機器人焊接技術在航天領域的應用

編者按

本文介紹多軸聯動空間曲線焊縫變極性等離子弧自動化焊接裝備和全向智能移動焊接機器人係統，這是針對大型航天器尺寸大、剛性弱、結構形式複雜等製造需求而開發的產(chan) 品。在智能化趨勢加劇的時代，為(wei) 我們(men) 展現了製造模式升級的一種新可能。

航天隨著國家科技重點專(zhuan) 項的提出和推進，未來將在載人航天與(yu) 探月工程、深空探測及空間飛行器在軌服務與(yu) 維護等國家重大專(zhuan) 項規劃的框架下，開展大型航天飛行器的研製。大型航空航天飛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，存在大量複雜形式的焊縫，如球形、圓柱形、圓台殼體(ti) 與(yu) 圓形、異形法蘭(lan) 形成的相貫線等。航天器製造具有高質量、高可靠、高柔性、高效率及低成本等要求，因此製造模式升級迫在眉睫。

人口紅利時代已經過去，以機械化、自動化為(wei) 主流的機械加工製造過程成為(wei) 提高社會(hui) 生產(chan) 效率，推動企業(ye) 和社會(hui) 生產(chan) 力發展的有效手段。焊接技術作為(wei) 機械製造的重要的加工過程之一，廣泛應用於(yu) 航空航天、軌道交通及石油化工等工業(ye) 領域。機器人自動化焊接技術能夠顯著提高大批量產(chan) 品加工的生產(chan) 效率，產(chan) 品質量可靠性及一致性大大增強。本文針對大型航天器結構中的幾種典型產(chan) 品的焊接需求，開展了機器人自動化焊接的探索與(yu) 實踐。

多軸聯動變極性等離子弧焊接機器人裝備及工藝

1.1 複雜空間曲線焊縫需求及方案設計

在大型鋁合金航天器結構中，存在大量複雜形式的焊縫，如球形、圓柱形、圓台殼體(ti) 與(yu) 圓形、異形法蘭(lan) 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線焊縫的焊接。手工鎢極氬弧焊生產(chan) 過程中存在的問題主要有：

①反複補焊影響產(chan) 品研製進度。

②熱輸入量大，焊接殘餘(yu) 應力水平高，容易導致產(chan) 品尺寸超差。

針對此需求，提出了基於(yu) 關(guan) 節機器人的11軸聯動空間曲線焊縫VPPA 穿孔立焊機器人焊接係統方案，如圖1所示。

圖1 多軸聯動焊接機器人方案設計

1.轉台變位機 2.工件 3.機器人 4.焊接電源

5.水冷機 6.焊接平台 7.控製櫃

1.2 專(zhuan) 用焊接機頭研製

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極燒損、實時調整動態響應能力不足等問題。為(wei) 進一步保證和提高VPPA空間曲線焊縫的焊接質量，設計了一種體(ti) 積、質量（＜15kg）合適，精度高，自動化程度高的等離子焊接專(zhuan) 用機頭。等離子焊接機頭能在視頻監控下完成焊槍的姿態調節以及送絲(si) 角度和速度的調節。焊槍姿態調節包括焊槍伸縮機構，焊槍軸向旋轉機構，焊槍平移機構。

通過專(zhuan) 用焊接機頭（見圖2）的控製實現對焊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(ge) 過程可以通過焊接參數統計分析、焊接過程圖像處理及人工智能技術進行自動控製。由於(yu) 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頻監控和焊接參數監控的觀察，人工調整焊接機頭的操作。

圖2 專(zhuan) 用焊接機頭

1.3 多軸聯動VPPA焊接裝備係統集成與(yu) 應用

采用站立式機器人焊接工作站係統。6軸機器人安裝於(yu) 三維移動裝置上，工件安裝於(yu) 2軸變位機上。三維移動裝置可實現高向（z軸）、橫向（x軸）、縱向（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(chan) 品焊接的要求。通過對6軸機器人+三維移動裝置＋雙軸變位機係統的集成，實現對焊槍與(yu) 焊縫相對位置的實時控製，使VPPA焊槍與(yu) 焊縫的相對位置在複雜曲線焊縫焊接過程中，始終處於(yu) 垂直立向上的關(guan) 係。研製完成的多軸聯動變極性等離子弧大型自動化焊接裝備如圖3所示。

圖3 多軸聯動變極性等離子弧大型自動化焊接裝備

全向智能移動焊接機器人開發及應用

2.1 大型薄壁弱剛性產(chan) 品焊接需求

飛船、空間站等大型航天器的輻射器作為(wei) 空間飛行器的主動散熱設備，其加工質量和壽命將直接決(jue) 定航天任務的成敗。輻射器是由液管回路、熱管回路及金屬蒙皮通過焊接裝配而成，是一種大尺寸、弱剛度、強約束的複雜蒙皮結構。典型航天器輻射器結構如圖4所示，由於(yu) 大量液/熱管路的空間走向十分複雜，預先定位在工裝上的管路翼形焊接邊緣的實際位置難以精確保證，且大量焊縫依次焊接產(chan) 生的焊接變形會(hui) 進一步降低管路翼形焊接邊緣的位置精度。針對此需求，提出了由全向智能移動平台、安裝在平台上的機器人焊接係統組成的全向智能移動焊接機器人，相對於(yu) 傳(chuan) 統的坐標機器人專(zhuan) 機係統，該係統具有較強的操作靈活性與(yu) 工作空間適應性，應用前景廣闊。

圖4 典型航天器輻射器產(chan) 品

2.2 全向移動焊接機器人係統集成

全向移動自動焊接機器人是以一套“智能移動平台+柔性焊接機器人+激光跟蹤與(yu) 視頻監測係統”為(wei) 核心的智能化柔性製造裝備。該裝備基於(yu) 德國KUKA公司的KR-30機器人與(yu) 福尼斯的CMT焊機，搭載全向智能移動平台車，研製了可移動自動焊接機器人係統，並配置激光跟蹤係統，通過激光照射焊縫，根據反射回來的激光信號與(yu) 測量係統光軸的偏離角，實時糾正由於(yu) 焊接變形等造成的焊槍軌跡偏差，操作者可通過焊接視頻監測係統獲取實時焊縫熔池信息，實現人在回路的自動化焊接。

（1）智能移動平台係統智能移動平台係統是一種基於(yu) 智能控製的高端全向移動裝備產(chan) 品，為(wei) 大型重載產(chan) 品靈活轉運和精確定位，提供了高效解決(jue) 方案。產(chan) 品特點：全方位靈活移動、精準控製、安全大承載、智能化。全向智能移動平台車選用2t承載平台車，通過對四套輪係的獨立控製實現平台車的全方位移動；同時設有真空吸盤地腳支撐，可用於(yu) 工作過程中的穩定支撐；車上設有避障裝置和急停裝置，用於(yu) 緊急製動。全向智能移動平台係統如圖5所示。

圖5 全向智能移動平台係統

（2）激光跟蹤與(yu) 視頻監測係統平台車係統軌跡誤差，工件加工誤差、焊接過程中的熱變形、夾具的不精確等因素均會(hui) 造成電弧與(yu) 焊縫對中的誤差，必須采用焊縫跟蹤裝置用於(yu) 檢測構件位置、坡口位置或焊縫中心線位置已達到焊縫位置自動跟蹤的目的，以便能得到均勻的焊縫。焊接過程采用視頻監控，設計了一款用於(yu) 自動或半自動焊接過程的視頻監測係統，該係統采用外部脈衝(chong) 觸發控製，有效抑製脈衝(chong) 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(yu) 視頻監測係統如圖6所示。

圖6 激光跟蹤與(yu) 視頻監測係統

2.3 全向移動焊接機器人產(chan) 品應用

首次將智能移動焊接機器人係統應用於(yu) 大型薄壁結構複雜空間曲線焊縫的焊接，解決(jue) 了大尺寸輻射器管板複雜空間曲線焊縫裝配精度低，無法實施自動焊接的難題。焊接生產(chan) 現場如圖7所示。

圖7中的產(chan) 品結構焊縫形式主要分為(wei) 兩(liang) 種形式：一種為(wei) 管-管焊接，單邊為(wei) 6mm的雙V形焊縫結構，一種為(wei) 管-板焊接，0.8mm和1mm的異種鋁合金焊接結構。針對管-管的“深V形”焊縫，在普通CMT焊接參數的基礎上增加了高頻脈衝(chong) ，增加了電弧的挺度，減小了焊縫的熱輸入，焊縫成形飽滿，並且有效抑製了焊漏缺陷，產(chan) 品質量可靠性和合格率大大增加。另外，優(you) 化了全位置的不等厚鋁板空間曲線焊縫焊接參數；通過改變工裝壓板方式，解決(jue) 了薄板對接焊縫中的板變形問題；通過增加機器人末端焊槍自動擺動焊接功能，解決(jue) 了焊縫間隙不均勻問題。