基于轨迹动态规划的移动机器人焊道自动跟踪

针对大型构件复杂轨迹焊缝自动焊中的移动机器人跟踪控制滞后和焊接轨迹频繁振荡等问题,提出一种基于轨迹动态规划的焊道跟踪方法. 利用结构光传感器检测区域超前于电弧的优势,实时获取焊接区前方焊缝位置特征信息实现对焊道轨迹宏观走向的超前感知,基于焊道等距逼近思想动态规划移动机器人运动轨迹,结合电弧传感技术实时检测焊接偏差信息,通过机器人本体与机载执行机构的协同控制对焊接轨迹进行动态补偿. 结果表明,该方法提高了复杂轨迹焊缝跟踪中焊接速度一致性及焊接轨迹平滑度,改善了焊道弯曲或折角处的焊缝成形质量.     

一种基于三角迂回的激光焊接折角速度算法

针对折角处的激光焊接速度难以保持恒定而导致焊缝不均匀的问题，提出一种基于三角迂回的速度规划算法.焊枪移动到折角处后不直接作折角加减速运动，而是停止焊接的同时继续前行作一个三角型的迂回运动，待迂回到折角处再以原来速度重启焊接过程.实际的激光焊接轨迹可实现恒定速率运动以保证焊缝的均匀性，而三角迂回运动则采用S形速度曲线以降低对焊接平台的柔性冲击.该速度规划算法对于各种折角大小具有普适性.仿真和试验结果验证了所提方法的有效性.     

基于人机工程的主从机器人遥控焊接焊缝跟踪误差分析

主从机器人遥控焊接要求具有较高的运动轨迹跟踪精度和足够的焊接速度,但是当操作者手动操作主机器人控制从机器人末端焊枪跟踪焊缝时,焊缝跟踪精度不能满足焊接要求的原因至今未知.文中开发了一套由主端控制器、从机器人、工控机和激光传感器组成的主从机器人遥控焊接系统.从人机工程的角度分析了操作者手动操作主机器人控制从机器人末端焊枪跟踪直线焊缝时,影响焊缝跟踪精度的因素.结果表明,操作者的反应时间越长,焊缝跟踪精度越低,并且为了保证焊接过程的稳定性和焊接质量,焊接速度应该由机器人控制.     

一种基于三维空间的焊缝跟踪精度评价分析方法

为了提高弧焊机器人的焊缝跟踪精度,提出了一种新的焊缝跟踪精度的评价方法,建立了基于三维空间焊缝的精度评价模型,该模型建立了焊接电流、焊接速度和焊枪高度等多个焊接工艺参数与焊缝跟踪精度之间的模型关系. 基于该模型,通过MATLAB对该模型进行仿真分析,验证了所提出精度分析方法和精度模型的正确性及有效性. 结果表明,在焊缝跟踪过程中焊接电流和焊接速度对焊缝跟踪精度影响明显. 该精度分析方法对于焊缝跟踪精度的评价具有一定的参照意义,并且在焊接工艺参数的合理选择时对焊缝跟踪精度具有重要影响.     

激光焊缝跟踪系统在汽车薄板机器人GTAW中的应用

根据不锈钢薄板卷边对接焊缝的特点,设计了一种具有可靠性高、能够在工业现场长期应用的机器人GTAW焊接跟踪系统.系统采用激光传感器进行初始焊位识别及焊缝跟踪,有效地调节焊枪位置的变化,使焊枪始终沿着焊缝中心前进,从而大大提高了焊接质量.试验结果表明,所设计的机器人焊缝跟踪系统能够满足焊缝跟踪的精度要求,具有实际应用价值.     

焊接速度和焊接电流对竖向高速GMAW驼峰焊缝的影响

运用自主研发的爬壁机器人研究焊接速度和焊接电流对竖向高速熔化极气体保护焊(gas metal arc welding,GMAW)驼峰焊缝的影响. 结果表明,焊接速度或焊接电流超过某一临界值时,竖向高速GMAW会形成驼峰焊缝,且熔池中由电弧压力、熔滴冲击力和重力作用下产生的动量很大的后向液体流是竖向高速GMAW形成驼峰焊缝的主要原因. 同时,焊接速度和焊接电流显著影响驼峰焊缝形貌. 当焊接电流不变时,随焊接速度提高,驼峰焊缝的驼峰间距和驼峰高度先稳定减小,后缓慢减小,而焊缝宽度则稳定减小;当焊接速度不变时,随焊接电流增加,驼峰焊缝的驼峰间距先增加后减小,驼峰高度则是先增加后不变,而焊缝宽度则稳定增加. 此外,焊接速度过小或焊接电流过大均会造成金属液下淌.     

移动焊接机器人焊缝跟踪控制系统设计

为提高移动焊接机器人的焊缝跟踪精度,结合RBF神经网络和PID控制设计了一种焊缝跟踪控制系统。介绍了焊接机器人系统组成并建立了相应的运动学模型,重点论述了RBF神经网络结构以及控制器的设计方法。通过神经网络在线辨识梯度信息,根据梯度信息在线调整比例、积分、微分系数,以提高系统控制性能。仿真结果表明:采用所述控制方法,能较好地实现复杂轨迹跟踪。在焊缝跟踪过程中,移动焊接机器人运行平稳,具有较高跟踪精度。     

中厚板变坡口焊缝填充自适应控制系统

针对中厚板变坡口机器人焊接焊缝填充的问题,利用激光传感器扫描坡口拟合出坡口截面积变化规律. 设计焊接数据库,存储不同焊接参数下对应的焊缝截面积,使用最小二乘法推理出焊缝截面积与焊接速度的函数关系. 根据坡口截面积变化规律,自适应控制焊接速度的变化,从而使得工件坡口刚好填满,解决了变坡口焊接参数调整的难题. 可用数据库语言对知识库进行规范管理,不断完善焊接数据库. 以厚度为12 mm的变坡口中厚板为例进行试验. 结果表明,该系统焊接效果良好,坡口金属填充量误差较小.     

轮式机器人90°折线角焊缝跟踪运动动力学分析

为了研究路径规划中机器人不同转向中心对90°折线角焊缝跟踪过程的影响,对焊缝跟踪过程进行了分析,建立了轮式移动机器人运动学模型;对轮子接地面进行了受力分析,建立了考虑轮子变形情况下机器人动力学模型;最后对机器人跟踪过程运动、动力学进行了仿真分析和焊接试验研究. 结果表明,机器人转向中心的选取对左、右驱动轮转动角速度以及水平滑块伸缩速度影响较大;转向过程中左、右驱动轮所需驱动力受转向中心影响很小,且大小近似恒定,可视为稳态转向;拐点处实际速度以及速度变化与焊接要求速度有关,与转向中心的选取无关.     

狭小空间移动焊接机器人角焊缝跟踪的动力学控制

文中对移动焊接机器人在大型结构件中狭小空间的角焊缝跟踪控制问题进行了研究,首先,建立了焊接机器人在直角角焊缝处的运动学模型;然后,基于牛顿-欧拉方法分析了焊接机器人驱动轮、机器人移动本体及十字滑块的动力学行为,并建立了焊接机器人的整体动力学模型;最后,在对整体动力学模型合理简化的基础上,设计了焊接机器人焊缝跟踪控制的鲁棒PI控制器.应用MATLAB软件进行了仿真分析,并进行了试验研究,通过结果可以看出,该方法可实现移动焊接机器人在狭小空间内直角角焊缝的跟踪,且具有较高的跟踪精度.     

高速三丝熔化极气保护焊接工艺

针对造船企业平面分段生产流水线纵骨双丝角焊接最大焊接速度小于1.0m/min的问题,研究开发了高速三丝熔化极气保护焊接新工艺,即三根焊丝分别为引导焊丝、中间焊丝和跟随焊丝纵向排列。每根焊丝各接一套送丝系统、焊接电源和保护气,构成独立的电弧-电源系统,其焊接工艺参数分别可调,以满足各种焊接要求。结果表明,当采取引导焊丝(DCEP)/中间焊丝(DCEN)/跟随焊丝(DCEP)或引导焊丝(DCEN)/中间焊丝(DCEP)/跟随焊丝(DCEN)的极性组合时,焊接过程稳定,焊缝外观表面光洁、左右对称、起渣容易、飞溅小、无气孔,满足船舶焊接的要求。通过选用合适的焊接电流、电压组合,可以使焊接速度达到1.8m/min,焊脚长度达5～8mm。此焊接新工艺可广泛用于角焊缝的高速焊接应用场合。     

基于动态焊缝切线法的大曲率弯曲焊缝跟踪

针对轮式移动焊接机器人在造船、大型球罐焊接等工业生产中的大曲率弯曲焊缝跟踪问题,在采用小波实时降噪的基础上,结合焊缝切线法的思路和滑模变结构控制方法提出了动态焊缝切线法,并且通过Matlab仿真分析和试验验证,证明了该方法能够以固定步长实时修正焊接小车驱动轮的速度,保证焊炬沿大曲率弯曲焊缝轨迹跟踪效果较好的前提下切线速度大小基本不变,提高了焊缝质量,实现了弯曲焊缝的实时自动跟踪. 为轮式移动焊接机器人在复杂轨迹的焊缝自动跟踪应用方面提供了一种新的理论思路.     

非旋转管道环缝焊接自动控制技术

建立了非旋转管道环缝焊接自动控制系统,并介绍了其系统结构和工作原理。该系统可控制焊炬沿三个方向运动,并具有记忆跟踪功能。为满足全位置焊接工艺的要求。焊接电流、电弧电压、焊接速度及焊炬摆动的速度和摆幅等参数能根据焊接位置的不同自动调节。实验表明,该系统运行可靠,能有效提高生产效率,很好地满足了管道环缝打底、填充和盖面焊接的需要,具有重要的工程应用前景。     

小弯曲角焊缝跟踪及焊缝终点检测

为了实现小弯曲角焊缝的跟踪及焊缝终点的检测,针对焊接电流中噪声的种类,使焊接电流经过空间中值滤波、均值滤波、阈值处理和线性滤波,去除了大部分的噪声. 用直线将2类模式平均向量对应的点连接起来,把直线的斜率作为偏差. 以最近三次偏差作为多个模式类感知机的输入,以水平滑块伸出或缩进的速率作为输出,实现小弯曲角焊缝的跟踪. 如果连续三次偏差的值大于1,则表明到达了焊缝终点. 最后进行了小弯曲角焊缝的跟踪试验,角焊缝终点的检测试验,过水孔的试验. 结果表明, 该算法提高了机器人跟踪小弯曲角焊缝的精确度, 实现了角焊缝终点的准确识别和过水孔的通过, 有利于焊接自动化的实现.     

无辅助光源图像法TIG焊焊缝跟踪传感系统

焊接过程中焊炬自动跟踪焊缝对保证焊接质量,提高自动化程序有着极其重要的实际意义。焊缝自动跟踪技术的关键是焊缝位置的传感方法,本文在深入研究ＴＩＧ焊电弧发光行为的基础上,结合的实际的焊接工况,建立了一套利用电弧弧光检测焊缝位置的图像传感系统。该系统在硬件方面解决了图像采集与焊接电流的同步以及图像品质的提高等问题,在计算机软件方面解决了阀值与图像品质相匹配以及焊缝位置的提取等问题。生产实际应用结果表明     

侧向风场作用下横向焊接旋转电弧传感及焊缝跟踪

文中利用侧向风场的吹袭作用来抑制横焊熔池的下淌,研究了在侧向风场作用下焊缝成形质量和旋转电弧的传感特性. 提出了一种基于平面拟合的焊枪偏差和电极高度检测算法,实现了同一电流信号下焊枪偏差和电极高度的同时检测. 结果表明,适当控制侧风流量有助于抑制熔池下淌、改善焊缝成形. 但是随着风速的增加,焊接电弧的熄弧率升高、电弧传感的准确性降低. 针对焊接电流的噪声干扰,还设计了软阈值小波滤波算法,并开发了相应的模糊控制算法对焊枪偏差和电极高度进行调节,初步实现了横焊焊缝的成形控制和跟踪.     

无辅助光源图像法TIG焊焊缝跟踪传感系统

焊接过程中焊炬自动跟踪焊缝对保证焊接质量 ,提高自动化程度有着极其重要的实际意义。焊缝自动跟踪技术的关键是焊缝位置的传感方法 ,本文在深入研究TIG焊电弧发光行为的基础上 ,结合实际的焊接工况 ,建立了一套利用电弧弧光检测焊缝位置的图像传感系统。该系统在硬件方面解决了图像采集与焊接电流的同步以及图像品质的提高等问题 ,在计算机软件方面解决了阈值与图像品质相匹配以及焊缝位置的提取等问题。生产实际应用结果表明 ,该系统在检测精度、处理速度、稳定性、可靠性及实际工况的适应性等方面完全满足高质量焊缝对焊接过程自动对中的要求。     

基于视觉图像传感的精密脉冲TIG焊焊缝跟踪

针对某复杂曲面薄壁不锈钢工件精密脉冲TIG焊中的焊缝跟踪问题 ,本文研究了一种基于视觉传感的高精度、高实时性焊缝跟踪技术。根据脉冲TIG焊的工艺特点 ,该技术通过选择特定波长的滤光片及合理的曝光时刻 ,采用工业CCD摄像机获取可直接分辨出焊缝、熔池和钨极的清晰、放大的焊接区图像。采用VC语言设计的图像处理算法 ,可以快速准确地识别出焊缝中心线 ,提取钨极偏离焊缝中心线的方向和距离 ,驱动步进电机调节焊炬位置 ,实现高精度、高实时性的焊缝跟踪。试验结果表明 ,该技术的单幅图像处理周期小于 12 0ms,能实现焊炬运动方向与焊缝偏差角小于 3 0°的焊缝跟踪 ,满足了复杂曲面的薄壁不锈钢工件的精密焊接要求。     

Mathematical modelling of rotational arc sensor in GMAW and its applications to seam tracking and endpoint detection

Abstract

High speed rotational arc sensing is an important method to detect the torch deviation during automatic seam tracking of arc welding. In the present paper, a mathematic model of high speed rotational arc sensing is analysed. Simulations have been implemented in two conditions, namely considering or without considering weld bead profile. The simulation results are consistent with the experimental results. The current waveforms at the beginning of the welding are different from those at middle of the welding because of the formation of the weld bead profile. The signal patterns for seam tracking and endpoint detection are proposed. A phase shift between the rotation and the current variation is also discovered in the experiments. The mathematical model can be helpful for the interpretation and improvement of arc sensing systems.     

Analysis of arc voltage,current, and light signals in pulsed gas metal arc welding of aluminium

Abstract

The use of readily acquired weld arc data such as voltage, current, or light emissions to identify droplet transfer events or transfer mode, or for quality purposes such as seam tracking is of interest for thin section applications in arc welding of aluminium. In the present study, voltage, current, and light emission signals are acquired at high rates, and synchronised with high speed shadowgraphing. The usefulness of the various signals for identifying droplet detachment events and transfer modes during pulsed gas metal arc welding of aluminium is compared. It is found that individual droplet detachments are consistently identifiable during globular, spray, and streaming transfer, and during peak and background current detachment, using the voltage signal. Although the arc light signal also contains droplet detachment data, it is difficult to identify droplet detachments occurring during the background phase at low background current levels. Preliminary measurements show that these signals can also be used for seam location in thin section lap fillet welding.