马晓平， 董春春

(江苏科技大学 a.海洋装备研究院; b.船舶与海洋工程学院， 江苏 镇江 212003)

船体标记焊接机器人应用

马晓平a,b， 董春春b

(江苏科技大学 a.海洋装备研究院; b.船舶与海洋工程学院， 江苏 镇江 212003)

针对当前船体标记字焊接现状，以此为基础提出采用机器人焊接的方式完成船体标记字离线焊接，并进行离线编程及焊接工艺试验。试验结果表明：相对于传统手工焊接，机器人焊接快速、稳定、焊缝美观，证明焊接机器人在船舶标记字自动焊接方面的高效性，并且其可以完成水平以及斜面的船体标识焊接。

离线编程；机器人；工艺参数；焊缝成形

0 引 言

船舶的某些位置标有各种各样的文字标识。目前我国船舶文字标识有些是提前将钢板数控切割成文字标记，然后像剪纸一样贴焊在船体表面，此种方式，成形虽然美观方便，但是在一定程序上增加了钢材消耗和船舶自身重量。通常采用人工堆焊方式进行船体标记，由于人为因素，标识的焊缝成形、焊接效率等难以保证，但可通过采用机器人焊接自动化系统来改善这一现状，研究机器人在船舶标记字高效焊接的可行性和实用性，具有一定的现实意义。

1 机器人焊接工作流程

1.1 离线编程与焊接流程

在机器人焊接过程中，必须明确焊接位置、标记字焊接内容以及焊缝要求，确定焊接位置和所要完成的标记字焊接要求才能有效地完成焊接工作任务。如图1所示，整个焊接工作包括离线编程和焊接准备2个部分，离线编程与焊接准备工作可同时进行。

图1 离线编程与焊接工作流程

离线编程首先对机器人相关的设备以及环境完成实体仿真与配置，然后进行标记字运动轨迹和焊接姿态的离线编辑，生成焊接轨迹程序。焊接准备是做好机器人焊接功能和工艺参数的调试以及焊接试验焊前的相关准备工作，确定焊接的工艺参数，保证成形焊缝的美观和一次性，尽量减少不必要的重复工作。

1.2 离线编程系统

标记字离线编程工作是依托于模拟仿真平台来实现的。本文仿真平台使用的是专为KUKA机器人离线编程而开发的KUKA SimPro软件[1]，通过与KUKA OfficeLite实时对接，可实现虚拟KUKA控制、周期时间分析和机器人程序的生成。KUKA SimPro的交互界面类似Office办公软件，包含FILE，HOME，MODELING，PROGRAM，DRAWING等菜单键。

软件包括KUKA各种型号机器人的仿真模型以及常见的一些基础模型，可以在HOME激活的状态下，导入所需机器人工作系统的设备模型。KUKA KR 8 R1420 arc HW弧焊机器人可以在软件内自动导入，而其他设备以及环境则需自己建立相关模型，然后导入到KUKA SimPro软件中，该软件支持CAD，SolidWorks等多种软件的文件格式，并且在MODELING激活的状态下可以对配套设备的移动部分和固定部分进行设置。

在PROGRAM界面下，激活其下属JOG工具条即可对机器人进行运动轨迹的编程，在此过程中不仅可调整焊枪的位置，还可修改焊枪的姿态。在完成所有的仿真模拟过程之后，在该状态下新弹出ROBOTS TOOLS工具栏，激活其下属VRC可实现与OfficeLite的连接，进而完成程序的同步转换。

KUKA OfficeLite 是优先为离线应用而开发的，用于与 KUKA SimPro 关联的模拟培训、演示等，可在任何一台计算机上对KUKA机器人进行离线编程并对其进行优化。通过KUKA虚拟示教器操作界面和 KRL 语言句法的应用，离线操作和编程与机器人的操作与编程完全相适应。由于 KUKA OfficeLite 不需要多功能卡，故可安装于任何个人台式或笔记本电脑中。

1.3 焊接机器人系统运动模拟仿真

船舶文字标记有多种不同的样式，可以在CAD中按尺寸比例1∶1画出，将CAD图导入KUKA SimPro软件中，通过KUKA SimPro软件可对焊接机器人进行3D焊接路径规划，模拟仿真示教操作的过程。定义好机器人的TOOL坐标和BASE坐标后，在PROGRAM激活状态下，对标记字的运动轨迹进行模拟示教编程，编程的程序代码会生成在软件左边的显示框中。激活VRC工具栏，与KUKA虚拟控制系统OfficeLite同步连接，在虚拟示教器上会同步生成KUKA SimPro软件中的程序代码，并且相关的弧焊等功能指令只能在OfficeLite的虚拟示教器中添加，如图2所示。整个过程类似于实际示教器的示教，直至完成所有焊接过程的模拟仿真。

图2 KUKA SimPro与OfficeLite的同步连接

模拟仿真过程中的某些环节可以体现焊接机器人离线编程的快速性。在CAD中所做的标记字样式可通过多段线的方式合并成一个个不间断的轨迹，导入到KUKA SimPro软件后，可直接对整个运动轨迹一键捕捉，并生成轨迹的运动程序，大幅减少编程所需时间。另外，软件还可通过轨迹的运动程序估算出整个运动过程所需时间，帮助操作者更合理地安排机器人焊接的工作时间。

KUKA机器人的程序模块始终保存在文件夹“Program”中，模块用“M”标示，主要由2个部分组成。一部分是包含程序源代码的SRC文件，另一部分是含有固定数据和点坐标的DAT文件，因此对程序进行复制或删除的操作时，要把2个部分一起复制或删除，缺少其中任何1个，程序都不能正常运行。当在KUKA OfficeLite虚拟示教器上编写好程序后，生成的两种格式的程序代码文件可通过移动U盘传输到机器人上。

2 标记字的焊接

不同船舶的标记字有不同的焊接规格要求，如图3所示，针对图中标记字的焊高和焊宽要求，通过试验得出相对可行的焊接工艺参数，最终得到符合焊接要求的焊缝。通过此次试验，可验证船舶标记字机器人离线自动焊接的高效性，并分析焊缝成形的结果。

图3 焊缝需满足的焊接规格要求示例

2.1 试验设备和材料

(1) 试验选用KUKA公司生产的六自由度KR 8 R1420 arc HW型焊接机器人并配有德国EWM Phoenix 551 Puls逆变分体式全数字化焊接电源。

(2) 试验采用的钢材是A级船用钢，具有良好的焊接性，并且选取直径为1.2 mm的JQ.MG70S-6实芯焊丝，单盘质量20 kg。

(3) 气体保护焊中，保护气体主要是排掉焊枪里的空气，使电弧和焊接区域与焊枪外面的空气隔绝起来，以免空气对焊缝的成形造成不利影响。试验选用的保护气体为80%Ar+20%CO2，气体流量为15 L/min[1]。

(4) 试验中选取的工件钢板尺寸为12 mm×300 mm×500 mm。

2.2 焊接工艺试验

EWM焊机送丝速度与焊接电流是成比例的，由于焊接电流本身是不可调的，只能通过调节送丝速度间接地改变焊接电流，而焊接电压则可通过焊机自身的补偿电压来调节。首先以保证焊缝成形美观、无飞溅为主要目的，对焊接工艺参数进行调试，确定了表1中编号1所示的工艺参数之后，针对焊接规格要求，又进行以下几组焊接试验。通过比较发现，前几组的焊宽不符合图3中焊缝的宽度要求，只有编号4所示的焊接工艺参数，其成形的焊缝既符合焊接规格要求，焊接过程又无飞溅。试验的焊接工艺参数以及成形焊缝如表1和图4～图7所示。

表1 焊接工艺参数试验

图4 编号1焊缝成形

图5 编号2焊缝成形

图6 编号3焊缝成形

图7 编号4焊缝成形

EWM焊接电源有常规和特殊两步两种焊接收弧程序。采用常规的焊接收弧程序，焊接过程中，只含有主焊接程序，在焊接结束的时候会出现弧坑，必须通过离线编程的方式，在焊接结束的位置调试出合适的收弧工艺[2]，但这会增大编程的工作量。采用特殊两步焊接收弧程序，在此工作方式下，包含初始焊接程序、主焊接程序和收弧焊接程序，可以直接在焊机面板上对收弧焊接工艺参数进行修改，这种方法更便于操作。

此次试验选用特殊两步的焊接收弧方式，在确定焊接工艺参数之后，试验得出较优的初始焊接程序和收弧焊接程序的工艺参数，如表2所示。

表2 初始和收弧焊接工艺参数

2.3 标记字离线焊接

将离线编程生成的SRC和DAT文件导入机器人之后，还需解决如何让程序中的坐标系与实际位置相匹配的问题。本文采用的方法是重新建立1个基础坐标系Base1，将模拟仿真生成的轨迹程序复制1份，将原来的Base更新为Base1即可。具体操作过程是将离线程序中TOOL数字坐标输入到机器人TOOL工具坐标中，并以此TOOL坐标系为基准重新测量实际位置的BASE1坐标，然后将原程序中TOOL和BASE替换成对应的TOOL和BASE1坐标，即可实现标记字在工件上的离线焊接。离线编程生成的程序代码导入机器人后，经过焊接试验测试可知，此种方法还可实现斜面不大于45°船舶标记的焊接，实际焊接成形的焊缝如图8所示。

图8 离线焊接生成的标记字焊缝

2.4 试验结果与分析

根据试验的焊接工艺参数和离线编程的路径规划进行焊接后，机器人在焊接过程中运行轨迹极为精准，而且异常快速，适用于复杂船舶标记字的焊接。本次焊接一次成形，焊缝成形美观，没有飞溅，符合焊缝的焊接规格要求，可用于平面和不大于45°斜面的焊接。

机器人可实现连续作业，不会出现疲劳、情绪等因素引起的质量问题，焊接质量稳定。在保证质量的前提下，采用机器人焊接可调试更大焊接工艺参数，进一步提高焊接的效率。而且机器人焊接操作简便，只需离线编好焊接程序，导入机器人后简单操作即可焊接，焊缝一次性成形，减少打磨等后续的工序，还可估算出整个焊接过程所花费的时间，使机器人焊接工作的安排更加优化，既减少标记字焊接占用的时间，又节省人工。

虽然人工焊接较机器人焊接更加灵活，不限场地，无需进行机器人操作的相关培训，另外机器人焊接系统的购置成本也较高，但是随着制造业用人成本的逐年上升，焊接机器人是未来智能船厂必备的生产工具。研发出合适的标识焊接软件，合理安排焊接机器人进行焊接工作，对于企业生产效率的提高利大于弊。

3 结 论

标记字的样式各不相同，所以焊接工艺也要相对调整。本文中焊接速度为0.5 m/min，送丝速度为3 m/min，焊接电流为113 A，焊接电压为16.2 V，通过调整适当的收弧工艺，即可获得符合条件的焊缝成形。与人工焊接相比，机器人焊接的标记字速度更快，质量更稳定，焊缝成形更美观，而且还减少了焊后打磨、返工等工序，极大地提高船舶标识焊接成形的效率。建议在应用中建立标识标准数据库以及焊接工艺数据库，这样就可以高质量、高效率地完成标识的焊接工作任务。以此为基础，可对不同焊接位置要求的机器人焊接开展更深入的研究，为船舶制造智能化打下坚实的基础。

[1] 许伟龙. 船体双壳分段机器人焊接技术研究[D].镇江：江苏科技大学，2010.

[2] 张禹，王世龙，罗震，等. 基于机器人堆焊增材制造工艺与方法研究[J].制造业自动化，2013(11)：145-147.

ApplicationofHullMarkingWeldingRobot

MA Xiaopinga，b， DONG Chunchunb

(a. Marine Equipment and Technology Institute, b.School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, Jiangsu, China)

Robot welding is put forward to finish the off-line welding ship hull marked word based on the present situation, and the off-line programming and welding process test are also carried out. The test results show that the robot welding is rapid, stable and has beautiful weld shape compared with the traditional manual welding, which proves that the welding robot is the efficient in the automatic welding of hull marked word, and it can finish the horizontal and the slope welding of hull marked word.

off-line programming; robot; processing parameter; appearance of weld

江苏高校高技术船舶协同创新中心/江苏科技大学海洋装备研究院资助项目(编号：HZ20170008)

马晓平(1964-)，男，研究员级高工，研究方向为船舶与海洋结构物先进制造技术

1000-3878(2017)06-0068-05

U671

A