基于焊枪与熔池耦合模型的焊工调控行为研究

模拟解析有经验高级焊工焊接行为并实现抽象焊接行为的程序化无疑是快速发展机器人智能化焊接的优选路径之一。而同步传感测量焊工焊枪姿态和熔池状态是实现焊接行为程序化的关键。针对现有焊枪姿态和熔池特征测量系统的独立性及焊工与熔池交互过程的同步耦合分析需求,建立了传感器-万向节-焊枪钨极尖端三坐标系间的数学转换模型和熔池与焊枪钨极尖端运动坐标的双向耦合模型。通过预设机器人焊枪姿态摆动试验验证了双向耦合模型的有效性和准确性。在时空同一坐标下对比分析了不同焊接水平焊工对熔池状态的调控行为和焊缝成形质量的控制能力。结果表明,利用熔池-焊枪双向耦合模型可以获得能够表征焊工操控焊枪空间运动的较准确姿态样本数据;经模型转换的焊工操控焊枪α、β角与机器人摆动预定值的误差均小于1.2°,γ角误差约为1.5°;未经实操培训焊工操控焊枪规范性差,调控熔池动态平衡表现出调节时刻和规律的高随机性,对熔池状态动态评估能力极其匮乏,无法保证焊接过程稳定和高的焊接质量;经长期实训焊工运枪动作规范、规律性强,对熔池状态动态评估能力丰富和强的交互意识,全焊接过程能够保持熔池形态的稳定和焊缝的全熔透。     

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。     

特征谐波法在焊枪姿态检测中的应用

以旋转电弧作为传感器,研究了利用特征谐波法进行焊枪空间姿态检测的若干问题。建立了焊枪空间姿态变化和电弧长度变化的数学模型。从理论上证明了焊枪偏差、焊枪倾角以及焊接方向与焊缝方向的夹角对特征谐波法检测结果的影响。发现当焊接方向与焊缝方向的夹角较小时,可以采用一次谐波的余弦分量系数表征焊枪偏差,正弦分量系数表征焊枪倾角。试验结果表明,将特征谐波法用于焊枪偏差和焊枪倾角的检测,其倾角检测误差为±7.77°,偏差检测误差为±0.69mm,满足实际焊接工程需要。     

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。     

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。     

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。     

双轴倾角传感器姿态角测量的建模与标定

根据双轴倾角传感器的测量原理,建立了姿态角的测量模型。针对该测量模型,分别研究了无误差和误差下的姿态角的求解模型,并通过坐标变换算法,建立了含误差项的姿态角的求解模型。针对该模型的误差项,讨论了双轴倾角传感器姿态角测量的标定算法。在±4°范围内,通过实验对该标定算法进行了验证。实验结果表明,经修正,双轴倾角传感器的双轴标定精度由修正前的0.118°提高到0.012 46°,该标定算法使双轴倾角传感器的标定误差减小了一个数量级。该标定算法简单、快速,可以满足诸多场合对于姿态角测量的0.03°标定精度要求。     

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。     

基于视觉传感的机器人焊缝纠偏控制系统

针对工业机器人多层多道焊缝纠偏问题,提出一种基于视觉传感的人机互动机器人焊缝纠偏方法,并建立相应的视觉传感焊缝纠偏控制系统。该系统主要包含视觉传感采集及标定和机器人焊缝纠偏控制两个子系统。将工业相机安置在焊枪上得到拍摄的实时焊接图像,然后利用Windows Forms开发的焊接监控软件,工作人员通过观察监控界面,能够对焊枪偏离焊缝是否超过允许范围做出判断,再通过控制面板发出纠偏指令传送至可编程逻辑控制器(Programmable logic controller,PLC),PLC向机器人控制器发出控制信号,机器人调用"机器人传感器接口"(Robot sensor interface,RSI)的信息流,将PLC控制信号转化为机器人末端偏移量并执行,使焊枪调整至合适位置,达到焊缝纠偏控制目标。在验证试验过程中,该系统反应较灵敏,焊缝纠偏准确度较高,整个过程运行平稳,焊缝成形质量良好。     

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。     

一种适合焊接专机的激光焊缝跟踪应用

为确保焊接过程中焊枪始终沿焊缝运动,提升焊接质量,采用基于主动视觉传感技术的新一代激光视觉传感器实时采集焊缝轮廓的图像,由传感器控制柜按在PC界面上选定的算法进行图像处理与特征识别,提取焊缝跟踪点的位置坐标,并根据标定的参考位置和预设的比例关系转化为模拟电压量输出,进而驱动十字滑台上的伺服电机带动焊枪做出相应的纠偏动作。可编程逻辑控制器(PLC)被用来实现焊枪初始定位、滑台的手动控制与自动跟踪模式切换、安全互锁等功能。最终建立了一套适用于焊接专机的焊缝自动跟踪应用系统。实验结果表明,该系统安全实用,具备了良好的实时跟踪能力。     

焊接位置与焊丝方位定义的讨论及几何建模研究

分析了现有焊接位置和焊丝方位定义的不足,通过建立世界坐标系、焊缝坐标系和焊枪坐标系实现了焊接位置和焊丝方位的几何建模,给出了焊缝倾角、焊缝转角、工作角和行走角的严格定义。     

基于旋转电弧立焊装置设计与轨迹规划

设计了一种基于旋转电弧的竖直焊缝焊接机器人机构,采用了工业计算机与运动控制卡进行控制;水平和竖直滑块各采用一个步进电机进行控制,利用滚珠丝杠传动,竖直电机带有刹车,防止竖直滑块下滑,以此提高各滑块的精度和焊接跟踪质量;焊枪由步进电机控制旋转,因此可以在焊接过程中进行焊接姿态调节,能够焊接上下两端的角点,增加操作的灵活性,提高使用性能。焊接过程较为平稳,焊缝成形良好。     

基于激光测距的机器人焊缝跟踪研究

基于实际工程需求,提出了基于激光传感器测距技术的机器人焊缝位置跟踪,采用激光传感器安装于机器人焊枪末端固定,并随着机器人运动扫描待焊工件获取焊缝特征初始数据。利用斜率分析法对焊缝轮廓数据进行分析,确定焊缝特征点,以特征点为界限,继而采取最小二乘法拟合求取焊缝直线,然后求得交点,精确的获取焊缝特征点的坐标。最后通过机器人坐标变换实时获得焊缝的运动轨迹。实验结果表明跟踪误差满足自动误差要求在0.5mm之内的要求。     

非熔化极气体保护焊接熔池表面形貌三维传感及其装置设计

熔池表面形貌的传感及其三维恢复在焊接机理研究和成形控制中均有着深远的意义,然而焊接过程中强弧光的干扰和熔池表面的镜面特性使得熔池表面的三维传感非常困难。利用小功率结构光条纹激光器投射激光条纹于非熔化极气体保护焊(Gas tungsten arc welding, GTAW)熔池表面,由成像屏接收熔池表面镜面反射过来的激光条纹,利用镜头前附加了与激光器波长匹配的窄带滤光片的电荷耦合器件(Charge-coupled device, CCD)摄像机观察成像屏上的条纹变化,从而获得熔池表面的高度等三维信息。为了便于研究传感规律及确定传感器结构参数间的最佳组合,设计了一套传感装置,并利用该传感装置在强弧光下获得了清晰的能够反映GTAW熔池表面形貌的激光反射条纹图像。     

基于视觉传感的GMAW熔透状态预测

熔透信息的实时获取是实现打底焊接自动化的关键环节之一,通过熔池形状特征预测熔透状态可为熔透信息的有效提取提供参考。鉴于焊工通过视觉观察熔池正面形状特征来对熔透状态进行实时判断,建立基于GMAW的双目视觉传感焊接试验系统。在不同焊接电流及焊接速度下开展打底焊接试验,在焊接过程中实时同步采集熔池正面与背面图像。基于熔池图像特点结合成熟的图像处理算法,提取熔池正面二维与三维形状特征参数以及背面熔宽信息,作为训练样本,以熔池正面形状特征参数作为输入量,以背面熔宽作为输出量。通过BP算法对神经网络进行训练,建立熔透状态预测模型,分析熔池正面形状特征参数与背面熔宽之间的映射关系。采用Garson算法计算出每个形状特征参数对于背面熔宽的权重系数。通过GMAW打底焊试验对熔透状态预测模型进行了验证,试验结果表明,建立的BP神经网络模型可以有效地预测焊缝的熔透状态。     

铸造铝合金GMWA搭接焊缝气孔成因及消除措施的技术研究

采用脉冲熔化极惰性气体保护焊实现铸造铝合金和锻造铝合金的搭接。搭接焊缝中大量的气孔严重影响了接头的力学性能。研究目的是研究搭接焊缝中气孔的分布,成因以及控制措施。研究发现通过改变焊枪倾角和保护气体的成分可以实现减少气孔提高接头性能的目的。通过高速摄影观察发现减小焊枪倾角可以改变焊接过程中熔池的形态,从而起到减少气孔的目的。同时,保护气体中加入适量的He和CO_2也能够减少焊缝中的气孔数量。最终,保护气体为39%Ar+1%CO_2+60%He,焊枪倾角为40°被确定为最佳工艺。     

激光传感的机器人多层多道焊路径规划

由于工件的定位误差以及坡口加工误差导致离线编程中事先规划的运动路径和实际路径存在偏差,针对上述问题提出一种基于激光传感器获取焊缝信息自适应调整焊枪位置和姿态来纠正上述偏差的方法。首先从IGES格式文件中提取表示焊缝位置的图元信息,采用等弧长原则对曲线图元进行离散,并用直线插补方式指导激光传感器对工件扫描。根据扫描获取的焊缝位置信息自适应修正机器人目标点的位置和姿态并再次对工件扫描,获取工件坡口特征信息。最后根据坡口特征参数及焊接工艺的要求,确定其它焊道的偏移量,对修正后的基路径偏移及对焊枪姿态的调整,实现多层多道焊路径自动规划。     

低电流TIG电弧辅助MIG高速焊咬边缺陷抑制机理及措施的研究

基于温度场、流场、熔滴过渡以及电弧形态检测,开展低电流钨极氩弧焊(Tungsten inert gas welding,TIG)辅助熔化极惰性气体保护(Metal inert gas welding,MIG)高速焊工艺试验。从传热、传质以及受力等角度分析低电流TIG辅助电弧对高速MIG咬边缺陷的抑制机理,并分析各工艺参数对最终焊缝成形的影响。相比常规MIG高速焊,低电流TIG辅助电弧能有效降低MIG高速焊前部熔池边缘的温度梯度,延长熔池存在时间,促进液态金属向焊缝边缘填充。电弧力和熔滴冲击力是影响高速焊咬边缺陷的主要作用力,低电流TIG辅助电弧对MIG熔滴冲击力改变较小,但两电弧耦合后,电弧静、动压力明显降低,可有效地抑制MIG高速焊中咬边缺陷的产生。此外,正交工艺试验显示,丝-极间距和焊枪倾角是影响复合焊工艺的重要参数,而钨极距工件距离和TIG焊接电流则对咬边缺陷的影响较小,通过对丝-极间距和焊枪倾角的调节能快速实现该复合焊工艺参数的优化,抑制咬边缺陷。     

ABB弧焊机器人系统工具与工件标定研究

以ABB弧焊机器人系统标定为研究对象,提出了焊枪工具标定的六点法和角接焊工件标定的三点法。六点法通过前4点以不同姿态接近空间固定参考点建立焊枪与机器人末端位置关系,后2点相对于初始位形做2次平移运动建立姿态约束关系。在工具标定的基础上,针对角接焊工件的特点,以水平放置的钢平面为基准,通过示教焊缝上两点及平面内另一点,建立了工件相对于机器人基坐标系的位姿关系。实验表明,算法可快速实现弧焊机器人系统的标定,符合工业现场的实际需求。