盾构机结构件机器人多层多道焊关键技术北大核心

盾构机作为先进的大型工程装备在隧道施工中得到广泛应用,其与普通工程机械有两个明显的不同之处,一是盾构机重要结构件属于超厚钢板,焊接工作量很大;二是为了更好地适应隧道地质条件,结构件均采用针对性的设计。这导致每个结构件的形状、尺寸、重量乃至结构形式都不相同,从而给机器人焊接的实施带来挑战。为了实现盾构机结构件超厚钢板多层多道机器人焊接,需要解决焊接变形与应力、焊缝传感与跟踪、离线编程示教,以及多机器人协同焊接等关键技术。对于盾构机结构件机器人焊接的未来发展而言,通过接头图形自动生成、坡口智能规划等技术加强计算机辅助焊接工艺功能、融合虚拟现实等多种技术手段提升焊接过程监测水平,以及大力开发针对具体应用的焊接工艺规范数据库等,将是重要方向。     

焊接机器人在盾构机刀盘部件制造中的应用

针对盾构机刀盘部件类型多样、结构复杂、焊缝众多、尺寸差异显著的特点,开发了机器人焊接系统,。该机器人焊接系统采用双工位、配置了焊接数据库,并可以通过三维离线编程软件进行示教,从而显著提高了机器人的编程效率和使用效率。进行了盾构机中心刀梁、刀箱机器人焊接试验,试验获得的焊接工艺参数已成功地应用于生产实践之中,焊接过程稳定高效且焊缝美观、一致性好。结果表明,该机器人焊接系统因为能够大幅度降低劳动强度、改善劳动环境、提高焊缝质量、提升焊接生产效率,将在中心刀梁、刀箱、扭腿等刀盘部件的制造,以及盾构机管片拼装机的制造等众多场合中发挥重要作用。     

基于KUKA弧焊机器人的盾构机关键部件焊接工作站

针对盾构机关键零部件的焊接特点,基于KUKA弧焊机器人研制了自动化焊接工作站。利用焊接机器人接触寻位、多层多道焊和电弧跟踪等功能实现盾构机联体刀座工件的自动焊接。焊接实验结果表明,所研制的盾构机关键零部件焊接工作站能够满足离散制造企业的零部件小批量自动化焊接生产。     

面向盾构机制造的移动式焊接机器人的研制

针对盾构机盾体焊接特点研制了适用于盾构机焊接的移动式焊接机器人系统。根据机器人焊接作业需求,设计成分体式结构,焊接机头小巧,方便搬运及安装。该焊接机器人适用于横焊、平焊、立焊3种位置焊接模式,并可以对不同的焊接过程参数进行分类管理;具有多层多道焊的"坡口规划"及焊缝示教等功能,可满足盾构机厚板多层多道自动化焊接。利用研制的移动式焊接机器人在盾构机制造现场进行工艺焊接试验,试验结果证明,该移动式机器人能够满足盾构机盾体厚板焊缝自动焊接要求。     

16Mn特厚钢板多道焊温度场数值模拟

为了研究特厚板多层多道焊温度场分布,对两块板厚60 mm的16Mn特厚钢板的焊接过程进行了数值模拟和实验研究。利用ANSYS有限元软件和分布式计算方法,采用"生死单元"技术实现了模拟过程中焊接材料的逐步填充,对特厚钢板的对接多道焊过程进行三维瞬态温度场数值模拟。同时采用埋弧自动焊对16Mn特厚钢板进行了17道焊接,焊接工艺参数与计算参数相同,焊接过程采用热电偶测量温度场,并与计算值相比较,结果表明:分布式计算方法可以有效缩短计算时间,且计算值与实验测量值吻合良好,成功实现了60 mm特厚板多层多道焊的温度场数值模拟。     

中厚板V形坡口多层多道焊机器人焊接技术研究

针对采用在线示教方式的中厚板V形坡口多层多道焊机器人焊接工艺进行了研究,结合机器人程序中的偏移指令设计了一种新的多层多道焊机器人焊接方法。通过对机器人焊接顺序、焊接路径进行规划,利用简化的焊道截面计算出各个目标点的偏移量,完成对机器人程序的编写。利用机器人离线编程软件Robot Studio以及实际的焊接设备对所提出的方法进行了试验验证。结果表明,该方法可有效减少示教次数,提高焊接效率,焊接后的V型坡口板填充效果以及焊缝成形良好。     

机器人单双丝自动焊在大型压机超厚板复杂结构件焊接中的应用

随着焊接自动化水平的不断发展,实现机床行业超大型超厚板复杂构件高效自动焊接成为行业发展的必然趋势,本文将针对压力机大型超厚板复杂构件机器人自动焊接装备进行研究,设计研发了大型机器人单双丝自动焊接设备和相关功能,实现了单丝1.6mm和双丝1.2mm气体保护焊在厚板结构件焊接中的多层多道焊接应用,有效解决焊接效率低、劳动强度大、焊接质量差等一系列生产实际问题,在大型结构件焊接领域具有广泛的推广价值。     

基于抛物线模型的V形坡口焊道规划排布

为了提高大型相贯构件机器人焊接的焊道规划准确性，提出了抛物线模型，结合等面积与等高法研究了多层多道焊道排布方法.首先，规划焊接工艺参数、焊道的横截面、焊接顺序以及焊枪位姿，进一步推导出焊道排布算法的公式，借助MATLAB软件进行多层多道焊道排布的仿真；最后通过机器人焊接试验验证多层多道排布的方法.结果表明，仿真的焊道排布结果与试验的V形坡口每层每道轮廓相吻合，说明提出的基于抛物线模型的多层多道排布算法是准确可行的.该研究成果为机器人焊接相贯构件的多层多道焊道排布提供了重要的理论基础.     

“面向机械大型结构件的机器人智能焊接生产线”项目通过验收

正前不久,高新司组织专家在湖南长沙对"十二五"国家科技支撑计划"面向机械大型结构件的机器人智能焊接生产线"项目进行验收。项目针对我国工程机械大型结构件焊接制造向智能化、信息化、自动化生产方式转变的重大需求,以施工升降机、煤矿机械等典型工程机械大型结构件的焊接作业为对象,研究了机器人智能焊接工艺与控制、焊接质量在线检验与智能化故障诊断、焊接生产线信息化管理     

多层多道焊机器人离线编程路径规划

面向机器人多层多道焊接轨迹人工示教编程效率低、难度大的问题,为了提高焊接质量与效率,基于OpenCASCADE建模引擎,开发多层多道焊机器人离线编程软件,从工件模型中提取焊缝信息,取代在线示教操作。提出一种用户自定义焊层焊道数目的路径规划算法,确定每个焊道的空间位置、焊接速度,同时规划焊枪末端姿态,避免与工件发生碰撞。通过机器人加工仿真运动,表明各个焊道位置准确、姿态平顺,验证了路径规划的正确性与可行性,并在实际焊接试验中获得良好的焊接效果。     

机器人焊接工作站多源信息采集分析系统研发

为了解决焊接质量在线评价的可靠性问题,设计了可同时进行多通道信号采集、处理、分析的焊接过程多源信息采集分析系统。以电弧电压、焊接电流、声音为信息源,基于Lab VIEW图形化编程对上述信号的实时采集与显示,并通过分析所选取的波形,获得各信息的时域特征、频域特征和统计分析数据等。结果表明,该系统能够正确采集机器人焊接过程的各特征信号,对提取有价值的焊接信息、提高机器人焊接质量有重要意义。     

焊接机器人内载多关节机械臂的设计

焊接机器人在工业和制造业等行业得到了广泛应用,但由于其自身的机械结构是通过焊接或串联等形式设计,使得其整体的刚性无法充分满足焊接机器人在高强度工作中长时间运行。为解决该问题,文中先是通过对机械臂的设计原理和性能方面进行了分析,然后从焊接工艺、机械臂构型以及臂杆尺寸参数等方面展开相应的讨论。最后,结合动密封完成对机械臂电机设计,并在保证机械臂构件的强度和刚度基础上,实现对多关节机械臂的运动学、误差建模分析,利用多关节补偿法对其拟定的误差进行了相应修正,以此完成了焊接机器人的内载多关节机械臂设计,证明了该机械臂设计的可行性。     

日本钢结构柱梁连接处的机器人焊接

日本的建筑构造物中约有35%是钢结构件.为了得到高生产率以及高品质的焊接,从1985年前后开始,在柱梁连接处应用机器人焊接,现在几乎全部的钢结构制作公司都采用了机器人焊接.就机器人焊接的普及原因进行了总结,并对应用于钢结构的焊接机器人系统进行了介绍.     

焊接自动线和焊接机器人

20106112 大构件相贯线焊接机器人多层多道焊轨迹规划／苗新刚…／／材料科学与工艺．-2010,18（5）：629～634为了提高大型相贯线焊接构件在使用机器人做埋弧多层多道焊接时的示教和焊接效率,提出了一种焊道轨迹规划方法。     

基于激光传感器的机器人自适应多层多道焊接

针对机器人自动化焊接过程中工件的定位误差、加工误差和激光传感器的安装误差的问题,提出了一种基于线结构视觉激光传感器获取焊缝形状位置信息,并使机器人能够自动调整焊枪位置和姿态来修正误差,同时自适应不同角度焊缝的多层多道路径规划方法。首先进行手眼标定,采用pyqt5在windows系统环境下部署焊接机器人手眼标定软件,把焊道空间点信息从视觉坐标系转换为机器人基坐标系下。然后对工件进行扫描,通过预设定算法完成对实际坐标点的预处理计算,并自适应调节工具坐标系的位姿弥补偏差;最后根据处理得到的焊缝坡口的特征参数和焊接工艺要求,规划多层多道焊接的路径完成焊接。对中厚板碳钢单边V形坡口进行试验,结果表明,该方法具有良好的实用性。     

钢结构数字化全功能焊接机器人研制

针对钢结构复杂现场的自动化焊接作业需求,开发出四自由度移动焊接机器人.在机械方面进行了小型化、轻量化、模块组合化的设计,解决现场高空作业的快速安装调试和高空搬运的需求;在控制方面,采用焊缝再现示教、参数管理专家数据库、坡口规划数据库等技术,解决野外作业的坡口轨迹跟踪、焊接参数和电源参数的协调控制、大厚钢板坡口自动排道的多层多道焊接等实际问题,并进行了大量焊接试验、工艺评定和产业化推广,建立样板工程.结果表明,所开发的机器人实现了真正意义的钢结构数字化全功能焊接,机器人结构简单轻便、自动化程度高、焊接成形好,焊接质量满足工艺要求,适合于现场安装焊接作业.     

16Mn厚板多道焊焊接温度场分析

利用ANSYS有限元分析软件,对16Mn厚板焊接过程进行数值模拟。采用高斯分布热源模型模拟焊接热源,考虑材料物理性能随温度变化的影响,采用有限元法中的"生死单元"技术实现了模拟过程中焊接材料的逐步填充,对厚钢板的对接多道焊过程进行三维瞬态温度场数值模拟。分析焊接温度场分布规律,为优化16Mn厚板多道焊焊接工艺提供参考。     

盾构机焊接/切割机器人的研制

针对盾构机盾体结构复杂、焊接耗时长这一问题,设计了全自动焊接/切割机器人.该机器人同时具备焊接/切割功能,能够进行多层多道自动焊接,并满足焊缝自动切割要求;焊接机器人控制系统具有横焊、平焊、立焊三种位置的焊接数据库,每个数据库中层数、道数可灵活设置;具有坡口规划和轨迹存储功能,实现不规则坡口的多层多道自动焊.利用所研发的焊接/切割机器人进行盾体自动焊接及切割试验,试验结果表明,该机器人能够满足盾构机盾体焊缝自动焊接及切割要求.     

盾构机焊接/切割机器人研制

针对盾构机盾体结构复杂、焊接耗时长这一问题,设计了全自动焊接/切割机器人。该机器人同时具备焊接/切割功能,能够进行多层多道自动焊接,并满足焊缝自动切割要求;焊接机器人控制系统具有横焊、平焊、立焊三种位置的焊接数据库,每个数据库中层数、道数可灵活设置;具有坡口规划和轨迹存储功能,实现不规则坡口的多层多道自动焊。利用所研发的焊接/切割机器人进行盾体自动焊接及切割试验,试验结果表明,该机器人能够满足盾构机盾体焊缝自动焊接及切割要求。     

基于WebGL的焊接机器人仿真及多层多道路径规划

针对中厚板机器人焊接运动仿真、多层多道路径规划等需求,开发了一种基于Web GL的开放的机器人焊接离线编程系统.首先搭建了基于激光视觉传感的机器人MAG焊接系统,接着利用Java Script,Web GL等技术搭建了仿真平台,通过传感器获取焊道的三维点云数据,利用点云处理技术对焊道特征信息进行提取,在此基础上,进一步提出了对20 mm厚的开V形坡口钢板的多层多道路径规划策略,最终完成了V形坡口4层10道的焊接实验.结果表明,该系统对机器人焊接自动化、智能化关键技术提供了可靠的实现途径.