弧焊机器人焊缝跟踪方法的分析研究现状

弧焊机器人焊缝跟踪方法的研究现状

发布时间：2018-04-09

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,按熔敷金属计算约为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然的趋势。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,按熔敷金属计算约为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然的趋势。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。但这也带来一定的局限性，那就是应变能力很差，对工件的装配精度要求较严，重复性要好。如果焊接条件基本稳定，则机器人能够保证焊接质量。但在实际焊接过程中，因为机器人工作时为了避免发生危险，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节控制，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研究方向。1 弧焊机器人在焊接中的应用现状自从60年代机器人进入工业领域以来，发展较为迅速。预计从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研究应用，我国也开始了焊接机器人的研究应用。在数量上，根据到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。而汽车零部件厂则相反[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用交流伺服电机驱动，这种电机因为没有电刷，故障率很低。控制器中普遍采用32位的计算机，除可以控制机器人本体的5-6个轴外，还可以使外围设备和机器人协调联动。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控制器NX100技术中，一台控制器能同时控制四台机器人共36轴(每台机器人有本体6个轴，3个外部轴>，并且使用软PLC对周围装置进行控制。示教盒也采用了功能强大的Windows CE操作系统。配套焊接系统也有很多新的进展，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。由于采用旋转电弧焊时，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经常采用的摆动焊(摆动频率小于10HZ>要高的多。该公司还于1993年首先销售在控制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

结合。并于2004年实现焊机和机器人的融合，既由机器人控制器直接控制焊接波形。采用频率为100KHZ的逆变电源，体积小巧，控制精度高。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控制，便于实现缜密的焊接条件控制，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，送丝机能够配合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、焊接条件控制(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用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，以供控制系统跟踪焊缝。其特点为不受电弧干扰，工作可靠，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寻找，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。因为旋转电弧传感器的旋转频率可达几十Hz以上，大大高于摆动电弧传感器的摆动频率(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用偏心齿轮的结构实现，而采用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，工作稳定，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单，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，

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很多,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，结合计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能力。视觉传感器采用的光电转换器件最简单的是单元感光器件，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发展的最新阶段，因而应用日益广泛。在焊接机器人各种视觉传感器中，CCD传感器因其性能可靠、体积小、价格低、图像清晰直观而受到了普遍重视。特别是80年代以来，CCD与高性能的微机相结合产生的焊缝跟踪系统,使焊缝跟踪的研究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、以及烟雾等多种强烈的干扰。是每一种视觉传感方法都需要解决的问题。根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摄电弧式。其中结构光式和激光扫描式属于主动视觉的方法。使用激光束因为集中于一点，抗干扰性能更好一些。文献[7]中所提到的采用CCD摄像机、激光二级管与扫描透镜相配合组成的视觉系统，如图2示，是比较典型的激光扫描应用方式。类似的还有文献[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