基于視覺成像的機器人中厚板多層多道焊接技術

摘 要：大型船舶或橋梁的小組立或者中組立的建造過程中需要有大量的肋骨（T型材）焊接的工作，本文設計了一套基于六自由度的焊接機器人，末端搭載攜帶線激光成像設備，通過鋪設軌道在T型材上進行移動。基于線激光掃描成像，重構焊道并在線規劃焊接路徑，結合焊接數據庫進行匹配，實現了T型材對口的多層多道自動化連續。

關鍵詞：中厚板；線激光掃描成像；焊道重構；T型材；多層多道焊接

中圖分類號：TP242；TG409 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）09-0169-05

Abstract：A large group of ships or bridges needs a large number of ribs （T profiles）to be welded during the construction process. A set of six degrees of freedom welding robot is designed in this paper. The terminal carrying line laser imaging equipment is used to move on the T profile by laying the track. Based on line laser scanning and imaging，welding path reconstructing and planning online，the multi-layer and multi-channel automation of the T profile is realized with welding database matching.

Keywords：plate；line laser scanning imaging；bead reconstruction；T profile；multi-layer and multi-channel welding

0 引 言

大型船舶或橋梁的小組立或者中組立的建造過程中需要有大量的肋骨（T型材）焊接的工作，國內有相關機構研究過船舶分段建造過程中的機器人焊接問題[1-3]，也有高校研究鋼結構的格子間的機器人焊接問題[4]，以及國外的inrotech等公司，都推出了艙室焊接的機器人產品，但是都沒有在實際應用中解決T型材的多層多道的焊接問題，并設計制造出相應的產品。國內對機器人多層多道焊接的研究[5]，并沒有結合國內造船工業的實際工藝情況，國內的船廠多采用人工組對，其精度不能滿足機器人焊接的要求，因此采用機器人焊接，必須要有“柔性”，才可以使其適應人工組對。

本文基于一套軌道式的六軸工業機器人系統，采用線激光掃描成像、重構焊道的方式，結合焊接工藝數據庫，實現了坡口間隙在2～16mm，板厚24～40mm的中厚板T型材對口的多層多道焊接。

1 系統設備組成

焊接機器人系統主要由軌道單元、移動平臺單元、工業機器人單元、焊接設備單元等部分組成。大型船用艙室多功能焊接機器人系統組成方式如圖1所示。

考慮到系統的使用環境是一個門架吊裝式的結構，因此設計系統的機器人控制柜時，將焊接電源放置在吊框內，機器人在移動平臺上可以在水平及垂直的方向進行移動。系統組成如圖2所示。

2 關鍵技術

2.1 基于激光傳感器的焊道重構技術焊道重構

2.1.1 相機標定

焊縫重構的首要工作是標定相機坐標系，只有標定了相機坐標系，激光傳感器掃描出的焊縫中心點坐標才能轉化為機器人世界坐標。賽融激光傳感器的相機標定流程如下：

（1）安裝好激光傳感器，確保傳感器與夾具以及夾具與焊槍之間不會產生晃動；

（2）移動機器人末端到一合適位置（需要給定rpy角），讀出相機坐標（xc1，zc1）及機器人世界坐標（x1，y1，z1），其中xc1表示激光跟蹤點的深度信息，zc1表示激光跟蹤點的左右位置信息，下同；

2.1.2 焊縫掃描

焊縫掃描分為端點掃描和中間路徑點掃描，這是由于在端點處焊縫信息會產生突變，單次掃描容易產生較大的誤差，因此在端點處采取兩步掃描法，即：

（1）以設定速度掃描端點，檢測到焊縫信息發生突變后，記錄突變位置的坐標值；

（2）將機器人末端在掃描方向后退5mm，降低掃描速度重新掃描端點，以新獲取的突變位置的坐標值作為端點的坐標值。

完整的焊縫掃描流程如圖3所示。

焊縫重構過程如圖4所示。

2.2 焊接數據庫建立及匹配

線激光掃描系統坡口，可以獲得V形坡口焊縫的坡口信息，包括坡口寬度、坡口底部寬度、間隙中心位置、焊縫起始點、焊縫的結束點等信息，通過預先輸入的板厚信息計算坡口角度，通過改變掃描的速度，可以進行坡口的焊道信息重構。焊縫坡口示意圖如圖5所示。

數據庫中包含了坡口角度、底部寬度、層道規劃信息、焊接參數、擺動參數、焊道偏移量等參數，如表1所示。

層、道匹配方式：在匹配好坡口角度和底部間隙后找到對應的一組參數進行焊接。在本產品的填充工藝庫中，當間隙小于等于16mm時，每次激光掃描后會自動焊接2層，當間隙大于16mm小于32mm時，每次激光掃描后會自動焊接1層，1層焊縫由兩道組成。當間隙大于等于32mm時，每次掃描后會自動焊接1層，1層焊縫由三道組成，蓋面工藝庫與填充工藝庫的布道原理大致相同，但是為了設計美觀，相同底部寬度下的焊道數量有所增加。

配合本方法配備的工藝庫，本方法的多次掃描方法具有很好的實時性，極大提高了每次掃描焊接后焊接路徑的準確性，避免了因焊道軌跡偏差較大而產生焊接缺陷。

此處的特定數值為坡口底部距坡口頂部的高度，該值無法直接測量，但是可以通過計算得到。

2.3 多層多道焊接方法

中厚板多層多道焊接方法在本項目研發的機器人系統中得以實現，所述焊接方法步驟如圖6所示。

（1）對待焊T型材進行校準，避免錯邊，對校準后設備進行焊前清理，對T型材進行人工打底；

（2）機器人就位，運行程序，使用線激光尋找焊縫中心位置及焊縫始末點位置；

（3）使用線激光掃描焊縫長度方向，獲取焊縫坡口平均寬度、坡口底部平均寬度，通過預先輸入的板厚信息計算坡口角度；

（4）根據掃描獲得的底部平均寬度及坡口角度匹配工藝數據庫，獲取焊接工藝參數。工藝數據庫是根據底部寬度及間隙角度編排的，根據底部寬度不同規劃1-2層的焊接路徑及參數，工藝數據庫包含填充數據庫和蓋面數據庫；

（5）數據庫匹配完成后開始自動焊接，由于坡口底部寬度不同，會焊接1-2層后結束，結束焊接后機器人會重新執行線激光掃描程序，重新獲取坡口底部寬度，根據新獲取的寬度重新匹配填充工藝數據庫，獲得新的焊接路徑及參數規劃，隨后機器人開始自動焊接；

（6）如此循環往復，直到坡口底部寬度和坡口寬度在差值小于特定數值（該數值與坡口角度有關，坡口角度在第一次掃描時獲得）后，機器人根據坡口底部寬度匹配填充工藝數據庫，隨后機器人開始自動焊接，直至焊接完成，一個工件焊接結束。

（7）機器人移動至下一位置，開始下一個工件的自動焊接。

本方法通過多次線激光掃描坡口底部寬度來匹配工藝數據庫，具有更大的柔性，可以有效克服傳統方法層道過多造成路徑不準確的缺點；本方法通過坡口底部寬度和坡口角度建立的分解工藝數據庫與傳統的完整數據庫相比適用性更廣，且大大減小了數據庫建立難度。

3 焊接效果

結合大連造船廠的數字化車間改造工作，大型船用艙室焊接機器人結合基于焊道重構的中厚板T型材的多層多道焊接方法已經開始應用在4-1車間的民用船產線，焊接T型材效果如圖7所示。

4 結 論

本文采用自主研發的機器人系統、視覺系統，探索了機器“柔性”自動化焊接船用中厚板的方法，已經實現了產品在相關產線上的應用，為后續的視覺成像后再焊接研究鋪墊了道路。

參考文獻：

[1] 孫騰，林送武，何林，等.用于船舶分段制造的焊接機器人：CN206824862U [P].2018-01-02.

[2] 孫騰，林送武，何林，等.用于船舶分段制造的焊接機器人：CN106984921A [P].2017-07-28.

[3] 劉源，劉芳，馬宏波，等.基于激光測距的船體分段焊縫自主尋位 [J].上海理工大學學報，2017，39（2）：149-153.

[4] 于步江.船艙格子間機器人焊接工藝研究 [D].鎮江：江蘇科技大學，2013.

[5] 朱宵陽.中厚板機器人多層多道自動橫焊工藝研究 [D].天津：天津大學，2017.

作者簡介：李帥（1985-），男，黑龍江尚志人，裝焊部部長，工程師，碩士研究生。研究方向：機器人中厚板焊接。