焊接機器人在船舶建造中的應用與發展

胡浩，高飛，鄒家生

江蘇科技大學先進焊接技術省重點實驗室 江蘇鎮江 212003

1 序言

隨著新一輪科技革命與產業變革的孕育與興起，智能制造逐漸成為制造行業的制高點，主要制造業國家紛紛出臺相關的戰略及政策，例如“美國CPS計劃”“德國工業4.0”“中國制造2025”等，搶占了新一輪產業發展的高地。2018年12月中華人民共和國工業和信息化部發布了《推進船舶總裝建造智能化轉型行動計劃（2019—2021）》，該行動計劃明確提出了要加快新一代信息通信技術與先進造船技術的融合，逐漸實現數字化、網絡化、智能化的結合，表明以“智能工廠、智慧制造”為主導的智能船舶建造工業革命已經悄然來臨，船舶企業的轉型升級是當前大環境下的形勢所趨。

船舶的建造離不開焊接，隨著技術的發展，從最開始的手工焊接、機器人示教焊接，到現在的可自動識別焊縫再進行焊接的柔性系統，手工焊接逐漸成為過去，機器人焊接成為主流。機器人焊接較傳統焊接方法優勢明顯，普通六軸機器人的焊接速度（50～160cm/min）高于手工焊接（40～60cm/min），且機器人在焊接過程中焊接參數恒定性好、質量穩定性高、美觀性強、焊渣少，減少了后續清渣打磨工序，使得焊接自動化成必然趨勢[1]。目前我國船舶建造主要依靠手工焊接為主，焊接技術水平大多數處于半自動化到自動化焊接階段，相比較發達國家而言焊接自動化程度較低。本文介紹了船舶建造中管道型焊接機器人技術、吊籃式焊接機器人技術、移動式焊接機器人技術及龍門式焊接機器人技術的研究與應用，并對船舶焊接機器人未來發展趨勢進行探討。

2 船舶管道焊接機器人技術

船舶建造過程主要分為船體和管道的加工，管道生產加工占船舶建造總工時的8%～12%[2]，常見的管道結構類型有直管、彎管、錐形過渡管、偏心過渡管、等徑三通管及馬鞍形連接管等[3]。由于其多樣化、多品種、離散性的特點，使得手工焊在管道加工過程中容易出現成形質量差，合格率較低等情況，因此對管道焊接自動化的研究從未停止。首先是管道焊接過程中的對接問題，傳統的管道對接焊主要依靠工人經驗，先在管道連接處進行劃線、定位、定位焊后再進行焊接，這不僅不能保證高效率和高質量，而且很費時。浙江大學的Haocai H[4]針對船舶管道對接問題，開發了一種新型船舶管道焊接輔助裝置（SPWAD），該結構結合液壓電子鎖裝置，能夠更方便、更可靠地對齊、居中和鎖定兩條焊接管道；其次是管道焊接機器人裝備的設計，由江蘇科技大學、上海外高橋造船有限公司和昆山華恒焊接設備技術有限公司，結合機器人位置傳感技術、電弧跟蹤技術、機器人協同主從控制技術，以及開啟式變位機鏈輪傳動裝置和MIG自動焊接專家系統等，研發了國內第一條船用管-管、管-法蘭主從機器人焊接生產線。該生產線主要由2臺焊接機器人及1臺開口鉗式變位機為主導設備組成[5]，如圖1所示。應用結果表明，該生產線能實時根據焊縫形狀調整焊槍的位置，焊接效率與手工焊相比提高5倍以上。

圖1 船舶中型直管-法蘭機器人柔性焊接系統

為了提高復雜環境下的管道焊接工藝，R.H.G等[6]人研究了TopTIG管道焊接工藝方法（見圖2）。該焊接方法與傳統鎢極氬弧焊（GTAW）相比，允許在靠近鎢極區域切向導入焊絲，并被整合到噴嘴中，使得焊槍更加緊湊，便于機器人的操作，在管道打底焊過程中焊絲的焊接速度和熔化速度提高兩倍。在焊接過程中除了控制焊接速度、電弧電壓、焊接電流等因素外，電弧的弧長也是一個重要的因素，它直接影響焊接過程中飛濺的產生、焊后焊縫成形等。對于電弧的控制也是眾多學者研究的方向，Lei[7]針對管-板焊接過程中弧長的不穩定性，搭建了直流脈沖氬弧焊機、激光傳感器和CCD相機試驗平臺，利用激光傳感器測量鎢極和管-板之間的距離，采用CCD相機結合分度尺獲得管-板水平和垂直方向的校準圖像標定、圖像預處理、圖像特征值提取等，可以實時控制焊槍與管板間間距，有利于焊縫成形。

圖2 TopTIG原理

國內焊接設備公司也在不斷研究開發管道焊接設備，唐山開元自動化焊接裝備有限公司設計出全位置MAG焊接系統，采用4個電動機結合DSP數字信號處理，可以進行根焊、熱焊、填充及蓋面等工藝，大大提升了管道焊接效率（見圖3）。在船舶企業中，啟東中遠海運海洋工程有限公司采用“分道分線”的做法，設置有不銹鋼和碳素鋼生產線，其中碳素鋼生產線根據管道的直徑又分為4條專用生產線，分別負責上料、噴碼、切割、坡口加工、管端打磨、下料、組對及焊接，實現了自動打底、填充、蓋面的自動控制，有效提高了效率和效益（見圖4）。南通中遠川崎船舶工程有限公司（以下簡稱南通中遠川崎）通過中一徑和中二徑智能化管道線的改進優化，建立船舶管路加工智能車間，大幅度提高生產效率，使對應的生產工序效率提高70%。

圖3 全位置MAG焊接系統

圖4 數字化管道加工車間

3 船舶結構焊接機器人技術

船舶建造過程中更多是板與板的裝配連接，船體的板材裝配主要是平面裝配法和柵格裝配法。平面裝配法就是先將縱骨板與船板進行焊接，構成板列分段，然后再將橫向肋骨板與板列分段進行下一步焊接；柵格裝配法就是縱骨板先與橫框架進行預裝配，形成柵格狀，再與船體板進行焊接。目前，船舶結構焊接機器人主要有吊籃式焊接機器人、移動式焊接機器人及龍門架式焊接機器人。

3.1 吊籃式焊接機器人

20世紀90年代，吊籃式多軸機器人自主焊接已在韓國投入應用。吊籃式焊接機器人使用起重機從一個位置吊到另一個位置[8]，當吊運至所需焊接位置時，再采用尋位傳感器對引弧點進行定位和焊接。大宇船廠[9]的固定六軸吊籃式焊接機器人如圖5所示。

圖5 大宇船廠吊籃式焊接機器人

中船重工七一六研究所設計了一款快速、高效、柔性的導軌式艙室焊接機器人系統[10]，如圖6所示。該機器人配備了模塊化導軌，拆卸方便，柔性較好；焊接系統配置了焊縫跟蹤裝置，可以實時監測焊縫成形質量，可針對艙室典型多段T形焊縫進行焊接。

圖6 導軌式艙室焊接機器人系統

3.2 移動式焊接機器人

吊籃式焊接機器人適合開放式板材的連接，類似郵輪、集裝箱船、LNG船等雙層船殼結構。雙層結構由上部板和下部板、主梁和橫向腹板組成，大梁和腹板將雙層船體結構劃分為若干封閉部分。在每個截面上平行布置若干縱向加強筋，這些縱向加強筋包含許多小型加強筋，形成U形結構。由于受空間影響，使用吊籃式焊接機器人焊接十分不便，故需要更靈活的焊接機器人。為此，Namkug K[11]針對船舶建造過程中雙層船體的結構，設計開發了一種移動式焊接機器人，如圖7所示。應用結果表明，該移動式焊接機器人能提高25%的焊接效率。

圖7 移動式焊接機器人

德國的邁爾船廠引進了可360°旋轉機械臂焊接機器人，如圖8所示。機器人底座安裝在行程導軌上，行程導軌由拆卸模塊構成，方便拆卸，工人只需要先在控制面板里輸入一些參數，然后啟動程序，機器人就會開始自動測距定位、自動焊接和移動，可進行平焊、橫焊、立焊及仰焊。

圖8 可360°旋轉機械臂焊接機器人

3.3 龍門式焊接機器人

吊籃式和移動式焊接機器人都能通過行車或吊車較快地被運送到指定位置進行焊接，但是由于大型船舶結構對機器人的臂展和大范圍移動的需求，所以船舶行業中龍門式焊接機器人應用也較為廣泛。20世紀90年代，日本的NKK公司津船廠[12]就將龍門式焊接機器人應用在小合攏生產線上，焊接機器人倒掛在移動導軌上，導軌可在X、Y、Z三個方向上移動，這樣焊接機器人就變成了9個自由度。NKK公司津船廠在小合攏流水線上采用門架式多關節機器人來焊接低構架肋板框架和平板部件，針對構架與底板的水平角焊縫，采用門架式機器人或多臺小型機器人進行“井”字形構件內水平和立向自動角焊[13]。神戶制鋼所研發了可進入狹小空間進行分段焊接的龍門式焊接機器人系統，如圖9所示，該機器人的主體倒置在運輸裝置上，焊接時先將機器人降至分段底部，再對焊縫進行定位，然后進行焊接[14]。雖然該機器人實用性較好，但缺乏廣泛的應用。相比而言，igm的龍門式焊接機器人無論是在豪華客輪、油輪、貨柜船，還是在巡洋艦的建造中，均有較高的占有率，如圖10所示。

圖9 神戶制鋼所龍門式焊接機器人

圖10 igm龍門式焊接機器人

近年來，國內船舶企業開始逐漸引進焊接機器人設備，2015年南通中遠川崎成功投產了型鋼自動生產線、條材機器人生產線、先行小組立機器人焊接生產線（見圖11）和小組材焊接生產線等4條機器人自動化生產線，建成了工信部船舶制造示范智能車間。原來的型鋼生產線，從劃線、寫字、切割、分料都是人工操作，現在型鋼的劃線、切割、分料過程都由機器人完成（見圖12），生產效率提高2～4倍。在先行小組立生產線，機器人實現了工件的自動背燒和出料，與傳統制造時鋼板需要在定盤上先全面鋪開，再裝配焊接、翻身、背燒等工序相比較，不僅提高了效率，而且減少了周期；小組立生產線配備的4臺焊接機器人既可單獨焊接又可相互配合，利用KCONG軟件模擬三維部材，進行自動化生產，大幅度提高了生產效率，增加了靈活性。上海外高橋造船有限公司[15]也投產了小組立焊接機器人生產線，如圖13、圖14所示。該生產線在移動式龍門架上倒置了兩臺焊接機器人，通過自主采集和分析待焊接部件、自動規劃焊接路徑、自動編程和焊接，采用無縫藥芯焊絲，成功地針對結構較為復雜的小組立通用部件進行焊接，但也同樣存在機器人焊接的漏焊、偏焊、咬邊及焊腳偏小等缺陷，需要進行人工修補。

圖11 南通中遠川崎小組立焊接機器人

圖12 南通中遠川崎自動化生產線

圖13 上海外高橋造船有限公司通用部件焊接機器人

圖14 上海外高橋造船有限公司小組立生產線

4 船舶焊接機器人發展趨勢

目前，船舶行業更多的是先將焊接機器人固定其底座，再結合焊槍部位的尋位裝置進行焊接，較多應用于環形和直線形焊縫，而對曲面形、拐角形及現場三維曲線的焊接應用較少。國外對復雜柔性焊接制造系統已經開展研究，日本為了提高國際造船的競爭力，提出了創新（Innovation）、信息（Information）、物聯網（IoT）等智能造船的“i-Shipping”理論構想[16]。2012年三菱重工研發了自動離線引導系統 3D-CAD MATES，并成功應用于造船現場，主要用于 VLCC、LPG、LNG 船型的實際作業，實現槽型部件周圍的焊接自動化[17]。2018年韓國現代重工以物聯網和自動化技術為基礎，成功開發出雙曲面彎板加工機器人系統，配備高頻電流感應加熱系統和六軸多關節機器人，該系統可自動生成加熱軌跡，能夠自動進行3D曲面成形加工，成功解決了彎板加工流程標準化的難題，未來現代重工還計劃研究人工智能和更加復雜的技術。

西班牙的AIMEN技術中心[18]以庫卡焊接機器人為基礎，開發一款基于CAD 的機器人編程和焊接參數化超柔性9自由度的焊接機器人，結合視覺定位系統，實現完整生產無手動操作，該柔性機器人單元無需編程，實現自動焊接。美國的SSI公司和Wolf Robotics共同開發了基于Autocad 的CAD/CAM 生產線軟件Ship Constructor的自動驅動全自主焊接機器人。美國肯塔基大學結合人的智能與機器人的精確運動特征開發了虛擬現實人-機器人協同焊接，通過建立電弧長度、電弧電壓和焊接電流的映射模型，開發出焊縫跟蹤算法，實現了不需要人親臨現場就能控制焊接，結果表明，該系統具有良好的實效性[19]。綜上所述，種種跡象均表明，數字化、互聯網化、智能化的智能造船時代即將到來。

發達國家的船舶焊接軌跡為手工焊、自動焊、機器人焊接、智能焊接，但是現階段我國船舶建造過程中仍然以手工焊和自動焊為主，機器人焊接較少，距達到智能化焊接階段還有較大的距離。我們應集聚行業內外重點企業、高等院校、科研院所、配套供應商等開展技術需求對接，實現跨界融合，搭建智能船舶合作交流的平臺，推動數據資源合理共享，深入開展焊接機器人在船舶建造中的應用研究，迅速提升適合我國國情的船舶焊接技術和裝備，推動我國船舶行業的發展，提高我國船舶行業在國際上的競爭能力，迎接數字化、互聯網化、智能化的智能造船時代的到來。

5 結束語

根據相關數據，我國焊接機器人從 2012 年的年銷售約25 000臺（套）發展至2019年約180 000臺（套）[20]，7年增長了620%。面對新一輪科技革命和船舶發展的交匯期，我們要夯實基礎、補齊短板，加強船舶智能制造裝備的研發與引進，如船體零件的智能劃線、切割、打磨等，實現小組立智能焊接、中組立智能焊接、分段外板智能噴涂，建立管道、法蘭智能加工等自動化車間；對新焊接工藝技術研發與舊焊接工藝技術的改進，如激光焊、激光復合焊、攪拌摩擦焊等，以滿足特種船舶建造的需要；加強船舶焊接專家數據庫的開發與研究，完善船舶精益制造和智能制造標準體系；研究開發船舶結構專用輕便型機器人以及船用CAD/CAM集成的快速離線編程和自動編程軟件，實現船體分段3D激光掃描，破解曲面分段中空間三維曲線焊縫軌跡的傳感、識別、跟蹤、焊接成形和焊后形變控制等復雜難題[21]，推動船舶全三維數字化設計[22]；完善船廠互聯網基礎設施，利用傳感設施將個人動作和作業數據化，實現作業實績實時監控與管理，推進以數字技術、通信技術、控制技術和互聯網技術等先進技術為基礎的智能船廠的建設，全面實施數據驅動的物料輸送，建立先行分段智能焊接機器人、管材智能焊接機器人、FCB/RF自動化焊接設備、型鋼自動切割生產線及鋼板數控切割生產線等先進智能制造裝備，打造適合中國國情的真正的生產車間智能化。