面向船体复杂工件的机器人自适应焊接技术

何泽宇，喻天祥，王冬梅，刘 坚

(上海船舶工艺研究所，上海 200032)

0 引 言

机器人焊接技术在工业领域特别是汽车行业已广泛应用，而在船舶制造行业刚刚起步[1-3]。船体工件差异大、批量小，难以设计通用工装，船体焊接工位需要执行复杂且重复性较差的焊接任务。

离线软件基于船体设计模型预先生成差异化的焊接任务，包含差异化的机器人运动轨迹和差异化的焊接工艺。在生产阶段中，现场操作人员将当前工件对应的离线文件导入设备，智能焊接设备即可执行适用于当前工件的机器人程序。离线软件的数据来源于设计数据，并不包含对现场误差的补偿，因此必须通过机器人自适应技术在作业执行阶段修正焊接路径。

1 背景分析

船体工件动辄数十吨、上百吨，小组立阶段的工件可达数百公斤，工件装配以半自动装配和人工装配为主，零件之间的接合方式以点焊、弧焊为主[4]。船体工件的上述特点使焊接过程不可避免地产生各种误差：工件摆放误差、零件加工和装配误差、热变形等。弧焊对焊枪位置的要求较高，在起弧过程中焊丝必须在与钢材接触瞬间形成短路将焊丝熔化，在焊接过程中焊丝沿焊缝方向保持左右摆动才能将熔融的焊材均匀覆盖在焊缝上。

传统船体焊接工位主要为人工或半自动工位[5-6]，焊工根据现场情况实时调整焊接，而离线规划式智能焊接装备往往在工件上线前已生成作业规划，无法预知现场产生的误差。离线仿真生成的焊接点位必须经过焊接任务执行阶段修正，这种修正过程即为船体机器人焊接的自适应过程。通过对船体工件误差的分析，可确定机器人自适应流程。通过三维扫描技术定位工件，为通过焊缝起终点扫描技术精确定位焊缝起终点、确保焊枪可在正确位置起弧和收弧，在焊接过程中通过焊缝跟踪技术对焊缝进行跟踪。

2 关键技术

2.1 船体工件定位技术

船体工件体积大、质量重、搬运困难，并受限于现场加工排期，较难在焊接前将待加工工件精确调整至预定位置，因此需要对工件整体进行定位补偿。基于视觉扫描技术获取工件若干关键点的实测坐标，与离线规划给出的理论坐标进行比较，计算得出实际工件的整体偏移和偏转。依据计算结果对工件进行定位，同时对工件的所有焊接任务点位进行粗定位。部分智能焊接设备采用物理标尺获取关键点坐标，现场操作人员将关键点坐标输入设备，计算工件的整体位置偏移。

2.2 焊缝起终点寻位技术

工件定位存在误差，工件装配允许存在误差，即使经工件整体定位纠偏，单条焊缝仍存在一定误差。为确保焊枪在焊缝实际的起终点位置起弧和熄弧，需要对焊缝起终点进行寻位。焊缝起终点寻位主要方式如下：

(1)接触式寻位。机器人在寻位运动过程中，焊丝、导电嘴等部位与焊缝关联钢板接触产生电信号，机器人停止运动，通过当前机器人停止位置对离线程序下发位置进行修正。

(2)非接触式寻位。机器人通过外置传感器测量与关联钢板的距离，通过测量数据对程序位置进行修正。

2.3 焊接过程中的跟踪技术

工件加工误差、装配误差及焊接过程中的热变形等因素会不可避免地导致修正后的离线轨迹和实际焊接轨迹存在一定偏差。在焊接过程中对机器人的轨迹偏差进行实时补偿，完成精确的焊接过程是保证焊接质量的关键。目前主流跟踪方式如下：

(1)摆动电弧跟踪。电弧传感器通过检测焊接电流或电压的变化跟踪焊缝，利用焊枪与工件之间的距离变化引起的焊接电流电压变化实时监测焊枪高度和左右的偏差，将偏差信息传递至机器人系统，从而对机器人末端轨迹进行补偿。

(2)线激光跟踪。线激光跟踪传感器包含电荷耦合器件(Charge-Coupled Device,CCD)摄像机和半导体激光器，激光器作为结构光源，以预定角度将激光条纹发送至工件表面，摄像机透过光学滤光片观察激光条纹和焊缝；在焊缝跟踪时，一般将传感器置于焊枪前侧，采集即将焊接位置的结构信息传递至机器人以进行合理调整。

3 技术应用

3.1 焊接装备

图1为门架式中组立智能焊接装备模型。该装备是典型的离线规划式智能焊接装备。操作人员提前将工件设计模型数据导入离线规划软件生成离线规划文件，现场将离线规划文件导入智能装备，在任务执行阶段通过机器人自适应焊接技术保证焊接精度和质量。目前该装备已在广船国际有限公司示范应用，应用于深中通道隧道钢结构焊接。

图1 门架式中组立模型

3.2 焊接实践

门架式中组立智能焊接装备采用3D扫描方式定位工件，采用点激光寻位方式定位焊缝起终点，采用摆动电弧跟踪方式在焊接过程中进行跟踪。

(1)3D扫描定位

3D扫描传感器下挂在机器人旁的1根垂向外部轴上，单工位配备2个传感器。在工件到位后，使用2个传感器分别扫描工件前后侧关键点，得到关键点附近的点云图片，基于点云库(Point Cloud Library，PCL)计算关键点位置。工件关键点点云拟合如图2所示。综合前后2个关键点计算工件整体偏移值，将结果补偿至工件上的所有焊接任务。

图2 工件关键点点云拟合

(2)点激光寻位

点激光传感器位于焊枪基座附近的工装上，通过该传感器测量至焊缝关联钢板的距离，寻找焊缝关联钢板的边界定位焊缝起终点。焊缝典型结构如图3所示。焊缝起点为3块钢板交会结构，焊缝终点为2块钢板交会结构。起点寻位需要测量底板、连接板和障碍板与理论位置的差异，得出实际的焊缝起点。终点寻位需要测量底板和连接板与理论位置的差异，寻找连接板边界，得到实际焊缝终点。

图3 焊缝典型结构示例

(3)摆动电弧跟踪

使用线激光跟踪需要在焊枪附近加装线激光传感器，在焊接过程中需要保持线激光束照射在焊接位置前方，会造成很多焊接位置不可达。在综合考虑现场环境和加工对象后，中组立智能焊接装备采用摆动电弧跟踪方式进行焊接过程中的跟踪。

3.3 焊接效果

图4和图5分别为门架式中组立智能焊接装备平焊缝和立焊缝的焊接效果，焊缝表面光滑均匀、无气孔，现场探伤满足焊接要求。

图4 平焊缝焊接效果

图5 立焊缝焊接效果

4 结 语

机器人自适应焊接技术运用在离线规划式智能装备中可有效补偿现场工件与理论设计数据之间的差异，焊接效果满足焊接要求。对于变形较大的焊缝，后续需要继续研究焊接工艺自适应，通过实时改变焊接电流、电压和送丝速度等工艺参数确保焊缝可较好填充。