船体双壳分段机器人焊接技术研究

江苏科技大学硕士学位论文船体双壳分段机器人焊接技术研究姓名：许伟龙申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：邹家生2010-03-25IKukaSimProKukaSimProTAbstractIIIAbstractThecurrentproductionprocessofcabincubiclestructureinthedomesticshipyardhassuchproblemsasfollows:lowproductivity,poorqualityofweldingandstatusoftheproductionenvironment,greathumanfactors,highlaborintensity,anddeformationcomplex,e.g..Tosolvetheseproblems,theideaofusingrobotsforweldingwasproposed.Andtwospecificdesignideaswereputforward:gantryframerobotweldingsystemandcranehanging-baskettyperobotweldingsystem.Throughcomparingtheactualsituation,theadvantagesanddisadvantagesbetweenthetwoprograms,cranehanging-baskettyperobotweldingsystemwaschosenasthemainresearchobject.Accordingtotherequirementsofcabincubiclestructureweldingsystem,reasonablechoiceofrobot,weldingpowersource,wirefeedsystemandotherequipmentfortheweldingsystemwasmade,andadetaileddescriptionoftheselectedequipmentwasmadeinthispaper.Accordingtotherequirementsoftheconstructionsite,threeplansforthedistributionofthecranehanging-baskettyperobotweldingsystemweredesigned.Andonedistributionplanwasdeterminedbycomparison.Thebasketmanufacturedandprocessingequipmentinstalledwascompletedbasedonprograms.Inthispaper,KukaSimProsoftwarewasusedtobuildthemodelofthecranehanging-baskettyperobotweldingsystem.Thesimulationresearchoftherobotweldingsystemwasalsooperatedbythesoftwaretotestandverifytheaccessibilityofweldinggunandthefeasibilityoftherobotweldingstation.Therobotkinematicswasappliedinthesimulationsystemcontrolofweldingrobot,andthenthebestrobotweldingpathwasobtained.Andsimulationresultswereusedtomodifytheinternalsoftwaresettingofrobotinordertoachievethesoftlimittogetasafeworkingenvironment.ResearchontherobotweldingtechnologyofT-typejointwascarriedoutthen.Throughstudyingtheweldingparametersandaccordingtoprocessrequirements,theprocessingparametersunderdifferentconditionweredeveloped.Inthispaper,throughteachingtherobot,theaccessibilityoftherobotinsidethecabincubiclestructurewastestedandverified.Accordingtotherequirementsofshipweldingprocess,reasonableweldingsequencewasalsoformulated.Thecomplementofweldingsimulationpartsofcabincubiclestructurecertifiedthefeasibilityoftheapplicationoftherobotworkstationinactualproduction.AbstractIVComparedtotheoriginalhand-weldingprocess,therobotweldingprocesshassuchadvantagesasfollows:betterappearanceofweld,stableweldingqualityandhighefficiency,and,allinall,theapplicationofrobotweldinghasgreatsocialandeconomicbenefits.Keywordscabincubiclestructure;robotweldingsystem;weldingtechnology;simulation111[1][2]1.1[3]20[4]502080[5][6][7][8]1.1.1[6][9]70[10]80,,[11]21.1.1.12080[12]80[13][14],,,[15]2090(NKK)19959[16](IHI)[17][18][19]1.1.1.290[20][21]DaevooOKPO199511[22]TTS247013Chang-SeiKim[17]PukyongKamBO[23]20035[24]1.1.1.32080TechnologyReinvestmentProjectNewportNews(NIST),,·1983CM-T3-566[25]ROWER-2,Z1GMAW6[26]OdenseSteelShipyardsB43kmREISRV6[27]IGMIGM10FincantieriAMP4PemamerkPemaVision2002AkerFinnyardsTurku80%[28-29][30]1.1.2[31]1.1.2.12070“”863“”[32]1985HY-l1999863“”HT-100A“”863[33][34-35]--[36]2000863“”[37]151.1.2.2[38],[39]PCPC[40]202020151200[41]1.2(1)6(2)SolidworksKukaSimProKukaSimPro(3)第2章船舱格子间结构机器人焊接系统设计7第2章船舱格子间结构机器人焊接系统设计机器人应用于焊接，可以有效地稳定焊接质量和提高生产效率，而通过模拟仿真和离线编程技术，可以有效地布置工作环境以及确定生产节拍，机器人在船舶制造中的广泛应用，将促使我国船舶工业的进一步发展。本章以船舱分段格子间结构为研究对象，针对具体的格子间结构，提出使用机器人系统进行船舱格子间结构的焊接，对机器人焊接系统进行了技术方案的设计研究，针对不同的设计方案进行探讨分析，昀后优化设计船舱格子间机器人焊接系统。2.1船体分段的装配近年来，随着造船工业的发展，我国造船业大量承造高技术、高附加值船舶以及各类海洋工程，造船的种类越来越多，船体结构也各不相同，且越来越复杂。但其中的平面分段却已形成固定规格，设计和建造也具有一定标准。如平面分段中的双层底结构，在我国大型船厂中，根据其自身的造船平台的大小，起吊能力，以及船坞大小，会将平面分段已经按照相应固定尺寸建造。2.1.1传统船体分段的装配传统的船体装配主要有两种方法，分别是平面装配法和格栅装配法。平面装配法，又被称为板列装配法，逐根将纵骨与船壳板列装配并预先焊妥，构成板列分段，然后再将预先组装好的横向肋骨装在板列分段上，昀后焊接焊缝，其装配示意图如图2.1所示。图2.1平面装配法示意图Fig.2.1Schematicdiagramofplaneassemblymethod格栅装配法是纵骨首先插入横向肋骨的切口内，焊接后构成预装配的格状结构，江苏科技大学工学硕士学位论文8然后再将格状结构与预先焊妥的船壳板列装配在一起，昀后焊接格状结构的下部焊缝，其装配示意图如图2.2所示。图2.2格栅装配法示意图Fig.2.2Schematicdiagramofgrilleassemblymethod第一种装配工艺中，由于纵骨与船壳板的长焊缝为连续的直线焊缝，焊接起来比较容易，可采用机械方法焊接，效率也高，但是横向肋骨的切口很宽，这是由于横向肋骨是用吊车装配到位的，装配了横向肋骨后要在装上形状复杂的补强板来保证切口附近的强度，这实际就多出了两到三条焊缝，且需要包角，在一定程度上增加了焊缝工艺的复杂程度，降低的生产效率。而第二种装配工艺中，在焊接纵骨和横向肋骨形成的格子结构与船壳板的焊缝时，由于焊缝是间断的，所以不适合机械自动化方法焊接。但是由于纵骨在装配时是插入的，因此可采用无需补强板的条状切口。采用补强板的切口形式时，拐角部位已经垂直焊缝很多，需要有经验的焊工来焊接，难以采用自动化焊接机械如机器人来完成焊接工作，而且在切口四周还会产生很多裂纹。而采用条状切口时焊接起来就十分容易，从强度观点来看也十分满意，但是施焊空间较小，焊缝不连续，这两种工艺都不适合机器人焊接。2.1.2当前先进船体分段的装配由日本石川岛播磨重工（IHI）首先研制成功的造船系统单元板列和条状切口建造系统：一个单元板列由一块船壳板和多根纵骨所构成，可采用数控切割、装配和焊接机械精度高效的进行批量制造。同时将几根纵骨同时插入横向肋骨的条状切口。单元板列采用FCB法焊接成列板分段，然后推式插入设备将预先组装好的已预测的条状切口的横向肋骨火平板助板一块一块的插入板列分段。这种建造方法有如下优点：（1）单元列板的技术可以用于所有的主结构以及所有船型；（2）由于单元列板的尺寸紧凑，这种建造方法很容易实现机械化，从而很容易保证精度；（3）可采用无需补强板的条状切口；（4）在分段装配焊接阶段，切口部位宜采用焊接机器人自动化焊接技术[35]。第2章船舱格子间结构机器人焊接系统设计9采用此种肋板插入法，能得到了规则的待焊位置，又大幅减少了焊缝的数量。同时，又因为其装配精度也相对较高，比较适合焊接机器人的使用，而通过引入机器人将可大大提高生产效率，稳定焊接质量。目前，国内的技术与设备比较先进的大型船厂如江南造船厂，上海外高桥造船厂等均采用的肋板插入法这种装配工艺，此法装配的双层底分段结构如下图所示。(a)双层底分段（b）格子间结构图2.3双层底分段结构Fig.2.3Doublebottomblockstructure2.1.3格子间结构焊缝构成及其要求采用单元板列和条状切口建造系统装配的平面分段格子间结构，在每相邻的两条纵骨与横向肋骨所形成的焊缝都是相同的，每个格子间结构单元在实际生产中称之为一个工位，都包含五个结构相同的焊缝，第一部分是左侧纵骨的腹板与横向肋骨的焊缝，第二部分右侧纵骨的腹板与横向肋骨的焊缝，第三部分是横向肋骨与船壳板的焊缝，第四部分是左侧