機器人焊接技術在航天領域的應用

黃寧，張亞霄，章朋田，姜坤

1.北京衛星制造廠有限公司 北京 100094

2. 北京市航天器焊接技術與裝備工程技術研究中心 北京 100094

3.北京市信息服務工程重點實驗室 北京 100101

4.北京聯合大學 北京 100101

隨著國家科技重點專項的提出和推進，未來將在載人航天與探月工程、深空探測及空間飛行器在軌服務與維護等國家重大專項規劃的框架下，開展大型航天飛行器的研制。大型航空航天飛行器一般具有尺寸大、剛性弱、結構形式日益復雜等特點。在大型鋁合金航天器結構中，存在大量復雜形式的焊縫，如球形、圓柱形、圓臺殼體與圓形、異形法蘭形成的相貫線等。航天器制造具有高質量、高可靠、高柔性、高效率及低成本等要求，因此制造模式升級迫在眉睫。

人口紅利時代已經過去，以機械化、自動化為主流的機械加工制造過程成為提高社會生產效率，推動企業和社會生產力發展的有效手段。焊接技術作為機械制造的重要的加工過程之一，廣泛應用于航空航天、軌道交通及石油化工等工業領域。機器人自動化焊接技術能夠顯著提高大批量產品加工的生產效率，產品質量可靠性及一致性大大增強。本文針對大型航天器結構中的幾種典型產品的焊接需求，開展了機器人自動化焊接的探索與實踐。

1 多軸聯動變極性等離子弧焊接機器人裝備及工藝

1.1 復雜空間曲線焊縫需求及方案設計

在大型鋁合金航天器結構中，存在大量復雜形式的焊縫，如球形、圓柱形、圓臺殼體與圓形、異形法蘭形成的相貫線等。目前大多靠手工鎢極氬弧焊來完成這類曲線焊縫的焊接。手工鎢極氬弧焊生產過程中存在的問題主要有：①反復補焊影響產品研制進度。②熱輸入量大，焊接殘余應力水平高，容易導致產品尺寸超差。針對此需求，提出了基于關節機器人的11軸聯動空間曲線焊縫VPPA 穿孔立焊機器人焊接系統方案，如圖1所示。

1.2 專用焊接機頭研制

目前通用等離子焊槍焊接鋁合金空間曲線焊縫時仍然存在著鎢極燒損、實時調整動態響應能力不足等問題。為進一步保證和提高VPPA空間曲線焊縫的焊接質量，設計了一種體積、質量（＜15kg）合適，精度高，自動化程度高的等離子焊接專用機頭[1-2]。等離子焊接機頭能在視頻監控下完成焊槍的姿態調節

“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項 “航天器復雜空間曲線焊縫變極性等離子弧自動化焊接裝備”2012ZX04008-021以及送絲角度和速度的調節。焊槍姿態調節包括焊槍伸縮機構，焊槍軸向旋轉機構，焊槍平移機構。

圖1 多軸聯動焊接機器人方案設計

通過專用焊接機頭（見圖2）的控制實現對焊接過程中的熔池狀態、電弧形態進行精細的調整，機頭的機械定位精度可以達到±0.1mm的水平。這個過程可以通過焊接參數統計分析、焊接過程圖像處理及人工智能技術進行自動控制。由于焊接過程的精細調整對控制速度的要求并不高，也可以通過操作者對視頻監控和焊接參數監控的觀察，人工調整焊接機頭的操作。

圖2 專用焊接機頭

1.3 多軸聯動VPPA焊接裝備系統集成與應用

采用站立式機器人焊接工作站系統。6軸機器人安裝于三維移動裝置上，工件安裝于2軸變位機上。三維移動裝置可實現高向（z軸）、橫向（x軸）、縱向（y軸）的獨立調節，增加機器人移動范圍，使其有效焊接范圍能夠滿足產品焊接的要求。通過對6軸機器人+三維移動裝置＋雙軸變位機系統的集成，實現對焊槍與焊縫相對位置的實時控制，使VPPA焊槍與焊縫的相對位置在復雜曲線焊縫焊接過程中，始終處于垂直立向上的關系[3]。研制完成的多軸聯動變極性等離子弧大型自動化焊接裝備如圖3所示。

圖3 多軸聯動變極性等離子弧大型自動化焊接裝備

2 全向智能移動焊接機器人開發及應用

2.1 大型薄壁弱剛性產品焊接需求

飛船、空間站等大型航天器的輻射器作為空間飛行器的主動散熱設備，其加工質量和壽命將直接決定航天任務的成敗。輻射器是由液管回路、熱管回路及金屬蒙皮通過焊接裝配而成，是一種大尺寸、弱剛度、強約束的復雜蒙皮結構。典型航天器輻射器結構如圖4所示，由于大量液/熱管路的空間走向十分復雜，預先定位在工裝上的管路翼形焊接邊緣的實際位置難以精確保證，且大量焊縫依次焊接產生的焊接變形會進一步降低管路翼形焊接邊緣的位置精度。針對此需求，提出了由全向智能移動平臺、安裝在平臺上的機器人焊接系統組成的全向智能移動焊接機器人，相對于傳統的坐標機器人專機系統，該系統具有較強的操作靈活性與工作空間適應性，應用前景廣闊[4]。

圖4 典型航天器輻射器產品

2.2 全向移動焊接機器人系統集成

全向移動自動焊接機器人是以一套“智能移動平臺+柔性焊接機器人+激光跟蹤與視頻監測系統”為核心的智能化柔性制造裝備。該裝備基于德國KUKA公司的KR-30機器人與福尼斯的CMT焊機，搭載全向智能移動平臺車，研制了可移動自動焊接機器人系統，并配置激光跟蹤系統，通過激光照射焊縫，根據反射回來的激光信號與測量系統光軸的偏離角，實時糾正由于焊接變形等造成的焊槍軌跡偏差，操作者可通過焊接視頻監測系統獲取實時焊縫熔池信息，實現人在回路的自動化焊接。

（1）智能移動平臺系統 智能移動平臺系統是一種基于智能控制的高端全向移動裝備產品，為大型重載產品靈活轉運和精確定位，提供了高效解決方案。產品特點：全方位靈活移動、精準控制、安全大承載、智能化。全向智能移動平臺車選用2t承載平臺車，通過對四套輪系的獨立控制實現平臺車的全方位移動；同時設有真空吸盤地腳支撐，可用于工作過程中的穩定支撐；車上設有避障裝置和急停裝置，用于緊急制動。全向智能移動平臺系統如圖5所示。

（2）激光跟蹤與視頻監測系統 平臺車系統軌跡誤差，工件加工誤差、焊接過程中的熱變形、夾具的不精確等因素均會造成電弧與焊縫對中的誤差，必須采用焊縫跟蹤裝置用于檢測構件位置、坡口位置或焊縫中心線位置已達到焊縫位置自動跟蹤的目的，以便能得到均勻的焊縫。焊接過程采用視頻監控，設計了一款用于自動或半自動焊接過程的視頻監測系統，該系統采用外部脈沖觸發控制，有效抑制脈沖焊接過程的圖像閃爍，方便焊接過程參數微調控制。激光跟蹤與視頻監測系統如圖6所示。

圖5 全向智能移動平臺系統

圖6 激光跟蹤與視頻監測系統

2.3 全向移動焊接機器人產品應用

首次將智能移動焊接機器人系統應用于大型薄壁結構復雜空間曲線焊縫的焊接，解決了大尺寸輻射器管板復雜空間曲線焊縫裝配精度低，無法實施自動焊接的難題。焊接生產現場如圖7所示。

圖7中的產品結構焊縫形式主要分為兩種形式：一種為管-管焊接，單邊為6mm的雙V形焊縫結構，一種為管-板焊接，0.8mm和1mm的異種鋁合金焊接結構。針對管-管的“深V形”焊縫，在普通CMT焊接參數的基礎上增加了高頻脈沖，增加了電弧的挺度，減小了焊縫的熱輸入，焊縫成形飽滿，并且有效抑制了焊漏缺陷，產品質量可靠性和合格率大大增加。另外，優化了全位置的不等厚鋁板空間曲線焊縫焊接參數；通過改變工裝壓板方式，解決了薄板對接焊縫中的板變形問題；通過增加機器人末端焊槍自動擺動焊接功能，解決了焊縫間隙不均勻問題。

圖7 智能移動焊接機器人生產現場

3 結束語

1）針對大型航天器復雜空間曲線焊縫焊接需求，開發了11軸聯動變極性等離子弧大型自動化焊接裝備，設計開發了變極性等離子弧專用焊接機頭，實現了封閉曲線焊縫的全程VPPA穿孔焊接，能夠成功應用于飛船金屬密封大底空間曲線焊縫的焊接。

2）通過硬件集成和軟件通信，研制了基于智能移動平臺車、柔性焊接機器人和激光跟蹤與視頻監控的智能移動焊接機器人系統。通過優化焊接工藝，解決了不等厚薄板鋁合金和雙V形厚板高效率焊接難題，實現了航天器輻射器典型產品的焊接應用。

3）基于全過程數據驅動的智能化焊接為未來發展趨勢，研究數據驅動的智能推理技術，利用數據挖掘建立關聯規則，為焊前智能規劃和在線智能控制提供依據，實現制造模式升級。