工业机器人设计（论文）：智能弧焊机器人的应用.doc

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1、工业机器人设计（论文）题 目：智能弧焊机器人的应用 年 月 日平顶山工业职业技术学院目录摘要1第一章 简介2第二章 弧焊机器人高效富氩气保自动焊工艺3第三章 熔池接缝视觉传感与自动控制技术33.1 弧焊视觉信息近红外传感系统的设计与研究43.2 熔池视觉图像基本特征53.3 熔池视觉图像处理与边界提取63.4 MAG焊气孔缺陷视觉图像特征73.5 弧焊机器人预置铜带PTIG熔池视觉传感与无熔深控制技术8第四章 重型车辆焊接工艺自动设计系统94.1 系统对象背景与功能要求94.2 系统原理及总体结构94.3 焊接工艺自动设计系统的具体实现104.3.1 焊接接头信息管理模块104.3.2 焊接工

2、艺规范的推理104.3.3 焊接工艺卡的输出10第五章 重型车辆大型弧焊机器人工作站离线编程系统技术115.1 系统需求分析及总体结构115.1.1总体设计思路115.1.2各子系统或模块之间的协作关系125.1.3开发方式125.2 规划技术125.3 三维工件与仿真环境的无缝集成125.4 重型车辆等焊接工件特征造型系统135.4.1焊接工件特征造型系统结构135.4.2焊接通用件的参数化造型结果14参考文献14摘要弧焊机器人是由示教盒、控制盘、机器人本体及自动送丝装置、焊接电源等部分组成。可以在计算机的控制下实现连续轨迹控制和点位控制。还可以利用直线插补和圆弧插补功能焊接由直线及圆弧所组

3、成的空间焊缝。弧焊机器人具有可长期进行焊接作业、保证焊接作业的高生产率、高质量和高稳定性等特点随着技术的发展，弧焊机器人人正向着智能化的方向发展。关 键 词：弧焊机器人 工业 设计 应用智能弧焊机器人的应用第一章 简介图1弧焊机器人特写通常，车辆、兵器、舰艇等主体材料结构件都具有高强度、高硬度、高碳当量的特点。同时，焊接接头组对偏差大，热处理变形加重了组对的困难，焊接性差，易产生裂纹等焊接缺陷，采用新型先进的焊接工艺及适度智能控制自动焊接方法可有效解决这一问题图2 高硬中碳调质钢机器人焊接试样宏、外观照片第二章 弧焊机器人高效富氩气保自动焊工艺合金钢(铝)材料的焊接试验研究得出，弧焊机器人自动

4、焊接工艺应采用脉冲熔化极单(双)丝氩弧焊技术、中厚中碳合金调质钢采用喷射过渡MIG焊工艺，对高强高硬铝合金采用亚射流或射滴过渡单丝和双丝MIG焊工艺可获得优质的接头质量，对薄板和在环境温度较高时也可采用短路过渡MAG焊工艺图3 高硬中碳调质钢机器人焊接微观组织照片第三章 熔池接缝视觉传感与自动控制技术该技术针对弧焊机器人自动焊接，主要采用工业CCD作为视觉信号的传感器, 依靠窄带和截止复合滤光技术在近红外波段传感采集熔池、接缝等特征信息，并以特征信息为控制量, 实现弧焊机器人过程和质量的智能控制。因此，焊接过程和质量的视觉信息图像的自动传感采集及特征提取是最基础、最重要的技术研究内容。3.1

5、弧焊视觉信息近红外传感系统的设计与研究CCD摄像机采集到的光信号由两部分构成，一是电弧、熔池自身热辐射发光，被摄像机直接接收；二是电弧光照射到熔池，熔池对其反射进入摄像机。要获得高清晰度的熔池图像，就要通过光学途径大比例的抑制电弧光。而使熔池光尽可能全部被摄像机接收，其本质就是为了增大熔池图像的信噪比。图4 弧焊机器人及视觉传感系统示意图可见至近红外波段，随波长增大，电弧连续谱强度逐步降低，而熔池的自身热辐射逐步增强，即Z增大，而Q减小，有利于获得高的信噪比。在近红外波段，如980nm、1064nm，同价格昂贵的脉冲频闪取像和中远红外取像相比，电弧的中心区域虽未能完全滤除，熔池的头部被电弧部分

6、覆盖，但图像清晰度仍较高，熔池的特征清晰可辨，设计合适的图像处理算法即可获得熔池的轮廓，不影响熔池形状参数的提取。在可见光波段，如611nm的窄带滤光，熔池自身在此区间的辐射较弱，即Z较小。要获得高的信噪比，只有提高F，减小Q。而采用中性滤光片减光时，F和Q会被同时等比例缩小，故其信噪比不如在近红外区获得的熔池图像高。利用金属特征谱取像，其目的是为了增大J，但在本实验条件下，采用405nm窄带滤光片组取像，虽然有较大的J，但由于在此窗口内存在强的CO2连续谱，即Q很大，故值仍较小，无法获得清晰的熔池图像。图5 典型射流和短路过渡熔池特征3.2 熔池视觉图像基本特征由于射流过渡所采用的焊接规范比

7、较大，热输入大，其熔池较短路过渡时较大。熔池总体形状呈不对称椭圆形，图像最上方的弧形黑色边界是喷嘴正面投影，熔池头部被电弧所覆盖，覆盖区域与电弧形态、规范大小、滤光效果和光圈等因素有关。射流过渡电弧视觉图像分为上下二部分，上部分呈近似锥形，下部分呈倒尖锥形。电弧两侧是熔池区，由于该区紧靠电弧的烁亮区，其视觉图像灰度值明显高于其它熔池区域，熔池的中后部存在剧烈灰度变化的区域，多次反复的观察和试验证实了该区是浮渣。浮渣有单片、双片两种存在状态，并总是在不停地运动，由于表面张力的作用，向温度较高的熔池中心区汇聚。熔渣的后部也是熔池区，由于熔池呈凹陷状，而液态熔池是镜面反射，故该区视觉图像的灰度值低，

8、并且是整个熔池内部灰度值最低的区域；熔池尾部为高温的半熔化区，由于存在漫反射和较大的热辐射梯度，故灰度值较高。短路过渡熔池形态与射渡过渡基本特征类似，但电弧形状特征不明显。无论哪种过渡方式，当焊接速度增大时，熔池的后部夹角逐渐变尖。图6 熔池(焊缝)浮渣特征3.3 熔池视觉图像处理与边界提取针对高强高硬钢（铝）材料喷射和短路过渡熔池特征， 对所采集到的熔池图像进行滤波、拉伸和边缘检测等处理。由于CCD摄像机与焊枪一体，处在运动状态，所以给取像带来了机械干扰，但高斯波可以很好的消除这种干扰（如图7a）。图7b是针对熔池尾部进行灰度拉伸后的图像，拉伸规则是图7a中像素值低于一定值的全部置为0，高于

9、一定值的全部置为255，在两者之间的像素线性拉伸。图7c是边缘检测后的图像，提取算法是先在横向寻找梯度变化最大的点，再在纵向寻找灰度变化超过一定阈值的点，该算法基本勾勒出了熔池的轮廓，但熔池的边界不连续。图7d是二值形态学滤波后的图像，即进行闭合、开启运算，目的是为了消除熔池轮廓的缩孔与毛刺。图7e是细化运算后的图像，其目的是为了提取熔池的轮廓为单像素宽度。图7f是“连接操作”后得到的图像，连接规则是判断所有断续线段的端点之间的距离，将距离最小的端点之间用直线连接，其中白色的封闭曲线是熔池边界的轮廓线。求出的熔池轮廓线与原图像基本保持一致，说明熔池图像采集和处理得到了清晰的熔池边界。图7 熔池

10、视觉图像的计算机处理3.4 MAG焊气孔缺陷视觉图像特征经过大量的实验和分析研究发现，出现气孔缺陷时对应的熔池图像都存在以下一个或若干个视觉图像特征, 但出现下述图像特征所对应的焊缝虽大部分产生了焊接缺陷,但并非100%产生,表明熔池过程气泡生成后有少部分可能逸出,熔池凝固成焊缝后未形成气孔。因而存在以下四个图像特征表明焊缝中产生焊接气孔缺陷的概率大幅度增加：（1）熔池边缘出现锯齿状图像特征；（2） 熔池图像尾部出现黑斑点；（3）浮渣数目增多；（4）灰度均值波动变大，标准差也在增大。在采用侧向风较大的焊接环境中进行焊接，焊缝出现较多的气孔，焊后经射线检验发现整段都存在内部气孔，其整个过程的灰度

11、均值及标准差变化过程如图8。灰度均值波动大，则灰度标准差也随着均值的增大而略有波动，而正常无侧向风焊接无缺陷的焊缝熔池，其灰度均值及标准差变化极小。这表明熔池图像的灰度均值和标准差与内部气孔有一定关系，出现内部气孔时灰度均值波动很大。图8 有气孔的熔池灰度均值及标准差特征3.5 弧焊机器人预置铜带PTIG熔池视觉传感与无熔深控制技术采用前述传感系统采集的铜熔图9 边缘检测与熔池参数计算机提取界面与结果池视觉图像,将传感采集的熔池几何特征参数输入控制器，按照研究得出的无熔深控制条件：图9 边缘检测与熔池参数计算机提取界面与结果第四章 重型车辆焊接工艺自动设计系统4.1 系统对象背景与功能要求针对

12、重型车辆焊接生产特点开发了焊接工艺自动设计系统，所用到的焊接方法主要有熔化极半自动气体保护焊、熔化极全自动气体保护焊、机器人熔化极气体保护焊、手工电弧焊等,其产品焊接接头的体系完备。4.2 系统原理及总体结构系统基于Client/Server(客户/服务器)结构，用户通过界面输入焊接接头参数信息，向功能层提出接头工艺设计请求，由功能层依据不同工艺求解方式提供推理逻辑并响应工艺结果输出服务，数据库提供知识载体的支撑服务。系统根据这些特征参数检索出相近的工艺实验报告或利用知识库中的规则进行推理，从而生成该产品接头的焊接工艺卡，最后输出和打印工艺卡文挡等，其总体结构见图10。图10 WCAPP系统的

13、总体结构4.3 焊接工艺自动设计系统的具体实现4.3.1 焊接接头信息管理模块该模块利用TreeView控件对焊接接头进行组织。TreeView控件实现树型（tree）结构，按照三层结构来组织接头。TreeView控件的根节点对应产品，其子节点对应部件，叶子节点对应具体的焊接接头。同时，该模块采用几何特征造型来对接头进行信息描述。在系统中，将特征定义为组成接头的原子单位。每一个特征都有一个特征名称和对应的特征数据，特征名称用来指定某特征（如接头类型，内外焊缝，吻合类型等），特征数据中包含特征的几何信息及工艺信息（如坡口深度，坡口角度，钝边厚度，焊角高等），从而方便了构造接头图和推理接头工艺规范

14、。4.3.2 焊接工艺规范的推理先根据焊接方法、母材成份以及接头的几何信息到数据库中查找相对应的实验报告，若完全匹配，则查找数据库后会得到一个记录集，它包括需就近匹配符合条件的众多实验报告，再按照刻画不同接头的特征参数进行就近匹配，以保证最后查找到的实验报告的信息与录入的几何和参数信息最相近，从而保证推理出来的工艺规范最优化。进行就近原则后的实验报告只是系统进行工艺卡推理的实验基础，并不能简单采用，仍需系统从知识库中利用合适的规则、知识进行推理，并将推理结果（接头规范）存放在工艺卡数据库中。考虑系统对规范推理的可靠性，系统中知识库中有五种类型的推理规则。4.3.3 焊接工艺卡的输出根据企业实际

15、情况，本系统事先在Word2000以扩展名.dot文件形式存储在系统中，以便于系统调用。当要进行打印输出时，将工艺卡数据库中的数据调出写在设计好的工艺卡模板中指定的位置，从而实现了工艺内容的自动生成。第五章 重型车辆大型弧焊机器人工作站离线编程系统技术5.1 系统需求分析及总体结构5.1.1总体设计思路在重型车辆机器人自动化焊接推广应用的背景下，研究和开发具有自主知识产权的适合重型车辆特点的弧焊机器人离线自动编程系统是非常迫切的。基于重型车辆焊接的弧焊机器人离线编程系统TWROBCAM是基于微机的Windows系统下的机器人焊接CAD/WCAPP/CAM/PDM系统，其总体结构框架如图11。图

16、11 TWROBCAM系统总体结构框架5.1.2各子系统或模块之间的协作关系弧焊机器人智能化系统各子系统或模块之间的协作关系描述如下：基于SolidEdge平台，通过二次开发实现基于特征设计的焊接工件造型系统，设计人员通过该系统进行焊接工件的设计，工件焊接特征被自动识别与提取，并且将工件三维CAD图形、焊接特征及文档存储在焊接产品的数据库中。根据焊接任务，焊接工艺规划获取接头焊接特征作为焊接工艺规划的输入信息提供工艺规划条件，工艺规划的结果作为输出，通过数据库操作添加和修改焊接工艺信息。这些信息反过来自动修改SolidEdge中有关焊接特征的数据，如坡口形状及尺寸等，以保证数据的双向一致性。路

17、径规划根据工艺规划的理想焊枪姿态及接头的焊缝特征信息，优化机器人机座路径及机器人关节轨迹，路径规划编程的结果生成仿真数据文件又返回到焊接产品数据库中。路径规划结果为计算机图形虚拟仿真提供了运动的轨迹。焊接工艺信息及仿真数据文件又生成机器人程序，下载到机器人控制器执行。5.1.3开发方式三维实体造型与仿真为机器人工作站、工件及环境的图形运动仿真提供可视的立体环境，是整个系统的平台，它的开发方式决定了整个系统的开发方式。5.2 规划技术针对空间焊缝机器人焊接的特点，提出空间焊缝位置分解、焊枪姿态和工艺参数联合优化的思想，将空间焊缝分解为一个立坡焊和横坡焊的组合，设计了空间焊缝焊接工艺基于数据库的推

18、理策略。大型机器人工作站规划技术方案，虚线外部分分别是规划系统的输入和输出，均到焊接产品数据库。5.3 三维工件与仿真环境的无缝集成在Solid Edge中开发的焊接工件，焊接特征通过焊接特征数据库实现Solid Edge与其它系统的信息共享，焊接工件造型中简单的几何拓扑信息可以直接提取后显式的放入数据库中，但一些复杂的几何拓扑信息如空间自由曲面或曲线，最好的途径是其它系统也可以直接访问Solid Edge中建立的焊接工件的几何拓扑信息。另外，在Solid Edge中造型的焊接工件，在机器人工作站图形仿真时，应将工件造型图调入到仿真环境中，实现无缝集成。实现的方法是支持OLE的客户端/服务器模

19、式，将机器人工作站仿真系统设计为包含嵌入项的容器应用程序，把Solid Edge文档嵌入到仿真环境，Solid Edge应用程序作为服务器在后台运行。图12 焊接工件特征造型的路线图5.4 重型车辆等焊接工件特征造型系统对于典型的焊接产品，其焊接零部件基于CAD软件平台二次开发建立。以接头为节点进行焊接特征设计，焊接标准件、典型件的零件几何特征和焊接特征通过实例化直接建立，然后根据接头形式特征等实现焊接工件自动化装配。焊接设计特征依附于CAD数据模型特征层与CAD数据一起存放。5.4.1焊接工件特征造型系统结构本课题选择Solid Edge作为三维CAD软件平台，基于Solid Edge实现通

20、用三维实体的造型，通过Solid Edge提供的API对其进行二次开发实现焊接标准件、通用件的特征设计和自动装配设计。焊接工件特征设计的主要模块包括：一般零部件的三维造型；据工件的特征和接头形式特征自动定义，并且按照设计人员输入的参数自动装配。5.4.2焊接通用件的参数化造型结果变量表和程序开发相结合的方式建立的通用件及形状特征，设计形状特征包含斜相贯角度、壁厚、高度、主管内径等。形状特征包含壁厚、长度、斜相贯角度、支管外径等。参考文献1 杨晓，中国科技大学2003，(1)：35-382 张东，机器人天空 2001，(9)：37-403 李明文 弧焊机器人的研究2003，24(1)：4-7 第 13 页