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機器人焊接技術在航天（tiān）領域的應用

2020-6-3 來源：-- 作者：-

隨著國家科（kē）技重點專項的提出和推進（jìn），未來將在載人航天與探月工程、深空（kōng）探測及（jí）空間（jiān）飛行器（qì）在軌服務與維護（hù）等國家重大專項規劃的（de）框架下，開展大型航（háng）天飛（fēi）行器的研製。大型航空航（háng）天飛（fēi）行器一般具有尺寸大、剛性弱、結構形式日益複雜等特點。在大型鋁合金航天器結構中，存在大（dà）量複（fù）雜形式的焊縫，如球形、圓柱形、圓（yuán）台（tái）殼體（tǐ）與圓（yuán）形、異形法蘭形成的相貫線等。航天器製造具有高質量（liàng）、高（gāo）可靠、高柔性、高效率及低成本等要求，因（yīn）此製造模（mó）式升級迫在眉睫。

人口紅利時代已經過去，以機械化（huà）、自（zì）動化為主流的機械加（jiā）工（gōng）製造過程成為提高社會生產效率，推動企業和社會生（shēng）產力發展的有效手段。焊接技術作為機械製造的重要的加工過程之（zhī）一，廣泛應用於航空（kōng）航天、軌道交通及石油化工等工業（yè）領域。機器人自動化焊接技術（shù）能夠顯著提高大批量產品加工的生產效率，產（chǎn）品質量可靠性及一致性（xìng）大大增強。本文針對大型航天器結構中的幾種典型產（chǎn）品（pǐn）的焊接需求（qiú），開展了機器人自動化焊接的探索與實踐。

1、多軸聯動變（biàn）極性等離（lí）子弧焊（hàn）接機器人裝備及工藝

1.1 複雜空（kōng）間曲線焊縫需（xū）求及方案設計

在大型（xíng）鋁合金航天器結構（gòu）中，存（cún）在大量（liàng）複雜形式的焊縫，如球形、圓柱形、圓台殼體與圓形、異形法蘭形成的相貫線等。目前大多靠手工鎢極氬弧焊來完成這類曲（qǔ）線焊縫的（de）焊接。手工鎢極氬弧焊生產過程（chéng）中存在的問題主要有：

①反複補焊影響產品研製進度。

②熱輸入量大，焊接殘餘應（yīng）力水（shuǐ）平高，容易導（dǎo）致產（chǎn）品尺寸（cùn）超差。針對（duì）此需求，提出了基（jī）於關節機器人的11軸聯動空（kōng）間曲線焊縫VPPA 穿孔立焊機器人焊接係統方案，如（rú）圖1所示。

1.2 專用焊接機頭研（yán）製

目前通用等離子焊槍焊接鋁合金空間曲線焊縫時仍然存在著鎢（wū）極燒損、實（shí）時調整動態響應能力不足等問題。為進一步保證和提高VPPA空間曲（qǔ）線焊縫的焊接質量，設計了一種體積、質量（＜15kg）合適，精度高，自動化程度（dù）高的等離子焊接（jiē）專用機頭。等（děng）離子焊（hàn）接機頭能在（zài）視頻監控下完（wán）成焊槍的姿態調節以及送絲角度和速度的調節（jiē）。焊槍姿態調節包括焊槍伸縮機構，焊槍軸向旋轉（zhuǎn）機（jī）構，焊槍（qiāng）平移機構。

通過專用焊接機頭（見圖2）的控製實現對焊（hàn）接過程中的熔池狀態、電弧形態進行精細的調整，機頭的機械定位精度可以達到±0.1mm的水平。這個過（guò）程（chéng）可以通（tōng）過焊接參數（shù）統計分析、焊接過（guò）程圖像處理及人工智能技術進（jìn）行自動控製。由於焊接過程的精細調整對控製速度的要求並不高，也可以通過操作者對視（shì）頻監控和（hé）焊接參數監控的（de）觀察（chá），人工調整焊接機（jī）頭的操作。

1.3 多（duō）軸聯動VPPA焊（hàn）接裝備（bèi）係統集成與應（yīng）用

采用站立式機器人焊接（jiē）工作站係統。6軸機器人安（ān）裝於三維移動裝置上（shàng），工件（jiàn）安（ān）裝於2軸變位機上。三（sān）維移（yí）動裝置可實現高（gāo）向（z軸）、橫（héng）向（x軸）、縱向（xiàng）（y軸）的獨立調節，增加機器人移動範圍，使其有效焊接範圍能夠滿足產品（pǐn）焊接的要求。通過對6軸機器人+三維（wéi）移動裝置＋雙軸變位機係統的集成，實現對焊槍與焊縫相對位置的實時控製，使VPPA焊槍與焊縫的（de）相對（duì）位置在複雜曲（qǔ）線焊縫焊接（jiē）過程中，始終處於垂（chuí）直立向上的關（guān）係。研製完成（chéng）的多軸（zhóu）聯動變極性等離子（zǐ）弧大（dà）型自動化焊接裝備如圖3所示。

2、全向智能移動焊接機器人開發（fā）及應用

2.1 大型薄壁弱剛性產品焊接需求

飛船、空間站等大型航天器的輻射器作為空間飛行器的主動散熱設備（bèi），其加工質量和壽命將直接決（jué）定航天（tiān）任務的（de）成敗。輻射（shè）器是由液管回路、熱管回路及金屬蒙皮（pí）通過焊（hàn）接裝配而成，是一種大（dà）尺寸、弱（ruò）剛度、強（qiáng）約束的複雜蒙皮（pí）結構。典型航天器輻射器結（jié）構如圖4所示，由於大量液/熱管路的空間走向十分複雜，預先定位（wèi）在工裝上的管路翼形焊接邊（biān）緣的實際（jì）位置難以精（jīng）確保證，且大（dà）量焊縫依（yī）次焊接產生的焊接變形會進一步降低管（guǎn）路翼形焊（hàn）接邊（biān）緣的位置（zhì）精度。針對此需求，提出了由全向智（zhì）能移動平台、安裝在平台上的機器人（rén）焊接係統組成的全向智能移（yí）動（dòng）焊接機器人，相對於（yú）傳統的坐標機器人專（zhuān）機係統（tǒng），該係統具有較強的操（cāo）作靈活性與工作空（kōng）間適應性，應用前景廣闊。

2.2 全向移（yí）動焊接機器人係（xì）統集成

全向移動自動焊接（jiē）機器人是以一套“智能移動平台+柔性（xìng）焊接（jiē）機器人+激光跟蹤與視頻監測係統”為核心的智能化（huà）柔性製造裝備。該裝備基於德國kuka公司的KR-30機器人與福尼斯的CMT焊機，搭載（zǎi）全（quán）向智能移動平台車，研製了可移動自動焊接機器（qì）人係統，並配置（zhì）激光跟蹤係統，通過激光照射焊縫（féng），根據反射（shè）回來的激光信號與（yǔ）測量係統光（guāng）軸的偏離角，實時糾正由於（yú）焊接變形等造成的焊槍軌跡（jì）偏差，操作者可通過焊接視頻監測（cè）係統（tǒng）獲取（qǔ）實時焊縫熔（róng）池信息，實現人（rén）在回路的自動化焊接。

（1）智能移動平台係統

智能（néng）移動平台係統是一種基於智能控製的高端全向移動裝備（bèi）產品，為（wéi）大（dà）型重載產品靈活轉運（yùn）和精確定位，提（tí）供了高效解決（jué）方案。產品特點：全方位靈活移（yí）動、精（jīng）準（zhǔn）控製、安全大承載、智能化。全向智能（néng）移動平台車選用2t承載平台車，通過對（duì）四套輪係的獨立（lì）控製實現平台（tái）車（chē）的（de）全方位移動；同時設有真空吸盤地腳支撐，可用於工作過程中的穩定支撐；車（chē）上設有避障裝置和急停裝置，用於緊急製動。全向智能移動平台係統（tǒng）如圖5所示。

（2）激光跟蹤與視頻監測係統

平台（tái）車係統軌跡誤差（chà），工件加工誤差（chà）、焊接過程中的熱變形、夾具的不精確等因素均會造成（chéng）電弧與焊縫對（duì）中的誤（wù）差，必須采用焊縫跟蹤裝置用於（yú）檢測構件位置、坡口位置或焊（hàn）縫中心（xīn）線位置（zhì）已達到焊縫位置自動跟蹤（zōng）的目（mù）的，以便能得到均勻的焊縫（féng）。焊接過程采用視頻監控，設計（jì）了一款用於自動或半自動（dòng）焊接過程的視頻（pín）監測係統，該係統采用外（wài）部脈衝觸發控製，有效抑製（zhì）脈衝焊接過程的圖像閃爍，方便焊接過程參數微調控製。激光跟蹤與視頻監測係統如圖6所示。

2.3 全向移動焊接機器人產品應用

首次將（jiāng）智能移動焊接機器人係統（tǒng）應用於大型薄壁結構複雜空間曲線焊縫的焊接，解（jiě）決了大尺寸輻（fú）射器管板複雜空間曲線焊（hàn）縫裝配精度低，無法實施自動焊接的難題（tí）。焊接生產（chǎn）現場如圖7所示。

圖7中的產品結（jié）構焊縫（féng）形式主要分為兩種形式：一種為管-管焊接，單邊為6mm的雙V形焊縫結構，一種為管-板焊接，0.8mm和（hé）1mm的異種鋁合金焊接結構。針對管-管的“深V形”焊縫，在普通（tōng）CMT焊接參數的基礎上增（zēng）加了高頻脈衝，增加了電弧的挺度，減小了焊縫的熱輸入，焊縫成形飽滿，並且（qiě）有效抑製了焊（hàn）漏缺陷，產品（pǐn）質量可靠性和合格率大大增加。另外（wài），優化了全位置的不等厚鋁板空間曲（qǔ）線焊縫焊接參數（shù）；通過改變工裝壓板方（fāng）式，解（jiě）決了薄板對接焊縫中（zhōng）的板變形（xíng）問題；通過增加（jiā）機器人末端焊槍自動擺動焊接功能，解決了焊縫間隙不均（jun1）勻問題。

3 結束語（yǔ）

1）針（zhēn）對大型航天器（qì）複雜（zá）空間曲線焊縫焊接需求，開發了11軸聯動變極性等離子（zǐ）弧大型自動化焊接裝備，設計開發了變極性等離（lí）子弧專用焊（hàn）接機頭，實現了封閉曲線焊縫的（de）全程VPPA穿孔焊接，能夠（gòu）成功應用於飛船金（jīn）屬密封大底空間曲線焊縫的焊接。

2）通過硬件集成和軟件通信，研製了基於智能移動平台車、柔性焊接機器人和（hé）激光跟（gēn）蹤與視頻監控的智能移動焊接機（jī）器人係統。通過優化焊接工藝（yì），解決了（le）不等厚薄板鋁合金和（hé）雙V形厚板高效率焊接難題，實（shí）現了（le）航天（tiān）器輻射器典型（xíng）產品的焊接應用。

3）基於全過程（chéng）數據驅動（dòng）的智能化焊（hàn）接為未來發展趨勢，研究數據（jù）驅動的智（zhì）能推理技術，利用數據挖掘建立關聯規則，為焊前智能規劃和在線智能控製提供（gòng）依據，實現製造模式升級。

（來源：工業機器人）

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