海工裝備機器人智能化焊接關鍵問題及技術研究

許燕玲，張本順，侯震

1.上海交通大學材料學院機器人焊接智能化實驗室 上海 200240

2.江蘇自動化研究所 江蘇連云港 222006

1 序言

“十三五”期間，我國海工裝備業保持了強勁的發展態勢，其中三大造船指標均領先于韓國和日本等制造強國，鞏固了世界第一造船大國的地位，表1為我國三大造船指標變化情況。從表中可以看出，2020年盡管受新冠肺炎疫情的影響，船舶行業遭受重大沖擊，但我國船舶企業仍然努力克服困難，堅持任務不變、目標不減的原則，全年我國造船完工量、新接訂單量和手持訂單量在全球市場份額按載重噸計分別為38.9%、46.4%和45.0%，繼續保持國際市場份額領先[1]。

表1 2016—2020年我國三大造船指標變化情況

焊接是海工裝備制造中的重要工藝環節，也是決定其裝備質量的關鍵因素。尤其是船舶制造中的小合攏、中合攏、大合攏、平面分段、曲面分段、平直立體分段、管線法蘭連接、型材部件裝焊等多個工序和工位都需要依靠焊接進行實現，圖1為船舶制造中的焊接現場。

圖1 船舶制造中的焊接現場

根據相關資料，焊接工作量占據了船體建造總工程量的30%~40%，焊接成本也占據船體建造總成本的30%~50%，而焊接所需要的工時也占船體建造總工時的30%左右。

經過30多年的發展，盡管我國海工裝備在主流船型、高技術船舶、海洋工程裝備領域科技創新均取得了重大突破，本土化配套能力和水平得到了顯著提升。但必須清醒地看到，我國海工裝備發展也存在不少矛盾和問題，主要表現在技術創新能力不強，生產效率不高，示范應用不足，整個海工裝備制造配套業發展滯后，與世界其他造船強國相比，我國海工船舶制造整體水平和實力仍有較大差距。在焊接方面，造成當前我國海工裝備焊接智能制造落后的原因，主要有以下幾個方面。

1）多品種、小批量、非標件多，需要機器人焊接具有較高的適應性和柔性化，圖2為海工裝備制造中的非標工件。

圖2 海工裝備制造中的多品種、小批量、非標件

2）工藝優化滯后，工件尺寸大，裝配間隙不一致，達不到機器人智能化焊接對裝配精度的要求。

3）焊接工藝復雜、要求高，某些關鍵部件需要開發適用海工裝備的新工藝、新方法。

4）機器人智能化焊接相應配套關鍵部件依賴進口，成本高，不利于推廣使用。

工業機器人由于具有精度高、重復性好、柔性好、穩定性強的優勢，被廣泛地應用于海工裝備的焊接生產中。機器人智能化焊接技術是我國海工裝備制造業發展的必然趨勢，對于提升我國船舶制造水平，提高船舶制造工程的自主配套能力，滿足國家新型船舶戰略安全需求具有重要的意義。

2 海工裝備機器人智能化焊接技術路線

海工裝備制造機器人智能化焊接技術，主要包括以下幾部分，焊接新工藝新方法、三維模型的離線編程、三維掃描目標匹配、焊接尋位、焊縫跟蹤及過程管控技術等，如圖3所示。

圖3 海工裝備機器人智能化焊接技術路線

3 機器人智能化焊接新工藝新方法

3.1 雙面雙弧高效焊接

雙面雙弧焊接最早是由美國肯塔基大學教授ZHANG Y M 提出的一種新型焊接工藝[2]，采用在工件兩側使用相互獨立的電弧對焊接工件進行同步或異步焊接的方式，在雙側氣體的保護作用下，免去了傳統焊接工藝的背部碳弧氣刨清根工序，提高了焊接效率，增加了焊接熔深。目前，針對雙面雙弧焊接，上海交通大學、哈爾濱工程大學、大連理工大學等許多學者都進行了深入的研究。MIAO等在單電源型雙面雙弧MIG-TIG的基礎上，提出了旁路分流雙面雙弧焊接方法BS-DSAW[3]，試驗系統如圖4所示。該工藝解決了厚板焊接過程中熔池表面下凹的問題，提高了旁路電流，能有效提高焊絲熔敷率及焊接效率。

圖4 旁路雙面雙弧焊接BS-DSAW系統

上海交通大學陳玉喜等[4，5]針對50mm的低合金高強鋼厚板海洋鉆井平臺，進行了雙電源雙面雙弧焊接工藝探究，使用雙面雙弧雙MAG的異步打底，雙面雙弧雙MAG的同步蓋面，實現了可靠的焊接接頭，塑韌性均較高，如圖5所示。

圖5 雙面雙MAG焊接工藝和數值模擬結果[3，4]

3.2 K-TIG

K-TIG也稱為匙孔TIG焊接方法，由CSRIO發明提出，由于大電流的存在，使得焊接過程熔融金屬被排擠在電弧兩邊，形成一個匙孔狀，小孔隨著焊槍的行進而向前移動，前段的熔融金屬凝固成為焊縫。K-TIG焊接方式原理如圖6所示[6]。目前，南昌大學、蘭州理工大學煙臺研究院等都對此焊接方法進行了一系列的研究。

FANG等[7]使用高頻電流實現對厚板的K-TIG焊接，試驗裝置如圖7所示。該工藝相比傳統TIG方法，焊接過程峰值電流從430A下降到340A，熔化區域更小，減少焊接熱輸入，細化了焊縫內組織，并且證明高頻電流對于K-TIG小孔穩定性有顯著提高的作用。

圖7 高頻K-TIG焊接實驗裝置[7]

石永華等[8]在K-TIG的工藝上進行改進，實現了在焊槍上添加縱向磁場的輔助K-TIG焊接工藝，如圖8所示。試驗證明，該工藝在保證焊接性能的情況下，能夠實現海工裝備鋼結構中厚板的不開坡口，單面焊雙面成形。

圖8 磁場輔助的TIG焊接實驗裝置[8]

3.3 TOP-TIG 焊接

TOP-TIG是一種新興的TIG焊接技術，在傳統的TIG送絲機構上進行改進，將TIG填絲與焊槍夾角從原來的接近直角改為較小的20°，使焊絲在噴嘴中獲得較高能量，實現較高的熔敷率，以提高焊接效率。李凱等[9]提出了一種TOP-TIG焊槍裝置用于高速列車的天線梁焊接，如圖9所示。試驗表明，該TOP-TIG焊接方法相比傳統TIG焊接，縮短了焊接工時20%以上，減少輔助焊接時間60%以上，大大提高了焊接效率，尤其是在海工裝備大厚板打底焊中具有非常好的應用前景。

圖9 TOP-TIG焊槍[9]

3.4 等離子-MIG復合焊

等離子弧焊具有很多優點，比如焊速較快、穿透力強，但是其熔融金屬的鋪展性不良。而MIG作為應用廣泛的一種焊接方式，具有高熔敷率、鋪展性好的優勢。將兩種成熟的焊接技術相結合，發揮二者的工藝優勢，如圖10所示。目前，已有學者開始把等離子-MIG復合焊接技術應用在海工裝備鋼結構T形接頭的焊接上。

圖10 等離子-MIG復合焊接系統

田仁勇等[10]設計了一種等離子弧-MIG復合焊槍，基于焊接過程的接頭截面形貌的對比，進行了溫度場的數值模擬，分析得出結論，等離子-MIG焊接接頭截面呈釘子形，與單純的MIG焊接相比，熔化母材較少，焊接熱影響區較小，因此焊接效率高，焊接質量好，如圖11所示。

圖11 實際MIG和復合焊接的焊縫宏觀形貌與數值模擬宏觀形貌對比[9]

畢學松等[11]提出了一種旁軸式的等離子弧-MIG復合焊接工藝，設計了一個一體式的焊槍如圖12所示。從試驗結果得出結論，該試驗裝置系統的新工藝運行穩定，對于厚板構件能夠實現不清跟的雙面全熔透焊接，10mm以下板材可以實現單面焊雙面成形，極大地提高了焊接效率。

圖12 一體式旁軸等離子-MIG焊槍的結構及試驗[10]

4 海工裝備鋼結構機器人智能化焊接關鍵技術

機器人智能化焊接是通過多種傳感手段，使機器人能夠感知焊接過程變化，并進行推理和決策，實現焊接質量的控制。目前，海工裝備鋼結構機器人智能化焊接技術的研究重點主要集中在焊接三維模型的離線編程、三維掃描目標匹配、焊接尋位、焊縫跟蹤及過程管控技術等方面。

4.1 機器人智能化焊接離線編程系統

目前，焊接離線編程多采用“3D模型導入+離線編程”模式，早在1986年，美國西門子公司就開發了面向商用的ROBCAD[12]系統，這是目前工業系統中應用最廣泛的離線編程系統。離線編程系統除了內置機器人模型和一些常用模型外，還具有二維/ 三維建模功能，可用于機器人的結構設計；具有自檢功能，可進行機器人本體干涉試驗；具有模擬示教裝置，通過離線編程對目標點進行示教，生成焊接路徑；具有動態模擬功能，能模擬實際焊接環境；它有一個通信模塊，可以連接到各種外部通信設備。

哈爾濱工業大學高洪明等以SolidWorks為平臺，開發了功能齊全的機器人弧焊離線編程軟件，如圖13所示。該系統具有較強的建模能力，采用面向對象建立了機器人弧焊離線編程與仿真系統的對象模型[13]。另外，大連理工大學白學磊等[14]基于RobotStudio搭建了一套機器人離線編程與激光跟蹤的自動化高效焊接系統，將離線編程技術應用到12~30mm厚的船舶曲面板焊接試驗中。

圖13 機器人焊接離線編程系統

另外，哈爾濱工業大學張華軍針對厚板機器人焊接中多層多道焊的自動規劃策略，給出了基于圖形多層多道焊的自定義焊道編排方法，實現了機器人多層多道焊接的模擬和運動策略的快速實現，降低了示教時間和焊接難度[15]，如圖14所示。

圖14 基于圖形的多層多道焊焊縫編排與模擬

4.2 基于3D點云的免示教編程機器人智能化焊接系統

在海工裝備鋼結構機器人免示教編程智能化焊接研究中，上海振華重工采用龍門式機器人8軸聯動方式，基于視覺傳感技術，完成了擺放在焊接平臺上的耳板組件和加強圈的自動CO2+Ar氣體保護MAG焊接，如圖15所示。

圖15 耳板和加強圈自動焊接系統

該自動焊接系統安裝有全范圍識別攝相機，對整個工作臺上部表面整體拍照，將擺放在一個工作臺上的全部耳板組件進行輪廓識別和粗定位，并規劃出精確定位采集的運動軌跡和焊接的排列順序，然后利用激光視覺采集裝置按規劃好的順序對要焊接耳板組件的加強圈輪廓進行精確采集定位，同時采集耳板加強圈的厚度及直徑信息，并匹配事先存放在系統中的焊接工藝再進行焊接的方式（采集一個焊接一個，依次進行，直到工作臺上的耳板全部焊接完成），如圖16所示。這種方式對于耳板組件的輪廓不再需要輸入參數，只需要進行加強圈直徑、厚度及要求焊角參數的輸入 ，以便規劃和修正采集運動軌跡和焊接運動軌跡。

圖16 基于視覺傳感的免示教的機器人智能化焊接

目前，三維點云技術廣泛應用于逆向工程和工業應用領域，屬于較為前沿的工程技術研究。相比于傳統的相機拍攝獲取二維圖像信息來說，通過激光雷達或者結構光技術獲得工件的三維點云圖擁有深度信息，且相比傳統計算機視覺通過標定獲得的深度信息來說，三維點云獲得的深度信息更加準確和完整，能夠在整個空間中復現工件的外形，對于焊接過程的初始導引以及焊接結果的監控有著獨特的優勢。通過激光雷達或者結構光技術獲取工件三維信息，并自動識別出所有焊縫，默認情況下，焊接所有識別出的焊縫，自由選擇所需焊接的焊縫。每條焊縫可利用焊接數據庫自動匹配相應的焊接參數，也可人工自由定義或修改已匹配的焊接參數。系統可以自動完成機器人路徑規劃并完成焊接，實現焊接“免編程”功能。

在海工裝備焊接過程中，大型鋼結構在經過定位焊、現場擺放之后，因為變形的原因，實際焊件的尺寸與CAD模型的尺寸往往并不符合。為了解決現場焊接件與模型尺寸不匹配的問題，華中科技大學丁小天等提出了通過現場掃描獲得工件擺放后的三維點云，并通過逆向工程的方法，重新獲得了工件的CAD模型[16]，如圖17所示。

圖17 工件三維點云掃描逆向工程

此外，為了將離線編程方法應用到焊接過程中，需要對掃描焊件獲得的點云進行擬合以獲得表面方程。哈爾濱工業大學于興華等[17]通過雙目視覺的方式獲得了焊件表面的稀疏點云，并且針對稀疏點云擬合平面方程和二次曲面方程展開了研究，如圖18所示。

圖18 工件三維點云擬合平面與實物比較

4.3 焊接導引與尋位

目前，大部分焊接機器人仍然是“示教-再現”型的，在開始進行焊接任務之前，需要對工件進行準確地示教，需要耗費大量的時間，尤其是對復雜焊縫，其編程效率低下，適應性較差。在焊接前，控制機器人執行器末端即焊絲尖端自動移動到初始焊位，并完成焊縫識別、路徑規劃等工作是實現機器人智能化焊接的關鍵步驟。楊雪君等基于被動視覺傳感器，通過一目雙位的形式建立了被動視覺立體視覺模型，并采用外極線約束及圖像特征約束進行特征點匹配，提出了一套基于“先粗后細”兩步法及自適應動態變區域模板匹配的方法來識別焊縫中心線，并針對焊件初始焊位附近局部區域設計了一套圖像處理及特征點識別的算法來獲得焊件起始焊位的圖像坐標（見圖19），控制機器人末端點移動到初始焊接位置點[18]。

圖19 基于被動視覺的焊接導引

海軍等研究了一種基于雙線激光條紋結構的焊接初始位置識別方法，如圖20所示。根據雙線激光投射在初始位置的形貌特征，利用焊縫特征提取算法提取出模型特征點并求出初始焊位三維坐標點，實現初始焊接位置的尋位[19]。

圖20 基于雙線激光條紋的焊接初始位置識別

4.4 焊縫實時跟蹤技術

基于視覺的焊縫跟蹤技術，主要包括被動視覺和主動視覺兩種方式。許燕玲等采用被動視覺傳感器提取了焊縫邊緣及熔池區域圖像的特征，實現了過程中的焊接軌跡自動糾偏，如圖21所示。肖潤泉等研究了一種適用于多種典型焊縫及復雜工況下的自適應實時焊縫跟蹤算法，獲得焊縫特征點三維坐標，實現了焊接過程的焊縫實時跟蹤，如圖22所示。這些焊縫跟蹤系統在保持較高精度的同時，對復雜工況下的焊接弧光、飛濺、反光、噪聲等仍然具有很好的魯棒性[20]。

圖21 被動視覺焊縫跟蹤

圖22 基于主動激光視覺的復雜工況下V形焊縫特征點提取流程

4.5 熔池監控技術

在機器人智能化焊接中，焊接過程信息的監控非常重要，尤其是熔池動態過程信息的實時監控，對提高機器人焊接焊縫質量至關重要。通過監控焊接過程中的熔池動態變化，可以實時調整焊接工藝，抑制焊接缺陷，保證焊接質量。由于被動視覺傳感器擁有更豐富的圖像信息，在熔池狀態監控方面具有天然的優勢。吳頔等根據VPPAW中熔池圖像特征，建立了熔透狀態預測模型[21]，如圖23a~b所示；樊重建等設計了三光路視覺傳感系統，同時了采集熔池正前方、斜后方、斜下方清晰的熔池圖像，如圖23c所示，用于分析GTAW焊接熔池動態變化及成形規律[22]。

圖23 VPPAW熔池監控技術

4.6 焊接過程管控系統

對焊接過程進行管控是實現機器人焊接制造數字化、智能化的重要環節，可有效解決焊接制造過程中存在的焊接數據采集率低、焊接過程監控性差、焊接工藝執行不規范等問題，協助企業建立標準數據庫，提高不同職能部門間的協同效率，實現人、機、料、法等環節的閉環管理。因此，焊接過程管控系統對于焊接制造企業的規范管理和精益制造具有重要意義。

焊接過程管控系統是基于焊接智能制造平臺及信息化生產等需求，包含上位機軟件、數據傳輸網絡、數據采集單元、環境信息采集單元和數據傳輸橋接單元的全數字管控系統。可采集并記錄生產設備的運行參數，并可對數據進行多維度的分析，實現現場焊接數據的實時上傳與焊接任務指令的傳遞接收，系統結構如圖24所示。

圖24 焊接管控系統功能架構及系統

5 結束語

總的來說，目前在海工裝備焊接實際生產中使用的焊接機器人大部分仍然是“示教-再現”型“盲人”機器人，其不具備自主焊接功能，阻礙了機器人焊接在海工裝備領域的進一步應用推廣。焊接新工藝新方法的研究、離線自主編程、三維掃描目標匹配、焊接尋位、焊縫實時跟蹤、熔池監控和焊接過程管控技術是目前海工裝備大型鋼結構機器人智能化焊接亟需解決的幾個主要問題和關鍵技術，也是我國海工裝備在主流船型、高技術船舶、海洋工程裝備領域科技創新取得重大突破的關鍵所在。