弧焊機器人焊縫自動追蹤系統(tǒng)的教學應用

周冰科，高黨尋，王龍兵，姚啟明，趙 萌

（清華大學基礎工業(yè)訓練中心，北京 100084）

0 引言

技術創(chuàng)新是發(fā)展產業(yè)的基礎，產業(yè)的發(fā)展必須依托技術創(chuàng)新。隨著先進制造技術的發(fā)展，實現(xiàn)焊接產品制造的自動化、柔性化及智能化已成為必然趨勢。其中焊接實習作為學生實踐的一個重要環(huán)節(jié)，幫助學生拓寬眼界，了解多種焊接工藝方法和先進焊接設備。訓練中心與時俱進緊跟《中國制造2025》發(fā)展趨勢，清華大學基礎工業(yè)訓練中心從2014 年開始引進3 臺庫卡弧焊機器人之后不斷發(fā)展和建設，到現(xiàn)在為止逐步建設成擁有3個弧焊工作站共6 臺機器人的焊接實驗室，用于實踐教學受到學生一致好評。在實驗室建設中要增強新的技術在教學中的體現(xiàn)，展現(xiàn)已有設備的先進功能，充分發(fā)揮先進優(yōu)勢，這樣才能更好地培養(yǎng)優(yōu)秀學生，拓寬學生對焊接技術在機械化自動化發(fā)展方面的了解以及對數(shù)字化制造的認知，有利于從單一知識的傳授向創(chuàng)新性教學的轉變。

1 實驗背景

弧焊機器人實驗室除了承擔清華本科生的工程實踐之外，還承擔著機械系材料加工系列實驗等專業(yè)實驗課程。其中一個實驗就是觀察利用弧焊機器人在定一變三的不同參數(shù)下自動焊接對焊縫外觀成形的影響規(guī)律。但由于參加實驗的學生在弧焊機器人焊接應用方面基礎薄弱，每次焊接都會存在客觀誤差影響實驗結果，再加上實驗過程需要重復編寫焊接程序，浪費大量時間，往往不能在規(guī)定時間內完成實驗內容。為了提高焊接質量與實驗效率及改善實驗條件，實驗室決定引進焊縫自動追蹤技術。應用焊縫自動跟蹤技術可避免由于焊偏造成的未焊透等缺陷，減少焊接電弧的高溫與光輻射的影響，減少焊接輔助時間，因此深受學生的歡迎。

2 實驗設備建設

2.1 完善實驗設備

弧焊機器人實驗室所采用的設備是工業(yè)級弧焊機器人，具有工業(yè)實現(xiàn)的各項功能。為了滿足材料加工實驗課程的需求及工業(yè)級設備功能要求，在機器人本體上加裝激光焊縫自動追蹤系統(tǒng)軟硬件，激光焊縫跟蹤器如圖1 所示。在原有焊接機器人基礎上實現(xiàn)焊縫自動追蹤，滿足工程實踐教學和材料加工系列實驗的需求。此外，還需解決機器人系統(tǒng)集成與焊縫追蹤系統(tǒng)焊接程序的編制與運行，開發(fā)適用于本科生實踐教學的環(huán)節(jié)和材料加工系列實驗程序。

圖1 激光焊縫跟蹤器

2.2 激光焊縫追蹤原理

激光焊縫跟蹤器使用線式激光發(fā)生器、光學傳感器和中央處理器，利用光學傳播與成像原理，得到激光掃描區(qū)域內各個點的位置信息，通過內部的程序算法完成對常見焊縫的在線實時檢測。

對于檢測范圍、檢測能力以及針對焊接過程中的常見問題都有相應的功能設置。設備通過計算檢測到的焊縫與焊槍之間的偏差，輸出偏差數(shù)據(jù)，由運動執(zhí)行機構實時糾正偏差，精確引導焊槍自動焊接，從而實現(xiàn)對焊接過程中焊縫的智能實時跟蹤。

2.3 功能原理

傳感器的工作是基于光學三角測量原理，視覺傳感器工作原理如圖2 所示。

圖2 視覺傳感器工作原理

半導體激光器：①發(fā)出的光，經透鏡②形成XZ 平面光幕，并在被測物⑥上形成一條輪廓線，鏡片③收集被測物體反射回來的光并將其投影到一個二維CMOS 陣列④，這樣形成的目標物體剖面圖形被信號處理器⑤分析處理，得到被測物的2D 輪廓線。輪廓線的長度用X 軸計量，輪廓線的高低用Z 軸計量。如果在此基礎上擴展一個垂直于XZ 平面的一個運動的Y 軸，即可得到物體表面的3D 圖像。

2.4 組成弧焊機器人焊縫自動追蹤工作站

實驗室弧焊機器人焊縫自動追蹤工作站如圖3 所示。

圖3 實驗室弧焊機器人焊縫自動追蹤工作站

3 焊縫自動追蹤程序設計方案

以對接接頭形式為例，對接接頭形式焊縫自動追蹤程序見表1，對接接頭形式焊縫自動追蹤程序編寫示意如圖4 所示。

圖4 對接接頭形式焊縫自動追蹤程序編寫示意

表1 對接接頭形式焊縫自動追蹤程序

4 機器人CO2焊接實驗

4.1 實驗方法

利用弧焊機器人的焊縫自動追蹤技術，只編寫一次程序，然后每組均以合理參數(shù)（中等參數(shù)）作為實驗參數(shù)基礎，重復焊接出成型美觀的焊縫。

方法1：以定電流、電壓，干伸長度，變機器人速度來進行兩至三種試驗。

（1）比合理速度大1/4 倍。

（2）比合理速度小1/4。

（3）比合理速度大1/2 倍。

方法2：以定速度、電壓，干伸長度，變電流來進行兩至三種試驗。

（1）比合理電流大1/4 倍。

（2）比合理電流小1/4。

（3）比合理電流大1/2 倍。

方法3：以定電流、機器人速度，干伸長度，變電壓來進行兩至三種試驗。

（1）比合理電壓大1/4 倍。

（2）比合理電壓小1/4。

（3）比合理電壓大1/2 倍。

4.2 實驗過程記錄

列表記錄真實參數(shù)（電流、電壓、干伸長度、機器人速度、氣體流量、運行角度），另記材料，焊絲，設備等相關。

任何一組參數(shù)試驗后，用卡尺測量熔寬、熔深、余高（可用文字描述），拍照對比成型狀況，作為試驗報告材料。

5 焊縫自動追蹤系統(tǒng)的作用

在焊接機器人施焊的過程中，如果焊接條件基本穩(wěn)定，則機器人能夠保證焊接質量。但是，由于各種因素的影響，實際的焊接條件經常發(fā)生變化。例如：由于強烈的弧光輻射、高溫、煙塵、飛濺、坡口狀況、加工誤差、夾具裝夾精度、表面狀態(tài)和工件熱變形等因素影響會使焊槍偏離焊縫，從而造成焊接質量下降甚至失敗。因此，焊接條件的這種變化要求焊接機器人能夠實時檢測出焊縫的偏差，并調整焊接路徑和焊接參數(shù)，保證焊接質量的可靠性?；『笝C器人加裝焊縫自動追蹤系統(tǒng)，經實驗人員和學生實踐操作使用后與沒裝之前對比：

（1）使得實驗過程得到大量簡化，不用頻繁的編寫重復程序。

（2）焊縫成形質量有顯著提高，對實驗結果有很大提升。尤其對于參加工程實踐的學生來說，使得他們的學習成本下降很多，更容易上手操作，在短時間內對焊接自動化技術有深刻的認識，得到學生廣泛好評。

6 結束語

焊縫自動追蹤系統(tǒng)顯著提高弧焊機器人實踐教學水準，體現(xiàn)焊接技術在機械化自動化發(fā)展前沿的狀態(tài)，為弧焊機器人實踐教學提供一個重要的硬件平臺，有效地提高弧焊機器人工程實踐教學的前沿性和真實性，為培養(yǎng)本科生起到積極的作用。