苏ICP备112451047180号-6
摘要：过去的几十年，在造船过程中已经出现了大量的自动化焊接的尝试。然而，在双层船体还有许多非自动化焊接操作，这对于工人来说，是一个很危险的。而且，这个危害主要是因为来自内孔的尺寸的约束。因此，最近已对双层船体内工作的全自动机器人紧凑设计的研究做出了许多努力。本文介绍了一种新型的RRXC焊接机器人系统的设计，集成，仿真及现场试验。它是由6轴的模块化控制器，3P3R串行机械手，和一个辅助运输设备组成的。对于通过一个常见的从外部船厂地面的大小为500700的洞的内置双层船体结构来说，RRXC的整个横截面是足够小的。RRXC的重量是60Kg。它有6轴机械手和模块化控制器，并且带有长2.5m，直径为6mm的钢丝并重量为8Kg的辅助运输设备。在全封闭造船现场试验，所开发的RRXC已经成功地证明没有任何在人工使用下的焊接功能，并且所开发的有辅助运输设备RRXC已经在双层船体结构中显示了它是有很好的机动性。
关键词：导轨式，智能焊接机器人，双层船体，造船业
1. 引言
运载如液化天然气（LNG），液化石油气（LPG），及原油等液体货物的商业船只，可能会因泄漏而引起严重的环境污染。例如一些大的原油运输设备（VLCCs），散装货船（B/C），和液化天然气运输设备（LNGCs）合并双层船体墙的船只在试图减少这种泄露的可能性，在图1中所示。它包括外壁和内壁，中间有2到3m的空间；这样，如果因为碰撞或触礁而使外壁出现漏洞，那么内壁可以防止液体货物流出[1]。
图1 造船业中双层船体结构的全景图
图2 制造双层船体结构的封闭体
然而，双层船体的船只的制造比单壳船只更费时、更昂贵。图2也显示双层船体结构封闭体的制造过程。一个底壳和一个开放块单独使用地组装焊接过程，在底部外壳是由一个宽的钢板和几个平行的纵向加强筋焊接组成。封闭体的形成更为复杂；首先，必须制造一个与底壳相同形状的顶壳。接着，一定数量的横向网格的地板和纵向大梁焊接到顶壳；第二，翻转开放体，放置在沿着底部外壳，并且每一个在底部外壳的纵向加强筋在开放体与相应的缝对齐；最后，第三，开放体旁边地插入沿着底部外壳纵向加强筋，以使得每一个加强筋滑动到相应的缝，来组装封闭块，如图2所示。由此产生的封闭块必须进行焊接。也就是说，焊接，必须从封闭体内部，沿着顶部外壳和底部外壳的接触边界完成。
图3 在双层船体中人工焊接工艺
由于它是一个封闭的结构，在夏季期间，温度变高并且在40-50摄氏度范围内变化，尽管是在白天，也常常因太暗而不能自由地执行任务。然而，目前该焊接工人执行过程中，在由顶部外壳，底部外壳，横向网络地板和主梁包围的封闭空间工作[2]。如图3所示，对在造船行业的工人来说，封闭体内的手工焊接工艺，是最困难的，也是最危险的。此外，目前使用6轴关节机械手的开放体的焊接机器人，不能应用在双层船体中，因为龙门起重机不能接触到双层船体的内部。这是因为龙门起重机是安装在船坞的天花板上。
因此，从在双层船体结构的焊接工艺的现状来看，很需要一个可以在封闭体内移动机器人。这个具有移动和其它适合的替代功能的机器人系统用来焊接顶部和底部的接触边界。这就是本文研究动机和目的。
2.发展史
图表1
在造船领域，以前设计的焊接小车和焊接机器人通常在自动化过程中具有很重要的作用。在这里，焊接小车是作为用来对有特定目的焊接的1轴或两轴机械装置来定义的。在图表1（a）中所示，一个1轴的横向焊接小车可以焊接加强筋和底部接触边界，其中焊枪没有任何沿着水平方向移动。在图表1（a）左边，可以焊接在竖直方向的接触边界，对于横向摆动，焊枪有一定的旋转运动。特别地是，这两种方法使用导向轮以保证推动车轮直线运动，并通过加强筋使其固定。图表1（b）中也显示，一个对于形成在特定范围的竖直摆动焊接的焊接小车的固定的商业类型，V-ROD。尽管它们拥有具有体积小，质量轻等优点并且采取了模块化控制器的设计方法，但它们还是不能应用于更为复杂的任务，例如U型轨道焊接（如图4（a）所示）。这种情况的原因，阐述如下：
（1）焊枪运动的自由度的影响；（2）不包括V-ROD的单向焊接性能。
图4（a）焊枪沿U型轨迹的运动 （b）每一焊接轨迹的规定尺寸 （c）每一种支架/加强筋尺寸范围
图表2A显示了智能移动焊接小车。图表2A-(a)的小车是由两个棱柱和两个转动关节，还具有一个嵌入式控制器。然而，这个小车也使用了对这一研究范畴没有应用的的驱动车轮，这是由于底板条件还不是很明确。因此，如果一定强度的运动控制算法不能够成立的话，那么差动方式不能准确地保证多重直线通道的焊接，因为这很可能出现滑动情况。在图表2A-(b)中显示，对于U型轨迹焊接小车是由三棱柱和两个转动关节。然而，因为它使用一个外部控制器和驱动车轮，对此项研究范畴，这也是不可以接受的。
图表2
如图1和2中所示，在开放的组件内，一个商业性多关节型机器人系统可放置到使用龙门起重机的开放体中，进而运用到建船厂。如图表2B所示，已研制并成功用于韩国大宇造船及海洋船舶工程有限公司的丹迪系统是一个典型的例子。这种系统是由工人焊接边界部分，然后移动到下一个使用安装在造船厂的天花板的龙门起重机的焊接点。然而，如前所述，这个系统不能在封闭装置内使用，因为龙门起重机不能接触到封闭组件的内部。此外，在开放体外部因存在控制器，从而，在外面有一定数量的电缆。这样，在封闭的结构中处理电缆问题就产生了困难。当前应用的系统中还有更多的例子，这也是一种多轴机器人与龙门起重机相结合的系统，如在[7,8]所述。
扩展和收缩的腿。它可以自动移动，而且因此可以克服许多在封闭体焊接障碍，但它在放入封闭体内之前，必须分为七个模块，然后在原位重新组装。重新组装大约需要15分钟，这对于严重地影响了系统的生产力是足够长的时间了[11]。
最后，最近它已经产生的RRX，克服了以往机器人的弊端，其焊接和移动功能已通过一年时间的测试验证。然而，值得注意的是，尽管它满足尺寸约束，该系统的在船体中放置还是很难处理的，要从一个大小为通孔取出来。这种情况的主要原因是它的体积与工人相比要大一些。
基于前者几种焊接系统的分析，全自动行驶的机制，在结构上，已经致使机器人系统增大，这主要因为关节数量。这导致了对于紧凑型机器人系统的要求，小到足可以与辅助装置轻松地处理运输而取代全自动运输装置。此外，在一些领域的操作者的要求如下：（a）除去机器人系统的移动功能，以减少其体积和重量，（b）辅助运输设备设计为移动机制代替装置，及(c)一个机器人的模块化控制器以消除密封结构之外的机器人系统和控制器之间连接的电缆。
在焊接过程中，基材和电极耗材之间的电流会产生电火花。当承载电流已知时，焊接会对连接机器人和控制器的信号电缆产生影响。此外，有很多的焊接机器人是在同一模块下进行的。因此，从不同的角度来说，模块化控制器有助于防止整个系统的负面影响。基于已有的事实，到目前为止，在封闭结构里面最终代替人工操作的移动便携式焊接机器人集成系统的设计，受到广泛的欢迎。
致谢
这项研究得到了由韩国教育部“头脑韩国”（BK）21工程、韩国的大宇造船厂及海洋工程的支持。作者之一，Donghun Lee，非常感谢Jongwon Kim和Kyu-Yeul Lee教授对他的帮助和指导。同时，笔者也要对Namkuk Ku表示感谢，因为在编程工作和RRXC的整个项目的现场测试中Namkuk Ku发挥了主要作用。
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作者：Donghun Lee，Namkug Ku， Tae-Wan Kim， Jongwon Kim， Kyu-Yeul Lee，Youg-Shuk Son
国籍：韩国
出处：机器人与计算机集成制造