船舶復雜曲面爬行機器人自動焊接的關鍵技術研究

俞國慶，王曉佳，郜世杰，石永華

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船舶復雜曲面爬行機器人自動焊接的關鍵技術研究

俞國慶1，王曉佳2，郜世杰1，石永華2

（1. 海裝廣州局，廣州 510320；2. 華南理工大學，廣州 510640）

針對船舶船體復雜曲面的焊接存在曲率變化大、焊縫長和焊接姿態變化多等問題，本文設計了爬行式機器人自動焊接系統。通過旋轉電弧V形坡口上坡和下坡焊等焊接試驗對爬行式機器人自動焊接的關鍵技術進行研究。試驗結果顯示爬行式機器人可以實現船舶船體復雜曲面的自動焊接，并且能保證焊接質量、提高船舶焊接效率。結果表明爬行式機器人在船舶復雜曲面的自動焊接技術具有重要的研究與應用價值。

船舶 爬行式機器人 自動焊接

0 引言

隨著全球經濟化的影響，船舶制造業得到了迅速地的發展。焊接是船舶制造中的一項重要工藝技術，其工作量占船舶制造總工作量的40%以上[1]。因此焊接技術對船舶船體質量和性能、制造周期、制造成本等方面有著重要的影響[2]。

目前，船舶分段建造和合攏中存在大量的曲面焊縫，由于這些曲面焊縫的焊接過程中存在曲率變化大、焊縫長度長和焊接姿態變化多等特點，因此焊接環境較為復雜，大多由人工焊接完成[3]。然而，人工焊接存在成本高、效率低、焊接質量不穩定等缺點，因此迫切需要采用新的自動化焊接技術來提高焊接質量和焊接效率。

爬行式機器人是一個集成的自動化焊接系統，它可以實現復雜曲面自動焊接，這不僅可以提高船舶焊接質量和效率，也降低了生產成本。因此對船舶復雜曲面爬行式機器人自動焊接技術進行研究具有重要意義。

1 爬行式機器人自動焊接關鍵技術研究

爬行式機器人自動焊接系統主要由機械本體及驅動、無線控制、焊縫位置檢測、旋轉電弧焊接等四個子系統組成。系統總體框架如圖1所示。

圖1 爬行機器人自動焊接系統組成框架

1.1 機械本體及驅動系統關鍵技術

機器人機械本體及驅動系統由四輪驅動底盤(底部裝有永磁鐵)、二維移動平臺、送絲裝置、伺服電機以及旋轉電弧裝置組成，如圖2所示。機械本體對外連接氣瓶和焊機，實現電氣輸入。機械本體通過伺服電機驅動四輪機構，可利用永磁鐵吸附于船體表面并進行爬行。二維平臺帶動旋轉電弧焊槍進行水平方向和高度方向的移動。送絲裝置把焊絲送往焊槍末端，通過旋轉電弧裝置，實現旋轉電弧焊接任務。

圖2 機器人的機械本體及驅動系統設計框架

永磁吸附裝置的設計是爬行機器人本體及驅動系統的關鍵，它將影響著爬行機器人在船體的運動，因此需要對爬行機器人的整體結構進行受力分析，找出最優的設計方案。爬行機器人的受力情況如圖3 所示，機器人在船體表面移動時機器人受到船體對機器人的支持力N1、N2，輪子與船體表面的摩擦力1、2，機器人上的磁鐵對船體的吸引力以及機器人本身的重力。

由于機器人前后兩輪之間的距離很小且船體表面的弧度不大，因此可以認為兩輪之間的船體表面近似平面。兩輪的連線與水平線的夾角為，長2。N1、N2垂直于指向機器人，輪子與船體表面的摩擦因數為。吸引力的作用點在兩輪的正中間，即線的中點，方向垂直于指向船體表面。機器人重力為，重心在方向上與的距離為，在方向上與的距離為。

圖3 爬行機器人受力分析

對O求矩：

機器人在船體表面移動時可能由于吸引力沒有足夠大，導致機器人不能正常移動，甚至墜落。此時，有以下三種情況：

情況一：

機器人前輪先離開船體表面。此時，2=F= 0，代入上式，解得：

情況二：

機器人后輪先離開船體表面。此時，1= F= 0，代入上式，解得：

情況三：

機器人不能靜止在船體表面，沿著船體表面滑下，此時有1=μF1，2=μF2，解得：

根據上述受力分析計算可得:機器人整機不超過60kg，磁鐵安裝高度不超過16 mm的情況下，可確保機器人倒吸于船體上而不會墜落。為了讓機器人輪胎與船體表面產生足夠大的摩擦力，需要把磁鐵安裝高度控制在12 mm以內，以提供足夠的正壓力。

1.2 無線控制系統關鍵技術

無線控制系統包括底層控制系統和無線手持控制器。

1.2.1 底層控制系統

底層控制系統的設計框圖如圖4所示，底層控制系統是連接機械及電氣系統與無線手持控制器的關鍵系統，該子系統對外負責接收無線手持控制器的控制信號，反饋傳感器信號到手持控制器，進行圖像采集及無線傳輸，驅動兩個步進電機和一個直流電機以完成運動控制，并控制底盤剎車開關和旋轉電弧轉速。子系統內部數據的采集、處理和傳輸則由FPGA和MT7620N兩個核心芯片控制。

1.2.2 無線手持控制器

無線手持控制器提供良好的人機操作界面，對通過底層控制系統進行移動焊接機器人的手動和自動控制。本文設計的無線手持控制器的主要軟件界面如圖5所示。無線手持控制器與底層控制系統之間的控制信號傳輸，采用基于UDP網絡接口與串口相互轉換的自定義通信協議，如圖6所示。該協議包括兩部分，無線控制器發送部分以及器接收部分。

圖4 底層控制系統結構示意圖

圖5 無線手持控制器主要軟件界面

1.3 焊縫檢測系統關鍵技術

為實現焊縫位置檢測和焊接表面質量監控兩種功能，本研究采用兩個CCD工業相機進行圖像采集，前置相機用于焊縫位置檢測，后置相機用于焊縫表面質量監控，具體方案如圖7所示。

焊縫位置檢測是基于坡口內熔池質心的，關鍵是如何求取最大連通域質心。最大連通域反映了V型坡口內熔池的區域范圍，此區域存在對稱性，可以通過求取質心的縱向線的位置得出焊縫的中心位置。求解過程中，把白色區域灰度記為()=1，黑色區域的像素值記為()=0，質心坐標求解公式如下：

采用提取最大連通域的方法可以有效地去除飛濺等小區域的干擾，鎖定熔池區域，圖8為飛濺情況下提取最大連通域的效果。

1.4 旋轉焊接系統關鍵技術

旋轉電弧裝置設計是關鍵技術。旋轉電弧裝置主要用于焊縫跟蹤，其原理是利用高速旋轉的電弧，采集每一周的電流信號進行分析，進而計算出焊縫偏差。用于焊縫跟蹤的旋轉電弧一般旋轉頻率偏高，可達到50 Hz以上。高速旋轉的電弧有利于在較短的移動距離內，盡可能多地采集旋轉過程中的電流信號，以計算出更為精確的焊縫偏差。

圖6 自定義通信協議

圖7 視覺方案示意圖

圖8 飛濺情況下提取最大連通域

如圖9所示，電弧裝置可以直接通過螺紋安裝于現有的機器人焊槍的頭部。裝置主要由空心軸電機、連接件、氣罩、彈簧、壓緊滑塊和偏心機構組成。送絲軟管直接延伸到偏心機構上端，偏心緊固螺釘控制偏心滑塊的偏心距離，實現焊絲的偏心。空心軸電機為偏心機構提供了動力，使其迫使焊絲末端進行圓周運動，實現焊接過程中電弧的旋轉。

2 爬行機器人自動焊接關鍵技術實船應用

在船廠進行了爬行機器人實船焊接試驗，分別進行上坡焊和下坡焊實船焊接應用，如圖10所示。

圖9 旋轉電弧焊槍結構示意圖

圖10 爬行機器人實船焊接應用

圖11 旋轉電弧傾斜平板堆焊焊縫

實船焊接結果表明，焊縫質量受到電流、電壓、保護氣體、焊槍姿態、坡口大小、焊接速度等的影響，通過工藝優化，上坡焊和下坡焊的焊縫有明顯均勻的魚鱗狀，焊縫平滑美觀，余高基本恒定，焊接接頭力學性能滿足要求，說明該機器人焊接系統可滿足船舶曲面焊縫的自動焊接要求。

3 結論

本文設計了一種用于船舶曲面焊縫焊接的爬行機器人自動焊接系統，并進行了船舶V形坡口上下坡焊和仰焊等實船焊接應用。結果表明適當的旋轉電弧參數和焊接參數可以獲得良好的焊縫，爬行機器人自動焊接技術在船舶復雜曲面的焊接具有廣闊的應用前景。

[1] 王一鳴. 高級焊接工藝在大型船舶建造中的重要意義[J]. 中國戰略新興產業, 2018, (8): 152.

[2] 陳家本. 船舶焊接技術的進展及對再發展的建議[J]. 造船技術, 2004, (3): 29-33.

[3] 倪慧鋒. 船舶焊接技術應用現狀[J]. 現代焊接, 2007, (11): 23-24.

[4] 錢曉莉. 回歸方程的檢驗標準[J]. 財貿研究, 1994, (2): 66.

Research on Key Technologies of a Crawl Type Robot in Automatic Welding of the Ship Complex Surfaces

Yu Guoqing1, Wang Xiaojia2, Gao Shijie1, Shi Yonghua2

(1. Navy Equipment Bureau at Guangzhou, Guangdong 510320, China;2. South China University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510640, China)

TP242

A

1003-4862（2018）10-0005-05

2018-05-14

俞國慶（1966-），男，高級工程師，主要從事船舶裝備監造與管理。E-mail: 50094525@qq.com