實時感知焊接變形的機器人焊接技術研究

倪加明，董智軍，管雅娟，楊長祺，王新文，楊學勤

（上海航天精密機械研究所，上海201600）

0 前言

航天產品具有強度高、質量輕、結構復雜、焊接變形控制要求高等特點，多采用高強鋁合金等輕質高強材料。針對鋁合金復雜結構件的自動鎢極氬弧焊接（GTAW），需要嚴格控制焊前裝配精度和焊接順序等以防止焊接變形過大[1-2]。鋁合金結構件自動焊接過程中，由于缺乏對焊接裝配精度和焊接變形信息的傳感反饋和實時調節功能，難以滿足航天高技術產品復雜焊縫和精密焊接的要求[3-4]，特別是焊接過程中的熱變形、錯邊以及焊接間隙的變化等直接影響焊接的成形質量[5-6]。隨著焊接自動化水平的提高，焊接機器人應用日益普及，已成為航天焊接技術的發展趨勢，對焊接過程實時控制的需求越來越迫切。

1 基于激光智能傳感自動焊接系統集成

為實現航天產品鋁合金GTAW焊接過程的實時控制，在數字焊接電源與機器人系統集成基礎上，焊前采用智能激光傳感器測量坡口幾何信息。激光傳感器采用數字傳感器技術，能夠抗反光和適應惡劣的焊接環境。控制單元是焊縫跟蹤和焊縫成形自適應控制系統的核心，包含焊縫跟蹤和自適應焊接參數控制所需的視覺處理和過程控制功能。控制單元可以通過以太網、RS232/422串行口、模擬信號和數字I/O與機器人、PLC或運動控制器通信，實現焊縫跟蹤和焊縫成形自適應控制功能。控制單元可以連接多個激光傳感器，其通過以太網與PC連接，由人機界面實現傳感器的參數設置、視覺算法選擇。

圖1 基于激光傳感的自動焊接系統構架

激光傳感器是一款緊湊的焊縫跟蹤系統，體積小、結構緊湊、檢測精度高，在抗鏡面反射以及弧光干擾方面表現優異，適用于空間狹小環境下的跟蹤焊接作業。該系統配備一個激光傳感器，并帶有內置2D CMOS像頭，激光發生器將線激光投射到工件接頭處形成激光條紋，CMOS對激光條紋成像，反饋給控制器進行后續處理。激光傳感器分辨率為0.05。通過激光傳感提取焊縫坡口幾何信息，并經過相應焊接算法和反饋控制，實現焊接過程的焊縫路徑自動跟蹤功能以及焊接工藝參數選擇。

2 基于智能傳感焊縫自動跟蹤

2.1 激光傳感器標定

采用激光傳感對4 mm、6 mm、8 mm厚度鋁合金板材進行焊接裝配坡口信息檢測及焊接路徑自適應跟蹤試驗，如圖2所示。針對激光跟蹤傳感器進行相應位置標定，確認相對位置關系。

2.2 坡口信息檢測

激光傳感器主要用于采集與分析坡口信息數據，依據實時檢測的坡口信息識別的坡口角度、焊縫間隙以及兩試板間錯邊信息，如圖3所示，試板裝配的檢測結果為：焊縫間隙2.76 mm，錯邊0.5 mm，坡口角度70°。焊接過程中能夠較好地避免弧光對激光檢測的影響。

圖2 激光傳感器路徑跟蹤標定試驗

2.3 復雜路徑焊縫自動跟蹤調整

焊接路徑自適應跟蹤如圖4所示，焊槍軌跡為偏離焊縫位置的折線。采用激光傳感器實現焊縫路徑的自適應跟蹤，從而實現鋁合金自動焊接的焊縫中心自適應跟蹤，確保焊槍及送絲處于焊縫中心。結果表明，不同厚度鋁合金板的20°～80°坡口角度、0.2～10 mm間隙和0.1～3 mm錯邊基本能實現精確跟蹤。

圖3 焊接試板坡口信息實時檢測

圖4 焊接路徑自適應跟蹤

2.4 變間隙焊縫跟蹤

基于激光實時傳感的焊接系統如圖5a所示。采用焊槍前部送絲方式，送絲出口盡量與試板水平，激光傳感器位于焊槍與送絲嘴前端，安裝角度為45°。鋁合金焊絲直徑φ1.6 mm。焊接速度150 mm/min，氬氣流量15 L/min，初始焊接電流220 A，初始送絲速度300 mm/min。鋁合金試板試板厚度6 mm，坡口角度 45°，鈍邊 4 mm，焊接間隙 1～4 mm。基于激光傳感器的實時檢測，通過焊接間隙等坡口信息進行焊接電流和送絲速度等主要工藝參數的補償，實現焊縫均勻成形。

采用基于激光傳感的自動鎢極氬弧焊接，焊接過程中焊接電流和送絲速度隨焊接間隙和錯邊量進行調整，獲得雙面完全熔透的均勻成形焊縫，如圖6所示。正面焊縫寬度10.2～10.4 mm，背面焊縫寬度6.6～7.6 mm，背面焊縫高度1.45～1.64 mm。焊縫表面均勻光滑，無咬邊、飛濺等焊接缺陷，經X光檢測，焊縫內部僅有少量氣孔，無裂紋等缺陷，焊縫內部質量滿足YS0620-1997Ⅰ級焊縫要求。

3 結論

針對航天鋁合金復雜結構件，集成基于激光傳感機器人自動焊接系統。采用線性掃描激光傳感采集與分析焊接坡口幾何信息，采用中心位置算法實現機器人自動焊接過程中的焊縫軌跡自動跟蹤，以適應復雜示教路徑的自適應調整與修正，不同板材厚度鋁合金板的 20°～80°坡口角度、0.2～10 mm 間隙和0.1～3 mm錯邊基本能實現精確跟蹤。實現了1～4 mm漸變間隙的自適應跟蹤調整，采用填充控制算法進行焊接工藝參數補償，實現焊縫均勻熔透成形。

圖5 焊縫成形自適應控制

圖6 雙面熔透的焊縫成形