基于焊枪姿态与熔池形貌的不同焊工焊接行为的测量与分析

熟练焊工通过观察熔池表面三维形态实时调整焊枪姿态从而保证在复杂工况下良好的焊缝成形。这表明焊工经验和技能的实质是焊枪姿态与熔池的交互行为,但目前尚无有效的方法和手段清晰地描述出焊工的这种经验和技能。为了研究焊枪姿态与熔池形貌的交互行为,采用动态倾角传感器实时传感焊枪姿态的方法,结合激光视觉传感技术,搭建焊枪姿态与熔池形貌实时传感系统平台,实现焊枪姿态与熔池形貌的实时传感。通过德国CLOOS弧焊机器人对倾角传感器进行标定,利用搭建的试验平台传感并分析不同水平焊工焊接过程试验,结果表明:倾角传感器的角β与?和的方均根误差C=0.019 6°,角β与α和的方均根误差C=0.031 7°,角α与γ和的方均根误差C=0.105 8°;焊接过程中,熟练焊工焊枪姿态平稳,波动较小,其对最佳熔池形貌维持能力强,焊缝成形好;新手焊工焊枪姿态波动较大,姿态突变较多,缺乏应对熔池形貌变化所必需的焊接经验和技能,对焊枪姿态角度的调整单一,焊缝成形差,余高不均。     

钨极氩弧焊熔池动态行为和焊工调控特征信息检测与分析

深入理解熟练焊工经验和操作技能对实现复杂环境下的机器人智能化及高精度焊接具有重要理论意义和工程应用价值。然而,如何检测传感焊工与熔池交互过程中熔池动态变化特征信息是一个难题。针对该问题基于激光视觉传感原理建立动态熔池和焊工实时调控特征信息同步采集试验系统,研究熔透连续变化时焊工对熔池形态及流态的调控行为,并获得了相应的调控参数(焊接速度、焊接电流、焊接弧长)和焊枪姿态与熔池特征参数之间的关系。通过对比分析焊接规范参数与焊枪姿态调整时的熔池形态和流态变化发现:焊接速度、焊接电流和焊接弧长的调整主要是基于熔池输入能量的调控,表现出熔池形态变化剧烈,易出现焊塌缺陷,焊工调控过程呈现出单一、盲目性。焊枪姿态的调整表现出焊工对熔池形态和液态金属流动状态的多元化和指向性调控,可避免焊接缺陷的产生。     

焊缝位姿及焊枪位姿的模型

针对机器人弧焊条件下的特殊要求,建立了焊缝位姿和焊枪位姿模型,以坐标系的形式定量描述焊缝及焊枪的位置和方向,确定了能够准确且严格地描述焊缝的焊接位置和焊枪姿态的参数：焊缝倾角、焊缝转角及焊枪工作角和行走角,并给出了计算方法。上述参数不但计算简便,而且可以直接代表焊接位置和焊枪姿态对焊接质量的影响因素。模型对于焊接工艺的建模与仿真以及机器人焊接的建模与离线编程具有非常重要的意义。     

弧焊机器人焊枪姿态的简便示教

弧焊机器人焊接空间搭接焊缝时,对于焊枪姿态的示教往往占据了大量的示教时间。为此,提出一种焊枪姿态的简便示教方法。该方法采用根据几何约束计算焊接时焊枪姿态的思路完成焊枪姿态的示教。先以任意焊枪姿态对焊缝进行位置示教,然后根据焊缝的切向矢量和焊接工艺要求的焊枪角度计算出焊接时的焊枪姿态。对于三维曲线焊缝,只有当局部焊接平面与基坐标系的Oyz平面不垂直时,需要进行简单的焊枪姿态示教,示教时只须调整机器人绕工具坐标系一个轴转动的角度即可完成。使用该方法可以显著地减少示教难度和示教时间,提高姿态示教的精度。详细介绍焊枪姿态的描述方法、焊接方向角的计算方法和焊枪姿态的调整方法等关键技术。使用搭接曲线焊缝进行试验验证,证明了该方法的可行性。     

工业机器人在五星脚焊接加工中的轨迹规划

五星脚的焊接加工过程中,对焊枪的运动路径和姿态要求非常严格,使用传统的焊接方法,焊接质量不稳定,焊缝不尽美观,且效率低。基于工业机器人的关节结构和焊接加工过程中的工艺要求,建立相应几何模型,研究了五星脚焊缝相贯的曲线方程,及工业机器人在焊接过程中运动轨迹控制的插补算法,实现了机器人姿态和焊枪位置连续轨迹的规划和运动控制。实验结果表明,工业机器人焊接过程流畅没有停顿,运动轨迹和规划轨迹吻合度很高,可获得良好的焊缝质量。该研究对工业机器人在五星脚的焊接加工及同类零件焊接加工具有很好的应用参考价值。     

基于旋转电弧的机器人角焊缝跟踪建模及仿真

通过对现有旋转电弧传感器采集的焊缝偏差信息和六自由度焊接机器人运动学模型进行研究,结合曲线角焊缝的特点,推导出纠正焊缝偏差后的焊接机器人工具坐标系相对于原工具坐标系的变换矩阵。在此基础上,结合焊接机器人的运动学反解,建立了曲线角焊缝跟踪及焊枪姿态调整模型。输入给定左右偏差及高低偏差信号,利用MATLAB对模型进行仿真验证,结果证明了该模型的有效性与正确性,从而为旋转电弧传感应用于焊接机器人及设计其焊缝跟踪系统提供了理论参考。     

激光摆动焊接6061铝合金板材焊缝成形工艺研究

为了探究激光摆动焊接铝合金的工艺特性,开展了手持摆动焊接头焊接6061铝合金的实验,对比分析了焊接速度、激光功率、振镜速度等工艺参数对焊缝宏观形貌的影响。通过高速相机捕获的实时动态影像,分析了激光摆动焊接匙孔的形成与特征,以及摆动焊接下熔池的形成与保持。实验结果表明,焊接速度与激光功率对焊缝形貌的影响较大,振镜速度应与焊接速度相匹配,即焊接速度慢对应振镜速度低,快速焊接对应振镜速度快。激光摆动焊接的匙孔会随着激光光斑的摆动变大,且匙孔始终位于焊缝中央,激光光束的摆动会搅拌熔池,影响熔池的热力耦合与焊缝成形,形成稳定均匀的鱼鳞纹状焊缝形貌。     

6R工业机器人在球管相贯焊接中的轨迹规划

球管相贯焊缝是典型的、复杂的空间曲线。建立简便、准确的相贯线数学模型,是满足焊枪头在加工过程中对姿态要求严格的前提。针对6R工业机器人的特殊结构和在加工过程中焊接工艺的要求,提出了一种控制焊枪头位置和姿态的连续轨迹规划方法,并根据球管相贯的模型特点,给出了一种由球面上三点确定相贯线的焊枪位置插补算法。最后对机器人的轨迹规划方法进行实验分析,证明了该轨迹规划方法能够完成焊接头位置和姿态的有效控制。该方法控制简便、计算量小、通用性强,对工业机器人在加工相贯线焊接时的轨迹规划有重要的参考价值。     

一类多目标焊缝跟踪优化模型和算法

针对焊缝跟踪过程中姿态的调整与规划问题,以移动焊接机器本体与焊枪为研究对象,在构建轮式移动焊接机器人的本体运动学模型基础上,考虑滑块滑长与焊枪长度等制约因素,以优化跟踪精度与速度为目标,建立了焊缝跟踪多目标优化模型。根据焊缝跟踪问题特征,设计了遗传算法,定义了编码结构,产生初始种群,构建了适应度函数。通过MATLAB进行仿真验证,并与BP神经网络进行对比,仿真结果表明该方法在加快焊缝跟踪速度、提高焊接精度方面的有效性。     

四坐标可编程仿形装置微机控制器

四坐标可编程访形装置微机控制器又称四自由度经济型机器人控制系统，它以廉价单片微机为控制核心，可以控制1－4个自由度的步进伺服电机，模拟机器人“示教再现”的方法，实现了焊接过程中焊枪在立体坐标中对焊接工件（外形为平面曲线或空间曲线）焊缝的示教跟踪以及焊枪相对工件姿态的控制（一自由度一坐标），通过“再现”，完成对曲线类工件焊缝的自动化焊接。其特点是：①该系统具有可编程性，使用者根据工件外形通过键盘即可完成对工件焊接轨迹的仿形，该系统既具备机器人的通用性且又廉价经济。②焊接过程具有时间显示功能，显示时间…     

TIG焊熔池表面流动行为的研究

针对钨极惰性气体保护(Tungsten inert gas,TIG)焊熔池表面流动行为,在确定TIG焊熔池表面可采用粒子示踪的方法来进行其表面流动行为示踪的基础上,在以激光为试验背光光源,通过激光在TIG焊熔池表面镜面反射后,使得熔池及示踪粒子清晰成像于成像屏上。在此基础上,开展对304不锈钢和Q235普通碳钢的熔池表面流动行为的试验研究,对所获得这两种材料的TIG焊熔池试验数据进行处理与对比分析,探究熔池表面流动规律。研究结果表明:在TIG焊过程中,其焊接熔池存在两种运动模式,在304不锈钢焊接过程中熔池表面的液态金属由边缘向熔池中心流动;在Q235碳钢焊接过程中熔池表面的液态金属不定向、不规则地由熔池中心向熔池边缘流动,并测量304不锈钢TIG焊过程中熔池表面的液态金属流动速率为12 mm/s左右,Q235碳钢的熔池表面的流动速率为15 mm/s左右。     

变极性等离子弧焊接熔透信息的检测与分析

通过对铝合金3003变极性等离子弧穿孔立焊熔池振荡行为的研究,发现熔池振荡频率与焊接熔透之间的内在规律。在变极性电流的作用下,焊接熔池产生振荡,可以通过对电弧电压频谱分析获得熔池固有振荡频率。分别建立变极性等离子弧穿孔立焊未熔透及完全熔透熔池模型,并分析焊接电流的变化对熔池固有振荡频率的影响,发现焊接电流大小对其影响很小,可以忽略。为了验证该模型的准确性,进行理论与实测分析,结果表明,理论值与实测值相吻合。熔池固有振荡频率主要取决于熔池宽度、深度及材料密度等参数,而其他焊接参数对其没有直接影响。因此,熔池振荡频率可间接反映焊接熔透信息,为焊接质量自动控制提供了理论支持。     

连续脉冲GTAW不同熔透状态熔池振荡 频率特征及分析*

熔池振荡频率与熔池尺寸具有直接物理对应关系,但常规弧压、弧光方法很难实现连续焊接振荡频率提取。提出一种激光视觉测量方法用于连续焊接振荡频率检测。对连续焊接条件下部分、临界及全熔透状态下的熔池振荡激光条纹进行采集,通过图像处理算法提取不同熔透状态下的频率特征,并从激光条纹变化形态、熔池表面振荡和液态金属内部流动对不同频率特征进行分析。结果表明,激光视觉法能够精确检测熔池表面金属轴向及横向的流动;在部分和全熔透状态下熔池表面及内部金属以单一模式进行振荡,存在单一特征频率;在临界熔透状态下由于熔池约束条件的变化,使其表面振荡及内部金属振荡具有部分和全熔透的振荡特征,表现出两种特征频率;不同熔透状态的振荡频率特征可为精确检测不同熔透状态提供依据。     

铝合金脉冲GTAW焊熔池表面反射模型研究

熟练焊工能够通过观察熔池表面的凸凹信息获取熔池的成形,在机器人智能化焊接过程中,采用视觉传感方式模拟焊工视觉获取熔池的形状信息。图像的灰度值决定于光源特性、物体表面形状、反射特性和摄像机特性。熔池图像隐含熔池的形状信息,为了从图像中提取熔池的形状信息,分析了铝合金脉冲GTAW焊的熔池表面反射特性,熔池表面由漫反射表面、镜面反射表面和互反射表面组成,建立了熔池表面反射模型。     

大功率盘形激光焊焊缝背面宽度预测

提出了通过视觉传感获取焊接过程中的焊接特征信息并利用神经网络模型预测焊缝背面宽度的方法。利用大功率盘形激光器焊接了低碳钢SS400焊件,在焊接过程中改变焊接功率、焊接速度和焊接路径,并利用两台高速摄像机同步获取焊件正面和侧面出现的焊接特征信息。对获取的图像进行色彩空间转换、分层、滤波去噪和空域图像处理,提取飞溅、熔池和金属蒸气等焊接特征信息,观察焊接路径对各个特征的影响。最后,建立了一个三层的LMBP(LevenbergMarquardt Back Propagation)神经网络模型,将提取的特征信息作为输入量,预测焊缝的背面宽度。结果显示:当熔透不稳定或出现未熔透状态时,LMBP神经网络拟合度大于0.83,最大训练误差均值为0.002 8mm,最大实际误差均值为0.225 6mm。试验结果表明所建立的预测模型具有良好的准确性和稳定性。     

管道全位置焊接打底焊工艺研究

从单焊道全位置区段、送丝行为、焊接弧长(电压)、电流行为分析、 工艺试验和接头检验等几方面介绍管道全位置打底焊工艺特点,其研究成果对全位置焊接机的制造和调试具有普遍指导意义。     

外加磁场对高速GMAW电弧和熔池行为的主动调控效应

在熔化极气体保护焊(Gas metal arc welding,GMAW)过程中,当焊接速度超过临界值后,焊缝成形变差,出现咬边和驼峰焊道,无法满足生产要求。研究证明,熔池中动量很大的后向液体流是产生驼峰焊道的主要原因。自主研发外加磁场发生装置,向熔池施加横向电磁力,对后向液体流进行主动干预,并调控熔池流态,从而抑制驼峰焊道的形成。在Q235低碳钢板上开展焊接工艺试验,获得了不同磁感应强度下的焊缝表面成形;采用高速摄像技术,拍摄焊接过程中的电弧和熔池图像,分析外加磁场对电弧形态、熔池流场和焊缝成形的影响规律,初步揭示外加磁场抑制驼峰焊道的机理。试验结果表明,外加横向磁场能明显调控熔池流态,减小后向液体流的动量,并能有效抑制驼峰焊道和咬边等缺陷,显著改善焊缝成形,提高临界焊接速度。     

对接TIG焊熔池正面几何形状参数的检测

研制出连续电流对接TIG焊熔池正面形状参数实验检测装置。利用普通CCD摄像机,通过光学参数的优化和采集参数的动态调整,拍摄出了清晰度和分辨率都较高的对接TIG焊熔池正面图像。根据对接TIG焊熔池图像特点,设计出图像处理算法,检测出了焊接熔池的整个边缘,得到了不同工艺条件下对接TIG,焊熔池几何形状参数的实际尺寸。     

自动焊接操作机焊接船用锅炉装置的设计

随着船舶业的不断发展,焊接技术在船舶制造业中的作用愈加突出,用自动化焊接代替传统手工焊接,既可提高生产效率,也可提高制造质量。采用自动焊接操作机配合自调式焊接滚轮架焊接船用锅炉,可以有效的降低焊接工人的劳动量,实现焊接自动化。