基于数字化测量的大型构件智能装焊方法研究

杜劭峰， 高 瑞， 班永华， 杨羲昊， 高培军， 边 东

（1.特种车辆及其传动系统智能制造国家重点实验室， 内蒙古包头 014030； 2.内蒙古第一机械集团有限公司， 内蒙古包头 014032）

0 引言

我国特种车辆行业在研究应用数字化装配技术方面存在很大差距， 现行落后的制造模式决定了大型构件在装配过程中普遍存在零件定位不准确、 间隙大、 相互干涉、配切量大等问题。落后的装配方式无法满足复杂构件高质高效装焊需要， 大型构件装焊方式一直沿用专用装配台定位、划线测量、人工调整的方法，并且装焊时基于工程图纸，并在装焊工装上完成。部件的相对位置关系通过工装保证，如果出现位置偏差，则需要人工进行零件修补，导致装配精度和效率都很低。 对于干涉部位采用手工配切修整，切口尺寸精度低、质量差，造成生产效率低下。

目前，飞机、汽车等装配制造过程也采用基于模型的装配方式实现产品精确制造， 并运用精确测量技术在定位、装配、变形控制等方面进行实时测量调整[1-2]。 但与航空航天大部件装配过程相比， 大型构件装焊是由多个零（部）件按照一定的装配顺序及要求在统一的平台上完成整体装配，与飞机大部件装配过程差别较大，主要体现在装配零部件数量较多，定位关系复杂，既有零件与零件之间的定位，又有零件与工装之间的定位，完成结构装配后需要进行定位焊。 因此，大型构件装焊不能完全照搬航空航天的大部件装焊模式，而是要充分借鉴其数字化、自动化及装配过程动态测量实时调整等先进技术， 实现基于数字化大型构件智能装焊，满足高质量、高效率、低成本的要求[3]。 特种车辆行业亟需转变研发及制造模式，开展特种车辆大型构件测量仿真装配调整装焊一体化集成技术研究， 有效解决了装配现场中技术人员找不准零部件准确定位的问题[4-6]，确保大型构件的装焊质量和装焊效率，为有效提升武器装备的质量与一致性、缩短研制生产周期提供强有力的技术保障。 由传统研制生产方式向精益研发制造方式的转变已刻不容缓。同时， 开展基于数字化测量的智能装焊瓶颈技术研究，实现大型构件精益制造，对推动特种车辆行业整体精益制造水平的提升具有十分重要的意义。

1 系统架构

以某型号大型构件为对象， 开展特种车辆大型构件智能装焊工艺技术与装备研究， 突破零件测量、 虚拟装配、定位调整、装配焊接、焊后评估的关键技术途径，达到了对大型构件零件的快速测量以获取零件状态， 基于测量结果进行虚拟装配和虚拟调整， 根据基于实测数据的仿真结果进行大型构件零件的定位调整、点固焊接，然后进行大型构件整体测量、评估焊接变形，而后进行大型构件连续焊接、整体测量、评估焊接变形量，同时开展焊接工艺优化及仿真技术研究，将工艺优化结果落实在装焊工艺中，实现大型构件测-仿-装-调-焊-评一体化集成。 通过基于实测数据的过程管控和工艺仿真优化焊接工艺确保了大型构件装配一次成功率，大幅地提升了大型构件的装焊一致性， 极大地减少了装配过程的配切和调整工作量，进而提高了大型构件装焊效率。 系统架构图见图1。

图1 系统架构图

2 工艺流程

通过测量系统中光笔测量得到数据并进行导入、管理，虚拟装配系统获取尺寸数据后进行调整，直至满足装焊的技术要求，随后到装配及调整系统，调整之后到机器人焊接系统先进行点焊然后焊接， 最后测量输出拼接间隙焊缝位置体积等数据， 在设计模型的基础上定义附着测量尺寸的基准点，然后应用测量尺寸进行间隙调整，最后对输出结果进行数据积累， 能够对同种零件多批次测量数据进行板件均匀性、一致性分析，便于优化设计或改进工艺。 大型构件智能装焊工艺流程图见图2。

图2 工艺流程图

3 系统应用与实例验证

采用机器人对大型构件零件自动贴靶标点， 用于零件装配过程中位置和空间姿态的实时跟踪； 完成靶标点固定后， 由搬运机器人将零件搬运到装配台相应工装位置处，装配台工装实现零件预定位，系统中光学跟踪器捕捉零件上靶标点的空间坐标， 并与大型构件标准三维模型进行比对，并由系统自动计算出零件需要调整的X、Y、Z 三方向运动值， 由执行机构按照系统给出的调整值驱动零件进行动作，完成零件的定位装配。由焊接机器人对定位装配好的零件进行点焊固定， 当所有零件完成装配后，由焊接机器人进行大型构件整体焊接，最后采用激光扫描仪对大型构件整体外形尺寸进行扫描， 确定最终尺寸能否满足设计要求，并对焊接变形情况进行判定。

通过三维自动扫描测量系统如图3 所示， 实现了大型构件整体和零件快速测量及焊缝体积快速预测， 积累了大量制造过程数据； 通过虚拟装配技术实现了装配间隙的提前预测及仿真， 通过复杂零件定位调整技术实现了复杂构件的精确调整， 通过装焊精度评估技术为确保装焊质量和装焊工艺优化提供直观的依据。

图3 大型构件测量系统动态跟踪组成图

大型构件装配时， 首先将构成大型构件的零部件放置到上料辊道， 通过上料辊道将零部件传输到靶标点安装工位上， 由靶标点安装机器人按照每个零部件预设的靶标点位置进行敷设。 敷设好靶标点的零部件由两个搬运机器人协同搬运至装配平台， 调整姿态后放置到相应的装焊平台上的工装上进行初定位，两个光学跟踪器捕捉零部件上的靶标点位置信息， 并将信号反馈到控制系统， 控制系统将信号与三维模型标准信息进行比对， 通过偏差值判断零件位置是否在标准范围内，如在标准范围内则该零件装配完成， 如果偏差值超过了允许的范围，控制系统将自动计算需要调整的量，并转换为能够执行的X、Y、Z 量值， 根据控制系统给出的调整值进行动作，驱动零件运动后，光学跟踪器再捕捉靶标点信号，并重复上述判定程序直至满足要求。

零件精确定位后， 焊接机器人通过地面滑轨移动到零件旁进行点焊固定位置。 大型构件每个零件都需要按照上述流程进行装配和定位点焊， 当所有零件完成装配后，焊接机器人对每一条外部焊缝进行焊接，由于焊接机器人在大型构件的一侧， 需要将大型构件进行吊起后旋转180°完成另外一面的焊接。焊接完成后，采用激光扫描仪并结合光学跟踪器对大型构件整体进行扫描， 检验大型构件外形尺寸是否满足设计要求， 同时对焊后大型构件焊接变形量进行评估。整体进行扫描，检验大型构件外形尺寸是否满足设计要求， 同时对焊后大型构件焊接变形量进行评估。采用该方法将自动化装配、数字化测量调整进行有效结合，提高了效率的同时，大大提高了装配焊接精度。 大型构件智能装焊系统工作图见图4。

图4 系统工作图

4 结束语

通过本文提出的测量仿真装配调整装焊评估一体化集成技术研究， 实现基于实测数据的虚拟仿真与零件装配及定位调整技术创新， 同时实现大型构件焊接与焊后评估的技术创新， 进而达到测量仿真装配调整装焊评估的整个装焊过程的技术创新， 结合焊接工艺仿真优化焊接参数、焊接顺序等，实现大型构件装焊质量和装焊效率的大幅提升，并可在特种车辆行业推广应用，提升车辆行业整体制造技术水平。