的焊接坡口軌跡，如圖7所示，需要采取不同的焊接位姿與運(yùn)動(dòng)軌跡。采用激光視覺尋位導(dǎo)引子系統(tǒng)能夠通過實(shí)時(shí)檢測(cè)焊接坡口軌跡的角點(diǎn)特征[9]，求解表征軌跡形狀的特征向量，實(shí)現(xiàn)在線自主判別空間焊縫軌跡所屬類別。該系統(tǒng)引弧點(diǎn)準(zhǔn)確率≥98%，尋位精度可達(dá)0.025mm。

圖7 箱型梁結(jié)構(gòu)中的典型焊接坡口軌跡

2.5 焊接過程可視化監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

焊接過程可視化監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)并同步記錄焊接過程中高速圖像和對(duì)應(yīng)時(shí)刻的焊接參數(shù)（焊接電流、電弧電壓、電弧擺動(dòng)角度和速度等），同步精度，支持圖像與焊接參數(shù)的同屏顯示，為焊接過程提供可視化、量化的分析手段。

圖8所示為焊接過程可視化監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)應(yīng)用頁面。在系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先對(duì)焊接的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，同時(shí)將設(shè)置的參數(shù)通過 RS485 通信發(fā)送到工控機(jī)和焊槍擺動(dòng)器控制器中；其次，參數(shù)設(shè)置完畢后，打開相機(jī)以及激光光源，焊工通過無線遙控器，微調(diào)焊槍和工件之間的相對(duì)位置關(guān)系，做好起焊準(zhǔn)備。在起弧的同時(shí)調(diào)低相機(jī)的曝光時(shí)間為0.01ms，開始焊接。界面中實(shí)時(shí)顯示起焊后各焊接參數(shù)、熔池/熔滴圖像和激光視覺尋位導(dǎo)引子系統(tǒng)獲得的焊縫坡口軌跡。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為了驗(yàn)證可移動(dòng)智能焊接機(jī)器人在箱型梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用效果，開展了焊縫跟蹤現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)焊接參數(shù)見表2，四類焊接坡口軌跡尺寸見表3。

表2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)焊接參數(shù)

表3 四類典型軌跡形狀尺寸參數(shù)

試驗(yàn)過程如下：先將兩組集裝箱大梁進(jìn)行定位焊接，為驗(yàn)證可移動(dòng)智能焊接機(jī)器人的實(shí)時(shí)焊縫跟蹤能力，一組通過人工實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)焊槍位置，焊后效果如圖9所示；一組采用本文設(shè)計(jì)的可移動(dòng)智能焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接，焊后效果如圖10所示。

由圖9和圖10可知，在焊接過程中，采用人工調(diào)整焊槍位置，焊后焊縫成形外貌較差，焊縫的表面出現(xiàn)了焊瘤、咬邊、成形不良等焊接缺陷。而本文設(shè)計(jì)的可移動(dòng)智能焊接機(jī)器人在焊接速度達(dá)到1.2m/min 的高速GMAW焊接過程中準(zhǔn)確識(shí)別空間斷續(xù)焊縫，如圖11所示，對(duì)箱型梁結(jié)構(gòu)中常見的四種典型空間軌跡的分類準(zhǔn)確率為100%，軌跡檢測(cè)與分類的整體處理時(shí)間≤65ms，并引導(dǎo)焊槍自動(dòng)完成“焊接-熄弧-避障-引弧-焊接”，焊縫表面未發(fā)現(xiàn)焊瘤等常見的焊接缺陷，兩翼緣板及腹板與焊縫的熔合程度良好。由此可見，本文介紹的可移動(dòng)智能焊接機(jī)器人焊接精度高、焊縫成形良好。

圖9 采用人工焊接的焊接效果

圖10 可移動(dòng)智能焊接機(jī)器人實(shí)施焊接效果

圖11 焊縫軌跡在線識(shí)別與機(jī)器人自動(dòng)化焊接效果

本文介紹的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成套機(jī)器人裝備已在國內(nèi)某集裝箱、道路運(yùn)輸車輛裝備自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線項(xiàng)目投入生產(chǎn)使用。圖12為海陸聯(lián)運(yùn)特種集裝箱機(jī)器人群控與協(xié)同焊接成套裝備的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，該生產(chǎn)線采用12臺(tái)可移動(dòng)智能焊接機(jī)器人協(xié)作作業(yè)，首次實(shí)現(xiàn)了多式聯(lián)運(yùn)物流運(yùn)輸裝備多規(guī)格復(fù)雜承力構(gòu)件的柔性高效智能化焊接制造，累計(jì)完成10萬余件多式聯(lián)運(yùn)折疊箱大梁生產(chǎn)，整體效率提升30%以上，其產(chǎn)品通過法國、英國、美國、德國和中國的船級(jí)社認(rèn)可，全球市場(chǎng)占有率增至約80%。

圖12 海陸聯(lián)運(yùn)特種集裝箱大梁可移動(dòng)機(jī)器人焊接生產(chǎn)線

4 結(jié)束語

1）自主研制的新型可移動(dòng)智能焊接機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)中厚板復(fù)雜箱型梁高效柔性化制造，自動(dòng)化程度高；相較于傳統(tǒng)焊接機(jī)器人與焊接專機(jī)，該裝備具有強(qiáng)自適應(yīng)能力與高易用性的優(yōu)勢(shì)，能夠提升焊接一次合格率，并因操作簡單直觀可大幅降低操作人員數(shù)量、技能水平要求以及勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)降低工裝夾具精度要求與部署成本，縮短裝配組對(duì)與編程示教時(shí)間，提升生產(chǎn)節(jié)拍，此外，采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊集成度高。

2）基于擺動(dòng)電弧傳感的焊縫跟蹤傳感子系統(tǒng)作為本文機(jī)器人智能化焊接作業(yè)的關(guān)鍵支撐，實(shí)現(xiàn)了擺弧工藝與焊接糾偏的解耦，并率先在三維焊縫高速焊、變間隙打底焊、多層焊自動(dòng)跟蹤等技術(shù)難題上取得突破，核心技術(shù)指標(biāo)超過國內(nèi)外同類產(chǎn)品，同時(shí)焊縫成形美觀；相較于視覺跟蹤傳感類產(chǎn)品，該系統(tǒng)具有強(qiáng)魯棒性、無超前檢測(cè)誤差、免標(biāo)定等優(yōu)勢(shì)，可適應(yīng)復(fù)雜工況與惡劣環(huán)境。

3）基于激光位移傳感的焊接尋位導(dǎo)引子系統(tǒng)創(chuàng)新地采用“空間焊縫軌跡在線識(shí)別-初始點(diǎn)尋位-間斷焊跳焊導(dǎo)引”的焊縫自主尋位導(dǎo)引模式，無需運(yùn)算量龐大的軌跡三維重建與軌跡規(guī)劃，同時(shí)避免了傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人視覺傳感系統(tǒng)復(fù)雜耗時(shí)的標(biāo)定工作。

4）基于多傳感信號(hào)同步采集的焊接過程可視化監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，適用于CO2、MAG、MIG、TIG、PAW典型焊接工藝，能夠低成本地提高焊接電弧、熔滴與熔池圖像清晰度，并進(jìn)行基于統(tǒng)計(jì)分析與人工智能技術(shù)的焊接過程預(yù)警監(jiān)測(cè)與質(zhì)量溯源，有效減少因缺陷引起的廢品產(chǎn)生、停機(jī)等事故，并為工藝優(yōu)化、人員培訓(xùn)、產(chǎn)品全生命周期質(zhì)量控制提供可追溯的數(shù)據(jù)。

5）該裝備還可拓展應(yīng)用于起重運(yùn)輸裝備、重型機(jī)械、能源裝備、海洋工程與船舶、石油化工等領(lǐng)域其他大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的全位置自動(dòng)化焊接。