趙德鑫，朱玉龍，劉建峰

（1. 江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2. 上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

小組立智能流水線關(guān)鍵技術(shù)分析

趙德鑫1,2，朱玉龍2，劉建峰2

（1. 江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2. 上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

對國內(nèi)外小組立智能流水線進(jìn)行分析，從小組立生產(chǎn)流程前期設(shè)計(jì)和流水線控制系統(tǒng)等方面對小組立智能流水線關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析?；陔x線編程，對小組立模型導(dǎo)入和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行分析；通過分析焊接工藝參數(shù)，為焊接工藝庫提供數(shù)據(jù)支持；通過對機(jī)器人傳感技術(shù)的研究，分析工件定位、焊縫跟蹤等技術(shù)。通過仿真驗(yàn)證建立流水線的可行性，為建立小組立智能流水線提供參考。

小組立；離線編程；焊接工藝庫

0 引 言

在國外，工業(yè)焊接機(jī)器人[1]發(fā)展較早，技術(shù)也較成熟，智能設(shè)備已在汽車、航天等重工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但尚未在船舶行業(yè)普及。目前，我國的船舶生產(chǎn)仍處在傳統(tǒng)的人工作業(yè)階段，尚未形成智能化流水線，船舶產(chǎn)業(yè)升級和生產(chǎn)模式改革勢在必行。小組立作為船舶零部件最小單元，對其進(jìn)行歸類劃分，建立小組立智能流水線，對實(shí)現(xiàn)船舶智能化生產(chǎn)具有重要意義。

歐洲小組立流水線的智能化和自動化程度非常高，在各造船企業(yè)中的應(yīng)用已較為成熟。奧地利IGM公司生產(chǎn)的輕便型門架式智能焊接機(jī)器人系統(tǒng)已在丹麥集裝箱船的建造中得到成功應(yīng)用，機(jī)器人系統(tǒng)是整個工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的核心[2]。芬蘭PEMA公司擁有現(xiàn)代造船及海洋工程鋼材加工機(jī)械化和自動化的資源，是預(yù)處理流水線及焊接工位領(lǐng)域的領(lǐng)先供應(yīng)商，其設(shè)計(jì)的小組立智能流水線自動化程度較高，已在德國邁爾船廠、韓國現(xiàn)代重工和新加坡吉寶等大型船舶建造企業(yè)得到廣泛應(yīng)用。韓國和日本雖然在小組立流水線智能化程度方面不及歐洲，但其機(jī)器人智能焊接應(yīng)用已較為成熟。中日合資企業(yè)中遠(yuǎn)川崎在建立小組立流水線之后，實(shí)現(xiàn)了工件傳輸和焊接智能化[3]，工作人員大幅減少，生產(chǎn)效率提高2～4倍[4]，取得很好的實(shí)施效果。國外船廠已建成的小組立智能流水線見圖1。

1 小組立生產(chǎn)前期設(shè)計(jì)

小組立流水線設(shè)置有上料工位、裝配工位、焊接工位、修補(bǔ)工位、背燒工位和下料工位等6個工位。小組立流水線布局見圖2，其中：上料工位和下料工位的工作由平板車運(yùn)輸完成；裝配工位、修補(bǔ)工位和背燒工位的工作由人工完成；小組立流水線的智能化以焊接工位為起點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)智能化焊接，提高小組立的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。在小組立拼板進(jìn)入流水線生產(chǎn)之前，需設(shè)計(jì)部門完成小組立分類、幾何模型導(dǎo)出及特征建模。

1.1 小組立分類

小組立是船舶建造中最基本的零部件單元，數(shù)量和種類均較多。實(shí)現(xiàn)小組立批量生產(chǎn)能大大提高生產(chǎn)效率，首先需設(shè)計(jì)部門對小組立進(jìn)行分類，選擇適合在流水線上生產(chǎn)的小組立，主要遵循的原則是小組立的數(shù)量及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度在機(jī)器人的焊接能力范圍內(nèi)。根據(jù)當(dāng)前機(jī)器人的焊接能力，以18000TEU集裝箱船貨艙區(qū)為例，對C型小組立和S型小組立進(jìn)行梳理（C型小組立是僅由小型基面板加上1～2個扶強(qiáng)構(gòu)件組成的最簡單、最低級的組立，不包含任何更低一級的組立；S型小組立是由基面板加上加強(qiáng)筋、肘板等扶強(qiáng)構(gòu)件組成的組立，也不包含任何更低一級的組立）。18000TEU集裝箱船貨艙區(qū)小組立信息梳理見表1（選取數(shù)量較多、適合機(jī)器人生產(chǎn)的幾類）。

表1 18000TEU集裝箱船貨艙區(qū)小組立信息梳理

1.2 幾何模型導(dǎo)出

為保證流水線順利生產(chǎn)，必須建立小組立幾何模型，而目前國內(nèi)大多數(shù)船廠還沒有單獨(dú)的小組立模型。編程系統(tǒng)雖然具備建模模塊，可完成工件建模、設(shè)備建模及工作單元的設(shè)計(jì)與布置，但小組立種類和數(shù)量均較多，在編程系統(tǒng)中建立小組立模型會增加設(shè)計(jì)部門的工作量。大多數(shù)船廠通常采用Tribon軟件建立船體模型，設(shè)計(jì)人員可從分段模型中提取小組立模型，通過Tribon自帶的接口，以XML文件的形式導(dǎo)出模型數(shù)據(jù)。要求開發(fā)人員建立編程系統(tǒng)相應(yīng)的接口，由編程系統(tǒng)對XML文件進(jìn)行讀取，識別小組立模型結(jié)構(gòu)，保存模型數(shù)據(jù)，并在控制系統(tǒng)中以模型的形式呈現(xiàn)。XML文件生成流程見圖3，XML文件僅包含小組立幾何信息，如工件位置坐標(biāo)、幾何尺寸等。

1.3 小組立特征建模

小組立模型是離線編程系統(tǒng)對焊接工藝、焊接路徑進(jìn)行推理求解的平臺，特征建模技術(shù)是焊接機(jī)器人完成任務(wù)的支撐。智能流水線要求小組立模型既包含工件的幾何信息，又包含工件的加工信息。特征建模首先定義特征，形成特征庫，進(jìn)行特征解釋，對板的特征進(jìn)行定義，通過板設(shè)計(jì)和接頭設(shè)計(jì)對焊縫進(jìn)行建模，根據(jù)焊縫模型和特征解釋定義接頭特征，最終完成小組立特征建模。小組立特征建模流程見圖4。

小組立工件特征建模的內(nèi)容包括拼板特征材

料、拼板形狀、接頭特征形式、坡口特征形式及焊縫形狀等。在建模系統(tǒng)中，每個對象又具有對象屬性、對象服務(wù)和對象關(guān)系等3個要義。在特征建模中，焊縫建模既是其重要組成部分，也是焊縫信息的載體。焊縫模型既包含焊接的工藝信息，同時(shí)也包含機(jī)器人焊接該焊縫時(shí)的最優(yōu)路徑。進(jìn)行焊縫建模的目的是記錄構(gòu)成焊縫的幾何信息和工藝信息，根據(jù)焊接接頭設(shè)計(jì)結(jié)果建立破口幾何模型。在系統(tǒng)中，不同的接頭特征對象編輯不同的焊縫名稱，通過對焊縫幾何信息進(jìn)行拾取，得到相應(yīng)的焊縫類型、形狀和尺寸信息，最終建立小組立特征模型庫。

2 小組立流水線控制系統(tǒng)

小組立流水線控制系統(tǒng)即小組立生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)。為保證小組立的焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，不僅要求焊接設(shè)備能保質(zhì)保量地加工，而且要求自動控制工位節(jié)拍，對小組立進(jìn)行運(yùn)輸和裝卸。在流水線上，各工位設(shè)備依次排列，通過自動輸送裝置連接在一體，并利用控制系統(tǒng)將各模塊協(xié)調(diào)統(tǒng)一起來，使其依據(jù)控制命令自動工作?？刂葡到y(tǒng)的性能決定著小組立流水線生產(chǎn)的效率和生產(chǎn)成本，因此小組立流水線控制系統(tǒng)對流水線生產(chǎn)至關(guān)重要。小組立智能流水線控制系統(tǒng)見圖5。

2.1 離線編程系統(tǒng)

船舶是一種定制化產(chǎn)品[5]，其小組立是典型的單件小批量生產(chǎn)構(gòu)件，生產(chǎn)系統(tǒng)必須趨于柔性制造，包括流水線上的自動化設(shè)備。傳統(tǒng)的機(jī)器人示教編程不適用該小組立生產(chǎn)，獨(dú)立于機(jī)器人，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)的離線編程較為適合。機(jī)器人離線編程是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)成果建立機(jī)器人、工作環(huán)境模型，利用規(guī)劃算法對圖形進(jìn)行控制和操作，在離線情況下完成軌跡規(guī)劃。機(jī)器人離線編程的優(yōu)勢有：可減少機(jī)器人非工作時(shí)間；可改善編程環(huán)境；使用范圍廣，程序便于修改；可提高編程效率和質(zhì)量。離線編程系統(tǒng)分為執(zhí)行級離線編程系統(tǒng)和任務(wù)級離線編程系統(tǒng)2種，該流水線采用任務(wù)級離線編程系統(tǒng)，采用更高的指令系統(tǒng)，用戶輸入指令更加簡便，即在識別小組立結(jié)構(gòu)之后，自動調(diào)用焊接參數(shù)，規(guī)劃焊接路徑。

離線編程系統(tǒng)的輸入信息由傳感系統(tǒng)提供，通過工件視覺識別系統(tǒng)獲得流水線上小組立的幾何特征信息，將其與模型庫中的小組立模型相對比，確定小組立對應(yīng)模型，得到小組立加工信息；通過接觸傳感器對裝配好的小組立進(jìn)行檢測定位。焊接工藝庫提供小組立焊接工藝參數(shù)，根據(jù)匹配的小組立模型來調(diào)用。離線編程進(jìn)行焊接參數(shù)規(guī)劃，即焊接工藝庫提供的焊接參數(shù)由離線編程檢索選定。任務(wù)級離線編程系統(tǒng)避免了機(jī)器人焊接參數(shù)由人工輸入，可大大降低出錯率；焊接參數(shù)與模型自動匹配，可有效提高機(jī)器人編程的效率和質(zhì)量。根據(jù)小組立模型焊縫信息進(jìn)行路徑規(guī)劃，目的是確定機(jī)器人系統(tǒng)中各路徑點(diǎn)處的各關(guān)節(jié)值，使焊接質(zhì)量最佳。在對小組立進(jìn)行定位、對焊接工藝參數(shù)進(jìn)行確定之后，通過調(diào)用機(jī)器人動作庫的程序來控制機(jī)器人的動作，完成焊接任務(wù)。

離線編程作為智能流水線焊接工位的核心，利用編程語言存儲模型導(dǎo)入的信息，以半自動的定位方式確定小組立位置信息，調(diào)用焊接工藝庫中的焊接參數(shù)，規(guī)劃機(jī)器人的運(yùn)動路徑，在離線編程系統(tǒng)的控制下完成小組立焊接。

2.2 機(jī)器人傳感系統(tǒng)

感知系統(tǒng)是使機(jī)器人走向智能化的保障，傳感器對建立焊接機(jī)器人柔性生產(chǎn)系統(tǒng)至關(guān)重要。小組立智能流水線需利用傳感系統(tǒng)來識別外部信息，同時(shí)為離線編程控制系統(tǒng)提供輸入信息。小組立智能流水線通過視覺傳感系統(tǒng)來識別工件，通過接觸傳感系統(tǒng)來檢測定位，通過電弧傳感系統(tǒng)進(jìn)行焊縫跟蹤。

將視覺傳感系統(tǒng)攝像機(jī)安置在流水線移動門架上，通過移動門架對輥道上的小組立工件進(jìn)行掃描，獲取工件圖像；對圖像進(jìn)行預(yù)處理之后，分割圖像，識別出裝配完成的焊接小組立；通過抽取特征得到小組立特征輪廓，利用模式識別與模型庫小組立相匹配。接觸傳感器通過焊絲對工件進(jìn)行定位，通過設(shè)定程序，當(dāng)帶電的焊絲接觸到小組立時(shí)，與小組立形成回路，造成電壓降；機(jī)器人收到電壓降信號，記錄焊槍的絕對位置及對應(yīng)角度。接觸傳感器檢測出工件的位置之后，將信號傳輸給控制系統(tǒng)，與模型位置相比較，即可計(jì)算出偏差量，相應(yīng)地求出補(bǔ)償量，將補(bǔ)償量反饋到焊接執(zhí)行過程中，修正焊接軌跡；電弧傳感保證焊槍不偏離焊縫中心，對機(jī)器人焊接進(jìn)行焊縫跟蹤，檢測焊接偏差；主要利用焊槍擺動引起電流變化，利用電流變化反饋值尋找焊縫中心線，修正軌跡偏差。

2.3 焊接工藝庫

焊接工藝庫是建立小組立智能流水線的保障，包含小組立焊接的所有加工信息。首先，對船廠小組立材料的特性進(jìn)行分析，結(jié)合當(dāng)前手工焊生產(chǎn)采用的焊接方法及機(jī)器人采用的焊接方法的可行性，綜合考慮生產(chǎn)效率、能耗、焊接工藝性能和船廠生產(chǎn)環(huán)境，最終確定小組立智能流水線應(yīng)用的焊接方法為藥芯焊絲氣體保護(hù)焊。

在焊接中，要考慮焊件的接頭形式和坡口形式。在小組立焊接中，T型接頭占絕大多數(shù)，因此主要針對T型接頭建立焊接工藝庫。在實(shí)際生產(chǎn)中，小組立T型接頭采用I型坡口形式，即不開坡口型。根據(jù)以上條件，進(jìn)行材料的選取和參數(shù)的確定。選用合適的焊接材料尤為重要，主要是焊絲的選取和保護(hù)氣體的確定。在選擇焊絲時(shí)，考慮的因素有焊接母材級別、藥粉類型、單道或多道的適用性及焊接位置等。此外，焊絲的直徑直接影響焊接電流、送絲速度等。在確定保護(hù)氣體時(shí)，主要考慮焊接質(zhì)量、成本和生產(chǎn)效率等因素。由于不同氣體在電弧熱中的反應(yīng)不同，因此選用不同的保護(hù)氣體具有不同的保護(hù)效果，對電弧的平穩(wěn)程度和飛濺程度等都有影響。焊接參數(shù)根據(jù)《焊接手冊》和現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)初步確定，包括電流種類、電流極性、焊接電流、電弧電壓、焊接速度、焊絲伸長度及保護(hù)氣體流量等。此外，每套焊接參數(shù)都要有對應(yīng)的焊槍行走角、工作角和焊槍擺動姿勢。

在選定焊接材料和焊接參數(shù)之后，進(jìn)行焊接數(shù)值仿真，修正之前的焊接參數(shù)。運(yùn)用修正后的焊接參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)完畢后進(jìn)行焊接工藝檢測。若焊接質(zhì)量未達(dá)標(biāo)，則調(diào)整焊接參數(shù)重新進(jìn)行試驗(yàn)；若焊接質(zhì)量達(dá)標(biāo)，即形成一套關(guān)于所試驗(yàn)焊件的工藝標(biāo)準(zhǔn)。通過多次試驗(yàn)，不斷進(jìn)行調(diào)整，建立一個包含所有智能流水線可生產(chǎn)小組立的焊接參數(shù)工藝庫，以便在生產(chǎn)中自動調(diào)用離線編程系統(tǒng)。焊接工藝庫建立流程見圖6。

2.4 機(jī)器人動作庫

機(jī)器人動作庫可為機(jī)器人路徑規(guī)劃提供基礎(chǔ)，機(jī)器人路徑規(guī)劃的約束條件即機(jī)器人動作庫的動作范圍，包括機(jī)器人各關(guān)節(jié)限定值、焊接機(jī)器人與工件及設(shè)備不發(fā)生碰撞等。機(jī)器人焊槍的行走角和工作角、機(jī)器人的擺動姿勢等機(jī)器人動作直接影響焊接質(zhì)量，，這些信息由焊接工藝庫提供，由機(jī)器人動作庫執(zhí)行。機(jī)器人各軸之間的運(yùn)動范圍由機(jī)器人廠家提供，在選定機(jī)器人之后，各軸的運(yùn)動范圍不能改變；機(jī)器人廠家提供焊接機(jī)器人基礎(chǔ)動作庫，并開放數(shù)據(jù)，便于使用者修改、補(bǔ)充適用于具體生產(chǎn)的動作庫。在進(jìn)行焊接生產(chǎn)時(shí)，在離線編程系統(tǒng)中選定焊接模型，自動生成焊縫，根據(jù)焊縫形式調(diào)用機(jī)器人動作庫的運(yùn)動動作。機(jī)器人動作庫建立完成之后，經(jīng)過不斷試驗(yàn)，優(yōu)化機(jī)器人動作路徑，檢驗(yàn)焊接質(zhì)量，確定每種焊縫對應(yīng)的工作角、行走角和擺動姿勢。在建立動作庫時(shí)，要注意機(jī)器人對自身和外部環(huán)境的規(guī)避導(dǎo)致焊槍姿態(tài)偏離理想姿態(tài)及機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性。

3 小組立流水線仿真技術(shù)

仿真技術(shù)對小組立智能流水線的建立尤為重要，主要應(yīng)用于以下2方面：

1) 焊接數(shù)值模擬仿真，可在焊接試驗(yàn)之前優(yōu)化焊接參數(shù)，提高焊接試驗(yàn)的成功率，避免使用錯誤參數(shù)進(jìn)行焊接試驗(yàn)，減少試驗(yàn)次數(shù)；

2) 對小組立智能流水線進(jìn)行模擬仿真，為流水線布置提供依據(jù)，避免機(jī)器人運(yùn)動自身干涉，避免機(jī)器人與外部環(huán)境干涉。

3.1 焊接數(shù)值模擬仿真

利用焊接工藝仿真軟件，采用有限元分析方法進(jìn)行計(jì)算。焊接工藝仿真主要針對焊接溫度場、焊接應(yīng)力場和焊接變形。首先設(shè)定焊件的材料常數(shù)，建立試件模型，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，輸入焊接參數(shù)，施加載荷（模擬焊接熱源），進(jìn)行溫度場計(jì)算，模擬焊接傳熱過程和熔化冷卻過程，分析溫度場計(jì)算結(jié)果（見圖7a））；隨后，在溫度場計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)力場計(jì)算，包括應(yīng)力應(yīng)變及殘余應(yīng)力應(yīng)變等，分析應(yīng)力場計(jì)算結(jié)果（見圖7b））；最后，分析焊接變形情況，根據(jù)分析結(jié)果評估焊接質(zhì)量，優(yōu)化焊接參數(shù)，將優(yōu)化后的焊接參數(shù)運(yùn)用到焊接試驗(yàn)中，降低因焊接參數(shù)致使試驗(yàn)失敗的可能性。

3.2 小組立智能流水線模擬仿真

利用離線編程仿真軟件對小組立智能流水線進(jìn)行仿真。通過軟件自帶的模型庫（針對小組立流水線，系統(tǒng)供應(yīng)商提供主要設(shè)備模型），選出合適的門架、輥道、機(jī)器人手臂和控制柜等，建立基本流水線模型。根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)門架輥道高度和長度等參數(shù)信息，首先對機(jī)器人外部軸信息進(jìn)行設(shè)定（包括行走軸、橫行軸及旋轉(zhuǎn)軸），輸入機(jī)器人信息，主要是6個軸的運(yùn)動范圍（見圖8a））；隨后添加焊接機(jī)構(gòu)，如焊槍、送絲機(jī)等。小組立模型既可編輯輸入也可導(dǎo)入，對模型設(shè)定起弧點(diǎn)和收弧點(diǎn)。設(shè)定工藝參數(shù)，進(jìn)行生產(chǎn)模擬（見圖8b））。流水線模擬仿真為建立流水線提供參考，同時(shí)模擬機(jī)器人動作，避免干擾。

4 結(jié) 語

建立小組立智能流水線需集成多種先進(jìn)智能制造技術(shù)，需建立小組立焊接工藝庫和機(jī)器人動作庫，在焊接過程中需對焊件進(jìn)行定位，對焊縫進(jìn)行跟蹤。應(yīng)用先進(jìn)的仿真技術(shù)可在流水線建設(shè)前期大大減少試驗(yàn)量，降低建設(shè)過程中的出錯率。以離線編程系統(tǒng)為主導(dǎo)，調(diào)研各關(guān)鍵模塊，形成智能流水線應(yīng)用于生產(chǎn)中，能大大改善勞動環(huán)境，降低勞動強(qiáng)度，提高勞動效率。

建立小組立智能流水線不僅可提高生產(chǎn)效率，還具有使船舶零部件在流水線上批量生產(chǎn)的作用，是中組立、大組立，甚至是分段實(shí)現(xiàn)流水線生產(chǎn)的基礎(chǔ)。

[1]歐爽翔. 六自由度焊接機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開發(fā)[D]. 南寧：廣西大學(xué)，2014.

[2]夏群峰. 工業(yè)機(jī)器人軟件平臺及焊接相關(guān)視覺功能研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2015.

[3]彭常青. 南通中遠(yuǎn)川崎船舶智能制造項(xiàng)目案例[J]. 中國遠(yuǎn)洋航務(wù)，2015 (11): 28-30.

[4]范乾. 南通中遠(yuǎn)川崎投產(chǎn)第四條機(jī)器人自動化生產(chǎn)線并舉辦智能制造創(chuàng)新成果展示現(xiàn)場會[J]. 中國遠(yuǎn)洋航務(wù)，2016 (1): 17.

[5]周波. 船舶建造流程的虛擬仿真[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2014.

Analysis on the Key Technologies of Sub Assembly Intelligent Production Line

ZHAO De-xin1,2，ZHU Yu-long2，LIU Jian-feng2

（1. Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212000, China;2. Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co., Ltd., Shanghai 200137, China）

This paper studies the sub assembly intelligent production line at home and abroad, and analyzes its key technologies such as early stage design of the production process and the production line control system. The sub assembly model import and date conversion are analyzed based on off-line programming, and the analysis of welding process parameters provides important data support for the welding process library. On the basis of robot sensing technology, work piece positioning, seam tracking and other technical questions are discussed. The feasibility of the production line established in this way is verified by simulation, which is referential for the establishment of sub assembly intelligent production line.

sub assembly; off-line programming; welding process library

U673.2

A

2095-4069 (2017) 06-0049-06

2017-01-03

趙德鑫，男，1991年生?，F(xiàn)為江蘇科技大學(xué)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造專業(yè)碩士生。

10.14056/j.cnki.naoe.2017.06.011