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QJG-1203低殘留應(yīng)力機(jī)器人自動焊根清理設(shè)備是我公司在吸收國內(nèi)外 先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上自主創(chuàng)新研制開發(fā)設(shè)備。該設(shè)備廣泛應(yīng)用于化工、鍋爐、壓力容器、艦船、船舶制造業(yè)及大型制管業(yè)制造流程中自動焊根清理機(jī)器人技術(shù)的研究，結(jié)合移動機(jī)器人和銑削加工，提高清根效率和自動化水平，提高清根精度，降低生熱，保證低殘留應(yīng)力，研制低殘留應(yīng)力自動焊根清理機(jī)器人裝備，實現(xiàn)潛艇制造的自動化和智能化，縮短制造周期，提高制造質(zhì)量，為實現(xiàn)潛艇智能建造提供裝備和技術(shù)支撐。開展低殘留應(yīng)力機(jī)器人自動焊根清理設(shè)備制造前沿應(yīng)用技術(shù)研究，為我國化工、鍋爐、壓力容器、艦船、舶制造的自動化和智能化、縮短制造周期、提高制造質(zhì)量服務(wù)，最終實現(xiàn)設(shè)備制造的現(xiàn)代化自動生產(chǎn)線，為智能化設(shè)備發(fā)展提供技術(shù)支撐。

該設(shè)備填補部分國內(nèi)空白，其結(jié)構(gòu)先進(jìn)、功能齊全、性能可靠、制作精 度高、質(zhì)量穩(wěn)定。產(chǎn)品處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，達(dá)到國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。低殘留應(yīng)力機(jī)器人自動焊根清理設(shè)備是我公司自主研發(fā)的新型裝備，主要用于圓管外環(huán)焊縫和鋼管外縱焊縫的清根和坡口加工。它是化工、鍋爐、壓力容器、艦船、船舶制造業(yè)及大型制管業(yè)的一次工藝性改革，將原來的人工碳弧氣刨工藝轉(zhuǎn)化成低殘留應(yīng)力機(jī)器人自動焊根清理的冷加工工藝。本項目通過開展?jié)撏е圃炝鞒讨凶詣雍父謇頇C(jī)器人技術(shù)的研究，結(jié)合移動機(jī)器人和銑削加工，提高清根效率和自動化水平，提高清根精度，降低生熱，保證低殘留應(yīng)力，研制低殘留應(yīng)力自動焊根清理機(jī)器人裝備，實現(xiàn)潛艇制造的自動化和智能化，縮短制造周期，提高制造質(zhì)量，為實現(xiàn)潛艇智能建造提供裝備和技術(shù)支撐。有如下技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)、創(chuàng)新特點：

1、整機(jī)采用混聯(lián)結(jié)構(gòu)形式：銑削部分采用六軸并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，三軸衍架釆用串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式。使該設(shè)備既具有高剛性、高承載，又具有較大的運動范圍，能夠滿足自動焊根清理使用的要求。

2、焊縫測量跟蹤技術(shù)：考慮加工環(huán)境的光路傳播特性，研發(fā)針對性的基于激光和視覺的焊縫自動測量技術(shù)，基于激光反射的光波干涉原理和視覺測量原理，通過定位算法和測量軟件實現(xiàn)銑削過程自動焊縫監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果實時傳送到機(jī)器人的控制系統(tǒng)，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)對機(jī)器人的運動進(jìn)行實時調(diào)整，保證加工精度。基于焊縫高精度測量，實現(xiàn)機(jī)器人刀盤和焊縫之間的精確定位。研究機(jī)器人縱焊縫和環(huán)焊縫跟蹤控制技術(shù),保證機(jī)器人焊根清理軌跡精度。

3、焊根清理機(jī)器人控制技術(shù)：根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)及工藝任務(wù)要求，構(gòu)建機(jī)器人控制系統(tǒng)，包括驅(qū)動器、控制器、傳感器、人機(jī)交互系統(tǒng)。建 立焊根清理機(jī)器人軟件系統(tǒng)，包括機(jī)器人控制、焊縫跟蹤、清理作業(yè)、人機(jī)交互、狀態(tài)監(jiān)測等。建立機(jī)械本體及驅(qū)動的動力學(xué)模型，根據(jù)系統(tǒng)動力學(xué)模型及加工載荷情況研究機(jī)器人的控制算法，建立焊根清根機(jī)器人控制模型，研究焊根清理機(jī)器人力位混合控制算法，實現(xiàn)機(jī)器人焊根 清理作業(yè)控制。

4、人機(jī)交互系統(tǒng)研究：人機(jī)交互方式包括觸摸屏和電子脈沖手輪，可方便操作人員更替方式執(zhí)行作業(yè)。界面直觀，人工操作時可直接手動點擊和輸入，方便快捷。另外，觸摸屏要接入控制系統(tǒng)通常可二次開發(fā)，其可提供的多元API可極大地提高開發(fā)效率。電子脈沖手輪遙控加工平臺除了觸摸屏遙控之外，操作人員還可直接使用手持式電子脈沖 手輪來遙控。由于激光傳感器量程有限,啟動檢測工藝前，操作人員需通過手輪上按鈕選擇和速度選擇,提前遙控三軸移動桁架使焊縫進(jìn)入傳感器量程范圍以內(nèi)。確保焊縫清根的精度。

5、低殘留應(yīng)力清理殘留應(yīng)力仿真技術(shù)：建立低殘留應(yīng)力焊根清理殘留 應(yīng)力仿真分析軟件平臺。通過仿真，建立低殘留應(yīng)力焊根清理作業(yè)參數(shù)與焊 根材質(zhì)、厚度的關(guān)系曲線庫，優(yōu)化出最小殘留應(yīng)力對應(yīng)的作業(yè)參數(shù)。

6、低殘留應(yīng)力清理試驗驗證：研制六自由度并聯(lián)高剛度高承載低殘留 應(yīng)力機(jī)器人，實現(xiàn)刀盤準(zhǔn)確的空間定位和高剛度的銑削加工。構(gòu)建低殘留應(yīng) 力機(jī)器人自動焊根清理試驗平臺，評估機(jī)器人焊根清理的精度和殘留應(yīng)力等 指標(biāo)。研究焊根清理機(jī)器人控制技術(shù)，研究焊根清理機(jī)器人力位混合控制算法。

六軸加工機(jī)器人采用6-PUS的并聯(lián)構(gòu)型，具有剛度高、承載能力好、動態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點。相比于更為經(jīng)典的Steward（6-UPS）平臺，6-PUS的驅(qū)動元件安裝在固定機(jī)架上，大大減小了運動部件的質(zhì)量慣量，具有更快的響應(yīng)速度。            

6-PUS的機(jī)構(gòu)簡圖如圖1所示。Ai和Bi分別代表第i條支鏈的球鉸和萬向節(jié)的中心， Ci代表Bi的初始位置， ei代表移動副的方向。{ O′}是動平臺坐標(biāo)系，位于Ai構(gòu)成的六邊形的中心。{O}是機(jī)架坐標(biāo)系，為便于編程控制，我們定義，當(dāng)所有電機(jī)回零位時{ O′}與{O}重合。為方便設(shè)計，我們規(guī)定球鉸和萬向節(jié)的分布關(guān)于Z軸中心對稱，且關(guān)于YZ平面鏡像對稱，移動副的方向均平行于Z軸，各連桿長度相等。基于該條件，6-PUS機(jī)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)減少到                                                                     

 5個，分別是動平臺球鉸分布半徑ru、動平臺球鉸分布角θu、機(jī)架萬向節(jié)分布半徑rl、機(jī)架萬向節(jié)分布角θl、連桿長度L。

影響機(jī)器人末端剛度的主要因素有電機(jī)的伺服剛度、減速機(jī)剛度、聯(lián)軸器剛度、絲桿剛度、軸承剛度、結(jié)構(gòu)件剛度。根據(jù)相關(guān)研究文獻(xiàn)，電機(jī)的伺服剛度遠(yuǎn)大于并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)剛度，故認(rèn)為驅(qū)動剛度無窮大。由于本臺六軸加工機(jī)器人設(shè)計采用電機(jī)直接驅(qū)動絲桿，沒有減速機(jī)，故不用考慮減速機(jī)剛度。軸承剛度需要通過接觸剛度計算，具有強(qiáng)非線性，難以進(jìn)行參數(shù)化分析。因此，我們主要分析絲桿和連桿這兩個關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)對機(jī)器人剛度的影響。

對于一個末端位姿，等式(48)共有6個方程，但需要求解54個變量，因此，只用一個位姿進(jìn)行標(biāo)定是無法求解出54個幾何誤差參數(shù)的，至少需要使用54÷6=9個不同的末端位姿進(jìn)行標(biāo)定。實際操作中，往往測量更多末端位姿，再通過最小二乘算法計算出54個幾何誤差參數(shù)，以提高辨識精度。我們在機(jī)器人工作空間內(nèi)隨機(jī)生成50個測量位姿，這50個位姿應(yīng)分布在工作空間的各個角落。

我們已在本實驗室原有的6-PUS平臺上進(jìn)行過標(biāo)定實驗。測量設(shè)備為Leica AT960激光跟蹤儀，可方便地進(jìn)行大范圍、高精度三維坐標(biāo)的測量。空間姿態(tài)的測量比空間位置的測量更加困難，且測量精度更低，因此我們在6-PUS運動平臺的機(jī)架和動平臺上分別安裝3個靶座（如圖3所示），通過三個點構(gòu)建一個坐標(biāo)系，把姿態(tài)的測量也轉(zhuǎn)換成位置的測量。當(dāng)動平臺運動到每一個指點位姿后，需將激光跟蹤儀的靶球依次放在動平臺的三個靶座上，測量對應(yīng)坐標(biāo)。

我們采用Gocator激光傳感器來實現(xiàn)焊縫檢測的功能。Gocator激光傳感器的工作原理（如圖9所示）是：傳感器的相機(jī)從一個角度探測目標(biāo)上的激光線，并捕獲從目標(biāo)上反射回來的激光。 相機(jī)每次曝光捕獲一個輪廓，從某種意義上說是捕獲一個截面。激光反射回相機(jī)的不同位置，具體取決于目標(biāo)與傳感器之間的距離。傳感器的激光發(fā)射器、 相機(jī)和目標(biāo)構(gòu)成一個三角形。Gocator使用激光發(fā)射器與相機(jī)之間的已知距離以及兩個已知角度（其中一個角度取決于相機(jī)上激光返回的位置）來計算傳感器與目標(biāo)之間的距離。該距離轉(zhuǎn)換為目標(biāo)的高度。這種計算距離的方法稱為激光三角測量。Gocator傳感器的測量范圍和精度。

焊縫監(jiān)測跟蹤控制系統(tǒng)方案，利用Gocator激光傳感器在線掃描焊縫的坡口輪廓尺寸，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理可計算出焊縫特征信息（分段拐點和焊縫深度）。

傳感器測得的特征信息經(jīng)過轉(zhuǎn)化后，再與銑刀盤當(dāng)前所在位置做比較，可得空間坐標(biāo)偏差量，以此偏差量作為各方向位置的反饋量，從而完成矯正過程。另外，本方案采用提前檢測焊縫相對偏差的方式，以改善測量值與實際值矯正過程中的時間滯后問題。

本系統(tǒng)主要以Beckhoff CX2040工控機(jī)作為控制核心。Beckhoff工控機(jī)是基于PC控制技術(shù)的開放式控制系統(tǒng)，具有開發(fā)方便，實時性高，穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)點。驅(qū)動系統(tǒng)選用常見的松下伺服系統(tǒng)（驅(qū)動器+電機(jī)）。焊縫測量單元主要依靠Gocator 2340激光傳感器。人機(jī)交互單元采用觸摸屏和手持式電子脈沖手輪方式，可靈活切換。所有硬件設(shè)備之間通信采用Ethercat通信協(xié)議，其具備抗干擾、傳輸穩(wěn)定、速度快的優(yōu)點，在工業(yè)現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境中有明顯優(yōu)勢。就此，以上設(shè)備構(gòu)成整個控制系統(tǒng)的框架。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖7所示。

人機(jī)交互方式包括觸摸屏和電子脈沖手輪，可方便操作人員更替方式執(zhí)行作業(yè)。觸摸屏如圖10所示，界面直觀，人工操作時可直接手動點擊和輸入，方便快捷。另外，觸摸屏要接入控制系統(tǒng)通常還需二次開發(fā)，其可提供的多元API可極大地提高開發(fā)效率。本方案中采用觸摸屏主要完成交互功能包括：啟動傳感器電源、用戶參數(shù)輸入、機(jī)械平臺人工操作（如：home功能）、檢測程序啟動與停止。

遙控加工平臺除了觸摸屏遙控之外，操作人員還可直接使用手持式電子脈沖手輪來遙控。由于激光傳感器量程有限，啟動檢測工藝前，操作人員需通過手輪上按鈕選擇和速度選擇，提前遙控三軸移動桁架使焊縫進(jìn)入傳感器量程范圍以內(nèi)。

在我公司已研制的焊根清理設(shè)備的基礎(chǔ)上，基于已取得的相關(guān)技術(shù)與研究成果，依托長期合作的上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、江蘇科技大學(xué)、上海交大揚州工業(yè)設(shè)計研究院等高校及科研院所的雄厚科研實力，通過對低殘留應(yīng)力機(jī)器 人自動焊根清理設(shè)備六軸加工機(jī)器人、水平進(jìn)給機(jī)構(gòu)、垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)、控制系 統(tǒng)及虛擬與仿真技術(shù)的研究與攻關(guān)，并運用開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的低殘留 應(yīng)力機(jī)器人自動焊根清理設(shè)備。已獲得授權(quán)實用新型專利4件，申請發(fā)明專利1

設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)、六軸加工機(jī)器人6-PUS并聯(lián)構(gòu)型、自動銑削控制系統(tǒng)、激光跟蹤系統(tǒng)等具有獨創(chuàng)性及先進(jìn)性，所有原材料均采用國內(nèi)外優(yōu)質(zhì)供應(yīng)參加，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，并嚴(yán)格按照GJB 9001C-2017武器裝備質(zhì)量管理體系認(rèn)證S實施產(chǎn)品的研制生產(chǎn)。本產(chǎn)品技術(shù)要求規(guī)范齊全，試驗項目、試驗方法完全滿足產(chǎn)品的檢驗要求。該設(shè)備填補國內(nèi)空白，具有柔性化、集成化、能耗低、高精度、質(zhì)量穩(wěn)定等特點。產(chǎn)品處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，達(dá)到國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。

隨著我國化工、鍋爐、壓力容器、艦船、船舶制造業(yè)及大型制管業(yè)等行業(yè)的發(fā)展壯大，加工板材強(qiáng)度及厚度隨之增加，對焊接接頭質(zhì)量提出更高的要求，普通的碳弧氣刨對焊接接頭質(zhì)量存在極大的不利影響，為了解決上述工藝帶來的短板問題釆用低殘留應(yīng)力的清根方式及工藝勢在必行。 該項目產(chǎn)品是面向市場需求而開發(fā)的，國外低殘留應(yīng)力機(jī)器人自動焊根清理技術(shù)加工裝備盡管性能先進(jìn)，但價格昂貴，進(jìn)口售價在600萬元以上， 而我公司生產(chǎn)的低殘留應(yīng)力機(jī)器人自動焊根清理技術(shù)加工裝備售價180萬元左右，2020年預(yù)計銷售量為40套，銷售額為7200萬元，可實現(xiàn)利稅約700萬元。預(yù)計未來三年內(nèi)該產(chǎn)品累計銷售達(dá)到2億元以上經(jīng)濟(jì)效益明顯。另外該裝備一方面具有價格低、能耗低、工效高、加工表面光潔度高等優(yōu)點，另一方面可以極大地提高大型板材加工的自動化、智能化水平，提高了生產(chǎn)效率，簡化了操作難度，具有良好的產(chǎn)業(yè)化前景。

隨著“中國制造2025”的加快實施，新能源、新技術(shù)、新材料迅速發(fā)展。全球正在引發(fā)一場影響深遠(yuǎn)的產(chǎn)業(yè)變革，形成新的生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)形態(tài)、商業(yè)模式和新的經(jīng)濟(jì)增長點，特別是高端裝備智能化的發(fā)展，為我國制造業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了前所未有的機(jī)遇。本產(chǎn)品在研發(fā)過程中可培養(yǎng)和鍛煉我們自己的技術(shù)隊伍，為更高檔次的裝備設(shè)備開發(fā)奠定基礎(chǔ)。同時也對于新增就業(yè)崗位和居民增收有著顯著的推動作用。本項目產(chǎn)業(yè)化后預(yù)計可新增30個就業(yè)崗位，也將帶動相關(guān)行業(yè)的經(jīng)濟(jì)總量的增長。