机器人焊接技术在航天领域的应用

黄宁，章朋田，姜坤，北京卫星制造厂有限公司、北京市航天器焊接技术与装备工程技术研究中心

张亚霄，北京市信息服务工程重点实验室、北京联合大学

文章来源：《金属加工（热加工）》2020年第1期，5-7页。

摘要：针对大型航天器尺寸大、刚性弱、结构形式复杂等制造需求，开发了多轴联动空间曲线焊缝变极性等离子弧自动化焊接装备和全向智能移动焊接机器人系统。通过焊缝跟踪、视频监控等过程控制，实现了在大型航天器典型产品的应用，并对基于全过程数据驱动的智能化焊接的发展趋势进行了展望。

关键词：机器人焊接；全向智能移动；多轴联动；航天

随着国家科技重点专项的提出和推进，未来将在载人航天与探月工程、深空探测及空间飞行器在轨服务与维护等国家重大专项规划的框架下，开展大型航天飞行器的研制。大型航空航天飞行器一般具有尺寸大、刚性弱、结构形式日益复杂等特点。在大型铝合金航天器结构中，存在大量复杂形式的焊缝，如球形、圆柱形、圆台壳体与圆形、异形法兰形成的相贯线等。航天器制造具有高质量、高可靠、高柔性、高效率及低成本等要求，因此制造模式升级迫在眉睫。

人口红利时代已经过去，以机械化、自动化为主流的机械加工制造过程成为提高社会生产效率，推动企业和社会生产力发展的有效手段。焊接技术作为机械制造的重要的加工过程之一，广泛应用于航空航天、轨道交通及石油化工等工业领域。机器人自动化焊接技术能够显著提高大批量产品加工的生产效率，产品质量可靠性及一致性大大增强。本文针对大型航天器结构中的几种典型产品的焊接需求，开展了机器人自动化焊接的探索与实践。

1 多轴联动变极性等离子弧焊接机器人装备及工艺

1.1 复杂空间曲线焊缝需求及方案设计

在大型铝合金航天器结构中，存在大量复杂形式的焊缝，如球形、圆柱形、圆台壳体与圆形、异形法兰形成的相贯线等。目前大多靠手工钨极氩弧焊来完成这类曲线焊缝的焊接。手工钨极氩弧焊生产过程中存在的问题主要有：①反复补焊影响产品研制进度。②热输入量大，焊接残余应力水平高，容易导致产品尺寸超差。针对此需求，提出了基于关节机器人的11轴联动空间曲线焊缝VPPA 穿孔立焊机器人焊接系统方案，如图1所示。

1.2 专用焊接机头研制

目前通用等离子焊枪焊接铝合金空间曲线焊缝时仍然存在着钨极烧损、实时调整动态响应能力不足等问题。为进一步保证和提高VPPA空间曲线焊缝的焊接质量，设计了一种体积、质量（＜15kg）合适，精度高，自动化程度高的等离子焊接专用机头^[1-2]。等离子焊接机头能在视频监控下完成焊枪的姿态调节以及送丝角度和速度的调节。焊枪姿态调节包括焊枪伸缩机构，焊枪轴向旋转机构，焊枪平移机构。

通过专用焊接机头（见图2）的控制实现对焊接过程中的熔池状态、电弧形态进行精细的调整，机头的机械定位精度可以达到±0.1mm的水平。这个过程可以通过焊接参数统计分析、焊接过程图像处理及人工智能技术进行自动控制。由于焊接过程的精细调整对控制速度的要求并不高，也可以通过操作者对视频监控和焊接参数监控的观察，人工调整焊接机头的操作。

1.3 多轴联动VPPA焊接装备系统集成与应用

采用站立式机器人焊接工作站系统。6轴机器人安装于三维移动装置上，工件安装于2轴变位机上。三维移动装置可实现高向（z轴）、横向（x轴）、纵向（y轴）的独立调节，增加机器人移动范围，使其有效焊接范围能够满足产品焊接的要求。通过对6轴机器人+三维移动装置＋双轴变位机系统的集成，实现对焊枪与焊缝相对位置的实时控制，使VPPA焊枪与焊缝的相对位置在复杂曲线焊缝焊接过程中，始终处于垂直立向上的关系^[3]。研制完成的多轴联动变极性等离子弧大型自动化焊接装备如图3所示。

2 全向智能移动焊接机器人开发及应用

2.1 大型薄壁弱刚性产品焊接需求

飞船、空间站等大型航天器的辐射器作为空间飞行器的主动散热设备，其加工质量和寿命将直接决定航天任务的成败。辐射器是由液管回路、热管回路及金属蒙皮通过焊接装配而成，是一种大尺寸、弱刚度、强约束的复杂蒙皮结构。典型航天器辐射器结构如图4所示，由于大量液/热管路的空间走向十分复杂，预先定位在工装上的管路翼形焊接边缘的实际位置难以精确保证，且大量焊缝依次焊接产生的焊接变形会进一步降低管路翼形焊接边缘的位置精度。针对此需求，提出了由全向智能移动平台、安装在平台上的机器人焊接系统组成的全向智能移动焊接机器人，相对于传统的坐标机器人专机系统，该系统具有较强的操作灵活性与工作空间适应性，应用前景广阔^[4]。

2.2 全向移动焊接机器人系统集成

全向移动自动焊接机器人是以一套“智能移动平台+柔性焊接机器人+激光跟踪与视频监测系统”为核心的智能化柔性制造装备。该装备基于德国KUKA公司的KR-30机器人与福尼斯的CMT焊机，搭载全向智能移动平台车，研制了可移动自动焊接机器人系统，并配置激光跟踪系统，通过激光照射焊缝，根据反射回来的激光信号与测量系统光轴的偏离角，实时纠正由于焊接变形等造成的焊枪轨迹偏差，操作者可通过焊接视频监测系统获取实时焊缝熔池信息，实现人在回路的自动化焊接。

（1）智能移动平台系统

智能移动平台系统是一种基于智能控制的高端全向移动装备产品，为大型重载产品灵活转运和精确定位，提供了高效解决方案。产品特点：全方位灵活移动、精准控制、安全大承载、智能化。全向智能移动平台车选用2t承载平台车，通过对四套轮系的独立控制实现平台车的全方位移动；同时设有真空吸盘地脚支撑，可用于工作过程中的稳定支撑；车上设有避障装置和急停装置，用于紧急制动。全向智能移动平台系统如图5所示。

（2）激光跟踪与视频监测系统

平台车系统轨迹误差，工件加工误差、焊接过程中的热变形、夹具的不精确等因素均会造成电弧与焊缝对中的误差，必须采用焊缝跟踪装置用于检测构件位置、坡口位置或焊缝中心线位置已达到焊缝位置自动跟踪的目的，以便能得到均匀的焊缝。焊接过程采用视频监控，设计了一款用于自动或半自动焊接过程的视频监测系统，该系统采用外部脉冲触发控制，有效抑制脉冲焊接过程的图像闪烁，方便焊接过程参数微调控制。激光跟踪与视频监测系统如图6所示。

2.3 全向移动焊接机器人产品应用

首次将智能移动焊接机器人系统应用于大型薄壁结构复杂空间曲线焊缝的焊接，解决了大尺寸辐射器管板复杂空间曲线焊缝装配精度低，无法实施自动焊接的难题。焊接生产现场如图7所示。

图7中的产品结构焊缝形式主要分为两种形式：一种为管-管焊接，单边为6mm的双V形焊缝结构，一种为管-板焊接，0.8mm和1mm的异种铝合金焊接结构。针对管-管的“深V形”焊缝，在普通CMT焊接参数的基础上增加了高频脉冲，增加了电弧的挺度，减小了焊缝的热输入，焊缝成形饱满，并且有效抑制了焊漏缺陷，产品质量可靠性和合格率大大增加。另外，优化了全位置的不等厚铝板空间曲线焊缝焊接参数；通过改变工装压板方式，解决了薄板对接焊缝中的板变形问题；通过增加机器人末端焊枪自动摆动焊接功能，解决了焊缝间隙不均匀问题。

3 结束语

1）针对大型航天器复杂空间曲线焊缝焊接需求，开发了11轴联动变极性等离子弧大型自动化焊接装备，设计开发了变极性等离子弧专用焊接机头，实现了封闭曲线焊缝的全程VPPA穿孔焊接，能够成功应用于飞船金属密封大底空间曲线焊缝的焊接。

2）通过硬件集成和软件通信，研制了基于智能移动平台车、柔性焊接机器人和激光跟踪与视频监控的智能移动焊接机器人系统。通过优化焊接工艺，解决了不等厚薄板铝合金和双V形厚板高效率焊接难题，实现了航天器辐射器典型产品的焊接应用。

3）基于全过程数据驱动的智能化焊接为未来发展趋势，研究数据驱动的智能推理技术，利用数据挖掘建立关联规则，为焊前智能规划和在线智能控制提供依据，实现制造模式升级。

参考文献：

[1] 韩永全, 陈树君, 殷树言.铝合金变极性等离子焊接电弧产热机理[J].焊接学报, 2007, 28(12): 35-37，42.

[2] 卢振洋, 刘西伟, 陈树君，等. 复杂空间曲线焊缝VPPA专用焊接机头设计[J].焊接, 2016(6): 8-12.

[3] 陈树君, 潘冰心，闫霍彤. 基于现场总线技术的VPPA焊接电源网络控制[J].电焊机, 2011, 41(4): 6-9.

[4] 王玉琦, 贾庆轩, 孙汉旭，等. 机器航天员轴孔装配过程中的力位混合控制方法[J]. 宇航学报, 2017（4）：410-419.