船舶制造焊接机器人应用关键技术

张兆光

摘要：近年来全球造船市场持续低迷，接单难、交船难和产能过剩是各国船厂都需应对的难题，市场需求的变化引发整个产业的布局重新调整，迫使船厂采用智能制造代替传统的生产方式。智能焊接是智能制造的代表，在船舶建造过程中，焊接工作量占到40%以上，焊接设备的智能化升级对于船舶建造的质量控制、效率提升和工作危险度降低而言具有重大意义。近年来，我国已有大型船企开始尝试采用机器人焊接技术进行船舶结构焊接，不仅得到了国家有关政策的支持，而且受到了企业的欢迎。

关键词：焊接;机器人;关键技术;船舶制造

一、简述焊接作业机器人

焊接作业机器人，依据不同生产对象，可被划分成型材和管材焊接作业机器人、便捷性焊接作业机器人、中组立形式焊接作业机器人、小组立形式焊接作业机器人。小组立形式焊接作业机器人，其部件结构重复、单一，比较适宜应用在机器人流水线生产当中，故被广泛应用在船舶制造中。

二、船舶智能制造及试点初步探究

船舶智能制造的载体和集中体现是智能船厂。目前，国外先进船企正处于由“工业3.0”向“工业4.0”推进阶段，还没有实现真正意义上的智能船厂。智能船厂暂时没有一个清晰权威的定义，本文初步探讨其内涵。智能船厂是数字化、网络化、智能化技术与造船技术的交叉融合，是融合物联网、工业大数据、云计算和人工智能等新兴技术及先进管理概念，是具有较高水平的现代造船模式，是以数字化产品设计和大数据支撑的信息系统平台、数字化智能化制造生产线及装备、精益管理体系、生产流程管理与调度的智能化等重点的系统集成，以自动化、数字化、网络化和智能化技术为实现手段，以卓越运营为目标，将营销、设计、生产、管理和服务等各环节动态优化、有机融合，并相互渗透的船舶制造业，具备高度自动化、数字化、可视化、模型化以及集成化等特征。

三、关键技术

3.1采集模型信息

焊接作业机器人，依据其内部的控制系统、模型数据，采集模型信息技术可划分成3D基础模型导入与离线编程、现场采集与自动识别2种。3D基础模型导入与离线编程技术，需预先将小组立相应部件3D基础模型制作好，并把焊接作业路径离线规划好;现场采集与自动识别技术，智能化程度较高，技术员无需先将模型数据准备好，借助被动或者主动视觉的形式，便可实现对于待焊接作业位置自动识别，焊接作业具体路径也能自动生成。现场采集与自动识别技术之下，前期做准备的时间可以省去，对技术员无特别高的要求。若不考虑到前期制作模型时间，3D基础模型导入与离线编程技术所需准备时间相对较少一些，且有着较高的燃弧效率。如激光采集，现场所采集指导位置信息大致是±10mm偏差，如果筋板末端属于斜切形式，偏差会相对较大。为保证起弧所在位置信息更具精准度，需采用传感手段，如触碰寻位与激光寻位。在一定程度上，激光寻位在精度、速度方面优势突出，而触碰寻位速度较慢一些。为保证焊丝实际伸出长度具有一致性，务必将自动剪丝设备配备好。

3.2选定焊接路径及焊枪位姿

先行小组立式结构十分简单，无立角焊，各个筋板相互间无位置限制，以至于机器人寻位、焊接作业及撤出空间较大。故焊接路径选定期间，机器人更换焊接作业位置期间，仅需移动距离。选定焊枪位姿方面，也只需要确保焊接成形，调试焊接作业工艺期间，需将最适宜位姿确定好便可。区别于先行小组立，小组立式部件结构极具复杂性，临近筋板多，焊枪备受限制。如双层式底肋板的焊接作业顺序，机器人首选焊接作业y方向筋板，而后是x方向筋板。x方向筋板焊接作业期间，为防止焊枪与y方向筋板发生碰撞，需对焊枪姿态加以调整，焊枪和底板角度应在45°以上。

3.3焊接作业流程

1）选定焊材。在寻位和焊接作业期间，小组立的焊接作业机器人于4、5、6轴处频繁转动，角度大，且送丝软管弯曲频繁，有缝普通药芯焊丝因药粉泄露而产生送丝软管堵塞情况，故需选定无缝形式药芯焊丝;在寻位和焊接作业期间，因部件焊接作业机器人动作幅度相对较小，故可选用有缝普通药芯焊丝。同时，需妥善配备好矫直装置，以确保出丝能够挺直。

2）选定焊接参数。通用部件的机器人为不摆动焊接作业方式，类似于船厂所用角焊机，故调试工艺应当依据角焊机各项参数;小组立的机器人焊接方式为正弦摆动形式，需设定好焊接作业速度、电压及电流，并将极限位置的停留时间、频率及摆度幅度等设定好。

3.4集成化流水线

1）在上料工位方面。装配的小组立处部件应用上料工位，区别于人工焊接作业，装配电焊需和筋板末端、短并等距离应超过50mm，尽量让点焊短，为防止机器人结合电焊大小与位置变化，导致焊接作业参数发生改变，防止电焊处焊缝有凸及偏大成型情况出现。上料工位，应选用可升降辊轮，把已装配完成部件有效顶起并运送至焊接作业工位上面，无需装配筋板，牢固可靠;机器人并不会对筋板装配间隙进行采集，对焊接作业参数加以调整，可防止因较大装配间隙所致焊接作业偏小尺寸这一情况出现。上料工位处标注筋板与底板的放置极限，若底板放置已超出极限，则流转期间会和机器人发生碰撞，引发导轨现象;而若筋板放置已超出极限，则将无法实施焊接作业。

2）在焊接工位方面。焊接工位，属于焊接作业机器人具体操作位置，其中配置辊道，方便小组立各个部件流转。而为能够保证焊接作业的质量，各辊道均接地。因受机器人总体结构布局所影响，焊接工位的两侧均有盲区存在，机器人会因扫描的不够到位，盲区工件无法得到有效的焊接处理。

3）在修补工位方面。焊接完成的各个部件会流转至修补工位上面，此流程需由人工完成，可修补缺陷以焊脚偏小、咬边、偏焊、机器人的漏焊等为主。

4）在背烧工位方面。背烧工位所用辊道等同于焊接作业工位，在它的下方设可横向式移动背烧枪，能够同时背烧5筋板5条。背烧能够借助可燃烧性气体经燃烧后所产生热量，对工件表面实施加热处理，对变形工件可起到矫平作用。流水线的工控机可借助焊接作业机器人所给定x方向处筋板具体位置信息、流水线的编码装置所记录传输距离等，将背烧枪具体位置、移动点火及熄火等各个动作时机精准计算出来。因未配置位置传感装置，故背烧操作针对修补工位有着极高的传输精度要求，在背烧期间相邻几个工位需移动，期间应确保临近工位的传输速度具有一致性，防止因卡顿或者打滑等所致传输偏差情况出现。

四、结语

从总体上来说，焊接作业机器人实操流程极具复杂性，对各项技术要求相对较高，那么，为了能够在今后更好地发挥焊接作业机器人的关键技术优势，高效化開展船舶制造实践活动，便还需更多技术专家及研究者们能够积极投身于实践探索当中，多积累相关实践经验，不断提升自身专业化的技术水准，有效把握及完善焊接作业机器人各项现代化科学技术，为现代船舶制造行业的进步发展提供技术支持。

参考文献：

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