邵 奇，徐 鵬，張 強(qiáng)，吳洪瑞，劉新虎，許樹風(fēng)

（1.南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，南京 210016；2.江蘇自動化研究所，江蘇連云港 222006；3.江蘇杰瑞科技集團(tuán)有限責(zé)任公司，江蘇連云港 222061；4.哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

0 引言

近年來，隨著我國勞動力成本的逐漸提升，以廉價勞動力為支撐的“中國制造”經(jīng)濟(jì)模式難以為繼[1]。焊接作為造船過程中一個非常重要的環(huán)節(jié)，對產(chǎn)品質(zhì)量的要求較高。由于存在焊接煙塵、弧光、金屬飛濺，焊接的工作環(huán)境非常惡劣。目前，國內(nèi)大部分船舶企業(yè)未實(shí)現(xiàn)自動化焊接，對成熟的智能化生產(chǎn)流水線心馳神往。然而，由于發(fā)達(dá)國家的技術(shù)封鎖，國內(nèi)尚未有船廠能夠?qū)崿F(xiàn)中小組立弧線焊縫機(jī)器人自動化焊接[2]。自2009 年以來，我國造船完工量、新接訂單量、手持訂單量等三大指標(biāo)在國際市場的份額持續(xù)位居世界第一。中小組立弧線焊縫機(jī)器人在國內(nèi)市場的前景良好，市場需求量巨大[3]。

目前，國內(nèi)部分骨干船廠積極開展關(guān)于焊接自動化和智能化的研究，并已實(shí)現(xiàn)簡單中小組立結(jié)構(gòu)的機(jī)器人直線焊接[4]。對于船舶建造過程中以空間曲線焊縫為主的中小組立，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝要求高、空間范圍大、操作步驟復(fù)雜，目前國內(nèi)尚未有船廠實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動化焊接。由于中小組立弧線焊縫的焊接工時在船舶制造總工時中占比較大，因此，實(shí)現(xiàn)中小組立弧線焊縫的機(jī)器人自動化焊接是推進(jìn)中國船舶智能化生產(chǎn)的關(guān)鍵[5]。

開展船舶中小組立弧線焊縫機(jī)器人焊接技術(shù)研究，研制適用于船舶中小組立制造尤其是弧線焊縫焊接的自主焊接機(jī)器人柔性智能焊接系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高效率、低成本、高質(zhì)量的中小組立產(chǎn)品制造，對于促進(jìn)船舶智能制造，引導(dǎo)船舶工業(yè)轉(zhuǎn)型升級、提質(zhì)增效具有重要意義[6]。本文基于運(yùn)動學(xué)建模、機(jī)器人軌跡規(guī)劃等方法，開展中小組立弧線焊縫機(jī)器人仿真與試驗(yàn)、軟件總體設(shè)計、人機(jī)交互設(shè)計、工作站設(shè)計，以期為機(jī)器人自動化焊接設(shè)計提供一定參考。

1 中小組立弧線焊縫機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)分析

在充分利用已開工的中小組立直線焊縫焊接相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，對中小組立弧線焊縫機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。本文的研究內(nèi)容見圖1。

圖1 研究內(nèi)容

1.1 中小組立弧線焊縫機(jī)器人工作站設(shè)計

針對船舶中小組立弧線焊縫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求，設(shè)計中小組立弧線焊縫雙機(jī)器人系統(tǒng)。對于對稱結(jié)構(gòu)，采用雙面對稱焊，可有效減小焊接變形，雙面焊機(jī)器人系統(tǒng)的整體布局情況見圖2；對于非對稱結(jié)構(gòu)，采用單機(jī)器人焊接，另一個機(jī)器人停留在安全位置，單面焊機(jī)器人系統(tǒng)的整體布局情況見圖3。

圖2 雙面焊機(jī)器人系統(tǒng)整體布局

圖3 單面焊機(jī)器人系統(tǒng)整體布局

雙臂焊接機(jī)器人立于2 條導(dǎo)軌之上，移動范圍為20 m。機(jī)器人肩部的主體梁長約12 m，距離地面的高度約6 m。機(jī)器人系統(tǒng)具有5個滑動運(yùn)動軸，12 個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動軸[7]，其機(jī)器臂具有以下特征：1）可在主體梁上獨(dú)立進(jìn)行水平移動，移動范圍為10 m；2）可在主體梁上進(jìn)行距離地面2～4 m 范圍內(nèi)的垂直運(yùn)動；3）每個獨(dú)立臂具有6 個能夠旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)。通過控制6 個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，滿足精確控制軌跡的需要。

1.2 中小組立弧線焊縫機(jī)器人運(yùn)動學(xué)建模與分析

首先選用合適的數(shù)學(xué)方法對機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動學(xué)描述，建立運(yùn)動學(xué)模型，并對其進(jìn)行正、反求解。在此基礎(chǔ)上，對焊接機(jī)器人進(jìn)行工作空間可達(dá)性分析、靈活性與姿態(tài)分析，根據(jù)某一點(diǎn)的靈活度分析整個工作空間的靈活性。最后，通過仿真軟件結(jié)合運(yùn)動軌跡進(jìn)行仿真運(yùn)動試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.3 中小組立弧線焊縫機(jī)器人軌跡規(guī)劃

本文運(yùn)動學(xué)建模與分析、軌跡規(guī)劃的技術(shù)路線見圖4。中小組立弧線焊縫機(jī)器人運(yùn)動學(xué)建模與分析是中小組立弧線焊縫機(jī)器人軌跡規(guī)劃的基礎(chǔ)和前提。在中小組立弧線焊縫機(jī)器人的焊接過程中，需要考慮工藝和機(jī)器人實(shí)現(xiàn)能力方面的約束，比如厚板多層多道焊機(jī)的時空約束、焊接軌跡連續(xù)性約束、焊接規(guī)避障礙物約束等。因此，需要對焊接機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動軌跡規(guī)劃及多機(jī)器人的協(xié)同控制。在規(guī)劃和協(xié)同控制前，首先基于D-H 法建立曲線焊縫焊接機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型，在焊接機(jī)器人邊界條件下利用數(shù)值法進(jìn)行單臂和多臂焊接機(jī)器人的作業(yè)空間分析，并基于焊接機(jī)器人冗余機(jī)械臂的運(yùn)動情況判斷焊接機(jī)器人的工作空間可達(dá)性。在進(jìn)行焊接機(jī)器人軌跡規(guī)劃時，運(yùn)用末端分離法建立焊接機(jī)器人工作姿態(tài)簡化模型，結(jié)合擺線運(yùn)動方程，以工作姿態(tài)和關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)為約束，建立時間最優(yōu)的運(yùn)動規(guī)劃模型。最后，運(yùn)用免疫優(yōu)化算法求解規(guī)劃模型，獲得焊接機(jī)器人的關(guān)節(jié)角。在進(jìn)行多焊接機(jī)器人的協(xié)同控制時，首先建立多焊接機(jī)器人的動力學(xué)模型基礎(chǔ)，然后設(shè)計基于免疫神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多焊接機(jī)器人系統(tǒng)狀態(tài)反饋控制器，最后利用李雅普諾夫直接法（Lyapunov Direct Method）證明控制的穩(wěn)定性。

圖4 技術(shù)路線

1.4 中小組立弧線焊縫機(jī)器人仿真與實(shí)驗(yàn)

首先，對中小組立弧線焊縫機(jī)器人焊接設(shè)備進(jìn)行集成（見圖5），建立基于可移動門架式的中小組立弧線焊縫的雙機(jī)器人焊接平臺，可實(shí)現(xiàn)門架行走、雙臂橫移、焊槍升降、6 軸旋轉(zhuǎn)控制等功能。其次，利用中小組立弧線焊縫機(jī)器人焊接裝備平臺和機(jī)器人仿真軟件進(jìn)行中小組立弧線焊縫的機(jī)器人單/雙臂運(yùn)動學(xué)、軌跡規(guī)劃仿真與試驗(yàn)。最后，開展中小組立弧線焊縫機(jī)器人應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)全周圓弧焊接、傾斜角度焊接、小空間端部包角焊接、雙層多道大焊角焊接等復(fù)雜工藝的機(jī)器人自動化焊接，保證焊縫成形美觀、焊接質(zhì)量穩(wěn)定。

圖5 中小組立弧線焊縫機(jī)器人焊接設(shè)備

2 軟件總體設(shè)計

2.1 軟件總體架構(gòu)

采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法進(jìn)行軟件總體設(shè)計，將控制系統(tǒng)設(shè)計成由相對獨(dú)立、功能單一的模塊組成的結(jié)構(gòu)。按控制軟件可分為機(jī)器人控制器軟件和平臺總控系統(tǒng)軟件。機(jī)器人控制器軟件主要包括如下模塊：1）標(biāo)準(zhǔn)六軸機(jī)器人控制模塊；2）多層多道弧焊軟件包模塊；3）焊縫跟蹤接口模塊。平臺總控系統(tǒng)軟件主要包括如下模塊：1）焊接電源監(jiān)控模塊；2）平臺運(yùn)動控制模塊；3）清槍剪絲控制模塊；4）焊接工藝數(shù)據(jù)庫模塊；5）交互用戶界面模塊。軟件總體架構(gòu)見圖6。

圖6 軟件總體架構(gòu)圖

2.2 焊接工藝數(shù)據(jù)庫

焊接工藝數(shù)據(jù)庫存儲常見厚板的焊接工藝參數(shù)，本項(xiàng)目對已有的焊接工藝數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了擴(kuò)充。

3 總控系統(tǒng)人機(jī)交互設(shè)計

機(jī)器人焊接系統(tǒng)主界面及工藝參數(shù)設(shè)置界面分別見圖7 和圖8。總控系統(tǒng)監(jiān)視控制終端主要用于工作數(shù)據(jù)反饋、運(yùn)行狀態(tài)顯示、機(jī)器人焊接狀態(tài)監(jiān)控、定位控制、電磁吸附控制及狀態(tài)急停。圖7 中機(jī)器人狀態(tài)區(qū)的X、Y、Z表示機(jī)器人焊槍末端的空間位置坐標(biāo)，單位為mm；A、B、C表示機(jī)器人焊槍末端的空間姿態(tài)角度，單位為(°)。

圖7 機(jī)器人焊接系統(tǒng)主界面

圖8 機(jī)器人焊接系統(tǒng)工藝參數(shù)設(shè)置界面

機(jī)器人焊接系統(tǒng)界面的底部包括主界面、機(jī)器人、焊接設(shè)備、I/O、工藝參數(shù)設(shè)置、退出等6 個按鈕，點(diǎn)擊按鈕可以鏈接到相應(yīng)界面。主界面的運(yùn)行階段部分實(shí)時顯示焊接工作的進(jìn)度。機(jī)器人狀態(tài)部分可對機(jī)器人工作中心點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時位姿顯示。運(yùn)行狀態(tài)部分包括系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)、焊機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、平臺運(yùn)動狀態(tài)、平臺定位狀態(tài)、剪絲裝置狀態(tài)、清槍裝置狀態(tài)和報警信息狀態(tài)。

機(jī)器人焊接系統(tǒng)的焊接工藝參數(shù)主要包括焊接工件信息（編號、材質(zhì)、厚度、根隙寬度、坡口形式）、焊接電流、焊接電壓、機(jī)器人焊接速度、焊接方式、層數(shù)和道數(shù)等。在機(jī)器人焊接系統(tǒng)工藝參數(shù)設(shè)置界面，用戶可以通過改變工藝參數(shù)的方式進(jìn)行焊接試驗(yàn)，試驗(yàn)獲得的最優(yōu)工藝參數(shù)會保存在焊接工藝數(shù)據(jù)庫。此外，在進(jìn)行實(shí)際焊接作業(yè)時，可直接調(diào)用焊接工藝數(shù)據(jù)庫中的焊接工藝參數(shù)，方便快捷。

4 結(jié)論

本文基于運(yùn)動學(xué)建模、機(jī)器人軌跡規(guī)劃等方法，開展中小組立弧線焊縫機(jī)器人仿真與試驗(yàn)、軟件總體設(shè)計、人機(jī)交互設(shè)計、工作站設(shè)計，可得出如下結(jié)論：

1）中小組立弧線焊縫機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了對復(fù)雜件的焊接，提高了中小組立焊接生產(chǎn)效率，改善了勞動條件，提高了焊接質(zhì)量。

2）中小組立弧線焊縫機(jī)器人可廣泛應(yīng)用于船舶制造、大型鋼結(jié)構(gòu)制造等領(lǐng)域，可節(jié)約大量的人力成本，顯著提高生產(chǎn)效率。