QJG-1203低残留应力机器人自动焊根清理设备是我公司在吸收国内外 先进技术的基础上自主创新研制开发设备。该设备广泛应用于化工、锅炉、压力容器、舰船、船舶制造业及大型制管业制造流程中自动焊根清理机器人技术的研究，结合移动机器人和铣削加工，提高清根效率和自动化水平，提高清根精度，降低生热，保证低残留应力，研制低残留应力自动焊根清理机器人装备，实现潜艇制造的自动化和智能化，缩短制造周期，提高制造质量，为实现潜艇智能建造提供装备和技术支撑。开展低残留应力机器人自动焊根清理设备制造前沿应用技术研究，为我国化工、锅炉、压力容器、舰船、舶制造的自动化和智能化、缩短制造周期、提高制造质量服务，最终实现设备制造的现代化自动生产线，为智能化设备发展提供技术支撑。

该设备填补部分国内空白，其结构先进、功能齐全、性能可靠、制作精 度高、质量稳定。产品处于国内领先水平，达到国际同类产品的先进水平。低残留应力机器人自动焊根清理设备是我公司自主研发的新型装备，主要用于圆管外环焊缝和钢管外纵焊缝的清根和坡口加工。它是化工、锅炉、压力容器、舰船、船舶制造业及大型制管业的一次工艺性改革，将原来的人工碳弧气刨工艺转化成低残留应力机器人自动焊根清理的冷加工工艺。本项目通过开展潜艇制造流程中自动焊根清理机器人技术的研究，结合移动机器人和铣削加工，提高清根效率和自动化水平，提高清根精度，降低生热，保证低残留应力，研制低残留应力自动焊根清理机器人装备，实现潜艇制造的自动化和智能化，缩短制造周期，提高制造质量，为实现潜艇智能建造提供装备和技术支撑。有如下技术关键技术、创新特点：

1、整机采用混联结构形式：铣削部分采用六轴并联结构形式，三轴衍架釆用串联结构形式。使该设备既具有高刚性、高承载，又具有较大的运动范围，能够满足自动焊根清理使用的要求。

2、焊缝测量跟踪技术：考虑加工环境的光路传播特性，研发针对性的基于激光和视觉的焊缝自动测量技术，基于激光反射的光波干涉原理和视觉测量原理，通过定位算法和测量软件实现铣削过程自动焊缝监测，监测结果实时传送到机器人的控制系统，根据监测结果数据对机器人的运动进行实时调整，保证加工精度。基于焊缝高精度测量，实现机器人刀盘和焊缝之间的精确定位。研究机器人纵焊缝和环焊缝跟踪控制技术,保证机器人焊根清理轨迹精度。

3、焊根清理机器人控制技术：根据机械系统及工艺任务要求，构建机器人控制系统，包括驱动器、控制器、传感器、人机交互系统。建 立焊根清理机器人软件系统，包括机器人控制、焊缝跟踪、清理作业、人机交互、状态监测等。建立机械本体及驱动的动力学模型，根据系统动力学模型及加工载荷情况研究机器人的控制算法，建立焊根清根机器人控制模型，研究焊根清理机器人力位混合控制算法，实现机器人焊根 清理作业控制。

4、人机交互系统研究：人机交互方式包括触摸屏和电子脉冲手轮，可方便操作人员更替方式执行作业。界面直观，人工操作时可直接手动点击和输入，方便快捷。另外，触摸屏要接入控制系统通常可二次开发，其可提供的多元API可极大地提高开发效率。电子脉冲手轮遥控加工平台除了触摸屏遥控之外，操作人员还可直接使用手持式电子脉冲 手轮来遥控。由于激光传感器量程有限,启动检测工艺前，操作人员需通过手轮上按钮选择和速度选择,提前遥控三轴移动桁架使焊缝进入传感器量程范围以内。确保焊缝清根的精度。

5、低残留应力清理残留应力仿真技术：建立低残留应力焊根清理残留 应力仿真分析软件平台。通过仿真，建立低残留应力焊根清理作业参数与焊 根材质、厚度的关系曲线库，优化出最小残留应力对应的作业参数。

6、低残留应力清理试验验证：研制六自由度并联高刚度高承载低残留 应力机器人，实现刀盘准确的空间定位和高刚度的铣削加工。构建低残留应 力机器人自动焊根清理试验平台，评估机器人焊根清理的精度和残留应力等 指标。研究焊根清理机器人控制技术，研究焊根清理机器人力位混合控制算法。

六轴加工机器人采用6-PUS的并联构型，具有刚度高、承载能力好、动态响应快的优点。相比于更为经典的Steward（6-UPS）平台，6-PUS的驱动元件安装在固定机架上，大大减小了运动部件的质量惯量，具有更快的响应速度。            

6-PUS的机构简图如图1所示。Ai和Bi分别代表第i条支链的球铰和万向节的中心， Ci代表Bi的初始位置， ei代表移动副的方向。{ O′}是动平台坐标系，位于Ai构成的六边形的中心。{O}是机架坐标系，为便于编程控制，我们定义，当所有电机回零位时{ O′}与{O}重合。为方便设计，我们规定球铰和万向节的分布关于Z轴中心对称，且关于YZ平面镜像对称，移动副的方向均平行于Z轴，各连杆长度相等。基于该条件，6-PUS机构的设计参数减少到                                                                     

 5个，分别是动平台球铰分布半径ru、动平台球铰分布角θu、机架万向节分布半径rl、机架万向节分布角θl、连杆长度L。

影响机器人末端刚度的主要因素有电机的伺服刚度、减速机刚度、联轴器刚度、丝杆刚度、轴承刚度、结构件刚度。根据相关研究文献，电机的伺服刚度远大于并联机器人的结构刚度，故认为驱动刚度无穷大。由于本台六轴加工机器人设计采用电机直接驱动丝杆，没有减速机，故不用考虑减速机刚度。轴承刚度需要通过接触刚度计算，具有强非线性，难以进行参数化分析。因此，我们主要分析丝杆和连杆这两个关键部件的结构参数对机器人刚度的影响。

对于一个末端位姿，等式(48)共有6个方程，但需要求解54个变量，因此，只用一个位姿进行标定是无法求解出54个几何误差参数的，至少需要使用54÷6=9个不同的末端位姿进行标定。实际操作中，往往测量更多末端位姿，再通过最小二乘算法计算出54个几何误差参数，以提高辨识精度。我们在机器人工作空间内随机生成50个测量位姿，这50个位姿应分布在工作空间的各个角落。

我们已在本实验室原有的6-PUS平台上进行过标定实验。测量设备为Leica AT960激光跟踪仪，可方便地进行大范围、高精度三维坐标的测量。空间姿态的测量比空间位置的测量更加困难，且测量精度更低，因此我们在6-PUS运动平台的机架和动平台上分别安装3个靶座（如图3所示），通过三个点构建一个坐标系，把姿态的测量也转换成位置的测量。当动平台运动到每一个指点位姿后，需将激光跟踪仪的靶球依次放在动平台的三个靶座上，测量对应坐标。

我们采用Gocator激光传感器来实现焊缝检测的功能。Gocator激光传感器的工作原理（如图9所示）是：传感器的相机从一个角度探测目标上的激光线，并捕获从目标上反射回来的激光。 相机每次曝光捕获一个轮廓，从某种意义上说是捕获一个截面。激光反射回相机的不同位置，具体取决于目标与传感器之间的距离。传感器的激光发射器、 相机和目标构成一个三角形。Gocator使用激光发射器与相机之间的已知距离以及两个已知角度（其中一个角度取决于相机上激光返回的位置）来计算传感器与目标之间的距离。该距离转换为目标的高度。这种计算距离的方法称为激光三角测量。Gocator传感器的测量范围和精度。

焊缝监测跟踪控制系统方案，利用Gocator激光传感器在线扫描焊缝的坡口轮廓尺寸，采集到的数据经过数据处理可计算出焊缝特征信息（分段拐点和焊缝深度）。

传感器测得的特征信息经过转化后，再与铣刀盘当前所在位置做比较，可得空间坐标偏差量，以此偏差量作为各方向位置的反馈量，从而完成矫正过程。另外，本方案采用提前检测焊缝相对偏差的方式，以改善测量值与实际值矫正过程中的时间滞后问题。

本系统主要以Beckhoff CX2040工控机作为控制核心。Beckhoff工控机是基于PC控制技术的开放式控制系统，具有开发方便，实时性高，稳定性强的优点。驱动系统选用常见的松下伺服系统（驱动器+电机）。焊缝测量单元主要依靠Gocator 2340激光传感器。人机交互单元采用触摸屏和手持式电子脉冲手轮方式，可灵活切换。所有硬件设备之间通信采用Ethercat通信协议，其具备抗干扰、传输稳定、速度快的优点，在工业现场复杂环境中有明显优势。就此，以上设备构成整个控制系统的框架。具体系统结构组成如图7所示。

人机交互方式包括触摸屏和电子脉冲手轮，可方便操作人员更替方式执行作业。触摸屏如图10所示，界面直观，人工操作时可直接手动点击和输入，方便快捷。另外，触摸屏要接入控制系统通常还需二次开发，其可提供的多元API可极大地提高开发效率。本方案中采用触摸屏主要完成交互功能包括：启动传感器电源、用户参数输入、机械平台人工操作（如：home功能）、检测程序启动与停止。

遥控加工平台除了触摸屏遥控之外，操作人员还可直接使用手持式电子脉冲手轮来遥控。由于激光传感器量程有限，启动检测工艺前，操作人员需通过手轮上按钮选择和速度选择，提前遥控三轴移动桁架使焊缝进入传感器量程范围以内。

在我公司已研制的焊根清理设备的基础上，基于已取得的相关技术与研究成果，依托长期合作的上海交通大学、浙江大学、江苏科技大学、上海交大扬州工业设计研究院等高校及科研院所的雄厚科研实力，通过对低残留应力机器 人自动焊根清理设备六轴加工机器人、水平进给机构、垂直进给机构、控制系 统及虚拟与仿真技术的研究与攻关，并运用开发出具有自主知识产权的低残留 应力机器人自动焊根清理设备。已获得授权实用新型专利4件，申请发明专利1

设备的整体结构、六轴加工机器人6-PUS并联构型、自动铣削控制系统、激光跟踪系统等具有独创性及先进性，所有原材料均采用国内外优质供应参加，质量稳定可靠，并严格按照GJB 9001C-2017武器装备质量管理体系认证S实施产品的研制生产。本产品技术要求规范齐全，试验项目、试验方法完全满足产品的检验要求。该设备填补国内空白，具有柔性化、集成化、能耗低、高精度、质量稳定等特点。产品处于国内领先水平，达到国际同类产品的先进水平。

随着我国化工、锅炉、压力容器、舰船、船舶制造业及大型制管业等行业的发展壮大，加工板材强度及厚度随之增加，对焊接接头质量提出更高的要求，普通的碳弧气刨对焊接接头质量存在极大的不利影响，为了解决上述工艺带来的短板问题釆用低残留应力的清根方式及工艺势在必行。 该项目产品是面向市场需求而开发的，国外低残留应力机器人自动焊根清理技术加工装备尽管性能先进，但价格昂贵，进口售价在600万元以上， 而我公司生产的低残留应力机器人自动焊根清理技术加工装备售价180万元左右，2020年预计销售量为40套，销售额为7200万元，可实现利税约700万元。预计未来三年内该产品累计销售达到2亿元以上经济效益明显。另外该装备一方面具有价格低、能耗低、工效高、加工表面光洁度高等优点，另一方面可以极大地提高大型板材加工的自动化、智能化水平，提高了生产效率，简化了操作难度，具有良好的产业化前景。

随着“中国制造2025”的加快实施，新能源、新技术、新材料迅速发展。全球正在引发一场影响深远的产业变革，形成新的生产方式、产业形态、商业模式和新的经济增长点，特别是高端装备智能化的发展，为我国制造业的发展创造了前所未有的机遇。本产品在研发过程中可培养和锻炼我们自己的技术队伍，为更高档次的装备设备开发奠定基础。同时也对于新增就业岗位和居民增收有着显著的推动作用。本项目产业化后预计可新增30个就业岗位，也将带动相关行业的经济总量的增长。