组装焊接机器人系统在船厂中的使用情况外文翻译资料

 2022-07-29 15:40:24

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组装焊接机器人系统在船厂中的使用情况

Seung Hwan Mun,Mi Hee Nam, Jae Chang Lee, Kyu Won Doh, Gi Beom Park, Hyun Cheol Lee, Dae Kyung,Kim and Jang Myung Lee

摘要：焊接是造船业的主要工作之一，与产品的成本和质量直接相关。因此，造船厂焊接过程的自动化对提高生产率至关重要，焊接机器人在其中发挥重要作用。一般情况下，焊接机器人能够代替人工在复杂的工况下产生更好的效益。造船的总组装路线一般由3个阶段组成：（1）配件，（2）焊接，（3）精加工。在装配阶段，,工人们把胎架和扶强材放置在船台滑道上面。在执行主焊接工艺之前的装配阶段进行分段定位焊接，以将加强的船体构件放置在胎架上的预定位置，并使用安装在工作车间顶部的固定相机来执行胎架面板的近似定位。子组装线的系统结构可以分为3部分：（1）执行焊接过程的机械系统，（2）实时监控机械系统的控制系统和控制移动焊接机器人的系统；以及（3）管理系统，用于执行诸如运行离线程序以加载焊接面板的CAD数据，分配每条焊接线的条件以及控制摄像机的工作系统。

I.引言

焊接是造船过程中主要工作之一，与产品的成本和质量直接相关。因此，船厂的焊接过程的自动化对于提高生产率是至关重要的，一般情况下，焊接机器人能够代替人工在复杂的工况下产生更好的效益。然而，由于船舶的特殊尺寸和船体结构对生产车间结构的要求，使得机器人在造船厂中的直接应用是非常困难的。

图1具有自动焊接工艺的子组装线的概念布局

造船中的子组装线一般由3个阶段组成：（1）配件，（2）焊接和（3）精加工。在装配阶段，,工人们把胎架和扶强材放置在船台滑道上面。在执行主焊接工艺之前的装配阶段进行分段定位焊接，以将加强的船体构件放置在胎架上的预定位置，并使用安装在工作车间顶部的固定相机来执行胎架面板的近似定位。

II．系统布局

子组装线的系统结构可以分为3部分：（1）执行焊接过程的机械系统，（2）实时监控机械系统的控制系统和控制移动焊接机器人的系统；以及（3）管理系统，用于执行诸如运行离线程序以加载焊接面板的CAD数据，分配每条焊接线的条件以及控制摄像机的工作系统。

全自动焊接工艺由4台可以移动的龙门架和8台焊接机器人实现；其中包括有5个自由度（X，Y，Z，R1，R2）的机架和具有6个自由度的焊接机器人。在装配阶段，使用摄像机来获得胎架（16times;12米）的整个工作空间的图像。CAD数据的手动输入匹配给出了主控制面板ID并且和相邻每个面板的两个角的位置大致定位，确定一个信息全局坐标系。使用安装在龙门架上的4个摄像头实现焊接面板的精确定位。测量面板的数据和相应的CAD数据通过调度系统，该系统找到用于无碰撞焊接的最佳序列并且将焊接作业分配给每个机架。通过应用高速旋转焊矩，使得开发系统的焊接速度提高了一倍，这是传统的焊接无法比拟的。此外，通过引入用于跟踪焊缝和识别焊接线终点的电弧传感器，使得焊接的精度和效率显著增加。

III.机械系统

必需条件

机械系统安装在船体工作区的一号生产部门的分装线上。该系统的主要目标是实施自动化焊接接头工作，为了实现自动化焊接，现在已经研究开发了多轴龙门式焊接机器人系统。该系统必须满足以下条件：

1）工作区：12M x 16M

2）每次滑行生产能力：最低270M / Tact

3）结构最小高度：3M

4）系统安装空间：14.2M x 21.8M

图2.焊接机器人系统的概念布局

系统布局设计

为了设计焊接机器人系统，我们开发了四种龙门架结构。如图2所示的焊接机器人系统的概念布局。考虑到船厂的条件限制、生产结构的稳定性，最小修复焊接点和结构的有限高度等问题，如何选择最合适的龙门架类型是实际生产中需要重点考虑的问题。因为机器人的焊接速度为80厘米/分钟，电弧比的最大实施率为40％，每次滑动焊接的时间为105分钟，每次滑动焊接长度的最小值为270M，所需龙门架的最少数量计算如下：

270M / (105min x 0.8M/min x 40%) = 8

计算出龙门架所需的最少数量后，使用实际生产给定的条件分析选用本文建议的四种类型的龙门系统。

以下分别介绍4种类型的龙门架具体结构及其优缺点：

Type 1.这种类型由于中心梁下方的工件难以焊接，并且在本文的讨论中，焊接线必须由OLP（离线程序）划分。因此，该系统就需要附加的轴来焊接所有的工作区域。 该附加轴增加了机架系统的成本，同时也增加了干扰产生的可能性，这就需要引入调度系统以避免运转过程中的碰撞。

Type 2. 龙门架的布置使得其工作处于滑动工作状态，这有利于去除任何断裂焊接线。但是由于焊接机器人只有三个，如图2所示每台机器人的工作负荷非常高。

Type 3. 如果焊接线超过4米，则焊接线必须分开，以避免龙门架之间的碰撞。由于结构的高度非常高，难以在龙门架上方滑动。因此，系统安装需要更多的空间，这样的龙门架系统的尺寸非常大。

Type 4. 这种类型比Type 2更有效，因为在类型2的基础上添加了一个机器人。但是这样一来，龙门架间干扰发生的可能性要高得多。

基于上述分析，可以发现Type 2不符合苛刻条件。因为由于工作构建高度高，Type 3是不能替代的。在Type 4的情况下，由于Type 4的最大焊接线限于4米 ，所以需要大量焊接线，使得修补焊接工作增加。如图2所示，Type 2到Type 4横向有很长的距离，这样不但引起了梁的偏转，而且引起了结构与台架移动轴的行进方向相关的扭转。

因此，选择Type 1作为最合适的设计。如下图3显示了研究开发的龙门架图。

图3 焊接机器人系统绘图

焊接机器人系统设计

由于工作空间大（12M X 16 M），并且系统需要4个龙门架，并在每个机架上安装两台机器人。工作空间分为两部分，用于自动焊接作业的有效性，两个门架在每个部分移动。中心梁放置在图2中作为防滑装置1和防滑装置2的两个部分的中间。因此，焊接机器人不能进入任何焊接线的中心区域，为了解决这个问题，我们设计了旋转到180度的附加轴。通过该附加轴，焊接机器人系统可以到达所有工作空间。

自动化焊接系统由五轴机架和两台焊接机器人组成，然后将机架悬挂起来。 图4给出了多轴龙门式焊接机器人系统的结构图示。

行驶轴X轴垂直于滑动流。X轴的末端配有极限传感器，以避免与支撑梁相撞。 驱动机构是通过齿轮齿条方式，这使得每个机架必须具有共同的X坐标。 为了满足这一点，就需要定期进行机器校准工作。

Y轴是横轴，与水平滑流平行。龙门架侧面配有两排LM导轨，机架顶部配有机架。通过操作这些机构控制龙门架移动，Y轴的端部也安装有与X轴相同目的的极限传感器。

Z轴是垂直轴，保持R1轴、R2轴和两个铰接来固定六轴焊接机器人。由于维持重量非常重，所以Z轴使用气缸来减少总维持重量。为了上下移动Z轴，使用同步皮带和滚珠丝杠。其中，R1轴是旋转轴，位于Z轴的底部。安装的目的是使焊接机器人进入中心焊接线。R2轴是另一个旋转轴，由同步皮带和电机驱动。使用R2轴，可以将机器人的焊接方向和所有随机放置的板的焊接线对齐。两个铰接焊接机器人连接在R2轴的底部。

图4.组合多轴式龙门架系统

焊接机器人

在我们的焊接机器人系统中，采用了具有6 D.O.F.（自由度）的现成商业智能机器人。 因此，机器人可以采取各种焊接姿势，进行各种焊接（水平焊接，角焊，垂直焊接）。

为了实现80cpm（cm /分钟）的焊接速度，我们着手开发高速旋转炬。对于水平角焊，两台焊接机器人可以同台架机器人移动到每个板的起点进行同时工作。 即使对于网板和加强件之间存在小间隙的情况，机器人也能够成功地进行焊接。

机器人手臂的末端装有震动传感器。当附接到旋转炬的机器人手臂进入用于焊接的复杂形状的加强件时，存在可能对焊接机器人造成严重损坏的碰撞事故的可能性。 为了防止这种情况，我们在机器人上面安装了一个震动传感器，如图5所示自动执行编程焊接作业的铰接焊接机器人。

图5.自动执行编程焊接作业的铰接焊接机器人

IV.控制系统

系统配置

图6.控制系统的配置布局

我们开发了自动化子组装线中焊接机器人系统中绝对重要的控制系统，以实现优质的焊接。控制系统引导所有机械部件，包括两个操纵器，一个机架和一个附加轴，焊接附件和安全设备。由焊接CVS（摄像机视觉系统）到焊接的所有过程应顺序组织程序，这种控制系统的能力是本项目中最重要的部分之一。

控制系统可以大致分为通信，机器人运动和电弧控制。为了与其他系统交换必要的信息，使用TCP / IP，NFS和RS-232等可变网络。机器人的运动控制意味着根据给定情况灵活的控制姿势变化。拍摄照片时在车间周围移动拍摄，来指导焊接机器人需要不同的姿势。电弧路径控制主要影响焊接性能，是我们系统最重要的目的。实现各种稳定的电弧控制情况，设计独特的控制器。

系统硬件设施

硬件设施主要分为控制器，伺服机构和焊接配件。

作为主控制器，采用ADEPT SmartController CX，一种商业控制器。 ADEPT SmartController CX是一种高性能运动和视觉控制器，被称为兼容数字I / O和通用运动扩展模块的可扩展性和支持系统。使用ADEPT SmartController CX，可以设计一个控制系统，可以同时控制17个轴的机器人，并与网络中的上级系统进行通信。包括其他附件的主控制器构成控制箱的主要部分，该控制箱有效管理各种设备 - 伺服电机，焊接机，冷却泵，触摸传感器模块，喷嘴清洁器，遮光窗帘和报警器等。

每个电机通过考虑机械部件的预期有效载荷来确定。为了控制机器人的位置，使用编码器来测量每个电机的位移。仅覆盖整个工作区域的一部分的机械手具有增量编码器，但在整个工作区域内操作的龙门架具有绝对编码器。焊接配件包括从触摸感应模块到线切割机的各种焊接设备。其中，触摸感应模块，电弧传感器和线切割机是确保焊接性能的重要组成部分。触摸感应模块用于确保焊接开始的稳定状态。电弧传感器用于确定精确点以补偿测量线和相应焊接线之间的差异。为了保持规则的伸出长度，使用线切割机。

系统软件设施

该软件分为四部分：（1）通信部分，（2）运动控制部分，（3）焊接宏部分，以及（4）电弧控制部分。所有程序都使用V 编码，由ADEPT控制器支持编程语言。

为了实时监控和订购，主控制器通过TCP / IP与监控计算机进行通信。使用通信协议接收和传输数据。例如，要接收所有焊接线的当前位置，主控制器将放置在车间上的钢板的角点坐标转移到监控计算机。

为了有效应对各种周边环境和工作单，提前建立每个机器人的最小运动路径。

为了焊接钢板上的许多不同形状的焊接线，根据相应的焊接方法，可以适当地分配各个焊接线。分类焊接方法被称为包含机器人运动信息和焊接方法的宏。到目前为止，还可以进行角焊和拳击焊接。

如上所述，电弧控制对于质量焊接非常重要。电弧控制使机器人焊接成为可能。例如焊缝跟踪和伸出控制，使用接缝焊接和伸出控制的电弧控制的最终结果是为本系统设计的闭环控制器确定割矩位置。

焊接系统成果

开发的控制系统已经应用于各种焊接工程，通过试验和错误，获得了稳定的焊接条件。 表1显示了圆角焊接的详细信息。

使用上述信息的焊接工程的结果如图7所示。

图7.焊接结果

V．CAM系统

A．系统配置

用于子装配线自动化的焊接机器人系统中的CAM系统由4个系统组成； （1）用于焊接机器人的OLP（离线程序）系统，（2）用于自动识别面板位置的CVS（摄像机视觉系统）系统，（3）用于自动负载分配的调度系统，以及（4）监控和报告系统显示运营商的工作状态。

图8. CAM系统的配置

B. OLP系统

OLP系统产生用于焊接机器人的MACRO数据和用于CVS（摄像机视觉系统）的零件几何体的顶点。MACRO类型根据排列的焊接线条件和类型进行预定义。

图9.MACRO自动匹配结果

C. CVS（摄像机视觉系统）

CVS系统被开发用于检测造船中子组装线的底板位置。两个CVS系统分别用于装配阶段和焊接阶段，以进行焊接线的识别过程和定位过程。

  1. 安装台配置

一个相机用于获得整个工作空间的图像，用于装配阶段。 面板的全尺寸CAD图纸显示在图像上，以便操作员可以使用鼠标指针通过平移和旋转来匹配它们。 主要由于可靠性选择手动匹配方法。由于粗糙的图像，与CAD数据相比，自动识别面板是非常困难的。通过装配阶段的手动匹配，可以看到全局坐标系中面板ID和每个面板两个角的近似定位信息。但是，由于摄像机安装数十米高，所以CAD数据的手动匹配会导致定位错误。

图10.摄像机视觉系统在装配阶段

  1. 焊台配置

焊接阶段的CVS系统由四台移动摄像机和一台图像处理计算机组成。 对于恒定的照明条件，在相机周围安装几个灯泡（冷阴极荧光灯）。

图11. 焊接阶段位置估算

  1. 焊接阶段的图像处理算法

首先，计算拍摄图

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