船舶制造焊接機器人應用關鍵技術

張兆光

摘要：近年來全球造船市場持續低迷，接單難、交船難和產能過剩是各國船廠都需應對的難題，市場需求的變化引發整個產業的布局重新調整，迫使船廠采用智能制造代替傳統的生產方式。智能焊接是智能制造的代表，在船舶建造過程中，焊接工作量占到40%以上，焊接設備的智能化升級對于船舶建造的質量控制、效率提升和工作危險度降低而言具有重大意義。近年來，我國已有大型船企開始嘗試采用機器人焊接技術進行船舶結構焊接，不僅得到了國家有關政策的支持，而且受到了企業的歡迎。

關鍵詞：焊接;機器人;關鍵技術;船舶制造

一、簡述焊接作業機器人

焊接作業機器人，依據不同生產對象，可被劃分成型材和管材焊接作業機器人、便捷性焊接作業機器人、中組立形式焊接作業機器人、小組立形式焊接作業機器人。小組立形式焊接作業機器人，其部件結構重復、單一，比較適宜應用在機器人流水線生產當中，故被廣泛應用在船舶制造中。

二、船舶智能制造及試點初步探究

船舶智能制造的載體和集中體現是智能船廠。目前，國外先進船企正處于由“工業3.0”向“工業4.0”推進階段，還沒有實現真正意義上的智能船廠。智能船廠暫時沒有一個清晰權威的定義，本文初步探討其內涵。智能船廠是數字化、網絡化、智能化技術與造船技術的交叉融合，是融合物聯網、工業大數據、云計算和人工智能等新興技術及先進管理概念，是具有較高水平的現代造船模式，是以數字化產品設計和大數據支撐的信息系統平臺、數字化智能化制造生產線及裝備、精益管理體系、生產流程管理與調度的智能化等重點的系統集成，以自動化、數字化、網絡化和智能化技術為實現手段，以卓越運營為目標，將營銷、設計、生產、管理和服務等各環節動態優化、有機融合，并相互滲透的船舶制造業，具備高度自動化、數字化、可視化、模型化以及集成化等特征。

三、關鍵技術

3.1采集模型信息

焊接作業機器人，依據其內部的控制系統、模型數據，采集模型信息技術可劃分成3D基礎模型導入與離線編程、現場采集與自動識別2種。3D基礎模型導入與離線編程技術，需預先將小組立相應部件3D基礎模型制作好，并把焊接作業路徑離線規劃好;現場采集與自動識別技術，智能化程度較高，技術員無需先將模型數據準備好，借助被動或者主動視覺的形式，便可實現對于待焊接作業位置自動識別，焊接作業具體路徑也能自動生成。現場采集與自動識別技術之下，前期做準備的時間可以省去，對技術員無特別高的要求。若不考慮到前期制作模型時間，3D基礎模型導入與離線編程技術所需準備時間相對較少一些，且有著較高的燃弧效率。如激光采集，現場所采集指導位置信息大致是±10mm偏差，如果筋板末端屬于斜切形式，偏差會相對較大。為保證起弧所在位置信息更具精準度，需采用傳感手段，如觸碰尋位與激光尋位。在一定程度上，激光尋位在精度、速度方面優勢突出，而觸碰尋位速度較慢一些。為保證焊絲實際伸出長度具有一致性，務必將自動剪絲設備配備好。

3.2選定焊接路徑及焊槍位姿

先行小組立式結構十分簡單，無立角焊，各個筋板相互間無位置限制，以至于機器人尋位、焊接作業及撤出空間較大。故焊接路徑選定期間，機器人更換焊接作業位置期間，僅需移動距離。選定焊槍位姿方面，也只需要確保焊接成形，調試焊接作業工藝期間，需將最適宜位姿確定好便可。區別于先行小組立，小組立式部件結構極具復雜性，臨近筋板多，焊槍備受限制。如雙層式底肋板的焊接作業順序，機器人首選焊接作業y方向筋板，而后是x方向筋板。x方向筋板焊接作業期間，為防止焊槍與y方向筋板發生碰撞，需對焊槍姿態加以調整，焊槍和底板角度應在45°以上。

3.3焊接作業流程

1）選定焊材。在尋位和焊接作業期間，小組立的焊接作業機器人于4、5、6軸處頻繁轉動，角度大，且送絲軟管彎曲頻繁，有縫普通藥芯焊絲因藥粉泄露而產生送絲軟管堵塞情況，故需選定無縫形式藥芯焊絲;在尋位和焊接作業期間，因部件焊接作業機器人動作幅度相對較小，故可選用有縫普通藥芯焊絲。同時，需妥善配備好矯直裝置，以確保出絲能夠挺直。

2）選定焊接參數。通用部件的機器人為不擺動焊接作業方式，類似于船廠所用角焊機，故調試工藝應當依據角焊機各項參數;小組立的機器人焊接方式為正弦擺動形式，需設定好焊接作業速度、電壓及電流，并將極限位置的停留時間、頻率及擺度幅度等設定好。

3.4集成化流水線

1）在上料工位方面。裝配的小組立處部件應用上料工位，區別于人工焊接作業，裝配電焊需和筋板末端、短并等距離應超過50mm，盡量讓點焊短，為防止機器人結合電焊大小與位置變化，導致焊接作業參數發生改變，防止電焊處焊縫有凸及偏大成型情況出現。上料工位，應選用可升降輥輪，把已裝配完成部件有效頂起并運送至焊接作業工位上面，無需裝配筋板，牢固可靠;機器人并不會對筋板裝配間隙進行采集，對焊接作業參數加以調整，可防止因較大裝配間隙所致焊接作業偏小尺寸這一情況出現。上料工位處標注筋板與底板的放置極限，若底板放置已超出極限，則流轉期間會和機器人發生碰撞，引發導軌現象;而若筋板放置已超出極限，則將無法實施焊接作業。

2）在焊接工位方面。焊接工位，屬于焊接作業機器人具體操作位置，其中配置輥道，方便小組立各個部件流轉。而為能夠保證焊接作業的質量，各輥道均接地。因受機器人總體結構布局所影響，焊接工位的兩側均有盲區存在，機器人會因掃描的不夠到位，盲區工件無法得到有效的焊接處理。

3）在修補工位方面。焊接完成的各個部件會流轉至修補工位上面，此流程需由人工完成，可修補缺陷以焊腳偏小、咬邊、偏焊、機器人的漏焊等為主。

4）在背燒工位方面。背燒工位所用輥道等同于焊接作業工位，在它的下方設可橫向式移動背燒槍，能夠同時背燒5筋板5條。背燒能夠借助可燃燒性氣體經燃燒后所產生熱量，對工件表面實施加熱處理，對變形工件可起到矯平作用。流水線的工控機可借助焊接作業機器人所給定x方向處筋板具體位置信息、流水線的編碼裝置所記錄傳輸距離等，將背燒槍具體位置、移動點火及熄火等各個動作時機精準計算出來。因未配置位置傳感裝置，故背燒操作針對修補工位有著極高的傳輸精度要求，在背燒期間相鄰幾個工位需移動，期間應確保臨近工位的傳輸速度具有一致性，防止因卡頓或者打滑等所致傳輸偏差情況出現。

四、結語

從總體上來說，焊接作業機器人實操流程極具復雜性，對各項技術要求相對較高，那么，為了能夠在今后更好地發揮焊接作業機器人的關鍵技術優勢，高效化開展船舶制造實踐活動，便還需更多技術專家及研究者們能夠積極投身于實踐探索當中，多積累相關實踐經驗，不斷提升自身專業化的技術水準，有效把握及完善焊接作業機器人各項現代化科學技術，為現代船舶制造行業的進步發展提供技術支持。

參考文獻：

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