船舶制造焊接机器人应用关键技术分析

桂纪军

（招商局重工（江苏）有限公司，江苏 南通 226100）

0 引言

现阶段，国内造船技术逐渐向着智能化、高效化方向发展，各项造船技术应用也更具成熟度。焊接作业机器人智能化技术，属于现阶段最具智能化、高效化的一种造船技术，对于船舶制造专业化水准可起到良好的提升作用。对此，深入研究船舶制造技术当中焊接作业机器人关键技术的具体应用，有着一定的现实意义和价值。

1 简述焊接作业机器人

焊接作业机器人，依据不同生产对象，可被划分成型材和管材焊接作业机器人、便捷性焊接作业机器人、中组立形式焊接作业机器人、小组立形式焊接作业机器人[1]。小组立形式焊接作业机器人，其部件结构重复、单一，比较适宜应用在机器人流水线生产当中，故被广泛应用在船舶制造中。

2 船舶智能制造及试点初步探究

船舶智能制造的载体和集中体现是智能船厂。目前，国外先进船企正处于由“工业3.0”向“工业4.0”推进阶段，还没有实现真正意义上的智能船厂。智能船厂暂时没有一个清晰权威的定义，本文初步探讨其内涵。智能船厂是数字化、网络化、智能化技术与造船技术的交叉融合，是融合物联网、工业大数据、云计算和人工智能等新兴技术及先进管理概念，是具有较高水平的现代造船模式，是以数字化产品设计和大数据支撑的信息系统平台、数字化智能化制造生产线及装备、精益管理体系、生产流程管理与调度的智能化等重点的系统集成，以自动化、数字化、网络化和智能化技术为实现手段，以卓越运营为目标，将营销、设计、生产、管理和服务等各环节动态优化、有机融合，并相互渗透的船舶制造业，具备高度自动化、数字化、可视化、模型化以及集成化等特征。

3 关键技术

3.1 采集模型信息

焊接作业机器人，依据其内部的控制系统、模型数据，采集模型信息技术可划分成3D 基础模型导入与离线编程、现场采集与自动识别2 种。3D 基础模型导入与离线编程技术，需预先将小组立相应部件3D 基础模型制作好，并把焊接作业路径离线规划好；现场采集与自动识别技术，智能化程度较高，技术员无需先将模型数据准备好，借助被动或者主动视觉的形式，便可实现对于待焊接作业位置自动识别，焊接作业具体路径也能自动生成。现场采集与自动识别技术之下，前期做准备的时间可以省去，对技术员无特别高的要求。若不考虑到前期制作模型时间，3D 基础模型导入与离线编程技术所需准备时间相对较少一些，且有着较高的燃弧效率。如激光采集，现场所采集指导位置信息大致是±10 mm 偏差，如果筋板末端属于斜切形式，偏差会相对较大。为保证起弧所在位置信息更具精准度，需采用传感手段，如触碰寻位与激光寻位。在一定程度上，激光寻位在精度、速度方面优势突出，而触碰寻位速度较慢一些。为保证焊丝实际伸出长度具有一致性，务必将自动剪丝设备配备好。如果小组立相应部件筋板的末端为R 孔形式，需借助点激光式传感，将门架位置调整好，防止焊接作动作逐渐超出机械臂运动极限情况的出现。

3.2 选定焊接路径及焊枪位姿

先行小组立式结构十分简单，无立角焊，各个筋板相互间无位置限制，以至于机器人寻位、焊接作业及撤出空间较大。故焊接路径选定期间，机器人更换焊接作业位置期间，仅需移动距离。选定焊枪位姿方面，也只需要确保焊接成形，调试焊接作业工艺期间，需将最适宜位姿确定好便可。区别于先行小组立，小组立式部件结构极具复杂性，临近筋板多，焊枪备受限制。如双层式底肋板的焊接作业顺序，机器人首选焊接作业y 方向筋板，而后是x 方向筋板。x 方向筋板焊接作业期间，为防止焊枪与y 方向筋板发生碰撞，需对焊枪姿态加以调整，焊枪和底板角度应在45°以上[2]。

3.3 焊接作业流程

1）选定焊材。在寻位和焊接作业期间，小组立的焊接作业机器人于4、5、6 轴处频繁转动，角度大，且送丝软管弯曲频繁，有缝普通药芯焊丝因药粉泄露而产生送丝软管堵塞情况，故需选定无缝形式药芯焊丝；在寻位和焊接作业期间，因部件焊接作业机器人动作幅度相对较小，故可选用有缝普通药芯焊丝。同时，需妥善配备好矫直装置，以确保出丝能够挺直。

2）选定焊接参数。通用部件的机器人为不摆动焊接作业方式，类似于船厂所用角焊机，故调试工艺应当依据角焊机各项参数；小组立的机器人焊接方式为正弦摆动形式，需设定好焊接作业速度、电压及电流，并将极限位置的停留时间、频率及摆度幅度等设定好。

3.4 集成化流水线

小组立集成化流水线内部组成部分包含着上料、焊接、修补、背烧及卸料等工位。

1）在上料工位方面。装配的小组立处部件应用上料工位，区别于人工焊接作业，装配电焊需和筋板末端、短并等距离应超过50 mm，尽量让点焊短，为防止机器人结合电焊大小与位置变化，导致焊接作业参数发生改变，防止电焊处焊缝有凸及偏大成型情况出现[3]。上料工位，应选用可升降辊轮，把已装配完成部件有效顶起并运送至焊接作业工位上面，无需装配筋板，牢固可靠；机器人并不会对筋板装配间隙进行采集，对焊接作业参数加以调整，可防止因较大装配间隙所致焊接作业偏小尺寸这一情况出现。上料工位处标注筋板与底板的放置极限，若底板放置已超出极限，则流转期间会和机器人发生碰撞，引发导轨现象；而若筋板放置已超出极限，则将无法实施焊接作业。

2）在焊接工位方面。焊接工位，属于焊接作业机器人具体操作位置，其中配置辊道，方便小组立各个部件流转。而为能够保证焊接作业的质量，各辊道均接地。因受机器人总体结构布局所影响，焊接工位的两侧均有盲区存在，机器人会因扫描的不够到位，盲区工件无法得到有效的焊接处理。

3）在修补工位方面。焊接完成的各个部件会流转至修补工位上面，此流程需由人工完成，可修补缺陷以焊脚偏小、咬边、偏焊、机器人的漏焊等为主。

4）在背烧工位方面。背烧工位所用辊道等同于焊接作业工位，在它的下方设可横向式移动背烧枪，能够同时背烧5筋板5 条。背烧能够借助可燃烧性气体经燃烧后所产生热量，对工件表面实施加热处理，对变形工件可起到矫平作用。流水线的工控机可借助焊接作业机器人所给定x 方向处筋板具体位置信息、流水线的编码装置所记录传输距离等，将背烧枪具体位置、移动点火及熄火等各个动作时机精准计算出来。因未配置位置传感装置，故背烧操作针对修补工位有着极高的传输精度要求，在背烧期间相邻几个工位需移动，期间应确保临近工位的传输速度具有一致性，防止因卡顿或者打滑等所致传输偏差情况出现。

5）在卸料工位方面。小组立的部件流转当中最后工位即为卸料工位，实施行车卸料，此工位所用升降辊轮的传感装置等同于上料及修补工位，3 个工位实际长度相同，维持流动节拍的稳定性。为避免工件传输已超出了卸料工位，需在末端位置设激光限位的传感装置，经触发后，停止辊轮转动。这5 个工位均属于平行工位，焊接工位上面工件有着较长停留时间，因整个生产线实际产能均有焊接作业机器人实际工作效率来决定，故需进一步将机器人识别寻位及焊接作业效率提升，确保能够有效提高总产能。

4 船厂规划建设重要意义

发展建设智能船厂的船舶工业实施智能制造的宏大目标。规划设计智能船厂是发展理念和发展模式的创新，也是新形势对规划设计提出的更高要求。规划设计智能船厂为船厂提供平台和基础，对提升投资和生产效益、船厂建设和运行以及促进船舶工业转型升级都具有重要作用，规划设计的水平是船厂技术水平的重要先决保证。

5 结语

通过以上分析论述之后，对于焊接作业机器人及船舶制造当中焊接作业机器人关键技术的具体应用情况有了更加深入的认识。从总体上来说，焊接作业机器人实操流程极具复杂性，对各项技术要求相对较高，那么，为了能够在今后更好地发挥焊接作业机器人的关键技术优势，高效化开展船舶制造实践活动，便还需更多技术专家及研究者们能够积极投身于实践探索当中，多积累相关实践经验，不断提升自身专业化的技术水准，有效把握及完善焊接作业机器人各项现代化科学技术，为现代船舶制造行业的进步发展提供技术支持。