陸宏文，相順強(qiáng)

(廣東新會(huì)中集特種運(yùn)輸設(shè)備有限公司，廣東 新會(huì) 529144)

在現(xiàn)代制造業(yè)中,焊接技術(shù)作為重要的加工手段,占有非常重要的地位。焊接機(jī)器人在提高焊接質(zhì)量,降低焊接成本,實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化方面起著非常重要的作用[1]。智能化的焊接技術(shù)是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵，是實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化的重要研究方向[2]。

集裝箱產(chǎn)品的門端框尺寸為2 438～2 600 mm, 目前行業(yè)中的標(biāo)箱門端框焊接胎位不能適應(yīng)超寬、超窄特箱門端框的生產(chǎn)。焊接過(guò)程中，寬度調(diào)整采用簡(jiǎn)易腰型孔、螺栓壓緊方式，存在轉(zhuǎn)產(chǎn)慢、用人多和調(diào)整精度差等問(wèn)題；工件推送及焊接均為人工作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，焊接質(zhì)量因人而異，難以穩(wěn)定。針對(duì)上述問(wèn)題，本文研制了一種新型集裝箱多種門端框焊接系統(tǒng)，適用于20、40、45、53 in箱等約10余種產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了端框?qū)挾日{(diào)整一鍵式操作及門端框鉸鏈、鎖座及角部焊縫的跟蹤焊接全部自動(dòng)化。整套系統(tǒng)做到連鎖控制，無(wú)人化操作，使各種箱型門端框生產(chǎn)單班均節(jié)省4名操作者。

1 焊接系統(tǒng)的組成

新型集裝箱多種門端框激光跟蹤焊接系統(tǒng)示意圖如圖1所示，其主要包括輸送設(shè)備、寬度調(diào)整機(jī)構(gòu)和新型激光跟蹤焊接機(jī)器人系統(tǒng)。其中，輸送設(shè)備將待焊接的門端框移動(dòng)到預(yù)定位置；寬度調(diào)整機(jī)構(gòu)與輸送設(shè)備連接，適應(yīng)待焊接不同寬度尺寸的門端框快速轉(zhuǎn)產(chǎn)要求；新型激光跟蹤焊接機(jī)器人系統(tǒng)用于自動(dòng)掃描焊接待焊接的門端框。

圖1 新型集裝箱多種門端框焊接系統(tǒng)

2 焊接系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 輸送設(shè)備

該裝備設(shè)動(dòng)力輸送，實(shí)現(xiàn)工件自動(dòng)輸送、定位和夾緊，可適應(yīng)高、低箱等2種模式，且與機(jī)器人實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)作業(yè)。其生產(chǎn)工藝流程如下：1)前道工序?qū)⒐ぜM(jìn)行正確裝配；2)工件自動(dòng)進(jìn)入機(jī)器人焊接區(qū)域并自動(dòng)定位；3)機(jī)器人自動(dòng)起動(dòng)；4)機(jī)器人進(jìn)行激光掃描并自動(dòng)焊接(4臺(tái)機(jī)器人同時(shí)起動(dòng)，每臺(tái)機(jī)器人負(fù)責(zé)約1/4的工作)；5)焊接結(jié)束，機(jī)器人進(jìn)行清槍、剪絲工作并回零；6)工件自動(dòng)移出，進(jìn)行下一循環(huán)。

2.2 寬度調(diào)整系統(tǒng)

寬度調(diào)整系統(tǒng)(見(jiàn)圖2)采用由2個(gè)減速電動(dòng)機(jī)分別帶動(dòng)兩端的螺旋伸縮裝置。該伸縮裝置與門端框輸送滾梁相連接，減速電動(dòng)機(jī)安裝于輸送滾梁下，與輸送梁一起移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了各型門端框?qū)挾日{(diào)整的一鍵式操作，且轉(zhuǎn)產(chǎn)方便。

圖2 工件輸送及寬度調(diào)整系統(tǒng)示意圖

2.3 新型激光跟蹤焊接機(jī)器人系統(tǒng)

開(kāi)發(fā)了一種新的能與機(jī)器人系統(tǒng)完美對(duì)接的激光掃描系統(tǒng)及處理法則，實(shí)現(xiàn)了門端框鉸鏈、鎖座及上、下角部復(fù)雜焊縫掃描、自動(dòng)跟蹤焊接、間隙判斷及處理全自動(dòng)化，滿足生產(chǎn)節(jié)拍為2.75 min及焊接跟蹤精度為0.5 mm的性能要求。其具體方案如下。

1)倒掛4臺(tái)機(jī)器人，分別焊接鉸鏈、鎖座及角部復(fù)雜焊縫，4臺(tái)機(jī)器人工作量基本一致，滿足20 in箱2.75 min最快生產(chǎn)節(jié)拍要求。

2)焊接跟蹤采用激光掃描取點(diǎn)方案，根據(jù)位移變化，精確計(jì)算焊縫的位置，跟蹤精度可達(dá)0.5 mm。激光跟蹤器安裝在機(jī)械臂上(見(jiàn)圖3)，由程序控制其在工件表面快速移動(dòng)，形成掃描軌跡(掃描線)；同時(shí)系統(tǒng)采集掃描線上激光的數(shù)據(jù)，獲得掃描軌跡剖面的形狀，再通過(guò)特定的數(shù)學(xué)運(yùn)算，計(jì)算出剖面上出現(xiàn)的一個(gè)或多個(gè)特征(通常是臺(tái)階或交點(diǎn))的準(zhǔn)確空間位置[3-4]。

圖3 機(jī)械臂

3)掃描軌跡的位置和數(shù)目可根據(jù)不同的工件特點(diǎn)設(shè)定，以獲得的特征數(shù)足夠確定所有焊接線為原則。鉸鏈、鎖座屬于大致規(guī)則工件，在獲得若干基本特征點(diǎn)后通過(guò)偏移、延伸等方法形成焊接軌跡[5]。鉸鏈需要3條掃描線，獲得5個(gè)特征。鎖座需要4條掃描線，獲得8個(gè)特征。角部復(fù)雜焊縫由多段直線焊縫組成，較長(zhǎng)的直線以2點(diǎn)定直線方式獲取特征數(shù)，較短的直線只掃描1個(gè)特征，并假設(shè)是平行于某個(gè)方向的方式確定直線。

4)焊縫的起點(diǎn)、終點(diǎn)的坐標(biāo)通過(guò)空間幾何方法計(jì)算獲得，加入焊接工藝參數(shù)，指揮機(jī)器人按工件實(shí)際位置進(jìn)行焊接。

本系統(tǒng)對(duì)工件的定位誤差(XY平面±50 mm，Z方向±20 mm，旋轉(zhuǎn)±10°)有極好的適應(yīng)能力。

本系統(tǒng)通過(guò)間隙掃描算法，在可能出現(xiàn)裝配間隙的位置，機(jī)械臂帶動(dòng)激光以適當(dāng)?shù)慕嵌群退俣葤呙柰ㄟ^(guò)間隙部位，經(jīng)過(guò)計(jì)算可獲得間隙的大小，分辨率>0.3 mm。獲取間隙后采用相應(yīng)的焊接策略，即當(dāng)間隙<1 mm時(shí)按正常方式直接焊接；當(dāng)1 mm<間隙<2 mm時(shí)快速打底一次，然后按正常方式焊接；當(dāng)2 mm<間隙<3 mm時(shí)慢速打底一次，然后按正常方式焊接。

應(yīng)用該系統(tǒng)完成的焊接工件示例如圖4所示。

圖4 焊接工件

3 創(chuàng)新點(diǎn)

本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)如下。

1)解決了各型門端框焊接的柔性加工問(wèn)題，工件輸送、定位、夾緊、掃描、焊接、間隙判斷及處理全自動(dòng)化，解決了20、40、45、53 in箱、設(shè)備箱、開(kāi)頂箱、多聯(lián)箱和超寬箱等約10余種產(chǎn)品的快速換型問(wèn)題。

2)開(kāi)發(fā)了新型機(jī)器人激光跟蹤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了門端框鉸鏈、鎖座及上、下角部復(fù)雜焊縫的跟蹤焊接，滿足焊接跟蹤精度0.5 mm的要求。

3)焊縫掃描軌跡及算法靈活多變，使用可靠。具體方法如下：根據(jù)不同的產(chǎn)品，分布大致的焊縫長(zhǎng)度，規(guī)劃合理的焊縫掃描軌跡，掃描軌跡上的點(diǎn)應(yīng)具備形狀確定、位置確定和相對(duì)位置確定的要素；采用掃描軌跡上的特征點(diǎn)，獲得焊接工件的形狀；根據(jù)數(shù)據(jù)，調(diào)用不同的算法，規(guī)劃焊接軌跡和焊接工藝；采用離線編程，可以減少機(jī)器人不工作時(shí)間，也可以使操作者遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的工作環(huán)境[6]。

4)把機(jī)器人的靈活性和點(diǎn)激光快速測(cè)量巧妙地結(jié)合起來(lái)，成功解決了激光采集數(shù)據(jù)和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的坐標(biāo)同步問(wèn)題，適合結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的場(chǎng)合使用。算法是自行編制的，可按項(xiàng)目要求定制(本項(xiàng)目至少有5種以上非常見(jiàn)結(jié)構(gòu)算法)。據(jù)了解，目前市場(chǎng)上還沒(méi)有同樣結(jié)構(gòu)形式的產(chǎn)品。

4 目前國(guó)內(nèi)外激光跟蹤技術(shù)現(xiàn)狀及本項(xiàng)目研發(fā)價(jià)值點(diǎn)

目前比較先進(jìn)的激光跟蹤系統(tǒng)有英國(guó)Meta、加拿大賽融公司(Servo-Robot)和德國(guó)binzel(scansonic TH6D)。Meta的智能型激光傳感器技術(shù)將圖像處理軟硬件嵌入到傳感器內(nèi)部，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在傳感器、觸摸屏顯示器和集成多功能I/O板之間通信，極大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)軟硬件還包括了先進(jìn)的抗反射技術(shù)，因此系統(tǒng)對(duì)高反射性材料(如鋁合金和不銹鋼)跟蹤性能大幅提高；將圖像處理軟硬件集成在傳感器內(nèi)部，其采樣速率在百萬(wàn)像素級(jí)別下達(dá)到了30幀/s，能夠適應(yīng)高焊接速度和高跟蹤精度要求；動(dòng)態(tài)窗口技術(shù)還可以獲得更高的采樣速率。Servo-Robot激光視覺(jué)傳感具備獨(dú)有的抗反光技術(shù)，可用于鍍鋅、拋光、鋁合金和不銹鋼等光亮表面的檢測(cè)，視覺(jué)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)焊縫搜索、定位、跟蹤、焊接參數(shù)自適應(yīng)控制、焊縫質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)以及自動(dòng)裝配和搬運(yùn)等的定位、檢測(cè)與質(zhì)量控制。Scansonic TH6D是三維焊縫跟蹤系統(tǒng)，適用于有反射的加工表面，如鋁和不銹鋼，受電場(chǎng)以及工作環(huán)境光源的影響極小，采用濾光器以及高強(qiáng)度二極管激光的應(yīng)用使探測(cè)頭對(duì)干涉光有極高的抗干擾作用，適用于所有常見(jiàn)焊接領(lǐng)域，如激光、MIG、MAG和等離子(PLASMA)等，支持多種機(jī)器人接口以及針對(duì)線形運(yùn)動(dòng)軸的模擬信號(hào)接口，無(wú)需預(yù)熱軟件及硬件的過(guò)濾技術(shù)屏蔽掉錯(cuò)誤的信息，數(shù)據(jù)與機(jī)器人之間的傳輸速度高。

目前國(guó)內(nèi)也有一些廠家在進(jìn)行相關(guān)的研究和開(kāi)發(fā)，主要是在借鑒國(guó)外成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，集成各家的焊縫算法而開(kāi)發(fā)出的激光視覺(jué)系統(tǒng)。而國(guó)內(nèi)的激光視覺(jué)焊縫跟蹤系統(tǒng)生產(chǎn)廠家，由于起步晚于國(guó)外，且使用的量不大，產(chǎn)品存在算法不豐富、產(chǎn)品不穩(wěn)定等問(wèn)題。

目前國(guó)外激光視覺(jué)焊縫跟蹤系統(tǒng)價(jià)格昂貴，焊縫的形式比較單一(僅限于幾種)，服務(wù)價(jià)格昂貴，集成難度比較大。

筆者目前研發(fā)的激光跟蹤型是采用智能焊接，能根據(jù)工件的類型完成規(guī)劃掃描路徑，通過(guò)掃描軌跡得出工件的3D焊縫形式，判斷焊縫位置和焊縫間隙，自主規(guī)劃焊接軌跡和焊接工藝。而本項(xiàng)目采用激光位移傳感器焊縫跟蹤系統(tǒng)，其不同于國(guó)外的技術(shù)，利用激光與工件之間的相對(duì)位置，通過(guò)焊縫軟件算法，得到焊縫位置，規(guī)劃焊接運(yùn)行軌跡。本項(xiàng)目所用的技術(shù)算法豐富，能實(shí)現(xiàn)焊縫定制化設(shè)計(jì)，根據(jù)各種復(fù)雜的焊縫形式，進(jìn)行算法軟件的編制，達(dá)到精確的焊縫跟蹤，集成非常靈活。

目前集裝箱行業(yè)機(jī)器人應(yīng)用范圍不大，主要受制于部件加工、定位精度和結(jié)構(gòu)[7]，本項(xiàng)目可以很好地滿足這種需求，對(duì)于擴(kuò)大集裝箱行業(yè)機(jī)器人應(yīng)用具有重大意義。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)新型集裝箱多種門端框焊接系統(tǒng)研制，使其跟蹤焊接技術(shù)有了根本性的變化。其適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣泛，可推廣應(yīng)用到集裝箱生產(chǎn)的許多工位及機(jī)械行業(yè)鋼結(jié)構(gòu)跟蹤焊接的企業(yè)，經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益顯著。