无轨导全位置爬行弧焊机器人在造船中的应用

+ 所示 ’
表!
焊缝 型式 打底 * 盖面 * 盖面 + 电流
弧焊机器人的工艺参数" 立焊 #
电压 焊接 /0+ 气压 摆动停留 速度 流量 "!" ’( %!,-. ’ * 时间 $!) ! ! #!#$ $%& &!1 $%&
!!! *23 *22 *23
*+6*283 #$ ! $%& "2 层 焊 接 $成 形 效 果 良 好 $ 对 比
$%&’ 的传感器在焊接过程中是靠近焊枪的 !
熔化极焊接中传感器上就会附着少量的飞溅 $ 因此 实验中在传感器和焊枪之间增加了挡板 ! 以保证镜 头和激光器部分不会被影响 $ 总体而言 ! 在船体焊接中 ! 弧焊机器人在跟踪 方面基本不存在问题 $
!"$
图0 机器人跟踪实验
工艺实验
工艺实验是本次船体焊接实验的核心 $ 弧焊机
图4 表面氧化条件下坡口图像示意图
专 题 讨 论 ( ( 焊 接 机 器 人
焊 "通常的工艺参数为 %电流 *;5 ! " 电 压 *76*9 " " 焊 接 速 度 769 #$ ! $%& ’ 弧 焊 机 器 人工艺参数如表
行平焊 # 立焊和有曲度上坡位置焊接 " 焊接工件第 一道坡口底部贴陶质衬垫 $ 平 焊 在 试 件 和 船 体 甲 板 上 都 进 行 过 $ 试 件焊 接条件为 %/0+ 保护气体 "! *8+ $$ 药芯焊丝 "" 形 坡口 "底宽 *+ $$"板厚 *+ $$ 左右 " 背面加陶瓷衬 垫 $ 焊接参数 %电流 ++56+43 ! "电压 23 ""焊接速度
+5 #$! $%& " 且 焊 枪 没 有 摆 动 ’ 船 体 甲 板 焊 接 条 件
与 试 件 基 本 相 同"但 区 别 在 于 前 者 的 坡 口 环 境 较 差 "不规则 ’ 通常甲板合拢工艺是手工或者 /0+ 打底
图# 焊接机器人爬行于船尾
专 题 讨 论 ( ( 焊 接 机 器 人
时候加大规范 ! 以保证盖面的时候坡口棱边比较明 显!便于跟 踪 $ 在 实 际 操 作 中 !只 有 打 底 焊 接 采 用双边跟踪方式 !其他层均采用单边跟踪 $ 船体焊接的板材厚 & 焊缝长的特点 ! 决定了其 很难做比较好的表面处理 ! 在坡口和附近可能会有 黑色的氧化膜 $ 由于 $%&’ 是通过激光照射成像 ! 因此有氧化膜的地方反射效果比较差 ! 至少在屏幕 上会比较明显 ! 如图 5 所示 $ 但是基本不会影响跟 踪的效果 ! 包括单边和双边跟踪 $
前 期 的 实 芯 焊 丝 实 验 可 以 发 现 "药 芯 焊 丝 所 需 的 工 作 电 压 比 较 高 "电 流 较 大 "因 此 相 应 的 焊 接 效 率也就比实芯焊丝有所增加 <3= $通常厚 *+ $$ 的 板 如 果 采 用 人 工 焊 接 " 则 坡 口 间 隙 一 般 为 7 $$ " 2 道 完成 & 机器人焊接所用试件为气电焊试件 " 坡口 较 大 " 仍然是 2 道 ’ 充分说明弧焊机器人的效率高 于 人 工 焊接 ’而且在打底焊中 " 焊接速度可 以 达 到
!"#$%&’$ ()"*’+, -.$/’+)
焊接机器人
马兆瑞等 ’ 无轨导全位置爬行弧焊机器人在造船中的应用
第1期
!
!"!
船厂焊接实验
爬行实验
整个实验过程中 ! 弧焊机器人在不同的位置进
0 所示 $
在文冲船厂的实验中 ! 焊接坡口有相当一部分 是手工气切割的 ! 如 图 1 所 示 ! 很 不 规 则 ! 在 一 定 程度上影响了跟踪效果 $ 无论是甲板上的直线合拢 焊缝 ! 还是船尾的曲面焊缝 ! 坡口状况都比较差 ! 坡 口宽度最大和最小处相差近 # 倍 !且表面粗糙 $ 实验 中焊缝偏差角度约为 12 ! 最高焊接速度 #3 ,"!"-.! 跟踪状况良好 $
器人采用药芯焊丝 (60 气体保护焊接工艺 ! 分别进
!"#$%&’$ ()"*’+, -.$/’+)
! !" !
焊接机器人
第 2: 卷
图3
船体甲板机器人焊接的焊缝
立焊在试件上完 成 " 焊 接 条 件 为 % /0 + 保 护 气 体 " ! *8+ $$ 药芯焊丝 " " 形坡 口 " 板厚 ** $$ 左 右 " 坡口宽度 7 $$ " 背面加陶瓷衬 垫 ’ 如 采 用 手 工
复合式爬行机构 ! 主要应用于大型结构的焊接 ! 如舰船 # 车辆 $ 大型贮器 ! 如球罐 # 直壁罐 $ 大型工程结 构如水电工程闸门 #海洋平台 # 大直径管道等 % 通过对弧焊机器人在文冲船厂的实地操作 !探索了无轨 导弧焊机器人在船舶建造中应用的可行性 %
关键词 "弧焊机器人 $船舶建造 $全位置爬行 专 题 讨 论 ’ ’ 焊 接 机 器 人 中图分类号 "()&*& 文献标识码"+ 文章编号""$$",-*$*.-$$/’$*,$$"/,$&
-$$] 年 * 月 !无轨导全位置爬行式弧焊机器人
在广州文冲船厂进行了工业现场应用实验 ! 通过不 同位置. 平焊 # 立焊和曲面 ’的焊接操作 ! 对机器人的 爬行 # 跟踪以及工艺进行了全面的考察和使用 % 探 索了无轨导爬行式弧焊机器人在船舶建造中应用 的可行性 ! 了解了船舶焊接工况条件 ! 收集了船舶 焊接工艺技术信息 ! 为无轨导弧焊机器人产品定型 和推广应用提供了依据 %
!""#$%&’$() (* ’+,%-./00 ,1’()(2(10 3+,4.$)5 ,..6"(07’7() 8+% 49.:$); +(<(’ $) 0=$"<1$.:$)5
01 23456789 !:1; <96=84>!2?1;) @945!2?A BC>6D94>E .FCG47HIC>H 5J 0CK34>9K4= L>E9>CC79>E !(M9>E384 A>9NC7M9HO !+C9P9>E "$$$%&!Q39>4’ 1RMH74KH " (3C H74KS=CMM 48H5>5I58M K74T=9>E 4==6G5M9H95> 47K TC=U9>E 75R5H 9M 4 I4K39>C T9H3 T3CC=M 4>U GC7I4>C>H I4E>CH
% 该机器人是国内外首次研制出
的!能够在大范围内全位置爬行的轮履复合 式 爬 行 机 构 !具 有 自 身 结 构 小 巧 #负 重 能 力 强.立 面 和 仰面负重能 力 均 超 过 "*$ SE’ # 运 动 控 制 灵 活 和 响 应速度快的特点‘*,&a$爬行机构与激光视觉焊缝自动 跟踪系统的复合控制 ! 实现了无导轨 # 无导向 # 无需 事先编程条件下的自主爬行和焊缝自动跟踪 ! 跟踪 精度达到 b$V] II % 本设备主要应用于大型结构的 焊接 ! 例如舰船 # 车辆 $ 大型贮器 ! 如球罐 # 直壁罐 $ 大型工程结 构 !如 水 电 工 程 闸 门 #海 洋 平 台 #大 直 径管道等 %
机器人焊接成形良好"如图 : 所示’ 与手工相比 " 弧焊机器人无效率上的明显优势 " 主要原因是手工 焊时 " 工人可根据经验 " 实时观察 " 依靠焊枪的带动 控制熔池 " 从而采取稍大一些的焊接规范 " 而机器 人无法做到这一点 "只能采用稍小的规范 ’ 但是机器 人焊接效果稳定 " 焊缝成形情况与手工焊的最佳效 果基本相同 ’ 曲面的焊缝是在船尾 ’ 焊接条件为 %/0+ 保护气 体 "! *8+ $$ 药芯焊丝 "" 形坡口 "板厚 *+ $$ 左右 " 坡 口 宽 度 *+ $$ " 背 面 加 陶 瓷 衬 垫 ’ 规 范 参 数 为 % 电流 +55 !"电压 22 ""焊速 ** #$!$%&’ 成形效果良好 " 如图 ; 所示 ’
行了爬行 !其中包括平焊位置 " 立焊位置 " 横焊位置 和曲面焊接位置 # 基本上包括了船舶生产的各个主 要位置 $ 由于机器人采用的是轮履复合结构 ! 因此 对于工作面具有较强的适应性 $ 弧焊机器人所能工 作的最小直径为 ! "! 船舶制造中需要焊接的曲面 一般为船头或者船尾部分 ! 曲率半径都在几十米左 右 ! 因此机器人完全可以满足实际生产的需要 $ 机 器人在船尾爬行工作照片如图 # 所示 $
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前言
无轨导全位置爬行式弧焊机器人是由潘际銮 院士主持!清 华 大 学 #南 昌 大 学 #汕 头 高 新 区 和 川 企业共同开发的
‘",-a
全世界钢铁产量中约有 ]$c 左右是通过焊接 加工由原材料变成成品的 % 目前 !很多焊接作业已采 用机械化 # 自动化 # 数控 # 人工智能等高新技术 % 据 有关资料不完全统计 ! 在一些工业发达国家焊接机 械化的平均水平已达 _$cd%$c!而我国只有 -$cd
图1
手工气切割 4 型坡口
$%&’ 的跟踪方式有很多种 ! 最常用的是单边
跟踪和双边跟踪!即分别跟踪坡口的 一 个 或 者 两 个棱边 $ 如果坡口较大 ! 采用双边跟踪的方式可以 得到比较好的效果%反之坡口较小!则尽量采用 单边跟踪!这样可以避免由于某一棱边难 以 被 检 测到以至于影响成形 $ 船体焊接中 ! 由于板材都比 较厚 ! 几乎没有可以单层完成的焊缝 ! 都是多层焊 ! 因 此 在 使 用 弧 焊 机 器 人 工 作 时 !应 根 据 各 层 的 具 体情况选择焊接工艺 $ 实验表明 ! 为了不影响盖面 的跟踪 ! 打底和填充时 ! 工艺规范适当减小 ! 盖面的
收稿日期 !-$$],"-,$] 作 者 简 介 ! 马 兆 瑞 !"^_^& ’ ! 男 ! 河 北 沧 州 人 ! 博 士 研 究 生 ! 主要从事焊接自动化的研究工 作 % $ !" $
*$c!有很大部分焊接作业离不开人工操作 %在这种
情况下 ! 将爬行焊接机器人转化为工业应用产品具 有重要的现实意义 %
第
*/ 卷 第 * 期 -$$/ 年 * 月
L=CKH79K ZC=U9>E 04K39>C
\5=V*/ ;5V* 047V-$$/
马兆瑞 !潘际銮 !张
!!朱森强
!清华大学 机械工程系 !北京 "#$$%&’
摘要"无轨导全位置爬行式弧焊机器人是国内外首次研制出的 ! 能够在大范围内全位置爬行的轮履
+*87 ++83 ++84
483 :85 7856985 :85 :85
28; 28; 28; 28; 28;
*7 +5 +5 +5 +5
58; "5"58; 587"5"587 584"5"584 583"5"583 58:"5"583
打底 + *456*43 ++83
盖面 2 *256*27 +*89
!"#
跟踪实验
弧焊机器人采用英国 $%&’ 公司的激光自动
跟踪Байду номын сангаас置 ! 激光作为结构光 ! 通过 (() 摄像机拍摄 得到焊缝图像 !实时处理后输出偏差信号控制一个 十字滑块 !从而保证焊枪始终对中 $在前期的实验室 工作中 ! 焊接坡口为刨削加工的规则坡口 ! 且焊接 之前已经清理干净 ! 跟踪效果良好 $ 实验中 !机器人 爬行速度 *+ ,"!"-. ! 可跟踪直径 / " 的圆缝 ! 如图