船用小組立焊接生產線智能化技術研究

康占賓，閆德俊，陳紅亮，蔣 巍，黃家勇

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東省艦船先進焊接技術企業重點實驗室， 廣州510715）

1 前言

目前，對傳統小組立構件生產過程中，主要采用手工焊為主。在焊接過程中，由于施工人員的技能水平不一、所采用的焊接參數不同，導致生產的小組立構件質量參差不齊，難以保證質量；傳統小組立焊接生產線的各工位分布較為分散、生產過程中各工序間占用的轉運時間較長，導致生產效率低下；并且每個工位的生產負荷分布不均，導致部件堆積的現象時有發生。

近些年來，隨著自動化、信息化技術在船舶行業的廣泛運用，國內先進船廠已開始小組立焊接機器人的使用。但在使用過程中目前仍有很多不足之處，缺乏完善的工藝數據庫與工藝知識庫，不能實現焊接工藝的自動生成與下發等。

本文通過對某船舶企業傳統小組立焊接工藝流程進行梳理，對其工藝流程進行智能化升級技術研究：采用數字化、智能化設備代替落后的機械設備；通過焊接工藝數據庫與知識庫，實現對焊接工藝數據的實時收集與存儲、焊接工藝的自動生成與下發；通過在線檢測技術，實現生產過程的在線檢測；通過智能管控系統，實現對生產狀態實時監控、各工位生產負荷自動調整等功能的實現，最終完成生產線的智能化升級，實現高效高質生產。

2 傳統制造下的小組立焊接工藝流程

要實現對小組立焊接生產線的智能化改造，首先要對傳統制造下小組立焊接生產線的工藝流程進行工序分解，并對各工序進行智能化升級改造時所涉及的智能要素進行研究，完成各工序的智能化改造，最終實現智能化生產。

通過對某船舶企業傳統的小組立焊接工藝流程進行梳理，得到傳統制造下的小組立焊接工藝流程，如圖1所示。平不一，焊接時采用的焊接參數難以控制，導致焊接質量參差不齊，難以保證焊接質量；

圖1 小組立焊接傳統工藝流程

（2）焊接生產線中各個工序分布較為分散、占用場地面積較大，需花費大量時間通過門吊或托盤對零件在各工序間進行轉運，導致生產效率低下；

（3）不能實時感知每個工序的進度、生產狀態及時調整各工序的生產負荷，導致生產效率低下；

（4）需要配備較多施工人員，造成人工成本上漲、經濟效益降低。

傳統制造下的小組立焊接生產線由于設備較為落后，無法實現設備的網絡連接，導致生產線的信息數據難以進行實時收集與傳輸，無法實現對生產零件的全程跟蹤與信息追溯；缺乏焊接工藝數據庫與知識庫，無法實現對焊接工藝數據的實時收集與存儲、焊接工藝的自動生成與下發等；缺乏先進的在線檢測，質量無法得到保證；缺乏智能管控系統，無法實現對生產狀態實時監控、各工位生產負荷自動調整等功能。

（1）托盤運輸：工人將上道工序加工好的零件按照流向裝入托盤中，并通過門吊將托盤輸送到建造區域；

（2）材料分揀：按照設計部下發的分段結構圖，分揀同一圖紙中需要進行安裝的板材和型材材料；

（3）裝配劃線：將鋼板在裝配區域全面鋪開，根據設計部下發的裝配圖紙找出對應的加強筋等扶強構件，在零件上劃出相互組合時的位置線；

（4）點焊定位：將加強筋等扶強構件，按照裝配線進行點焊固定裝配；

（5）人工焊接：通過手工焊接或者焊接小車對點焊固定后的小組立進行焊接；

（6）焊縫修補：依據檢驗標準對焊接后的小組立件進行檢查，對不合格的部件進行焊接修補；

（7）火工背燒矯正：將修補后的焊接工件進行翻身，在扶強構件的焊接位置進行火工背燒處理，消除結構的內部應力、減小結構變形；

（8）托盤區域：將小組立構件裝入托盤或者平板車，運輸到下一工序進行生產。

傳統的小組立焊接生產作業，存在以下缺點：

（1）焊接時主要采用手工焊接，由于焊工技術水

3 小組立焊接生產線的智能化要素

要完成船用小組立焊接生產線的智能化升級改造，首先在設備方面要使用先進的數字化、智能化設備代替人工進行作業；在基礎設施方面，車間需布置網絡系統，實現生產線的信息數據能夠與MES 系統進行實時交互；要通過完善的工藝數據庫與工藝知識庫，實現焊接工藝數據的收集、分析、存儲以及工藝的自動生成與下發；通過智能管控系統，實現生產的實時監控；通過流水線控制，對各工序的生產負荷進行實時感知與調控，實現流水線式生產[4]。

小組立焊接生產線的智能化要素如下：

3.1 生產線單元及設備組成

生產線主要由輸送系統、焊接工位、背燒工位、卸料工位組成：

（1）焊接工位

包括機器人系統、焊接系統、定位設備、輔件；

（2）背燒工位

包括自動背燒設備、控制臺等。

3.2 智能管控

智能管控系統能夠控制流水線上所有設備，實現工件的輸送、焊接、背燒等功能的全自動流水式生產。主要包括生產作業控制與生產信息管理兩大功能：

（1）生產作業控制

主要控制流水線作業的生產節奏，實現各工序的生產負荷均衡；控制各個工位作業輥道的啟停；實現自定義焊接焊腳高度的設定；支持機器人預焊接動作模擬，驗證生成焊接工藝的正確性；補償生成的焊接路徑與實際焊縫的偏差；每次焊接作業結束后，自動完成焊槍清潔；設有故障診斷系統，包括故障自動報警、信息提示及自動保護停機等功能；

（2）生產信息管理

實時顯示各個工位的工作狀態；根據實際焊接的啟停時刻，統計有效焊接時間、焊接米數、焊腳信息等；采集并記錄焊接作業時的電流、電壓、焊接速度等參數；實時查詢焊接機器人易耗品的使用壽命；根據船廠要求上傳本地信息。

3.3 焊接工藝數據庫

焊接工藝數據庫具備數據錄/導入、工藝查詢、數據備份、數據還原、數據清理、用戶管理等功能。傳統的小組立構件生產數據多為非結構化數據，主要存在于紙質文件或現場施工及工藝人員的腦海中。為此，需對傳統工藝數據進行信息化、數字化、結構化處理，并存儲于工藝數據庫中。此外，需要對生產線的數據進行采集，對處理后的工藝數據存儲于數據庫中，并對工藝數據庫開放標準數據接口為工藝生成及其他業務提供數據基礎。

3.4 在線檢測

生產線的在線檢測，主要包括以下幾個方面：

（1）焊接工件來料幾何信息檢測

通過結構光視覺傳感檢測方法，實現對來料尺寸、組隊尺寸及工件信息的識別；

（2）焊接參數檢測

結合焊接工藝特點，實現對焊接電流、焊接電壓等信號檢測；

（3）焊接過程在線監控

通過焊接熔池視覺監控與檢測系統，實現對焊偏、咬邊、下塌、未熔合等缺陷的在線檢測，并給出報警和評判；

（4）焊后焊道成形檢測

建立焊道的結構光條紋圖像與焊道熔寬、余高的關系模型，通過數據處理軟件實現點云圖像的圖形化；通過基于模糊評價算法的焊接缺陷評價軟件，對出現焊接缺陷的焊道位置進行評判和報警。

3.5 生產對象

小組立構件主要由一塊或者兩塊基面板與加強筋、肘板等扶強構件組成[5]。本生產線主要生產除特殊結構形式（帶曲邊、折邊、拼板對接以及可能導致焊槍或機械臂干涉的特殊小組立結構）以外的小組立工件。

3.6 工藝生成

焊接工藝知識庫在工藝數據庫的數據基礎上，實現工藝知識建模、知識挖掘、知識檢索與存儲、典型工藝生成等功能。針對加工對象的特征信息，在工藝知識庫中進行檢索，對能夠完全匹配的工藝知識自動調用，對不能完全匹配的工藝知識基于推理自動生成。生成的工藝能夠通過MES系統，實現到設備終端的下發。

4 智能制造下的小組立焊接工藝流程

通過對智能制造下小組立焊接生產線的升級技術研究，得到的小組立智能焊接生產線工藝流程主要由以下工位模塊組成（見圖2）。

圖2 小組立 生產線工藝流程

4.1 焊接工位

采用3D 掃描系統自動獲取工件信息，并通過工藝知識庫自動生成焊接工藝，對拼裝點焊好的小組立構件進行焊接作業，實現對小組立構件機器人智能焊接。

（1）點焊裝配及輸送

在裝配平臺上根據定位孔指示，將基板、筋板和肘板進行組對及裝配點固；裝配完成后，流水線控制系統判斷焊接工位閑置與否，當焊接工位發送閑置信號后，智能管控系統判斷上料與裝配工位及檢查修補工位是否處于忙碌狀態，當收到不忙碌狀態信號時，控制輥道將小組立構件輸送到焊接工位，實現生產節拍控制；

（2）3D激光掃描工件

機器人門架攜帶3D激光掃描設備，從焊接工位的一端向另一端移動，掃描工位上所有工件位置信息及焊縫位置信息，并把筋板位置與間距信息發送給機器人控制系統及上位機；

（3）激光尋位確定焊縫

根據3D 激光掃描的位置信息，機器人移動至焊縫位置附近，使用機械臂前端的激光尋位設備實現對焊縫位置進行精確定位；

（4）機器人智能焊接

兩臺機器人自動調用焊接程序，從焊縫兩側開始施焊作業；完成焊接后，機器人向控制系統發送焊接完成的指令；在焊接過程中，通過焊接在線檢測裝置，對焊接的質量進行實時檢測，并對焊接故障進行信息報警等；

（5）焊槍清理

每次焊接作業完成后，自動進行焊槍清潔。

4.2 背燒工位

通過生產線控制系統，實現工件自動輸送至背燒工位，并通過背燒設備自動實現對小組立的修補背燒。

（1）工件輸送至背燒工位

機器人向控制系統發送焊接完成的狀態指令，輸送平臺將工件輸送至背燒工位。

（2）修補背燒

控制系統將由焊接工位得到的基準筋板位置信息傳送至背燒工位，自動調整基準槍頭位置；控制系統根據焊接工位3D 掃描測得的筋板間距，自動調節可移動槍頭至背燒位置；檢查修補完成的小組立工件通過輥道運送至光電開關位置，筋板或肘板前端觸發光電開關，背燒裝置開始點火背燒；背燒完成后，筋板末端離開光電開關時，背燒裝置停止工作。

4.3 卸料工位

將背燒完成的小組立工件輸送至卸料工位，操作工采用吊機將工件從流水線上卸下。

4.4 工藝自動生成系統

通過對來料組立的掃描確認組立的類型，并將信息反饋至焊接工藝知識庫；通過焊接加工工藝知識庫對焊接工藝進行自動匹配和推理生成，并對生成后的工藝通過MES 系統下發到設備中；也可通過設備中自帶的焊接工藝知識庫進行工藝知識的生成，通過自動調用生成的焊接工藝進行焊接。

4.5 智能管控系統

智能管控系統包括生產線生產狀態的實時監控、各工位生產負荷自動調整、運行狀態信息數據的實時采集等功能，能夠操縱控制流水線上所有設備，實現工件的輸送、焊接、背燒等功能的全自動流水式生產。

5 結論

（1）梳理了典型船廠的小組立焊接傳統工藝流程，確定需要進行數字化、智能化升級改造的要素，為實現小組立智能焊接奠定了基礎；

（2）通過對生產線設備智能化升級、焊接工藝數據庫與工藝知識庫，完成了小組立焊接的在線檢測、智能管控系統等智能化要素的確認；

（3）通過對生產線進行合理規劃，構建了包括焊接工位、背燒工位、卸料工位、智能管控系統等模塊組成的智能化焊接生產線，實現了小組立構件的智能化生產；

（4）本文所述的小組立智能焊接生產線僅適用于近階段特定船企，由于每個船舶企業的生產場地及生產過程不同，需要做適當調整才能適用于其他船舶企業。