李成棟,寧飛龍,李 陽,趙思博,朱柏林,張梓涵

(江蘇海洋大學 機械工程學院,江蘇 連云港 222005)

隨著智能制造時代的到來,為了能在新一輪科技革命中引領社會發(fā)展,世界主要制造業(yè)大國紛紛出臺相關政策響應社會變革。例如美國“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略、德國“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略、“中國制造2025”戰(zhàn)略等。中華人民共和國工業(yè)和信息化部于2018年12月印發(fā)《推進船舶總裝建造智能化轉(zhuǎn)型行動計劃(2019—2021年)》,文件明確指出,要加速新一代 ICT(information and communications technology)與先進造船技術深度融合,逐步實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化[1]。

焊接作為金屬零部件之間連接的一種重要技術手段,在工業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位。在船舶建造過程中焊接所需要的時間、成本占有很大的比重,船舶自動化焊接技術的高低直接影響船舶建造的質(zhì)量與效率[2]。人工焊接速度通常為40～60 cm/min,而焊接機器人的焊接速度平均為50～160 cm/min,可見機器人的焊接效率顯著高于人工焊接。相比傳統(tǒng)焊接,機器人焊接還具有恒定的焊接參數(shù)、穩(wěn)定的焊接質(zhì)量、良好的外觀等優(yōu)點,因此在船舶建造中大規(guī)模應用焊接機器人將是未來的發(fā)展趨勢[3-4]。隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興科學技術的發(fā)展,焊接技術將朝著智能化方向發(fā)展[5]。

目前國內(nèi)大部分船舶建造企業(yè)仍以手工焊接為主,相比日韓等發(fā)達國家,國內(nèi)的船舶自動化焊接水平整體偏低。本文主要從國內(nèi)外焊接機器人在船舶建造中的應用與發(fā)展現(xiàn)狀、軟硬件技術、關鍵核心技術發(fā)展和應用現(xiàn)狀方面進行闡述,希望能對國內(nèi)焊接機器人的發(fā)展有所幫助。

1 國內(nèi)外焊接機器人的應用與發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外焊接機器人的應用與發(fā)展現(xiàn)狀

1.1.1 美國 1960年美國研發(fā)出世界上第一個具有工業(yè)用途的機器人——尤尼曼特[6],自此開啟了機器人的研發(fā)之旅。20世紀60年代到70年代美國對工業(yè)機器人的研究進展緩慢并且主要集中在大學及科研機構。究其原因有兩個:一是社會出現(xiàn)較高的失業(yè)率,導致政府沒有過多的資金投入到機器人研發(fā)中;二是政府對機器人應用的忽視而沒有給予相關政策支持,導致企業(yè)不愿冒險投入研發(fā)資金。70年代后期政府和企業(yè)對機器人應用的認識雖有所改觀,但研發(fā)重點主要集中在軍工等領域。直到80年代其他國家在工業(yè)機器人領域異軍突起,如1988年Unimation公司被瑞士的史陶比爾(Staubli)公司收購[7],美國政府和企業(yè)才感到形勢嚴峻,開始重視機器人的研發(fā),通過制定相關政策和加大資金投入來激勵機器人的研發(fā)。由于前期技術積累很快便研發(fā)出帶有視覺和力覺的第二代機器人,并快速占據(jù)美國60% 的機器人市場。為了提高船舶建造效率,降低生產(chǎn)成本,美國洛杉磯造船廠于1983年引進CM-T3-566型電弧焊機器人,以改善阿馮爾造船廠的縱桁和橫梁組裝生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率[8],生產(chǎn)線的引入大大提高了生產(chǎn)效率。20世紀末美國軍船研究所提出了一種新型船舶技術——雙殼船技術[9]。為了提高這種船舶的制造精度與速度,研究人員提出將傳感器技術與焊接機器人相結合,使操作人員可根據(jù)各種傳感器反饋的數(shù)據(jù),操作六自由度機械臂上的焊頭在指定分段位置進行精準焊接,使用改進的機器人降低了工人的勞動強度并大幅提高了船舶的建造速度與精度。經(jīng)過多年的發(fā)展,美國也誕生了多家機器人公司,如成立于1992年的波士頓動力公司;代表產(chǎn)品如SoptMini機器人(2019年已進入量產(chǎn)階段)、Atlas人形機器人等(已處于世界領先水平)。圖1為尤尼曼特機器人示意圖。

圖1 尤尼曼特機器人示意圖[6]Fig.1 Schematic diagram of the Unimet robot[6]

1.1.2 日本 日本現(xiàn)代化的船舶建造起步也相對較早,由于日本資源稀缺和人口老齡化問題,工業(yè)機器人一經(jīng)誕生便引起了政府的重視。20世紀70年代初提出“無人船廠”概念[10]。日本焊接機器人的發(fā)展分為3個階段[11]:① 1970年之前為初期探索。1968年,川崎公司從Unimation公司引進機器人技術,并在第二年實現(xiàn)自主研發(fā)[7]。但因處于起步階段,所以研發(fā)的機器人普遍制造成本高、工作性能不佳。② 70年代中后期到80年代為實用研究階段。這一時期日本造船廠主要致力于研發(fā)應用于板材裝配和船體焊接的工業(yè)機器人[12]。③ 80年代中期至今,日本船舶焊接技術朝著智能化方向發(fā)展。隨著現(xiàn)代化船舶規(guī)格尺寸越來越大,為解決大尺寸焊件焊接困難的問題,日本造船廠研發(fā)出一種由多機器人協(xié)作的新型焊接系統(tǒng)。如1995年11月日本鋼管津工廠投入使用的小合攏工作站,該工作站占地8×16 m2,通過中央電腦控制10臺機器人協(xié)作,焊接自動化程度達到世界先進水平,該工作站的投入使用節(jié)省了大量勞動力、降低了勞動成本、提高了產(chǎn)品一致性。

目前,機器人焊接普遍以平面焊接為主,曲面板材的焊接面臨諸多技術壁壘,為此日本希望將第三代機器人應用于曲面板材焊接中,追求實現(xiàn)全面自動化船舶建造[12-13]。日本船舶制造業(yè)正在探索一條依靠智能網(wǎng)聯(lián)和人工智能等先進技術推動船舶智能制造的道路[14]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,日本誕生了享譽世界的機器人公司,比如FANUC、安川電機等。根據(jù)資料顯示,2022年日本提供了全球45%的工業(yè)機器人,機器人出口比例達78%。由此可見日本機器人的發(fā)展與應用處于世界領先水平。目前其焊接機器人的使用率在全球排名第一。圖2為日立造船株式會社三維曲面船體外板的機器人焊接。

圖2 日立造船株式會社三維曲面船體外板機器人焊接[9]Fig.2 Robot welding of the outer plate of a three-dimensional curved hull of Hitachi Shipbuilding[9]

1.1.3 韓國 韓國作為一個外向型經(jīng)濟體,國家經(jīng)濟發(fā)展主要依靠進出口貿(mào)易,所以對海運需求較大,這為韓國走向世界造船強國奠定了基礎。20世紀70年代末美國將國內(nèi)低附加值的工業(yè)轉(zhuǎn)移到韓國,這不僅促進了韓國經(jīng)濟的發(fā)展也增加了韓國造船技術的知識儲備。20世紀90年代,韓國實行技術引進與自主研發(fā)并行的政策,使韓國逐步成為僅次于日本的船舶建造強國[15]。如1995年大宇重工玉浦船廠引進新型平面分段生產(chǎn)線,該生產(chǎn)線的投入大幅提高了勞動生產(chǎn)率。同年三星重工和現(xiàn)代重工創(chuàng)新性提出將骨材裝配工位、焊接工位與現(xiàn)有平面分段流水線相融合,新的制造工藝有效提高了焊接效率和焊接質(zhì)量。圖3為三星油輪側壁爬行式焊接機器人系統(tǒng)。

圖3 三星油輪側壁爬行式焊接機器人系統(tǒng)[9]Fig.3 Samsung tanker sidewall crawling welding robot system[9]

為擺脫技術依賴并提升自主創(chuàng)新能力,韓國大宇造船公司投資2 470萬美元建立了機器人研究中心[16]。通過與研究中心合作韓國國立大學的KamBo等研制出一款用于船體格子間構件的輪式智能移動焊接機器人,該機器人具有體積小巧、質(zhì)量輕的特點[11]。韓國近年的發(fā)展模式是船舶制造企業(yè)牽頭,重點項目“產(chǎn)、學、研”相結合。如2019年韓國海洋工程研究所和韓國船級社牽頭組織,各大高校、研究所參與的韓國自主水面船舶項目[17]。歷經(jīng)多年發(fā)展韓國國內(nèi)誕生了世界著名的造船企業(yè),如現(xiàn)代重工、大宇造船和三星重工等,并且承擔全球70%的LNG船訂單。正是因為工業(yè)機器人在船舶中的大量應用,使造船企業(yè)能夠承擔如此大量的訂單。

1.1.4 歐洲 20世紀70年代中期由于日本船舶進攻歐洲市場、韓國造船業(yè)異軍突起,導致歐洲造船業(yè)市場發(fā)生了巨大的變化,同時該時期歐洲對環(huán)境保護提出較高要求以及勞動力成本過高,導致傳統(tǒng)的造船模式無法適應當?shù)卮爸圃鞓I(yè)的發(fā)展,從而造船市場大量東移。隨著工業(yè)機器人的出現(xiàn),歐洲各國開始重視機器人研發(fā)工作,并在船舶建造中使用機器人,以改善勞動力不足的現(xiàn)象。如奧地利 IGM機器人系統(tǒng)公司研制出一套適用于甲板、層板的自動焊接流水線及用于豪華客輪、油輪制造的機器人焊接系統(tǒng),該系統(tǒng)包含10個機器人,不僅節(jié)省大量勞動力還提高了生產(chǎn)效率。丹麥歐登塞鋼鐵船舶制造公司研制出一種每天可焊接長度為3 km的B4型焊接機器人,以完成大噸位、大容量的大型集裝箱船的制作[11]。經(jīng)過近半個世紀的研發(fā),歐洲機器人普及率僅次于美國和日本,工業(yè)機器人質(zhì)量同樣處于世界先進水平,誕生了一大批頂尖的機器人公司,比如瑞典ABB公司、德國KUKA等。圖4為B4型焊接機器人。

圖4 B4型焊接機器人[11]Fig.4 B4 welding robot[11]

1.2 國內(nèi)焊接機器人應用與發(fā)展現(xiàn)狀

從國外焊接機器人應用現(xiàn)狀可以看出,機器人焊接在發(fā)達國家造船業(yè)中具有較高的普及率,也獲得了良好的經(jīng)濟效益。我國在此方面起步較晚,早期同樣以技術引進為主。20世紀70年代初期我國機器人技術的研發(fā)開始興起,“七五”期間將機器人技術列入“863”計劃攻關項目。從1985年哈爾濱工業(yè)大學研發(fā)出第一臺HY-1型焊接機器人,到1999年由中國第一汽車集團有限公司、哈爾濱工業(yè)大學和沈陽自動化研究所聯(lián)合開發(fā)出HT-100A型點焊機器人[18],這15年間,我國工業(yè)機器人的發(fā)展實現(xiàn)了從實驗室試驗階段到工廠應用階段的跨越?！熬盼濉逼陂g我國開始大力支持船舶用機器人的研發(fā)工作,在此之后機器人的研究進入快速發(fā)展階段,各大企業(yè)、高校、研究所等相繼開發(fā)出各種用于船舶或附屬設施建造的機器人。如由潘際鑾院士團隊開發(fā)的無軌道全位置爬行式弧焊機器人,可應用于艦船、車輛、大型貯器等大型結構件的焊接[19]。江蘇科技大學和上海外高橋造船廠于2007年成功研制出了我國首條管-管、管-法蘭主從自動焊接系統(tǒng)[10]。2018年上海外高橋研發(fā)的小組立智能生產(chǎn)線能夠進行焊縫位置采集、焊縫自動定位以及焊縫跟蹤等。由此可以看出我國已經(jīng)有能力研發(fā)可實用的船用焊接機器人,但造船企業(yè)對機器人的整體應用與發(fā)達國家相比仍處于基礎階段,焊接機器人的性能仍未能得到造船企業(yè)的廣泛認可。目前國內(nèi)大型船舶制造企業(yè)的焊接機器人仍然以ABB,FANUL,安川電機,KUKA這四大機器人家族的產(chǎn)品為主,未來仍需加大研發(fā)力度,不斷追趕日韓等國,才能逐步提高國產(chǎn)焊接機器人的市場占有率。圖5為彎管機器人工作站。

圖5 彎管機器人工作站[10]Fig.5 Bending pipe robot welding station [10]

2 焊接機器人軟硬件技術發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 硬件技術發(fā)展現(xiàn)狀

2.1.1 機械本體 隨著機器人技術的不斷發(fā)展,人們對機器人提出了高精度、高速度的要求。不但要求機器人具有良好的控制性能,還要求具有高性能的機械結構。傳統(tǒng)機器人存在結構笨重、體積大的不足,未來的機器人將在具有足夠的強度、剛度以及較好的動態(tài)性能的同時具有更輕的質(zhì)量。質(zhì)量大會導致慣性大,進而影響機械臂的機動性能,在頻繁啟停的過程中不可避免造成機械振動,影響精度。現(xiàn)在新產(chǎn)品設計過程中會使用尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化以及拓撲優(yōu)化這3種結構優(yōu)化方式協(xié)助設計師完成機器人結構設計。其中拓撲優(yōu)化具有顯著的優(yōu)勢,這種新型的優(yōu)化方式不受結構初始形狀以及設計師設計水平的限制,并且還會得到新穎的機械結構[20]。但拓撲優(yōu)化得到的往往是結構較為復雜的曲面造型,在正式定型前需要工程師對經(jīng)過拓撲優(yōu)化的結構進行二次優(yōu)化以提高產(chǎn)品的可加工性。如Kouritem等[21]提出針對機械臂上不同部位受到的應力不同選用不同的材料,通過ANSYS軟件應力仿真后發(fā)現(xiàn)同等條件下機械臂質(zhì)量減少35.5%。

船舶建造中要進行大量的板材焊接,目前板材裝配一般分為平面裝配法和柵格裝配法。根據(jù)不同結構部位和組件大小,焊接機器人可分為吊籃式焊接機器人、移動式焊接機器人、龍門架式焊接機器人[22]及其他類型焊接機器人。

(1) 吊籃式焊接機器人。20世紀90年代韓國研發(fā)出一款新型機器人——吊籃式焊接機器人。工作時,工程師首先將焊件的焊接工作分割為若干個區(qū)間,當一個區(qū)間的焊接工作完成后,需要使用專用起重機將機器人調(diào)運至下一個工作區(qū)間,在新的區(qū)間焊接機器人需要利用定位傳感器定位焊縫起點后進行焊接,如此往復直到完成所有區(qū)間的焊接[22]。因為重復定位及非連續(xù)焊接,因此這種焊接方式焊接效率較低。圖6為大宇船廠的固定式六軸吊籃式焊接機器人。

圖6 大宇船廠的固定式六軸吊籃式焊接機器人[23]Fig.6 Fixed six-axis hanging basket welding robot of Daewoo Shipyard[23]

(2) 移動式焊接機器人。吊籃式焊接機器人在開放板的焊接中應用廣泛,但不適用于雙層船體結構的焊接。雙層船體由上部板、下部板、主梁、橫向腹板和加強筋構成,最后形成一個狹窄的 U形結構。為解決雙層船體結構的焊接問題,Namkug等[24]設計了一款移動式焊接機器人,試驗表明移動式焊接機器人能提高25%的焊接效率。圖7為德國邁爾船廠引進的360°旋轉(zhuǎn)機械臂焊接機器人。

圖7 360°旋轉(zhuǎn)機械臂焊接機器人[24]Fig.7 Welding robot with 360° rotating manipulator[24]

(3) 龍門式焊接機器人。吊籃式和移動式焊接機器人在工作時,可以采用特殊的運輸方式,即通過行車或起重機,移動到指定位置進行焊接。這種方式無法滿足大型船舶結構焊接,因此龍門式焊接機器人應用而生。20世紀90年代,日本造船廠第一次將龍門焊接機器人應用于小合攏生產(chǎn)線,并將其倒置安裝到可沿x,y,z3個方向運動的軌道上[11]。Wang等[25]提出一種龍門焊接機器人系統(tǒng),可實現(xiàn)工件類型和位置自動識別、自適應機器人路徑規(guī)劃、焊縫跟蹤等。龍門式焊接機器人將移動式機器人與吊籃式焊接機器人的優(yōu)勢進行結合,不僅提高了焊接效率,而且能夠完成大型結構件的焊接。

(4) 其他類型焊接機器人?？紤]到大型船舶的尺寸結構特點,有學者提出設計一種能夠在外立面上自主爬行焊接的機器人。如Kermorgant[26]提出的磁履帶式爬行機器人,能夠在負重100 kg的條件下沿垂直的剛體表面移動。隨著機器視覺的發(fā)展,未來的自適應爬行焊接機器人將會有更大的發(fā)展空間。

2.1.2 驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)為機器人的運動提供動力,包括驅(qū)動裝置和傳動裝置。常見的驅(qū)動裝置有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電驅(qū)動[27]。3種驅(qū)動裝置的優(yōu)點與不足對比如表1所示。常見的傳動裝置有齒輪傳動、鏈傳動、諧波齒輪傳動以及帶傳動等。

表1 驅(qū)動裝置對比Table 1 Comparison of drive units

因焊接機器人對精度和速度具有較高的要求,因此目前的焊接工業(yè)機器人基本上采用電驅(qū)動裝置。自工業(yè)機器人出現(xiàn)以來,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,機器人伺服驅(qū)動系統(tǒng)也由最初的電液脈沖馬達驅(qū)動發(fā)展到現(xiàn)在的交流伺服驅(qū)動[28]。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)具有運行平穩(wěn)、動靜態(tài)性能好等優(yōu)點。例如以永磁同步電機為執(zhí)行元件,采用閉環(huán)控制技術(矢量控制和正弦波脈寬調(diào)制)的交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)是目前廣泛使用的驅(qū)動系統(tǒng)[29]。雖然使用電驅(qū)動具有很多優(yōu)點,但是由于電驅(qū)動高轉(zhuǎn)速、低扭矩的特點,因此通常無法直接驅(qū)動機械臂運動,這就要求必須匹配力矩放大器——傳動裝置,兩者共同作用以驅(qū)動機械臂運動。驅(qū)動裝置與傳動裝置組合使用會不可避免地帶來空間尺寸大、安裝維修困難等問題,因此研發(fā)速度高、精度高、體積小的驅(qū)動電機具有重要的意義。此外機電一體化也是當今驅(qū)動技術發(fā)展的重要方向。將驅(qū)動裝置與傳動裝置進行集成,通過簡化傳動裝置甚至取消傳動裝置,不僅能提高機器人運動精度、可靠性還能減輕質(zhì)量。這也是未來機器人技術發(fā)展的重要方向。美國Kollmorgen公司于1949年研制的內(nèi)置力矩電機具有轉(zhuǎn)速低、輸出力矩大的特點,這種電機目前在工業(yè)控制領域已經(jīng)得到了廣泛的使用。理論上同樣可以滿足大多數(shù)焊接機器人的驅(qū)動要求, 但在工業(yè)領域的應用仍然受美國及國際專利保護,并且目前高端電機的精密制造難度大,生產(chǎn)成本高。相信未來隨著科研人員的不斷突破,生產(chǎn)成本逐漸降低,高精度輕型焊接機器人會逐步應用直接驅(qū)動電機。

2.1.3 傳感系統(tǒng) 機器人通過傳感系統(tǒng)獲得感知能力,可獲取內(nèi)外環(huán)境狀態(tài)信息。傳感器通過通信協(xié)議將每個機械臂和關節(jié)的信息傳輸?shù)娇刂茊卧?控制單元通過收集所有傳感器信息判斷出機器人的運動狀態(tài),包括內(nèi)部傳感器和外部傳感器。內(nèi)部傳感器可以獲取機器人本體的狀態(tài)信息,如速度傳感器、位置傳感器等;外部傳感器可以獲取機器人所處工作環(huán)境或工作狀態(tài)信息,如力傳感器、觸覺傳感器、視覺傳感器等[30-31]。傳感器介紹如表2所示。

表2 傳感器介紹Table 2 Introduction of sensors

在自動化焊接機器人中視覺傳感器具有重要的作用。視覺傳感器將攝像機拍攝的圖片進行圖像處理,獲取特征信息,比如面積、重心、長度、位置等,并將數(shù)據(jù)進行輸出和結果判斷。其中圖像傳感器可以使用激光掃描器、線陣或者面陣CCD攝像機、數(shù)字攝像機等。在焊縫識別、路徑規(guī)劃等方面離不開視覺傳感器的應用。未來機器人將朝著智能化、無人化方向發(fā)展,多傳感器融合技術將是另一熱點問題。

2.2 軟件技術發(fā)展現(xiàn)狀

50多年來,焊接機器人軟件技術發(fā)展可分為3代,即“示教再現(xiàn)”型焊接機器人、基于傳感技術的離線編程焊接機器人以及自主編程焊接機器人。

2.2.1 “示教再現(xiàn)”型焊接機器人 所謂“示教再現(xiàn)”,可以理解為兩步,即一為示教,二為再現(xiàn)。在示教過程中,用戶根據(jù)生產(chǎn)任務帶領機器人逐步完整地演示一次焊接任務。在這個過程中機器人會記錄每一步的動作指令,包括位姿、焊接電壓、電流等參數(shù)。然后工程師根據(jù)示教過程中記錄的關鍵點位編寫該任務的運行程序。接下來是再現(xiàn)的過程,這個過程僅需用戶按下啟動按鈕,機器人便會按照所生成的程序精確地完成焊接作業(yè)[32]。

2.2.2 離線編程焊接機器人 由于“示教再現(xiàn)”型焊接機器人每次示教作業(yè)需要數(shù)月時間,而工作時間僅有十余小時,對于單件大批量生產(chǎn)的作業(yè)任務來說性價比較高,但是對于焊縫復雜、小批量生產(chǎn)作業(yè)來說效率明顯過低,因此離線編程技術應運而生。所謂離線編程是指操作員在計算機上進行遠程編輯,修改運行軌跡,并編寫代碼,使機器人按照預定的軌跡運行[1]。與傳統(tǒng)的現(xiàn)場示教編程方法相比,離線編程為遠程操作,安全性及舒適性得到進一步地提高。

2.2.3 自主編程焊接機器人 隨著人工智能時代的來臨,各種傳感器技術越來越成熟,人類對機器人自主編程技術的需求也越來越大。未來,利用圖像識別等新技術,可以實現(xiàn)自主編程。如通過視覺、超聲、工業(yè)攝像機等手段對焊接工件進行初步的測量,并對焊接工件周邊環(huán)境進行分析;結合圖像處理,實現(xiàn)工件數(shù)模自動提取,借助特征點的輔助,實現(xiàn)對工件的自動識別以及工作軌跡的自動生成[33]。

3 焊接機器人焊接關鍵技術發(fā)展趨勢

目前,焊接機器人的發(fā)展方向是機械化、自動化、無人化。國外的船舶制造業(yè)通過采用傳感器檢測、機器人焊接等新技術,已經(jīng)實現(xiàn)了一些焊接零件的自動化和智能化生產(chǎn),具有明顯的成本效益。針對目前存在的焊接技術問題,未來關鍵技術的發(fā)展趨勢如下。

3.1 焊縫跟蹤技術

穩(wěn)定、準確的焊縫跟蹤技術要求具有穩(wěn)定的焊接環(huán)境,但是工廠內(nèi)的焊接環(huán)境普遍復雜且惡劣,焊材表面的反射嚴重影響視覺傳感器的準確性?？梢钥紤]采取視覺超前算法和模糊算法來改善反射系數(shù)高的問題。此外還可以采用激光定位、焊槍剛性接觸碰撞定位的方法來提高定位精度[34]。Liu等[35]、Zhang等[36]針對多層多道次MAG焊接過程中焊接精度低的問題,提出了一種基于激光視覺和條件生成對抗網(wǎng)絡(CGAN)的機器人焊縫跟蹤系統(tǒng)。實驗結果表明,該系統(tǒng)能夠在1 s時間內(nèi)完成焊槍位置的校準,并且平均校準誤差小于0.6 mm。船舶焊接中不可避免地存在較多的曲面焊縫,目前曲面焊縫的焊接仍然存在較多問題。有學者提到將電弧傳感器應用于曲面焊縫跟蹤中,但仍處于實驗室試驗階段[37-38]。發(fā)展高速度、高精度在線檢測技術和多傳感器融合技術是今后的發(fā)展趨勢。

3.2 自動編程技術

相比“示教再現(xiàn)”的編程技術,離線編程提高了焊接的操作穩(wěn)定性和可控制性。但離線編程仍存在許多問題,如離線編程對機器人重復定位精度和工件精度等有很高要求。在實際焊接過程中,若未考慮工件的位置和形狀公差等,焊接后的工件仍可能無法滿足要求[39]。雖然有學者提出全自動CAD離線編程技術,并且改善了焊接質(zhì)量,但面對結構復雜的焊件,編程會變復雜,也不能進行精確的細節(jié)處理[40]。采用位置傳感器和可視化算法進行自動編程,不需要對工件進行定位,操作簡單,可以減少人力資源。例如Kuss等[41]提出的自適應機器人焊接程序的裝配變化檢測方法,采用閉環(huán)控制和圖像識別技術,對熔池焊接質(zhì)量進行自動識別、跟蹤焊接軌跡并根據(jù)焊接效果適時調(diào)整工藝參數(shù)。Wang等[20]針對傳統(tǒng)示教再現(xiàn)存在的開發(fā)周期長等問題提出一種用于龍門焊接機器人的自適應路徑規(guī)劃的新策略,試驗結果表明該方法具有良好的效果。以上學者提出的方法都還處于理論階段或?qū)嶒炇以囼炿A段,未進行大規(guī)模商業(yè)應用。未來要想實現(xiàn)智能化焊接,發(fā)展自動編程技術不可或缺。圖8為龍門焊接系統(tǒng)。

圖8 龍門焊接系統(tǒng)[35]Fig.8 Gantry welding system[35]

3.3 多機器人協(xié)作

現(xiàn)代化的焊接工廠已向著數(shù)字化、信息化、智能化方向發(fā)展,焊件的軌跡不可避免地呈現(xiàn)錯綜復雜,需要多機器人以及變位機相互配合,同時依靠傳感系統(tǒng)和模擬仿真系統(tǒng)才能實現(xiàn)機器人智能化焊接。目前乘用車車身焊裝生產(chǎn)線已基本實現(xiàn)機械化、智能化。通過焊接機械臂的協(xié)作,幾分鐘便可完成一輛白車身的組裝。不少學者對用于船舶焊接的多機器協(xié)作技術進行了研究。如譚民等[42]開發(fā)了一款用于環(huán)縫焊接的多機器人平臺,包括12臺機器人和1臺焊機,機器人負責舉起船體,焊機進行焊接。采用工控機作為控制系統(tǒng),負責船體模塊的姿態(tài)控制、機器人軌跡規(guī)劃以及系統(tǒng)狀態(tài)顯示等工作。該產(chǎn)品在試驗中取得了一定的效果,但要想真正應用到商業(yè)中還需要不斷迭代。多機器人協(xié)作在船舶建造領域中的應用目前仍存在較大發(fā)展空間。通過多機器人協(xié)作可以提高生產(chǎn)效率,但多機器人同時工作易出現(xiàn)互相碰撞?？赏ㄟ^提前規(guī)劃焊接順序、設置焊接優(yōu)先級、安裝防碰撞傳感器等措施提高多機器人協(xié)作能力。

3.4 機器人控制技術

機器人控制技術包括視覺控制技術和神經(jīng)網(wǎng)絡控制等。如湯宇[43]為解決焊接現(xiàn)場焊縫跟蹤穩(wěn)定性差的問題,提出一種基于無線遙控與視覺跟蹤的焊接控制系統(tǒng),試驗結果表明視覺單元能在強烈噪聲干擾下快速準確地識別焊縫特征位置,能夠滿足管道焊接的工藝要求。視覺控制技術的核心設備是視覺傳感器,通過視覺傳感器采集焊縫信息并將相關信息輸入工控機,經(jīng)過數(shù)據(jù)分析與對比獲取焊接機器人的準確位置。神經(jīng)網(wǎng)絡控制技術本質(zhì)上是模仿人類的思考,在機器人焊接過程中難免會遇到一些棘手的焊接問題,可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡控制技術進行路徑優(yōu)化,再控制焊槍完成焊接。隨著機器視覺技術的發(fā)展,相信未來自動化焊接將在精準化、智能化方向有較好的發(fā)展。

4 結論

本文介紹了美國、日本、韓國、歐洲及國內(nèi)的焊接機器人在船舶建造中的應用現(xiàn)狀。發(fā)現(xiàn)美、日、韓等因造船業(yè)起步較早,經(jīng)過幾十年技術積累,這些國家的造船企業(yè)生產(chǎn)中已廣泛使用焊接機器人,并正致力于研發(fā)新一代智能化焊接機器人。國內(nèi)焊接機器人在船舶建造中的應用雖起步較晚,但是因為有了國外先進經(jīng)驗可以借鑒,所以研發(fā)起點較高,在很多領域已經(jīng)達到國外先進水平,但在機器人智能化焊接方面與日韓等國家仍存在差距。

根據(jù)船舶不同焊接部位和焊件大小,將焊接機器人分為吊籃式焊接機器人、移動式焊接機器人以及龍門架式焊接機器人等,并分別介紹其工作原理和工作領域。研究發(fā)現(xiàn)機器人本體的研發(fā)相對成熟,本體機械結構強度等雖然能夠滿足使用要求,但存在強度冗余、質(zhì)量大等現(xiàn)象,未來可以采用基于ANSYS拓撲優(yōu)化等技術,實現(xiàn)結構輕量化設計。機器人驅(qū)動系統(tǒng)方面,研究簡化傳動系統(tǒng)的直接驅(qū)動電機將是未來發(fā)展的重要課題。此外隨著機器人智能化的發(fā)展,多傳感器融合發(fā)展具有十分重要的意義。

根據(jù)焊接機器人軟件發(fā)展的狀況將其分為3個發(fā)展階段,分別為“示教再現(xiàn)”型焊接機器人、離線編程焊接機器人以及自主編程焊接機器人,分別介紹了各代技術的工作原理以及不足,提出焊接機器人編程技術的未來發(fā)展方向為多傳感器融合發(fā)展,利用圖像處理技術結合算法優(yōu)化等自動化編程。

最后對焊接機器人的關鍵技術如焊縫跟蹤技術、自動編程技術和多機器人協(xié)作等進行介紹。目前機器人的焊接精度與設計值仍存在一定的偏差,焊接自動化程度仍有較大提升空間,未來想要進一步發(fā)展焊接機器人,提高焊接精度,仍然需要不斷努力突破技術壁壘。