康占賓，閆德俊，陳紅亮，蔣 巍，黃家勇

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東省艦船先進(jìn)焊接技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州510715）

1 前言

目前，對(duì)傳統(tǒng)小組立構(gòu)件生產(chǎn)過(guò)程中，主要采用手工焊為主。在焊接過(guò)程中，由于施工人員的技能水平不一、所采用的焊接參數(shù)不同，導(dǎo)致生產(chǎn)的小組立構(gòu)件質(zhì)量參差不齊，難以保證質(zhì)量；傳統(tǒng)小組立焊接生產(chǎn)線的各工位分布較為分散、生產(chǎn)過(guò)程中各工序間占用的轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下；并且每個(gè)工位的生產(chǎn)負(fù)荷分布不均，導(dǎo)致部件堆積的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

近些年來(lái)，隨著自動(dòng)化、信息化技術(shù)在船舶行業(yè)的廣泛運(yùn)用，國(guó)內(nèi)先進(jìn)船廠已開始小組立焊接機(jī)器人的使用。但在使用過(guò)程中目前仍有很多不足之處，缺乏完善的工藝數(shù)據(jù)庫(kù)與工藝知識(shí)庫(kù)，不能實(shí)現(xiàn)焊接工藝的自動(dòng)生成與下發(fā)等。

本文通過(guò)對(duì)某船舶企業(yè)傳統(tǒng)小組立焊接工藝流程進(jìn)行梳理，對(duì)其工藝流程進(jìn)行智能化升級(jí)技術(shù)研究：采用數(shù)字化、智能化設(shè)備代替落后的機(jī)械設(shè)備；通過(guò)焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)與知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接工藝數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收集與存儲(chǔ)、焊接工藝的自動(dòng)生成與下發(fā)；通過(guò)在線檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的在線檢測(cè)；通過(guò)智能管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、各工位生產(chǎn)負(fù)荷自動(dòng)調(diào)整等功能的實(shí)現(xiàn)，最終完成生產(chǎn)線的智能化升級(jí)，實(shí)現(xiàn)高效高質(zhì)生產(chǎn)。

2 傳統(tǒng)制造下的小組立焊接工藝流程

要實(shí)現(xiàn)對(duì)小組立焊接生產(chǎn)線的智能化改造，首先要對(duì)傳統(tǒng)制造下小組立焊接生產(chǎn)線的工藝流程進(jìn)行工序分解，并對(duì)各工序進(jìn)行智能化升級(jí)改造時(shí)所涉及的智能要素進(jìn)行研究，完成各工序的智能化改造，最終實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)。

通過(guò)對(duì)某船舶企業(yè)傳統(tǒng)的小組立焊接工藝流程進(jìn)行梳理，得到傳統(tǒng)制造下的小組立焊接工藝流程，如圖1所示。平不一，焊接時(shí)采用的焊接參數(shù)難以控制，導(dǎo)致焊接質(zhì)量參差不齊，難以保證焊接質(zhì)量；

圖1 小組立焊接傳統(tǒng)工藝流程

（2）焊接生產(chǎn)線中各個(gè)工序分布較為分散、占用場(chǎng)地面積較大，需花費(fèi)大量時(shí)間通過(guò)門吊或托盤對(duì)零件在各工序間進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下；

（3）不能實(shí)時(shí)感知每個(gè)工序的進(jìn)度、生產(chǎn)狀態(tài)及時(shí)調(diào)整各工序的生產(chǎn)負(fù)荷，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下；

（4）需要配備較多施工人員，造成人工成本上漲、經(jīng)濟(jì)效益降低。

傳統(tǒng)制造下的小組立焊接生產(chǎn)線由于設(shè)備較為落后，無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接，導(dǎo)致生產(chǎn)線的信息數(shù)據(jù)難以進(jìn)行實(shí)時(shí)收集與傳輸，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)零件的全程跟蹤與信息追溯；缺乏焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)與知識(shí)庫(kù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接工藝數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收集與存儲(chǔ)、焊接工藝的自動(dòng)生成與下發(fā)等；缺乏先進(jìn)的在線檢測(cè)，質(zhì)量無(wú)法得到保證；缺乏智能管控系統(tǒng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、各工位生產(chǎn)負(fù)荷自動(dòng)調(diào)整等功能。

（1）托盤運(yùn)輸：工人將上道工序加工好的零件按照流向裝入托盤中，并通過(guò)門吊將托盤輸送到建造區(qū)域；

（2）材料分揀：按照設(shè)計(jì)部下發(fā)的分段結(jié)構(gòu)圖，分揀同一圖紙中需要進(jìn)行安裝的板材和型材材料；

（3）裝配劃線：將鋼板在裝配區(qū)域全面鋪開，根據(jù)設(shè)計(jì)部下發(fā)的裝配圖紙找出對(duì)應(yīng)的加強(qiáng)筋等扶強(qiáng)構(gòu)件，在零件上劃出相互組合時(shí)的位置線；

（4）點(diǎn)焊定位：將加強(qiáng)筋等扶強(qiáng)構(gòu)件，按照裝配線進(jìn)行點(diǎn)焊固定裝配；

（5）人工焊接：通過(guò)手工焊接或者焊接小車對(duì)點(diǎn)焊固定后的小組立進(jìn)行焊接；

（6）焊縫修補(bǔ)：依據(jù)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊接后的小組立件進(jìn)行檢查，對(duì)不合格的部件進(jìn)行焊接修補(bǔ)；

（7）火工背燒矯正：將修補(bǔ)后的焊接工件進(jìn)行翻身，在扶強(qiáng)構(gòu)件的焊接位置進(jìn)行火工背燒處理，消除結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力、減小結(jié)構(gòu)變形；

（8）托盤區(qū)域：將小組立構(gòu)件裝入托盤或者平板車，運(yùn)輸?shù)较乱还ば蜻M(jìn)行生產(chǎn)。

傳統(tǒng)的小組立焊接生產(chǎn)作業(yè)，存在以下缺點(diǎn)：

（1）焊接時(shí)主要采用手工焊接，由于焊工技術(shù)水

3 小組立焊接生產(chǎn)線的智能化要素

要完成船用小組立焊接生產(chǎn)線的智能化升級(jí)改造，首先在設(shè)備方面要使用先進(jìn)的數(shù)字化、智能化設(shè)備代替人工進(jìn)行作業(yè)；在基礎(chǔ)設(shè)施方面，車間需布置網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的信息數(shù)據(jù)能夠與MES 系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互；要通過(guò)完善的工藝數(shù)據(jù)庫(kù)與工藝知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)焊接工藝數(shù)據(jù)的收集、分析、存儲(chǔ)以及工藝的自動(dòng)生成與下發(fā)；通過(guò)智能管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；通過(guò)流水線控制，對(duì)各工序的生產(chǎn)負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時(shí)感知與調(diào)控，實(shí)現(xiàn)流水線式生產(chǎn)[4]。

小組立焊接生產(chǎn)線的智能化要素如下：

3.1 生產(chǎn)線單元及設(shè)備組成

生產(chǎn)線主要由輸送系統(tǒng)、焊接工位、背燒工位、卸料工位組成：

（1）焊接工位

包括機(jī)器人系統(tǒng)、焊接系統(tǒng)、定位設(shè)備、輔件；

（2）背燒工位

包括自動(dòng)背燒設(shè)備、控制臺(tái)等。

3.2 智能管控

智能管控系統(tǒng)能夠控制流水線上所有設(shè)備，實(shí)現(xiàn)工件的輸送、焊接、背燒等功能的全自動(dòng)流水式生產(chǎn)。主要包括生產(chǎn)作業(yè)控制與生產(chǎn)信息管理兩大功能：

（1）生產(chǎn)作業(yè)控制

主要控制流水線作業(yè)的生產(chǎn)節(jié)奏，實(shí)現(xiàn)各工序的生產(chǎn)負(fù)荷均衡；控制各個(gè)工位作業(yè)輥道的啟停；實(shí)現(xiàn)自定義焊接焊腳高度的設(shè)定；支持機(jī)器人預(yù)焊接動(dòng)作模擬，驗(yàn)證生成焊接工藝的正確性；補(bǔ)償生成的焊接路徑與實(shí)際焊縫的偏差；每次焊接作業(yè)結(jié)束后，自動(dòng)完成焊槍清潔；設(shè)有故障診斷系統(tǒng)，包括故障自動(dòng)報(bào)警、信息提示及自動(dòng)保護(hù)停機(jī)等功能；

（2）生產(chǎn)信息管理

實(shí)時(shí)顯示各個(gè)工位的工作狀態(tài)；根據(jù)實(shí)際焊接的啟停時(shí)刻，統(tǒng)計(jì)有效焊接時(shí)間、焊接米數(shù)、焊腳信息等；采集并記錄焊接作業(yè)時(shí)的電流、電壓、焊接速度等參數(shù)；實(shí)時(shí)查詢焊接機(jī)器人易耗品的使用壽命；根據(jù)船廠要求上傳本地信息。

3.3 焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)

焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)具備數(shù)據(jù)錄/導(dǎo)入、工藝查詢、數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)還原、數(shù)據(jù)清理、用戶管理等功能。傳統(tǒng)的小組立構(gòu)件生產(chǎn)數(shù)據(jù)多為非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，主要存在于紙質(zhì)文件或現(xiàn)場(chǎng)施工及工藝人員的腦海中。為此，需對(duì)傳統(tǒng)工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行信息化、數(shù)字化、結(jié)構(gòu)化處理，并存儲(chǔ)于工藝數(shù)據(jù)庫(kù)中。此外，需要對(duì)生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對(duì)處理后的工藝數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中，并對(duì)工藝數(shù)據(jù)庫(kù)開放標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口為工藝生成及其他業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.4 在線檢測(cè)

生產(chǎn)線的在線檢測(cè)，主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）焊接工件來(lái)料幾何信息檢測(cè)

通過(guò)結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)料尺寸、組隊(duì)尺寸及工件信息的識(shí)別；

（2）焊接參數(shù)檢測(cè)

結(jié)合焊接工藝特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接電流、焊接電壓等信號(hào)檢測(cè)；

（3）焊接過(guò)程在線監(jiān)控

通過(guò)焊接熔池視覺(jué)監(jiān)控與檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊偏、咬邊、下塌、未熔合等缺陷的在線檢測(cè)，并給出報(bào)警和評(píng)判；

（4）焊后焊道成形檢測(cè)

建立焊道的結(jié)構(gòu)光條紋圖像與焊道熔寬、余高的關(guān)系模型，通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云圖像的圖形化；通過(guò)基于模糊評(píng)價(jià)算法的焊接缺陷評(píng)價(jià)軟件，對(duì)出現(xiàn)焊接缺陷的焊道位置進(jìn)行評(píng)判和報(bào)警。

3.5 生產(chǎn)對(duì)象

小組立構(gòu)件主要由一塊或者兩塊基面板與加強(qiáng)筋、肘板等扶強(qiáng)構(gòu)件組成[5]。本生產(chǎn)線主要生產(chǎn)除特殊結(jié)構(gòu)形式（帶曲邊、折邊、拼板對(duì)接以及可能導(dǎo)致焊槍或機(jī)械臂干涉的特殊小組立結(jié)構(gòu)）以外的小組立工件。

3.6 工藝生成

焊接工藝知識(shí)庫(kù)在工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)工藝知識(shí)建模、知識(shí)挖掘、知識(shí)檢索與存儲(chǔ)、典型工藝生成等功能。針對(duì)加工對(duì)象的特征信息，在工藝知識(shí)庫(kù)中進(jìn)行檢索，對(duì)能夠完全匹配的工藝知識(shí)自動(dòng)調(diào)用，對(duì)不能完全匹配的工藝知識(shí)基于推理自動(dòng)生成。生成的工藝能夠通過(guò)MES系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)到設(shè)備終端的下發(fā)。

4 智能制造下的小組立焊接工藝流程

通過(guò)對(duì)智能制造下小組立焊接生產(chǎn)線的升級(jí)技術(shù)研究，得到的小組立智能焊接生產(chǎn)線工藝流程主要由以下工位模塊組成（見(jiàn)圖2）。

圖2 小組立 生產(chǎn)線工藝流程

4.1 焊接工位

采用3D 掃描系統(tǒng)自動(dòng)獲取工件信息，并通過(guò)工藝知識(shí)庫(kù)自動(dòng)生成焊接工藝，對(duì)拼裝點(diǎn)焊好的小組立構(gòu)件進(jìn)行焊接作業(yè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)小組立構(gòu)件機(jī)器人智能焊接。

（1）點(diǎn)焊裝配及輸送

在裝配平臺(tái)上根據(jù)定位孔指示，將基板、筋板和肘板進(jìn)行組對(duì)及裝配點(diǎn)固；裝配完成后，流水線控制系統(tǒng)判斷焊接工位閑置與否，當(dāng)焊接工位發(fā)送閑置信號(hào)后，智能管控系統(tǒng)判斷上料與裝配工位及檢查修補(bǔ)工位是否處于忙碌狀態(tài)，當(dāng)收到不忙碌狀態(tài)信號(hào)時(shí)，控制輥道將小組立構(gòu)件輸送到焊接工位，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)節(jié)拍控制；

（2）3D激光掃描工件

機(jī)器人門架攜帶3D激光掃描設(shè)備，從焊接工位的一端向另一端移動(dòng)，掃描工位上所有工件位置信息及焊縫位置信息，并把筋板位置與間距信息發(fā)送給機(jī)器人控制系統(tǒng)及上位機(jī)；

（3）激光尋位確定焊縫

根據(jù)3D 激光掃描的位置信息，機(jī)器人移動(dòng)至焊縫位置附近，使用機(jī)械臂前端的激光尋位設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫位置進(jìn)行精確定位；

（4）機(jī)器人智能焊接

兩臺(tái)機(jī)器人自動(dòng)調(diào)用焊接程序，從焊縫兩側(cè)開始施焊作業(yè)；完成焊接后，機(jī)器人向控制系統(tǒng)發(fā)送焊接完成的指令；在焊接過(guò)程中，通過(guò)焊接在線檢測(cè)裝置，對(duì)焊接的質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并對(duì)焊接故障進(jìn)行信息報(bào)警等；

（5）焊槍清理

每次焊接作業(yè)完成后，自動(dòng)進(jìn)行焊槍清潔。

4.2 背燒工位

通過(guò)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工件自動(dòng)輸送至背燒工位，并通過(guò)背燒設(shè)備自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)小組立的修補(bǔ)背燒。

（1）工件輸送至背燒工位

機(jī)器人向控制系統(tǒng)發(fā)送焊接完成的狀態(tài)指令，輸送平臺(tái)將工件輸送至背燒工位。

（2）修補(bǔ)背燒

控制系統(tǒng)將由焊接工位得到的基準(zhǔn)筋板位置信息傳送至背燒工位，自動(dòng)調(diào)整基準(zhǔn)槍頭位置；控制系統(tǒng)根據(jù)焊接工位3D 掃描測(cè)得的筋板間距，自動(dòng)調(diào)節(jié)可移動(dòng)槍頭至背燒位置；檢查修補(bǔ)完成的小組立工件通過(guò)輥道運(yùn)送至光電開關(guān)位置，筋板或肘板前端觸發(fā)光電開關(guān)，背燒裝置開始點(diǎn)火背燒；背燒完成后，筋板末端離開光電開關(guān)時(shí)，背燒裝置停止工作。

4.3 卸料工位

將背燒完成的小組立工件輸送至卸料工位，操作工采用吊機(jī)將工件從流水線上卸下。

4.4 工藝自動(dòng)生成系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)來(lái)料組立的掃描確認(rèn)組立的類型，并將信息反饋至焊接工藝知識(shí)庫(kù)；通過(guò)焊接加工工藝知識(shí)庫(kù)對(duì)焊接工藝進(jìn)行自動(dòng)匹配和推理生成，并對(duì)生成后的工藝通過(guò)MES 系統(tǒng)下發(fā)到設(shè)備中；也可通過(guò)設(shè)備中自帶的焊接工藝知識(shí)庫(kù)進(jìn)行工藝知識(shí)的生成，通過(guò)自動(dòng)調(diào)用生成的焊接工藝進(jìn)行焊接。

4.5 智能管控系統(tǒng)

智能管控系統(tǒng)包括生產(chǎn)線生產(chǎn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、各工位生產(chǎn)負(fù)荷自動(dòng)調(diào)整、運(yùn)行狀態(tài)信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集等功能，能夠操縱控制流水線上所有設(shè)備，實(shí)現(xiàn)工件的輸送、焊接、背燒等功能的全自動(dòng)流水式生產(chǎn)。

5 結(jié)論

（1）梳理了典型船廠的小組立焊接傳統(tǒng)工藝流程，確定需要進(jìn)行數(shù)字化、智能化升級(jí)改造的要素，為實(shí)現(xiàn)小組立智能焊接奠定了基礎(chǔ)；

（2）通過(guò)對(duì)生產(chǎn)線設(shè)備智能化升級(jí)、焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)與工藝知識(shí)庫(kù)，完成了小組立焊接的在線檢測(cè)、智能管控系統(tǒng)等智能化要素的確認(rèn)；

（3）通過(guò)對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行合理規(guī)劃，構(gòu)建了包括焊接工位、背燒工位、卸料工位、智能管控系統(tǒng)等模塊組成的智能化焊接生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了小組立構(gòu)件的智能化生產(chǎn)；

（4）本文所述的小組立智能焊接生產(chǎn)線僅適用于近階段特定船企，由于每個(gè)船舶企業(yè)的生產(chǎn)場(chǎng)地及生產(chǎn)過(guò)程不同，需要做適當(dāng)調(diào)整才能適用于其他船舶企業(yè)。