水下焊接机器人技术发展现状及趋势

2008年11月30日 《机器人技术与应用》 112008年11月30日 《机《机器人器人技术与应用》 1111 0、引言0、引言 实现高效低成本焊接自动化一直是焊接科研工作 者努力的方向，其中水下焊接自动化的实现要比在陆 地上困难得多，水下环境对焊接工艺、焊接装备、焊 接自动化技术等都是严峻的挑战。 随着人们在海洋的能源开发工程、船舶远洋运输、 水上救助等活动的展开, 大型船舶、海洋钢结构如海 底管道、海洋平台、海上机场、海底城市、跨海大桥 等大量涌现，它们的建造与维修以及安全与可靠性都 和水下焊接技术密切相关。同时,水下焊接也是国防工 业中一项重要的应用技术,用于舰艇的应急修理和海上 救助。此外，随着国家大力发展水利水电事业，水下 钢结构物的维护与修理也亟需水下焊接技术。因此水下 焊接技术作为水下工程建设与维护必不可少的关键技 术，得到越来越多的重视与应用。 目前，我国的水下焊接技术基本上还停留在手工 焊接的水平，长期以来，人们都是使用潜水员潜入水 底进行水下焊接。由于人的生理极限的限制，人类利 用普通混合气体潜水最大深度为100m，利用饱和气体 潜水的最大深度也只有650m。对于结构强度要求高的 地方，人们通常采用水下干法焊接方式，这种方法构 造压力容器仓耗时长、费用高，也非常不灵活。 1、水下焊接技术发展现状1、水下焊接技术发展现状 1.1 人工焊接 水下焊接方法分为水下湿法焊接、水下干法焊接 和水下局部干法焊接三大类。不论湿法焊接还是干法 焊接，目前最为普遍和广泛使用的还是人工焊接方法， 即派潜水员潜入水底或者水下压力仓中，采用SMAW （shielded metal arc welding）方式，按照特定的 规程进行操作。对此，美国还专门制定有专门的 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 《U.S NAVY UNDERWATER CUTTING &WELDING MANUAL》， 以规范水下焊接操作。人工焊接方式优点是设备简单、 操作灵活，适应性强、费用低，缺点是受到人的极限 潜水深度的限制，对人员素质和安全问题要求特别高。 1.2 机械化或自动化 实现水下焊接自动化主要有三种方式：水下轨道 焊接系统、水下遥控焊接、水下焊接机器人系统。轨 道焊接要求安装行走轨道，所以受人的潜水深度限制。 遥控焊接一般难以达到焊接精度要求。近年来，基于 特定用途的机器人得到迅猛发展，水下焊接机器人被 认为是未来水下焊接自动化的发展方向。 水下焊接机器人首先可以使潜水焊工不必在危 险的水域进行焊接，保证人员生命安全；其次，可 以极大地提高工作效率，减少或去除手工焊接所需 的生命维持系统及安全保障系统，增加有效工作时 间，提高焊接过程的稳定性和一致性，获得更好的工 程质量和经济效益；最后，可以满足人们深水焊接 的需要。在深水中，人们很难进行手工焊接，有些 工作必须借助各种专用设备，如高压干式焊接舱，但 焊接空间、焊件形状、过高的水压往往限制干式焊 法的使用，因此水下焊接机器人是最理想的选择。 焊接设备由手工向水下焊接自动化的方向发展已成为 必然的趋势。 由于水下环境的复杂性和不确定性，水下机器人在 焊接领域的主要应用是焊缝无损检测和裂纹修复，这在英 国北海的油井和天然气生产平台中得到了应用，但世界上 完全将水下焊接作业交由水下机器人完成的例子还没有。 2、水下焊接自动化关键技术问题2、水下焊接自动化关键技术问题 将水下机器人与焊接机器人结合，形成水下焊接 机器人，除了解决水下机器人和焊接机器人本身的问 题外，水下焊接的辅助工作量往往大于真正实施焊接 的工作量，如：水下焊缝跟踪、水下焊接质量控制、 水下机器人稳定定位、水下遥控焊接、水下焊接目标 寻找定位和避障（涉及三维轨迹规划）、水下切割、水 水下焊接机器人技术发展现状及趋势水下焊接机器人技术发展现状及趋势 � 张 华 李志刚 南昌大学机电研究所 [摘 要]介绍水下焊接技术发展现状，探讨水下焊接机器人研究的关键技术问题，综述水下焊接机器人的技术发展趋势。 [关键词]机器人；水下焊接；自动化 专专专题题报报道 SSpeccciaal RReporrtsss 栏目主持：艳 涛 12 《机器人技术与应用》双月刊第6期12 《机器人技术与应用》双月刊第6期 下结构物焊前清扫和给焊缝打坡口等。 2.1 焊接工艺 在水下湿法焊接方法中，SMAW使用最为广泛，但 使用这种方法焊接质量较低。相较于SMAW，FCAW（flux cored arc welding）能够有效减少焊缝中的氢裂和 孔隙，提高电弧的稳定性,而且易于在自动化设备上使 用，因此药芯的冶金学成为越来越多人的研究课题。可以 说，药芯在相当程度上决定了水下焊接的成败。GMA（gas metal arc）、PAW(plasma arc welding)、LBW(laser beam welding)等方法可以产生局部干点，将水排在外面，这 些方法虽不常用，但也有成功的案例[1]。 水下干法焊接中，高压自动TIG、MIG、FCAW 等都 有采用,其中轨道式TIG焊比较成熟，是目前流行的海 底管道焊接技术。如Aberdeen Subsea Offshore 公司 的OTTO系统、Comex公司的THOR-1系统等[2-3]。常压干 法造价非常高昂，一般较少采用。 另外一些特殊的焊接方法如水下爆炸焊、摩擦焊，人 们也都有过研究，由于其适用条件的限制，还有待发展[1]。 20世纪中叶开始到现在，我国的科研工作者一直 在探寻不同的焊接方法和工艺。上世纪70年代开始， 华南理工大学研制了水下湿法专用焊条，并对焊接冶 金过程进行了深入研究；哈尔滨焊接研究所于20世纪 70年代末期研制了我国第一套水下局部排水CO2气体保 护焊接技术；北京石油化工学院在水下高压焊接工艺 方面进行了深入的探讨，并在2006年末进行了为期一 周的海上试验，验证了所研制的水下干式管道维修系 统。但与国外相比,我国在技术、设备等方面还有不小 差距,国内水下管线的维修工作几乎都委托给国外的工 程公司进行。 2.2 自动化载体 自20世纪50年代开始研制水下运载工具以来，水下 无人航行器UUV（Unmanned Underwater Vehicle）已进 入实用化的阶段，它主要包括ROV（Remotely Operated Vehicle）和AUV（Autonomous Undersea Vehicle）二 种。相比AUV，ROV控制更加简单，而且由于有人的参 与和不用担心电池能量不够，因而可靠性也较高。所 以，ROV常用于水下安装、操作、维护等功能要求，而 AUV应用于勘察、检测的很多[4]。 ROV从结构上可划分为水面指控系统和水下潜航体 两大部分。 水面指控系统包括主控计算机、遥控系统、跟踪 定位系统、与水下通信的接口等。 水下潜航体可分为流线式和框架式两种，水下潜 航体至少应包含水密耐压壳体、推进系统、浮力控制 系统、探测识别系统、导航和定位系统、电子控制系 统、水下作业工具等。 单纯ROV的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 在国外已经有一定的套路,甚至可 以买到一些标准件。设计一台ROV,总体上应该考虑到 造价、尺寸、重量、功率、发送和回收方式、极限的 水底状态、极限深度等，其他像可靠性、安全性、可 维护性、备用性、子系统的可选择性等也需要考虑。 为提高作业能力和作业水平，单一功能的水下作 业系统现在已经远远不能满足人们的要求，机械手要 求能够搭配多种作业机具乃至自行更换，这就需要ROV 带有包含多种作业工具的工具包和至少一只作业机械 手。水下作业工具分为通用和专用水下工具两种。通 用水下工具一般是机械手手爪，专用水下作业工具大 致有：清洗刷、砂轮锯、冲击钻、剪切器、夹持器、 冲洗枪等，这些工具的研制越来越注重具有标准的尺寸 和接口。 2.3 自动跟踪技术 为各种大型的水下金属结构提供快速、经济和灵 活的水下自动焊接装备，水下焊缝信息识别及焊缝跟 踪智能控制技术是关键问题。无论湿法还是干法，由 于水下高压的存在，导致电弧漂移并压缩变小,焊道变 窄,焊缝高度增加，同时导电介质密度增加,电离难度 增加,电弧电压升高,电弧稳定性降低，给焊缝跟踪特 别是旋转电弧式传感器的跟踪带来难度。 水下的能见度低，加上光的折射、反射现象等， 都给激光视觉焊缝跟踪传感器的焊缝跟踪带来难度。 2.4 自动检测技术 海洋工程结构物的损伤和破坏会带来巨大的人员伤 亡和经济损失,因此，水下工程结构物的自动检测一直是 海上作业人员非常关心的事情,它的技术发展远远领先于 水下焊接自动化技术，常用的技术有：水下目视检验、水 下电位 测量 测量简历测量简历测量简历测量简历测量简历 、水下超声波检测、水下射线检测、水下交流 磁场法（ACFM）和电场特征检测法（FSM）。 另外，水下自动检测技术已经应用或正在开发的还 有水下声发射检测、水下涡流检测（UWET）、水下超声 全息成像、磁强记录仪、涡流电流法（ECI）、交流应 力检测（ACSM）、光测法（Photogrametry）、磁膜探伤 （Magfoils）等,这些技术的自动化都是依赖于ROV携带 相应工具潜入检测对象附近完成的[5-7]。如何将这些技 术结合起来融入水下焊接机器人的功能中，值得思考。 专专专题题报报道 SSpeccciaal RReporrtsss 栏目主持：艳 涛 2008年11月30日 《机器人技术与应用》 132008年11月30日 日 《机器人器 技术术与应应用》用》 1 133 2.5 遥控焊接 遥控焊接经历了自动控制与遥控示教、人工控制、 自主控制、人机交换控制、人机共享控制、分布式控 制的发展过程。现在如果进行多参数的手工控制，优 先选择分布控制，使用传感器时适合采用共享控制或 共享控制与分布控制相结合的方法。 在共享控制方法中，人机可以负责对不同参数的 控制，也可以同时控制同一参数，发挥人善于定性处 理问题和机器善于定量处理问题的特点。 分布式控制则提出：采用多位操作员，将复杂的 焊枪多个运动参数分配给他们分别进行操作。以往的 方法中，操作员通常都是采用操纵杆或手控球等位置 或速率型控制设备，借助摄像机传来的图像，对焊接 过程进行远程控制。 现在对于水下焊接机器人，理想的方法是利用声 学和视觉图像、定位装置和物理模型等，采用虚拟仿 真技术，增加操作员的临场感，帮助机器人进行任务 规划、路径规划、参数规划和轨迹规划。 英国通用机器人公司1999年成功研制了ARM水下机 器人系统（图1），用于清理和监视水下结构的复杂焊 缝，其遥控焊接系统设计了直接手动控制、增强手动 控制、半自主控制及全自动控制工作模式，成功地实 现了水下焊缝检测、焊接和打磨工作[8]。 2.6 动力定位 水下机器人在水中无所依附，受到洋流和其他各 种作用力的影响，要完成水下作业就必须有动力定位 的能力。动力定位系统可由三部分组成：位置测量系 统、控制系统、推力系统。这个系统是非线性的，自 由度之间存在耦合和时变，难以用传统控制方法进行 控制，用模糊控制的方法能较好解决这个问题。 水下焊接与陆地上焊接一样，焊接精度也是以毫 米计量，所以需要研究机器人本体晃动下机器手臂的运 动控制，或者采用机器人吸附在结构体上，并且将精确 焊接改为在待焊结构 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面上喷涂高强度材料的方法。 另外还有大量的问题，如传感器的选择、综合传 感技术的运用、水下作业工具的选用或自制，水下结 构物预清扫、机器人任务规划、路径规划、参数规划、 轨迹规划、母船与潜航体的通信、导航、定位等等， 有些是水下机器人和焊接机器人个性的问题，有些是 两者结合产生的问题，这都需要作大量研究。 3、水下焊接自动化技术发展趋势3、水下焊接自动化技术发展趋势 综合以上的考虑，水下焊接机器人的发展方向可 以分为以下几个方面。 3.1 湿法的自动化 水下干法技术本身就需要庞大的设备，造价高、 费时长,因此在干法的基础上再加入机器人系统会显得 过于累赘,造价更加高昂,从性价比的方面考虑是很不 合适的,也不能节省时间,无法体现出焊接自动化的优 势。而且，一只专业潜水焊接员队伍的雇用费用是比 较高的,因此,将焊接自动化用于湿法更加恰当,可以替 代潜水员的作用,这样正好能体现自动化的优势。 湿法的自动化国内外研究很少,几乎没有。而介于 湿法和干法之间的半干法技术，因为不需要建造大型压 力容器仓，只是通过在焊矩周围局部范围内构造局部干 燥环境，如排水罩式、高压水帘式、钢刷式、移动气箱 式、等离子MIG局部干法等[9-10]，国内外已经有大量的 研究。这些方法对湿法的自动化是很有借鉴意义的。 3.2 机器人 陆地上爬行式机器人常用的驱动方式有轮式驱动、 履带式驱动、腿式驱动三种方式。履带式结构具有良 好的稳定性能、越障性能，但沉重的履带和繁多的驱 动轮使其整体结构笨重。腿式结构具有良好的越野能 力和适应能力，但效率较低。轮式驱动结构简单，易实 现，移动效率高但吸附能力不强。比较这三种方式的 优缺点，结合水下环境对机器人的要求，我们认为选 择履带式驱动的爬行机器人应该是一个较好的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 水下环境复杂，不但机器人所带的传感器种类多， 而且同种类的传感器的数量往往是多个，从而产生信 号取舍、修正和融合的问题，决策者要通过多种及多个 传感器的协同工作来实现对当前机器人状态更加全面 的了解。至于对机器人的控制，包括机器人的定位控 制、焊缝跟踪时的小车、十字滑块间的协调运动控制，图1 ARM水下机器人系统 专专题题报报道 SSpeccciaal RReporrtss 栏目主持：艳 涛 14 《机器人技术与应用》双月刊第6期 相关内容和部分成果在文献[11-13]中已有论述。 3.3 水下激光焊接技术 激光技术采用偏光镜反射激光产生的光束使其集 中在聚焦装置中产生巨大能量的光束，如果焦点靠近 工件，工件就会在几毫秒内熔化蒸发，这一效应可用于 焊接工艺。高功率CO2及高功率YAG激光器的出现，开辟 了激光焊接的新领域。 在水下，激光焊接方法受水的影响较小,清华大学 的张旭东采用填丝热导焊的方法对水下局部干法激光 焊进行了研究,利用气体喷嘴形成局部干燥空间,调整 喷嘴结构和气体流量等参数,可以获得良好的水下焊缝 质量[14]。 为了满足核能工厂进行维护的要求,Hitachi等发明 了一种水帘式激光焊矩,可在0.3Mpa水深处进行水平和向 下的局部干点焊接,焊矩采用4kW YAG激光发生器[15]。 但是，激光焊也有它的一些缺陷,如在对接设备过 程中需要很高的精确性,这就限制了它在水下应用的范 围。 3.4 激光和电弧结合研究 激光电弧复合焊将两种能量传输机制完全不同的热 源复合在一起,同时加工同一位置,这种焊接方法综合两 种焊接方式的优点,形成一种新的热源（图2）。该焊接 方法形成的熔池比单用激光束要大,同时热输入低,热影 响区小,工件 变形小。 目 前 研 究较多的是激 光与MAG电弧 复合使用[16]。 激光和MAG焊 产生两个独立 的熔池,而后 面的电弧输入 的热量同时起到了焊后回火处理的作用,降低了焊缝硬 度[17]。由于水下焊接冷却速率快,焊缝淬硬度很高,因 此这一点在水下焊接中的功效应该尤为明显。 4、结论4、结论 水下焊接机器人是一个复杂的无人系统，其研究 涉及电子、计算机、焊接、结构、材料、流体、水声、 光学、电磁、导航控制等多门学科。水下焊接机器人 主要技术包括机器人机构设计、焊缝识别与跟踪控制 技术、焊接方法及工艺、机器人运载技术、机器人通 信技术等。虽然困难很多，但我们相信，通过我们的 努力，发展我国水下焊接机器人的梦想一定能够实现。 参考文献 [1]Rowe M, Liu S. 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