基于數(shù)字化測量的大型構(gòu)件智能裝焊方法研究

杜劭峰， 高 瑞， 班永華， 楊羲昊， 高培軍， 邊 東

（1.特種車輛及其傳動(dòng)系統(tǒng)智能制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 內(nèi)蒙古包頭 014030； 2.內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)有限公司， 內(nèi)蒙古包頭 014032）

0 引言

我國特種車輛行業(yè)在研究應(yīng)用數(shù)字化裝配技術(shù)方面存在很大差距， 現(xiàn)行落后的制造模式?jīng)Q定了大型構(gòu)件在裝配過程中普遍存在零件定位不準(zhǔn)確、 間隙大、 相互干涉、配切量大等問題。落后的裝配方式無法滿足復(fù)雜構(gòu)件高質(zhì)高效裝焊需要， 大型構(gòu)件裝焊方式一直沿用專用裝配臺定位、劃線測量、人工調(diào)整的方法，并且裝焊時(shí)基于工程圖紙，并在裝焊工裝上完成。部件的相對位置關(guān)系通過工裝保證，如果出現(xiàn)位置偏差，則需要人工進(jìn)行零件修補(bǔ)，導(dǎo)致裝配精度和效率都很低。 對于干涉部位采用手工配切修整，切口尺寸精度低、質(zhì)量差，造成生產(chǎn)效率低下。

目前，飛機(jī)、汽車等裝配制造過程也采用基于模型的裝配方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品精確制造， 并運(yùn)用精確測量技術(shù)在定位、裝配、變形控制等方面進(jìn)行實(shí)時(shí)測量調(diào)整[1-2]。 但與航空航天大部件裝配過程相比， 大型構(gòu)件裝焊是由多個(gè)零（部）件按照一定的裝配順序及要求在統(tǒng)一的平臺上完成整體裝配，與飛機(jī)大部件裝配過程差別較大，主要體現(xiàn)在裝配零部件數(shù)量較多，定位關(guān)系復(fù)雜，既有零件與零件之間的定位，又有零件與工裝之間的定位，完成結(jié)構(gòu)裝配后需要進(jìn)行定位焊。 因此，大型構(gòu)件裝焊不能完全照搬航空航天的大部件裝焊模式，而是要充分借鑒其數(shù)字化、自動(dòng)化及裝配過程動(dòng)態(tài)測量實(shí)時(shí)調(diào)整等先進(jìn)技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字化大型構(gòu)件智能裝焊，滿足高質(zhì)量、高效率、低成本的要求[3]。 特種車輛行業(yè)亟需轉(zhuǎn)變研發(fā)及制造模式，開展特種車輛大型構(gòu)件測量仿真裝配調(diào)整裝焊一體化集成技術(shù)研究， 有效解決了裝配現(xiàn)場中技術(shù)人員找不準(zhǔn)零部件準(zhǔn)確定位的問題[4-6]，確保大型構(gòu)件的裝焊質(zhì)量和裝焊效率，為有效提升武器裝備的質(zhì)量與一致性、縮短研制生產(chǎn)周期提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障。 由傳統(tǒng)研制生產(chǎn)方式向精益研發(fā)制造方式的轉(zhuǎn)變已刻不容緩。同時(shí)， 開展基于數(shù)字化測量的智能裝焊瓶頸技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)大型構(gòu)件精益制造，對推動(dòng)特種車輛行業(yè)整體精益制造水平的提升具有十分重要的意義。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

以某型號大型構(gòu)件為對象， 開展特種車輛大型構(gòu)件智能裝焊工藝技術(shù)與裝備研究， 突破零件測量、 虛擬裝配、定位調(diào)整、裝配焊接、焊后評估的關(guān)鍵技術(shù)途徑，達(dá)到了對大型構(gòu)件零件的快速測量以獲取零件狀態(tài)， 基于測量結(jié)果進(jìn)行虛擬裝配和虛擬調(diào)整， 根據(jù)基于實(shí)測數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果進(jìn)行大型構(gòu)件零件的定位調(diào)整、點(diǎn)固焊接，然后進(jìn)行大型構(gòu)件整體測量、評估焊接變形，而后進(jìn)行大型構(gòu)件連續(xù)焊接、整體測量、評估焊接變形量，同時(shí)開展焊接工藝優(yōu)化及仿真技術(shù)研究，將工藝優(yōu)化結(jié)果落實(shí)在裝焊工藝中，實(shí)現(xiàn)大型構(gòu)件測-仿-裝-調(diào)-焊-評一體化集成。 通過基于實(shí)測數(shù)據(jù)的過程管控和工藝仿真優(yōu)化焊接工藝確保了大型構(gòu)件裝配一次成功率，大幅地提升了大型構(gòu)件的裝焊一致性， 極大地減少了裝配過程的配切和調(diào)整工作量，進(jìn)而提高了大型構(gòu)件裝焊效率。 系統(tǒng)架構(gòu)圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 工藝流程

通過測量系統(tǒng)中光筆測量得到數(shù)據(jù)并進(jìn)行導(dǎo)入、管理，虛擬裝配系統(tǒng)獲取尺寸數(shù)據(jù)后進(jìn)行調(diào)整，直至滿足裝焊的技術(shù)要求，隨后到裝配及調(diào)整系統(tǒng)，調(diào)整之后到機(jī)器人焊接系統(tǒng)先進(jìn)行點(diǎn)焊然后焊接， 最后測量輸出拼接間隙焊縫位置體積等數(shù)據(jù)， 在設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上定義附著測量尺寸的基準(zhǔn)點(diǎn)，然后應(yīng)用測量尺寸進(jìn)行間隙調(diào)整，最后對輸出結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)積累， 能夠?qū)νN零件多批次測量數(shù)據(jù)進(jìn)行板件均勻性、一致性分析，便于優(yōu)化設(shè)計(jì)或改進(jìn)工藝。 大型構(gòu)件智能裝焊工藝流程圖見圖2。

圖2 工藝流程圖

3 系統(tǒng)應(yīng)用與實(shí)例驗(yàn)證

采用機(jī)器人對大型構(gòu)件零件自動(dòng)貼靶標(biāo)點(diǎn)， 用于零件裝配過程中位置和空間姿態(tài)的實(shí)時(shí)跟蹤； 完成靶標(biāo)點(diǎn)固定后， 由搬運(yùn)機(jī)器人將零件搬運(yùn)到裝配臺相應(yīng)工裝位置處，裝配臺工裝實(shí)現(xiàn)零件預(yù)定位，系統(tǒng)中光學(xué)跟蹤器捕捉零件上靶標(biāo)點(diǎn)的空間坐標(biāo)， 并與大型構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)三維模型進(jìn)行比對，并由系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出零件需要調(diào)整的X、Y、Z 三方向運(yùn)動(dòng)值， 由執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照系統(tǒng)給出的調(diào)整值驅(qū)動(dòng)零件進(jìn)行動(dòng)作，完成零件的定位裝配。由焊接機(jī)器人對定位裝配好的零件進(jìn)行點(diǎn)焊固定， 當(dāng)所有零件完成裝配后，由焊接機(jī)器人進(jìn)行大型構(gòu)件整體焊接，最后采用激光掃描儀對大型構(gòu)件整體外形尺寸進(jìn)行掃描， 確定最終尺寸能否滿足設(shè)計(jì)要求，并對焊接變形情況進(jìn)行判定。

通過三維自動(dòng)掃描測量系統(tǒng)如圖3 所示， 實(shí)現(xiàn)了大型構(gòu)件整體和零件快速測量及焊縫體積快速預(yù)測， 積累了大量制造過程數(shù)據(jù)； 通過虛擬裝配技術(shù)實(shí)現(xiàn)了裝配間隙的提前預(yù)測及仿真， 通過復(fù)雜零件定位調(diào)整技術(shù)實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜構(gòu)件的精確調(diào)整， 通過裝焊精度評估技術(shù)為確保裝焊質(zhì)量和裝焊工藝優(yōu)化提供直觀的依據(jù)。

圖3 大型構(gòu)件測量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟蹤組成圖

大型構(gòu)件裝配時(shí)， 首先將構(gòu)成大型構(gòu)件的零部件放置到上料輥道， 通過上料輥道將零部件傳輸?shù)桨袠?biāo)點(diǎn)安裝工位上， 由靶標(biāo)點(diǎn)安裝機(jī)器人按照每個(gè)零部件預(yù)設(shè)的靶標(biāo)點(diǎn)位置進(jìn)行敷設(shè)。 敷設(shè)好靶標(biāo)點(diǎn)的零部件由兩個(gè)搬運(yùn)機(jī)器人協(xié)同搬運(yùn)至裝配平臺， 調(diào)整姿態(tài)后放置到相應(yīng)的裝焊平臺上的工裝上進(jìn)行初定位，兩個(gè)光學(xué)跟蹤器捕捉零部件上的靶標(biāo)點(diǎn)位置信息， 并將信號反饋到控制系統(tǒng)， 控制系統(tǒng)將信號與三維模型標(biāo)準(zhǔn)信息進(jìn)行比對， 通過偏差值判斷零件位置是否在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，如在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)則該零件裝配完成， 如果偏差值超過了允許的范圍，控制系統(tǒng)將自動(dòng)計(jì)算需要調(diào)整的量，并轉(zhuǎn)換為能夠執(zhí)行的X、Y、Z 量值， 根據(jù)控制系統(tǒng)給出的調(diào)整值進(jìn)行動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)零件運(yùn)動(dòng)后，光學(xué)跟蹤器再捕捉靶標(biāo)點(diǎn)信號，并重復(fù)上述判定程序直至滿足要求。

零件精確定位后， 焊接機(jī)器人通過地面滑軌移動(dòng)到零件旁進(jìn)行點(diǎn)焊固定位置。 大型構(gòu)件每個(gè)零件都需要按照上述流程進(jìn)行裝配和定位點(diǎn)焊， 當(dāng)所有零件完成裝配后，焊接機(jī)器人對每一條外部焊縫進(jìn)行焊接，由于焊接機(jī)器人在大型構(gòu)件的一側(cè)， 需要將大型構(gòu)件進(jìn)行吊起后旋轉(zhuǎn)180°完成另外一面的焊接。焊接完成后，采用激光掃描儀并結(jié)合光學(xué)跟蹤器對大型構(gòu)件整體進(jìn)行掃描， 檢驗(yàn)大型構(gòu)件外形尺寸是否滿足設(shè)計(jì)要求， 同時(shí)對焊后大型構(gòu)件焊接變形量進(jìn)行評估。整體進(jìn)行掃描，檢驗(yàn)大型構(gòu)件外形尺寸是否滿足設(shè)計(jì)要求， 同時(shí)對焊后大型構(gòu)件焊接變形量進(jìn)行評估。采用該方法將自動(dòng)化裝配、數(shù)字化測量調(diào)整進(jìn)行有效結(jié)合，提高了效率的同時(shí)，大大提高了裝配焊接精度。 大型構(gòu)件智能裝焊系統(tǒng)工作圖見圖4。

圖4 系統(tǒng)工作圖

4 結(jié)束語

通過本文提出的測量仿真裝配調(diào)整裝焊評估一體化集成技術(shù)研究， 實(shí)現(xiàn)基于實(shí)測數(shù)據(jù)的虛擬仿真與零件裝配及定位調(diào)整技術(shù)創(chuàng)新， 同時(shí)實(shí)現(xiàn)大型構(gòu)件焊接與焊后評估的技術(shù)創(chuàng)新， 進(jìn)而達(dá)到測量仿真裝配調(diào)整裝焊評估的整個(gè)裝焊過程的技術(shù)創(chuàng)新， 結(jié)合焊接工藝仿真優(yōu)化焊接參數(shù)、焊接順序等，實(shí)現(xiàn)大型構(gòu)件裝焊質(zhì)量和裝焊效率的大幅提升，并可在特種車輛行業(yè)推廣應(yīng)用，提升車輛行業(yè)整體制造技術(shù)水平。