无轨导全位置爬行焊接机器人

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爬行式智能弧焊机器人

国家科技计划

独立研究

1.课题来源与背景 开发了一种能够有效解决大型结构件或狭窄空间在工地实现自动化焊接的高端智能装备，即无轨导全位置爬行焊接机器人。该项目是在潘际銮院士团队的国家自然科学基金（No. 50075037））项目基础上开展的研发、成果转化工作及工程项目实施。潘际銮院士带领团队研制20多年，在国内外首次研制出能够在大范围内全位置爬行的轮履复合式爬行机机构，具有自身结构小巧、负重能力强、运动灵活和响应速度快的特点”。该项技术填补了国内外均无类似技术的空白，是国际焊接领域中的首创，属于国际领先、原始创新的科研成果。 2.技术原理及性能指标 该机器人其爬行结构采用轮履式结构，可在垂直立面或弯曲面上自动跟踪焊缝，自由爬行，执行全位置焊接操作任务，该机器人具有良好的自适应性，针对焊接过程，采用特殊图像处理法，提高了焊缝跟踪的实时性，该焊接机器人具有一定的自主能力，能够通过多个传感器对外部环境进行识别避免外部干扰。 3.技术的创造性与先进性 针对工程建设中大型复杂结构件现场自动化焊接，开展了无轨道、无导向、爬行全位置焊接机器人研究，取得了如下创新： （1）发明了数字图像处理信号、位置传感器信号和爬行机构控制相结合的机器人，具备寻缝和对中功能，实现了无需任何人工干预、无需轨道、导向及人工示教，可在三维曲面的大型结构件上自主寻缝焊接，跟踪精度达到±0.2mm。 （2）研创出永磁履带结构和高度可调的球铰四角定位结构，实现了机器人与工件的可靠、精准吸附，大幅度提高了机器人行走灵活度和仿形自由度。 （3）采用可调程序的低频双脉冲工艺和图像处理技术，将姿态传感器的信号纳入控制系统，改善了跟踪精度和对焊接参数的反馈控制，实现了自适应、全位置多层多道焊，保证了高质量，效率较手工焊提高3-5倍。 2019年12月，该机器人产业化项目通过了科技成果鉴定，吴林教授、林尚扬院士、关桥院士等专家组一致认为，该项目成果技术难度大、创新性强，整体技术达到国际先进水平，其中在三维曲面的大型结构件上自主寻缝及焊缝对中技术达到国际领先地位。 4.技术的成熟程度，适用范围和安全性； 本项目处于产品迭代更新研发及成果转化阶段。目前，已形成4代机型、4+机型、5代机型产品，4代机型亮相了第24届北京·埃森焊接与切割展览会，获得了21个国家和地区客户的合作意向。 （1）技术成熟度 与国内外同类技术相比较，无轨导全位置爬行焊接机器人能够应用于更多场合，柔性磁吸附式爬行机底盘能够满足平面、曲面、球面等不同工作表面的焊接需求；左右两边独立的驱动机构可进行差速控制，使无轨导全位置爬行焊接机器人能够实现原地转向，满足狭小空间内作业需求；体积小，重量轻，在便于携带的同时并不影响爬行焊接机器人的强大负载能力，自动化程度高。国内外还没有类似的产品及工程化应用，属于原始的技术创新。 （2）应用场景 可应用于油气化工、船舶制造、核电、能源、轨道交通等领域的储罐、管道、球罐等大型结构件的全自动焊接。 （3）安全性 该机器人在多家大型国企、央企客户内成功进行了产业化应用，做到了0伤害，0事故，0损失，焊缝质量验收标准一次性合格率达到98%以上。在实际焊接现场存在声、光、电磁和电源波动干扰的恶劣工作环境下，焊接机器人的电源系统、电弧信号采集及控制系统性能发挥稳定、焊接效果出色，验证了本样机系统的可靠性，赢得客户100%好评。预计每年可为企业节约设备成本20%，人工成本30%，具有广阔的应用前景。 5.应用情况及存在的问题； （1）产品应用情况： 目前已与中石油、中石化、中油新疆、中集、中信重工、中核二二、中核二四、中铁隧道、铁建重工等大型国企、央企客户建立了合作关系，完成了产业化工程应用。公司正在进行国际市场布局，对接海外21个国家的销售市场。 （2）尚需解决的技术问题有： a.技术创新方面 根据设计阶段总结及市场使用反馈，规划了后续产品升级的技术创新改进点。总结为以下几点：小型化、集成化、参数化、智能化这四个方面。 b.产业化亟待解决的问题 加快市场推动及产品迭代升级。以成熟的无轨导爬行焊接机器人产品为开发主线，积累用户的反馈数据，总结市场的需求变化，不断壮大产品规模。利用依据公司现状及市场需求，建立完善的产业化生产流程及售后服务体系。 6.历年获奖情况 该产品曾获2019“法国蒙彼利埃国际发明奖”金奖，第七届“东升杯”国际创业大赛特奖，2020年“智创杯前沿技术挑战赛”人工智能行业第二名，“第七届中国创新创业大赛全国先进制造行业总决赛”企业组二等奖，2019年“‘创客中国’人工智能中小企业创新创业大赛”一等奖，2020年度“发明创新奖”金奖，2020年粤港澳大湾区高价值专利培育布局大赛优秀奖等几十项殊荣。