无轨导全位置爬行弧焊机器人在造船中的应用

本文介绍了一种新的能在造船中实际应用的爬行焊接机器人

电焊机

无轨导全位置爬行弧焊机器人

在造船中的应用

马兆瑞，潘际銮，张

朱森强虓，

北京"###$%&!清华大学机械工程系，

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摘要：

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。弧焊机器人；船舶建造；全位置爬行关键词：

专

题讨论——焊接机器人

中图分类号：’(%)%文献标识码：*文章编号："##"+,)#)!,##-&#)+##"-+#%

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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、汕头高新区和川该机器人是国内外首次研制出企业共同开发的^"+,_。

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!立面和运动控制灵活和响仰面负重能力均超过")#QC&、

应速度快的特点^)+%_；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，跟踪本设备主要应用于大型结构的精度达到‘#T[GG。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。

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。

全世界钢铁产量中约有[#a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而我国只有,#ab械化的平均水平已达]#ab$#a，

有很大部分焊接作业离不开人工操作。在这种)#a，

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。

无轨导全位置爬行式弧焊机器人,##[年)月，

在广州文冲船厂进行了工业现场应用实验，通过不立焊和曲面&的焊接操作，对机器人的同位置!平焊、

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。

本文介绍了一种新的能在造船中实际应用的爬行焊接机器人

!

!"!

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/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/1，最高焊接速度#2,"!"-.，跟踪状况良好。

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。弧焊机器人所能工船舶制造中需要焊接的曲面作的最小直径为!"，

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。

图/手工气切割3型坡口

最常用的是单边$%&’的跟踪方式有很多种，

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

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，至少在屏幕但是基本不会影响跟上会比较明显，如图4所示。踪的效果，包括单边和双边跟踪。

!"#跟踪实验

弧焊机器人采用英国$%&’公司的激光自动

跟踪装置，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

$%&’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

器人采用药芯焊丝(50气体保护焊接工艺，分别进

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焊接机器人

电焊机

第卷

图2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：./*保护气板厚(($$左体，!(7*$$药芯焊丝，"形坡口，右，坡口宽度6$$，背面加陶瓷衬垫。如采用手工

图3

表面氧化条件下坡口图像示意图

焊，通常的工艺参数为：电流(:4!，电压(65(8"，焊接速度658#$!$%&。弧焊机器人工艺参数如表

专

题讨论——焊接机器人

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：./*保护气体，!(7*$$药芯焊丝，"形坡口，底宽(*$$，板厚(*$$左右，背面加陶瓷衬垫。焊接参数：电流**45*32!，电压12"，焊接速度成形效果良好。对比(*5(172#$!$%&，1层焊接。前期的实芯焊丝实验可以发现，药芯焊丝所需的工作电压比较高，电流较大，因此相应的焊接效率也就比实芯焊丝有所增加。通常厚(*$$的板

;2<

*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./*

气压摆动停留

速度流量

时间$!)"!"%!+,- #!#$$%&’(&!0$%&’(

!!!(12(11(12

*(76**72**73

3729746745874974974

17:17:17:17:17:

(6*4*4*4*4

4，47:47:，476，4，4764，473473，4，472472，479，4，472

打底*(345(32**72

盖面1(145(16*(78

如果采用人工焊接，则坡口间隙一般为6$$，1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1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，焊接速度可以达到且焊枪没有摆动。船体甲板焊接条件*4#$!$%&，

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./*打底埋弧焊盖面。弧焊机器人的工艺=或加一层填充>，

参数如表(所示。

表$弧焊机器人的工艺参数"平焊#

焊缝型式打底(打底*打底1盖面

电流

电压

机器人焊接成形良好，如图9

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：./*保护气体，板厚(*$$左右，!(7*$$药芯焊丝，"形坡口，

背面加陶瓷衬垫。规范参数为：坡口宽度(*$$，

电流*44!，电压11"，焊速((#$!$%&。成形效果良好，如图:所示。

!!!*(45**4

*14*34*245*94

"!"197813791979197151674

焊接速度

#!#$$%&’(摆动停留

时间$!)

无无无无

(974(474((72874

!结论

实验表明，无轨导弧焊机器人在船舶主要焊接

焊接规范与试件的基本相同。由于打底时工艺掌握得较好，仅用*道焊接即可完成工作。焊缝如图2所示，成形良好，甚至优于埋弧焊。

位置=包括曲面位置>的行走是可行的。机器人的跟踪系统能够适应船体焊缝的坡口预制，跟踪可靠，能够进行无轨焊接。

!"#$%&

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焊接机器人

电焊机

第

卷

尚无法有效地滤除干扰。在光学系统方案!中，增加了中性密度滤光片的数目，弧光和飞溅的干扰有所减弱，但由于激光的强度有限，使得焊缝的特征信息不够明显，不利于跟踪。因此，在光学系统方案增大了激光的功率，并逐渐增加滤光片数"#$中，

弧光干扰已经基本目，干扰依次减少。在方案$中，滤除干净，只是偶尔会有飞溅干扰出现。这是因为，飞溅颗粒的辐射属于黑体辐射，频谱分布范围广，而且由肉眼观察飞溅可知，飞溅的辐射中，红色光的成分居多，因此干涉滤光片对飞溅的滤除效果较之弧光为差。但是，由于飞溅干扰的随机性极大，在后续的图像处理中较易消除。

从上述分析可知，在传感器的光学系统中，通过增大激光功率的同时改变滤光片组吸收强度，可以有效地滤除干扰，并保证较好的激光图像质量，提高了信噪比。

"#研究出结构光视觉焊缝跟踪传感器的光学

系统，得到了信噪比高的焊缝图像，减轻了后续图像处理的工作量，为提高焊缝跟踪的实时性奠定了基础。

要首先逐一测定$#在光学系统批量生产时，

激光器的波长，然后配套定做干涉滤光片。干涉滤以激光器的波长光片的半带宽以%&#%$’(为宜，

位于干涉滤光片的半带宽之间为标准选配滤光片。

改变滤光片组的吸收%#增大激光功率的同时，

强度，可以有效提高焊缝图像的信噪比。

参考文献：

)%*)!*)"*)3*

潘际銮+现代弧焊控制),*+北京：机械工业出版社，!&&&+毛鹏军，黄石生，薛家祥，等+弧焊机器人焊缝跟踪系统研究现状及发展趋势)-*+电焊机，!&&%，"%.%&/：01%!，!!+王

伟，邹奇仕，朱六妹，等+视觉传感焊缝跟踪技术的发展状况及实施方案探讨)-*+电焊机，!&&!，"!.$/：%12+石永华，钟继光，刘桑王，等+视觉传感及图像处理技术在焊接中的应用)-*+电焊机，%000，!0.0/：%13+

专

题讨论——焊接机器人

!结论

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!"#$%&

图P曲面焊接的焊缝

前景。目前还需要改进的工作为设置在焊接过程中调节焊速的装置，以适应实际生产条件的需要。

参考文献：

图O

机器人立焊的焊缝

)%*45’-，65’7，859:，!"#$+;<5=>?@ABC<9D9@@5EF>CGGHIJJIEK>@

!&&$，23.%/：$&1$3+L9DG)-*+MC>HI’N-9K<’5>，)!*)"*)3*)$*

潘际銮，阎炳义，高力生，等+爬行式全位置弧焊机器人)-*+电焊机，!&&$，"$.O/：%1$+

闫炳义+履带式永磁铁爬行机构：中国，!$$!O32)4*+!&&"+南昌大学+爬行式全位置焊机器人轮式后驱车：中国，!$$&%

无轨导弧焊机器人在平焊、立焊和曲面焊接时，基本都能满足焊接质量和生产效率的要求。

无轨导弧焊机器人自动工作时，不需要工人实时监控，可以较好地改善劳动条件，实验中受到工人一致好评，能够在造船工业中推广应用。

无轨导弧焊机器人最大的优点在于无轨导，在工业应用方面具有突出的优势和不可估量的应用

%3)4*+!&&"+

中国机械工程学会焊接学会+焊接手册.第一卷焊接方法及设备/),*+北京：机械工业出版社，%00!+

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/o254.html