張本順，孫凱，許燕玲，張華軍

1．哈爾濱工程大學(xué) 黑龍江哈爾濱 150001

2．江蘇自動化研究所 江蘇連云港 222006

3．上海交通大學(xué)材料學(xué)院上海市激光制造與材料改性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200240

1 序言

機(jī)器人焊接因其質(zhì)量穩(wěn)定、效率高、重復(fù)性好和柔性強(qiáng)的優(yōu)勢而越來越多地被應(yīng)用在智能制造領(lǐng)域，例如，汽車行業(yè)中機(jī)器人焊接應(yīng)用占比約40%。然而在海工裝備制造中，傳統(tǒng)的示教-再現(xiàn)型機(jī)器人卻很難大規(guī)模直接應(yīng)用于實(shí)際焊接生產(chǎn)中，其應(yīng)用不足2%。主要是因?yàn)樵诖昂９ず附又圃熘写嬖谥罅慷ㄖ苹菢?biāo)件，加上多品種、小批量的特點(diǎn)（見圖1），導(dǎo)致機(jī)器人不能應(yīng)用或者不適用，效率低下，迫切需要機(jī)器人焊接具有更高的適應(yīng)性和柔性。因此，要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能化焊接在船舶、海工、鋼結(jié)構(gòu)和工程機(jī)械中的大規(guī)模應(yīng)用推廣，還有很多亟需解決的重要問題[1，2]，其中機(jī)器人焊接自動編程技術(shù)是關(guān)鍵[3，4]。

圖1 船舶海工裝備制造中的多品種、小批量、定制化非標(biāo)件

2 關(guān)鍵技術(shù)

要在多品種、小批量、定制化非標(biāo)件的船舶海工裝備制造中實(shí)現(xiàn)大規(guī)模使用機(jī)器人焊接，需要突破的關(guān)鍵技術(shù)如圖2所示，包括焊接自動編程技術(shù)、機(jī)器人焊接控形與控性技術(shù)和視覺傳感系統(tǒng)等。

圖2 基于數(shù)字孿生及視覺傳感的海工裝備機(jī)器人智能化焊接關(guān)鍵技術(shù)

機(jī)器人智能化焊接解決方案如圖3所示，其中機(jī)器人焊接自動編程是關(guān)鍵，主要包括焊接數(shù)字孿生、離線編程、3D視覺等關(guān)鍵技術(shù)。利用數(shù)字孿生系統(tǒng)快速自動編程，再利用3D視覺自動修正焊接軌跡，可提高焊接效率，實(shí)現(xiàn)多品種、小批量、定制化非標(biāo)件的機(jī)器人焊接，解決機(jī)器人智能化焊接在船舶海工裝備應(yīng)用中的一些痛點(diǎn)和難點(diǎn)問題，逐步實(shí)現(xiàn)智能焊接替代人工，讓機(jī)器人焊接在這些領(lǐng)域能用、好用。

圖3 機(jī)器人智能化焊接解決方案

3 機(jī)器人焊接自動編程

目前，市場上關(guān)于焊接的自動編程軟件有很多，如以色列的S m a r t T C P、A B B機(jī)器人的RobotStudio、KUKA機(jī)器人的Simpro編程軟件、發(fā)那科機(jī)器人的Roboguide、荷蘭的RinasWeld、澳大利亞臥龍崗大學(xué)的Verbotics及荷蘭的Delfoi 機(jī)器人離線編程軟件等。機(jī)器人焊接自動編程流程如圖4所示，其實(shí)現(xiàn)主要包括以下4步。

圖4 機(jī)器人焊接自動編程流程

第一步，模型導(dǎo)入與焊縫編輯。從三維設(shè)計(jì)軟件里導(dǎo)出焊接工件三維模型，利用數(shù)字孿生系統(tǒng)對焊接工件模型進(jìn)行編輯，設(shè)置焊縫，生成坡口并設(shè)置焊道焊接順序。

第二步，運(yùn)動仿真與焊接仿真。在數(shù)字孿生系統(tǒng)中編輯機(jī)器人焊接動作，進(jìn)行運(yùn)動仿真，確認(rèn)加工路徑正確、沒有碰撞，并生成機(jī)器人焊接路徑。

第三步，3D焊接軌跡校正。修正機(jī)器人實(shí)際焊接路徑，利用3D視覺掃描整個工件，對工件進(jìn)行識別和空間定位，并校正三維零件模型和實(shí)際工件焊縫位置，獲得實(shí)際焊縫位置數(shù)據(jù)。

第四步，焊接過程控制。機(jī)器人根據(jù)焊接指令運(yùn)動到焊縫起始位置開始焊接，并利用激光視覺傳感對焊接過程進(jìn)行實(shí)時焊縫跟蹤控制，利用被動視覺傳感系統(tǒng)對熔池進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，最終完成工件的整個焊接。

4 焊接數(shù)字孿生系統(tǒng)

“數(shù)字孿生”作為一種“改變游戲規(guī)則”的顛覆性技術(shù)，是傳統(tǒng)行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要驅(qū)動力量，可以實(shí)現(xiàn)物理空間與數(shù)字空間實(shí)時雙向同步映射及虛實(shí)交互，在虛擬信息空間構(gòu)建一個機(jī)器人焊接動態(tài)過程的虛擬系統(tǒng)，基于多傳感技術(shù)在虛擬空間中完成實(shí)物的精準(zhǔn)映射，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人焊接成形過程進(jìn)行動態(tài)協(xié)同優(yōu)化控制，是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能化焊接技術(shù)新的突破點(diǎn)。研究基于工業(yè)數(shù)字孿生驅(qū)動的機(jī)器人智能化焊接技術(shù)對機(jī)器人智能再制造技術(shù)的推廣具有重大意義。機(jī)器人焊接數(shù)字孿生的數(shù)字系統(tǒng)與實(shí)物系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 機(jī)器人焊接數(shù)字孿生系統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)與實(shí)物系統(tǒng)

數(shù)字孿生是數(shù)字世界和物理世界深度融合的共生體，是智能制造應(yīng)用落地的一個重要手段，具備開放和動態(tài)制造場景的識別與適應(yīng)能力，對制造過程的實(shí)時感知與控制能力，以及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的虛實(shí)交互與控制優(yōu)化，是下一代智能制造的關(guān)鍵[5]。

焊接發(fā)展歷史悠久，焊接過程復(fù)雜多變，尤其是船舶海工裝備焊接件品種多、批量小、定制化非標(biāo)件多，裝配間隙不一致，以及工藝優(yōu)化滯后等，阻礙了機(jī)器人智能化焊接的發(fā)展?；跀?shù)字孿生系統(tǒng)的機(jī)器人智能化焊接采用離線編程方法，允許終端用戶以直觀、快速的方式對機(jī)器人進(jìn)行編程，工人能夠自動配置焊接參數(shù)和編程機(jī)器人，生成機(jī)器人軌跡并將其自動發(fā)送到機(jī)器人系統(tǒng)，而無需使用機(jī)器人示教器，通過實(shí)時控制命令主動將機(jī)器人焊接過程保持在界限內(nèi)?；跀?shù)字孿生系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)數(shù)據(jù)交互融合，使焊接生產(chǎn)線物理實(shí)體與其數(shù)字孿生體實(shí)時聯(lián)動并相互映射，對機(jī)器人焊接生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時反饋、迭代優(yōu)化、監(jiān)督報警等，為焊接過程提供決策建議，從而保證機(jī)器人焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。

目前，基于數(shù)字孿生技術(shù)的建模和仿真與以往大不相同，不再是處于離線、獨(dú)立和特定階段存在的狀態(tài)，而是已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了與真實(shí)的物理世界建立持久、實(shí)時、可交互的連接。在焊接中，數(shù)字孿生模型和機(jī)器人焊接裝備實(shí)物是相互影響的，是機(jī)器人智能化焊接的關(guān)鍵技術(shù)。上海柏楚電子科技股份有限公司開發(fā)的焊接數(shù)字孿生系統(tǒng)建模及仿真軟件如圖6所示。

圖6 焊接數(shù)字孿生系統(tǒng)建模及仿真軟件

5 視覺傳感技術(shù)

視覺傳感器以非接觸特性、信息豐富、精度高、檢測速度快及適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[6]，在數(shù)字孿生系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，是修正焊接軌跡、實(shí)現(xiàn)焊接自動編程的關(guān)鍵，被廣泛用于機(jī)器人焊接定位、焊接導(dǎo)引、焊縫跟蹤和焊接過程監(jiān)控中?；?D視覺的機(jī)器人智能化焊接數(shù)字孿生系統(tǒng)如圖7所示。其中常用的3D視覺廠家有西安知象光電科技有限公司、中科融合感知智能研究院有限公司、浙江漢振智能技術(shù)有限公司等。

圖7 基于3D視覺的機(jī)器人智能化焊接數(shù)字孿生系統(tǒng)

在數(shù)字孿生系統(tǒng)中，數(shù)字世界和物理世界的準(zhǔn)確協(xié)調(diào)聯(lián)動是關(guān)鍵，利用3D宏觀視覺技術(shù)，對工件整體形貌進(jìn)行掃描，與工件模型進(jìn)行比對后，可自動調(diào)節(jié)工件在數(shù)字孿生系統(tǒng)內(nèi)的位置，并且由系統(tǒng)再次計(jì)算修正焊接軌跡及空移軌跡，以及通過點(diǎn)云配準(zhǔn)對工件進(jìn)行初定位[7]（見圖8），實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動編程焊接。

圖8 基于3D視覺的焊接工件路徑修正及點(diǎn)云配準(zhǔn)初定位

6 結(jié)束語

在船舶、海工、鋼結(jié)構(gòu)和工程機(jī)械等焊接制造中存在著大量定制化非標(biāo)件，傳統(tǒng)的示教-再現(xiàn)型機(jī)器人很難直接應(yīng)用于這些領(lǐng)域的實(shí)際焊接生產(chǎn)中?；跀?shù)字孿生及視覺傳感技術(shù)的機(jī)器人焊接自動編程是實(shí)現(xiàn)智能化焊接在多品種、小批量、定制化非標(biāo)件領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵所在。因此，開展焊接數(shù)字孿生、離線編程、3D視覺焊接路徑修正和焊接定位等關(guān)鍵技術(shù)的研究，對于提升我國裝備制造焊接水平、提高船舶海工制造工程的自主配套能力，以及滿足國家新型船舶戰(zhàn)略安全需求均具有重要意義。