2022年弧焊机器人焊缝跟踪方法研究报告现状.docx

精品学习资源弧焊机器人焊缝跟踪方法的讨论现状发布时间： 2021-04-09摘要： 近年来，焊接自动化程度在不断的增加，2000 年时，中国焊接生产的机械化自动化率, 按熔敷金属运算约为 30%,而发达国家的焊接自动化率已经达到65%以上 1 ；焊接自动化生产已是必定的趋势；焊接机器人是焊接自动化的革命性的进步，它突破了焊接刚性自动化的传统方式，开拓了一种柔性自动化的生产方式 2 ；近年来，焊接自动化程度在不断的增加，2000 年时，中国焊接生产的机械化自动化率, 按熔敷金属运算约为30%,而发达国家的焊接自动化率已经达到65%以上 1 ；焊接自动化生产已是必定的趋势；焊接机器人是焊接自动化的革命性的进步，它突破了焊接刚性自动化的传统方式，开拓了一种柔性自动化的生产方式2 ；目前，用于工业生产的弧焊机器人主要是示教再现型机器人，在机器人弧焊过程中，它们可以在其工作空间内高精度重复已经示教的动作；但这也带来肯定的局限性，那就是应变才能很差，对工件的装配精度要求较严，重复性要好；假如焊接条件基本稳固，就机器人能够保证焊接质量；但在实际焊接过程中，由于机器人工作时为了防止发生危急，操作人员不准或不宜进入机器人的工作区域，使得操作者不能近距离实时监视焊接过程并作必要的调剂掌握，所以当实际的焊接条件发生变化时，例如焊接过程中的工件在加工、装配过程中的尺寸误差和位置偏差以及工件加热变形等因素的变化会使接头位置偏离所示教的路径，这样会造成焊接质量下降甚至失败；所以精确的焊缝跟踪是保证焊接质量的关键，它是实现焊接过程自动化的重要讨论方向； 1 弧焊机器人在焊接中的应用现状 自从 60 岁月机器人进入工业领域以来，进展较为快速；估计从1999-2003 年，世界实际装备工业机器人数量将由1999 年的743,000 台增加到 892,000 台，其中在“机器人王国”日本有370， 000 台，世界其他地区通用工业机器人的实际装备数量将由340,000 台增加到 508,000 台；在美国，实际装备通用工业机器人的数量2003 年将达到 155,000 台，欧洲达到262,000 台3，其中半数以上为焊接机器人；焊接是工业机器人应用最重要的领域之一，随着国外对工业机器人在焊接方面的讨论应用，我国也开头了焊接机器人的讨论应用；在数量上，依据到2001 年的统计，全国共有焊接机器人1040 台 不包括港、澳、台>，其中弧焊机器多于点焊机器人； 汽车制造和汽车零部件生产企业中的焊接机器人占全部焊接机器人的76%，是我国焊接机 器人最主要的用户；汽车制造厂的点焊机器人多，弧焊机器人少；而汽车零部件厂就相反4 ；焊接机器人的技术水平在不断的进步，目前，焊接机器人几乎全部采纳沟通伺服电机驱动，这种电机由于没有电刷，故障率很低；掌握器中普遍采纳32 位的运算机，除可以掌握机器人本体的5-6 个轴外，仍可以使外围设备和机器人和谐联动；在2004 年的中国焊接会议上，日本安川公司的新型焊接机器人掌握器NX100技术中，一台掌握器能同时 掌握四台机器人共36 轴 每台机器人有本体6 个轴， 3 个外部轴 >，并且使用软PLC对四周装置进行掌握；示教盒也采纳了功能强大的Windows CE 操作系统；配套焊接系统也有许多新的进展，在1993 年的埃森展览会上，日本松下公司把旋转电弧焊技术用于弧焊机器人；由于采纳旋转电弧焊时，焊丝能够以50HZ 以上的频率旋转，所以用这种技术进行焊缝跟踪时，其跟踪精度比机器人常常采纳的摇摆焊 摇摆频率小于 10HZ>要高的多；该公司仍于 1993 年第一销售在掌握柜中内藏焊机的机器人，依靠数字通讯技术实现焊机和机器人的欢迎下载精品学习资源结合；并于 2004 年实现焊机和机器人的融合，既由机器人掌握器直接掌握焊接波形；采纳频率为 100KHZ的逆变电源，体积小巧，掌握精度高；焊机和机器人融合的优点主要有焊机和焊枪的动作能够实现同步的精确掌握，便于实现缜密的焊接条件掌握，并使焊接系统小 型化；另外，该机器人把送丝机和机器人手臂做成一体，送丝机能够协作焊枪的动作进行旋转动作，以保证送丝始终顺畅；2 焊缝跟踪过程中使用的传感器弧焊用传感器可分为直接电弧式、接触式和非接触式3 大类；按工作原理可分为机械、机电、电磁、电容、射流、超声、红外、光电、激光、视觉、电弧、光谱及光纤式等；按用途分有用于焊缝跟踪、焊接条件掌握 熔宽、熔深、熔透、成形面积、焊速、冷却速度和干伸长>及其他如温度分布、等离子体粒子密度、熔池行为等；据日本焊接技术学会1994 年所做的调查显示, 在日本、欧洲及其他发达国家, 用于焊接过程的传感器有80%是用于焊缝跟踪的 5 ；接触式传感器一般在焊枪前方采纳导杆或导轮和焊缝或工件的一个侧壁接触，通过导杆或导轮把焊缝位置的变化通过光电、滑动变阻器、力觉等方式转换为电信号，以供掌握系统跟踪焊缝；其特点为不受电弧干扰，工作牢靠，成本低，曾在生产中得到过广泛应用，但跟踪精度不高，目前正在被其他传感方法取代；此外，现在有的工业机器人中利用接触传感方式进行焊缝起点的查找，例如日本安川公司生产的机器人有些具有这种功能；电弧式传感器利用焊接电极与被焊工件之间的距离变化能够引起电弧电流 对于 GMAW方法 >电弧电压 对于 GTAW方法 >变化这一物理现象来检测接头的坡口中心；电弧传感方式主要有摆动电弧传感、旋转电弧传感以及双丝电弧传感；由于旋转电弧传感器的旋转频率可达几十Hz 以上，大大高于摇摆电弧传感器的摇摆频率10Hz 以下>，所以提高了检测灵敏度，改善了焊缝跟踪的精度，且可以提高焊接速度，使焊道平滑等；旋转电弧传感器通常采纳偏心齿轮的结构实现，而采纳空心轴电机的机构能有效的减小传感器的体积，如图1 所示；图 1 旋转电弧传感器 6电弧传感器具有以下优点：· 传感器基本不占额外的空间，焊枪的可达性好；· 不受电弧光、磁场、飞溅、烟尘的干扰，工作稳固，寿命长；·不存在传感器和电弧间的距离，且信号处理也比较简洁，实时性好；·不需要附加装置和附加装置成本低，因而电弧传感器的价格低；所以电弧传感器获得了广泛的应用，欢迎下载精品学习资源目前是机器人弧焊中用的最多的传感器，已经称为大部分弧焊机器人的标准配置；电弧传感器的缺点是对薄板件的对接和搭接接头，很难跟踪；用于焊缝跟踪的非接触式传感器许多 , 主要有电磁传感器、超声波传感器、温度场传感器及视觉传感器等；其中以视觉传感器最引人注目，由于视觉传感器所获得的信息量大，结合运算机视觉和图像处理的最新技术成果，大大增强了弧焊机器人的外部适应才能；视觉传感器采纳的光电转换器件 最简洁的是单元感光器件，如光电二极管等；其次是一维的感光单元线阵，如线阵CCD电荷耦合器件 >；应用最多的是结构最复杂的二维感光单元面阵，如面阵CCD，是二维图像的常规感光器件 , 它代表着目前传感器进展的最新阶段，因而应用日益广泛；在焊接机器人各种视觉传感器中， CCD传感器因其性能牢靠、体积小、价格低、图像清楚直观而受到了普遍重视；特殊是 80 岁月以来， CCD与高性能的微机相结合产生的焊缝跟踪系统, 使焊缝跟踪的讨论跨上了一个新的台阶；在弧焊过程中，由于存在弧光、电弧热、飞溅、以及烟雾等多种剧烈的干扰；是每一种视觉传感方法都需要解决的问题；依据焊接机器人视觉焊系统的工作方式不同，可将用于焊接机器人视觉焊缝跟踪系统的视觉传感器分为：结构光式、激光扫描式和直接拍照电弧式；其中结构光式和激光扫描式属于主动视觉的方法；使用激光束由于集中于一点，抗干扰性能更好一些；文献7 中所提到的采纳 CCD摄像机、激光二级管与扫描透镜相协作组成的视觉系统，如图2 示，是比较典型的激光扫描应用方式；类似的仍有文献 8 中所提到的焊缝跟踪方法，如图3 示；图 2视觉传感系统组成欢迎下载精品学习资源图 3视觉传感器组成一般情形下，激光扫描式的视觉系统，大都是基于三角测量原理的主动视觉方法， 其工作原理是大致相同的；第一是激光管发出的激光点光源通过光学扫描镜投射到被测工件的表面，由工件表面反射后的激光被CCD摄像头所接收，其中扫描镜的扫描频率一般在5-20Hz 可调；通过测量反射光束与CCD主光轴的夹角，并结合已知的透射光束与扫描镜面的夹角以及 CCD与扫描镜面的距离等数据，可以求得每一束激光在工件表面投射点与CCD镜面的距离，从而可以得到焊缝的端面剖面图，通过适当的图像处理算法，实现对焊缝进行视觉跟踪的目的；现在激光和CCD相结合所制成的机器人焊接传感器在市场已经有产品在销售，但一般价格较昂贵；被动视觉方法是用CCD摄像机通过滤光片和减光片直接观看熔池邻近区域或焊缝；在这种方法中，大部分电弧本身就是监测位置，检测对象 焊缝中心线 >与被控对象 焊炬 >在同一位置，不存在检测对象与被控对象的位置差，即时间差的问题，所以没有因热变形等因素所引起的超前检测误差，更简洁实现较为精确的跟踪掌握， 并且能够猎取接头和熔池的大量信息，这对焊接的自适应掌握特别有利；由于被动视觉和 人的视觉更为相像，所以它最有期望解决紧密对接焊缝和薄板搭接焊缝的跟踪问题；而且欢迎下载精品学习资源被动视觉传感器结构简洁价格低，因而它是一种很值得讨论的焊缝跟踪方法；在这种方法中的确存在图像易受到电弧的严峻干扰的问题，但这可以通过改进滤光方法、图像处理算法以及调整合适的取像时刻等方法解决；主动视觉和被动视觉的比较见表1；表 1 激光焊缝跟踪传感器和被动视觉传感器的优缺点比较3 国内外视觉焊缝跟踪进呈现状 所谓焊缝跟踪就是在焊接时实时检测出焊缝的偏差 , 并调整焊接路径和焊接参数，保证焊接质量的牢靠性；由于工件的加工误差 工件间的尺寸差异、坡口的预备情形等 >、装夹精度以及焊接时的热变形等因素的存在，以示教 - 再现方式工作的弧焊机器人在焊接经常常由于焊缝和示教轨迹有偏差而导致焊接质量下降；所以焊缝跟踪是保证弧焊机器人焊接质量的一个重要的方面；在机器人弧焊所使用的传感器中，电弧传感器和视觉传感器占有突出位置，其中电弧传感器用得最多，而视觉传感器就被认为是最有前途得焊缝跟踪传感器2 ；3.1主动视觉焊缝跟踪目前主动视觉焊缝跟踪讨论的内容主要有以下方面：1 提高激光跟踪的鲁棒性，如适应各种焊接接头，和接头尺寸变化等；2 跟踪中的快速稳固的图像处理方法3 传感器的设计问题，例如激光和传感器的角度4 焊缝跟踪中的掌握问题，主要为NN和 Fuzzy 及两者结合方法；文献 8 中为获得焊缝跟踪高的鲁棒性和适用性，采纳两套不同的图像处理算法，分别为在焊接开头前检测焊接接口模型和在焊接过程中检测接头特点；文献2 中具体的介绍了各种焊接接头的识别方法；而文献9 就采纳绞接对象模型 Articulated Object Model> 来提高跟踪的牢靠性，利用这种方法从传感器获得的轮廓数据中查找特点点 焊缝点>，在特点点处焊接；文献10 从图像处理的角度，讨论了快速稳固的图像处理算法；3.2被动视觉焊缝跟踪被动视觉传感器所获信息量大，接近人的视觉等突出优点，受到了讨论人员的广泛关注；受机器视觉技术的大量胜利应用的启示，人们尝试将被动视觉传感应用到各种焊接方法中，如GTAW、GMAW和 PAW等；在取像的位置方面主要是被动观看熔池及其邻近区域，另外利用工件的特点观看其他区域而获得焊缝信息；多数讨论中摄像机是在斜上方的位置取像的，而在大型管的对接焊时就可以从熔池的侧面取像，这样可以获得更丰富的信息 11, 能够同时实现焊缝跟踪和熔池掌握； 对熔池机器人邻近区域的取像时，取像时刻一般选取电弧亮度小且图像稳固的时刻；脉冲 GTAW焊接中，取像时刻通常固定在每个脉冲基值期间的某一时刻，通过电源同步脉冲来掌握取像时刻；在GMAW焊接时，取像时刻通常为短路时刻； 目前利用被动视觉传感器进行焊缝跟踪的研欢迎下载精品学习资源究中，一般使用一个摄像机，所跟踪的焊缝是二维的；这是由于依据一幅图片很难获得高度信息；虽然运算机视觉技术中有依据一幅灰度图像复原表面外形的方法，但因熔池图像本身很复杂且掌握过程中有时间要求，所以很难在焊缝跟踪中实现；即使使用两个摄像机采纳立体视觉技术运算高度，特点点的匹配也较困难；所以利用被动视觉跟踪焊缝高度的问题上仍需要作进一步的讨论；4 结论焊接机器人作为焊接自动化的一个重要载体必将在我国得到更加广泛的应用，而焊缝跟踪是弧焊机器人应用的一个重要的讨论方向；在各种传感方法中视觉传感是很有前途的传感方法，其中被动视觉传感由于具有较多优点，将成为一个讨论热点；参考文献：1林尚扬 . 中国从焊接大国向世界焊接强国迈进我国焊接生产现状与进展中的几个问题J.航空制造技术 ,2002,11:17 192林尚扬，陈善本，李成桐.焊接机器人及其应用 M.机械工业出版社 . 2000, 7： 47；57 613互联网 4林尚扬， 关桥，我国制造业焊接生产现状与进展战略讨论J ，机械工人 . 热加工， 2004， 5： 10 155 黄石生，高向东，焊缝跟踪技术的讨论与展望，电焊机，19955>:1 56C-H Kim, S-J Na, A study of an arc sensor model for gas metal arc welding withrotating arc Part 2: simulation of an arc sensor in mechanically rotating gasmetal arc welding, ProcInstnMechEngrs, Vol 215 Part B, IMechE 2001:1281-12897 G. 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