２０１８年９月２５日第２卷第９期
现代信息科技
Modern Information Technology
Sep.2018 Vol.2 No.9
李帅
（中国船舶重工集团有限公司第七一六研究所 机器人事业部，江苏 连云港 222000）
摘 要：大型船舶或桥梁的小组立或者中组立的建造过程中需要有大量的肋骨（T 型材）焊接的工作，本文设计了一套基于六自由度的焊接机器人，末端搭载携带线激光成像设备，通过铺设轨道在T 型材上进行移动。基于线激光扫描成像，重构焊道并在线规划焊接路径，结合焊接数据库进行匹配，实现了T 型材对口的多层多道自动化连续。 关键词：中厚板；线激光扫描成像；焊道重构；T 型材；多层多道焊接中图分类号：TP242；TG409
文献标识码：A
文章编号：2096-4706（2018）09-0169-05
Ｍｕｌｔｉ－ｌａｙｅｒ ａｎｄ Ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｒｏｂｏｔ Ｐｌａｔｅ Ｂａｓｅｄ
ｏｎ Ｖｉｓｉｏｎ Ｉｍａｇｉｎｇ
LI Shuai
（Robotics Division ，716 Research Institute ，China Shipbuilding Industry Group Co.，Ltd.，Lianyungang 222000，China ）
Abstract ：A large group of ships or bridges needs a large number of ribs （T profiles ）to be welded during the construction process.
A set of six degrees of freedom welding robot is designed in this paper. The terminal carrying line laser imaging equipment is used to move on the T profile by laying the track. Based on line laser scanning and imaging ，welding path reconstructing and planning online ，the multi-layer and multi-channel automation of the T profile is realized with welding database matching.
Keywords ：plate ；line laser scanning imaging ；bead reconstruction ；T profile ；multi-layer and multi-channel welding
收稿日期：2018-08-06
0 引 言
大型船舶或桥梁的小组立或者中组立的建造过程中需要有大量的肋骨（T 型材）焊接的工作，国内有相关机构研究过船舶分段建造过程中的机器人焊接问题[1-3]，也有高校研究钢结构的格子间的机器人焊接问题[4]，以及国外的inrotech 等公司，都推出了舱室焊接的机器人产品，但是都没有在实际应用中解决T 型材的多层多道的焊接问题，并设计制造出相应的产品。国内对机器人多层多道焊接的研究[5]，并没有结合国内造船工业的实际工艺情况，国内的船厂多采用人工组对，其精度不能满足机器人焊接的要求，因此采用机器人焊接，必须要有“柔性”，才可以使其适应人工组对。
本文基于一套轨道式的六轴工业机器人系统，采用线激光扫描成像、重构焊道的方式，结合焊接工艺数据库，实现了坡口间隙在2～16mm ，板厚24～40mm 的中厚板T 型材对口的多层多道焊接。 1 系统设备组成
焊接机器人系统主要由轨道单元、移动平台单元、工业机器人单元、焊接设备单元等部分组成。大型船用舱室多功能焊接机器人系统组成方式如图1所示。
考虑到系统的使用环境是一个门架吊装式的结构，因此设计系统的机器人控制柜时，将焊接电源放置
在吊框内，机器人在移动平台上可以在水平及垂直的方向进行移动。系统
组成如图2所示
。
与第二套系统相比有调整
图1 大型船用舱室多功能焊接机器人系统单元、部件组成
框图
第9期现代信息科技
2 关键技术
2.1 基于激光传感器的焊道重构技术焊道重构2.1.1 相机标定
焊缝重构的首要工作是标定相机坐标系，只有标定了相机坐标系，激光传感器扫描出的焊缝中心点坐标才能转化为机器人世界坐标。赛融激光传感器的相机标定流程如下：
（1）安装好激光传感器，确保传感器与夹具以及夹具与焊之间不会产生晃动；
（2）移动机器人末端到一合适位置
（需要给定rpy 角），读出相机坐标（x c 1，z c 1）及机器人世界坐标（x 1，y 1，z 1），其中x c 1表示激光跟踪点的深度信息，z c 1表示激光跟踪点的左右位置信息，下同；
（3）沿x-或x+移动机器人到一合适位置，读出相机坐标（x c 2，z c 2）及机器人世界坐标（x 2，y 2，z 2）。用rpy 角表示相机坐标系相对于TCP 的姿态，则结合上一步得到的点可以求得绕z 轴的旋转角度
：
（1）（4）沿z-或z+移动机器人到一合适位置，读出相机
坐标（x c 3，z c 3）及机器人世界坐标（x 3，y 3，z 3），则结合上一步得到的点可以求得绕x 轴的旋转角度
：
（2）（5）根据传感器的安装方式确定rpy 角中绕y 轴的旋
转角度等于0，因此由式（1）和式（2）可得相机坐标系相对于TCP 的旋转矩阵为
：
（3）
（6）选定一个焊容易碰触的点p （可以考虑焊缝起始点），用机器人测量该点的世界坐标（x 4，y 4，z 4），而后
将机器人末端抬起到合适位置，用激光传感器捕获p 点的相机坐标（x c 4，z c 4）以及对应的机器人末端旋转矩阵R 及末端偏移t ，由此得到
：
（4）
（7）通过式（4）即可得到相机坐标系原点相对于TCP 的偏移t c 。至此，相机坐标系标定完毕。
2.1.2 焊缝扫描
焊缝扫描分为端点扫描和中间路径点扫描，这是由于在端点处焊缝信息会产生突变，单次扫描容易产生较大的误差，因此在端点处采取两步扫描法，即：
（1）以设定速度扫描端点，检测到焊缝信息发生突变后，记录突变位置的坐标值；
（2）将机器人末端在扫描方向后退5mm ，降低扫描速度重新扫描端点，以新获取的突变位置的坐标值作为端点的坐标值。
完整的焊缝扫描流程如图3所示。
焊缝重构过程如图4所示。
图2
焊接机器人系统结构组成图
送丝机丝盘系统操控台
移动平台拼接轨道
清剪丝器可调支腿
机器人升降底座焊缝跟踪器
机器人本体焊接机器人焊吊框焊机机器人控制柜图4 焊缝重构的场景
第9期
（a ）未填充坡口 （b ）部分填充坡口
图5 焊缝坡口示意图
图3 焊缝扫描流程
2.2 焊接数据库建立及匹配
线激光扫描系统坡口，可以获得V 形坡口焊缝的坡口信息，包括坡口宽度、坡口底部宽度、间隙中心位置、焊缝
起始点、焊缝的结束点等信息，通过预先输入的板厚信息计算坡口角度，通过改变扫描的速度，可以进行坡口的焊道信息重构。焊缝坡口示意图如图5所示。
坡口角度的计算公式如下：
（5）式中：2θ为坡口角度值，a 为坡口测量宽度，b 为坡口
底部测量宽度，H 为板厚，h 为打底层厚度默认为3mm （通过工艺试验确认）。
数据库中包含了坡口角度、底部宽度、层道规划信息、焊接参数、摆动参数、焊道偏移量等参数，如表
1所示。
层、道匹配方式：在匹配好坡口角度和底部间隙后到对应的一组参数进行焊接。在本产品的填充工艺库中，当间隙小于等于16mm 时，每次激光扫描后会自动焊接2层，当间隙大于16mm 小于32mm 时，每次激光扫描后会自动焊接1层，1层焊缝由两道组成。当间隙大于等于32mm 时，
每次扫描后会自动焊接1层，1层焊缝由三道组成，盖面工艺库与填充工艺库的布道原理大致相同，但是为了设计美观，相同底部宽度下的焊道数量有所增加。
配合本方法配备的工艺库，本方法的多次扫描方法具有很好的实时性，
极大提高了每次扫描焊接后焊接路径的准确性，避免了因焊道轨迹偏差较大而产生焊接缺陷。
此处的特定数值为坡口底部距坡口顶部的高度，该值无法直接测量，但是可以通过计算得到。
（6）式中：H p 为坡口底部距顶部的高度，a 为坡口测量宽度，
b 为坡口底部测量宽度，θ为坡口角度，一般通过第一次扫描获得的数据计算得到。
李帅：基于视觉成像的机器人中厚板多层多道焊接技术
表1 部分工艺数据
坡口角度底部宽度层道送丝速度（ipm ）电压（%）焊接速度
（mm/s ）频率
摆幅L 停留时间（s ）R 停留时间（s ）Z （mm ）
50-55201130010351000750-55201230010351000-750-5520133001033140.40.4050-552611300103 3.8 1.2 2.50.30.2950-552612300103 3.8 1.2 2.50.20.3-950-552613300103 3.30.9 4.50.40.4050-552811300103 3.7 1.130.30.21050-552812300103 3.7 1.130.20.3-1050-55
28
1
3
300
103
3.2
0.9
5
0.4
0.4
图6 焊接方法流程示意图
2.3 多层多道焊接方法
中厚板多层多道焊接方法在本项目研发的机器人系统中得以实现，所述焊接方法步骤如图6所示。
（1）对待焊T 型材进行校准，避免错边，对校准后设备进行焊前清理，对T 型材进行人工打底；（2）机器人就位，运行程序，使用线激光寻焊缝中心位置及焊缝始末点位置；
（3）使用线激光扫描焊缝长度方向，获取焊缝坡口平均宽度、坡口底部平均宽度，通过预先输入的板厚信息计算坡口角度；（4）根据扫描获得的底部平均宽度及坡口角度匹配工艺数据库，获取焊接工艺参数。工艺数据库是根据底部宽度及间隙角度编排的，根据底部宽度不同规划1-2层的焊接
路径及参数，工艺数据库包含填充数据库和盖面数据库；
（5）数据库匹配完成后开始自动焊接，由于坡口底部宽度不同，会焊接1-2层后结束，结束焊接后机器人会重新执行线激光扫描程序，重新获取坡口底部宽度，根据新获取的宽度重新匹配填充工艺数据库，获得新的焊接路径及参
数规划，随后机器人开始自动焊接；
（下转176页）
在智能清洁外窗系统设计中，设置了一个舵机控制雨刮系统，其工作流程图如图13所示。而该系统正常运作的关键是雨滴采集和舵机控制，再通过编写算法，让舵机工作。最终能实现下雨天自动关窗且自动执行清洁外窗功能，同时可根据雨量大小来调节雨刮工作的频率。
图13 舵机控制任务流程图
3 结论
本文详细介绍了清洁外窗系统的工作原理、机械结构的设计方法以及控制系统的设计，该系统采用Fre
eROTS实时操作系统，实现了软件定时器任务和舵机控制任务。通过搭建的窗户功能模型，验证了本设计简单且可行，具有一定的应用前景。
参考文献：
[1] 朱春佳.智能窗户清洁机器人控制系统设计[D].杭州：浙江大学，2015.
[2] 张洋，刘军，严汗宇，等.原子教你玩STM32（库函数版）[M].第2版.北京：北京航空大学出版社，2015：529-537.
[3] 李东，柏军.大学计算机组成原理教程 [M].第2版.北京：电子工业出版社，2014：145-158.
[4] 廖惜春.高频电子线路[M].北京：人民邮电出版社，2014：27-30.
[5] 刘军，张洋，严汗宇，等.精通STM32F4（寄存器版） [M].北京：北京航空航天大学出版社，2015：248-258.
[6] 王田苗.嵌入式系统设计与实例开发：基于ARM微处理器与μC/OS-II实时操作系统[M].第2版.北京：清华大学出版社，2002：3-4.
[7] 周坚.单片机C语言轻松入门[M].第2版.北京：北京航空大学出版社，2011：10-23.
[8] 李春葆.
数据结构教程
[M].第4版.北京：清华大学出
版社，2013：64-89.
作者简介：刘咏梅（1989-），女，汉族，讲师。研究方向：
光电材料与器件；蓝剑威（1997-），男，汉族，本科。研究方向：
自动控制。
图7 机器人多层多道的焊接过程及效果
（6）如此循环往复，直到坡口底部宽度和坡口宽度在
差值小于特定数值（该数值与坡口角度有关，坡口角度在第
一次扫描时获得）后，机器人根据坡口底部宽度匹配填充工
艺数据库，随后机器人开始自动焊接，直至焊接完成，一个
工件焊接结束。
（7）机器人移动至下一位置，开始下一个工件的自动
焊接。
本方法通过多次线激光扫描坡口底部宽度来匹配工艺
数据库，具有更大的柔性，可以有效克服传统方法层道过多
造成路径不准确的缺点；本方法通过坡口底部宽度和坡口角
度建立的分解工艺数据库与传统的完整数据库相比适用性更
广，且大大减小了数据库建立难度。
（上接172页） 3 焊接效果
结合大连造船厂的数字化车间改造工作，大型船用舱室
焊接机器人结合基于焊道重构的中厚板T型材的多层多道焊
接方法已经开始应用在4-1车间的民用船产线，焊接T型
材效果如图7所示。
4 结论
本文采用自主研发的机器人系统、视觉系统，探索了机
器“柔性”自动化焊接船用中厚板的方法，已经实现了产品
在相关产线上的应用，为后续的视觉成像后再焊接研究铺垫
了道路。
参考文献：
[1] 孙腾，林送武，何林，等.用于船舶分段制造的焊接机器人：
CN206824862U [P].2018-01-02.
[2] 孙腾，林送武，何林，等.用于船舶分段制造的焊接机器人：
CN106984921A [P].2017-07-28.
机器人焊接系统
[3] 刘源，刘芳，马宏波，等.基于激光测距的船体分段焊缝
自主寻位 [J].上海理工大学学报，2017，39（2）：149-153.
[4] 于步江.船舱格子间机器人焊接工艺研究[D].镇江：江
苏科技大学，2013.
[5] 朱宵阳.中厚板机器人多层多道自动横焊工艺研究[D].
天津：天津大学，2017.
作者简介：李帅（1985-），男，黑龙江尚志人，装焊部部长，
工程师，硕士研究生。研究方向：机器人中厚板焊接。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议