弧焊機器人焊縫跟蹤系統在實踐教學中的應用

徐江波，姚啟明，高黨尋，王龍兵，周冰科

（清華大學基礎工業訓練中心，北京 100084）

0 引言

目前，工業機器人主要通過人工示教的方法進行工作，工作環境發生改變時，需重新進行示教，不能實現自動化控制功能。因此,對基于機器視覺的機器人跟蹤技術進行研究和探索，以期能夠有效提高機器人自動化程度。同時針對本科金工實習和工程素質教育的要求，可以一方面與現代科技發展同步，另一方面重點培養學生的實踐操作能力。以KUKA-KRC4 弧焊機器人（圖1）為例，對激光焊縫跟蹤器的原理、系統論述及課程應用等方面進行深入探討和剖析，學生通過對弧焊機器人焊縫跟蹤系統的學習，能夠很好地感受焊接技術的先進性和當前工業的發展，從而激發參與焊接實踐的興趣，達到鍛煉學生創新思維和實踐動手能力的目的。

1 功能原理

圖1 KUKA-KRC4 弧焊機器人

圖2 激光焊縫跟蹤器原理

如圖2 所示，半導體激光器發出的光，經透鏡1 形成XZ 平面光幕，并在被測物上形成一條輪廓線，鏡片2 收集被測物體反射回來的光并將其投影到二維CMOS陣列，這樣形成的目標物體剖面圖形被信號處理器分析處理，得到被測物的2D輪廓線。輪廓線的長用X 軸計量，高用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 焊縫跟蹤系統操作流程

2.1 啟動焊縫跟蹤系統軟件

軟件啟動后的界面如圖3 所示。以拼接焊縫為例，進行具體講解。

（1）將機器人移動至焊接區域選擇參數，段個數選擇16，手動輸入參數11。

（2）選擇模式1，軸1 對應反方向（水平），軸2 對應正方向（垂直）。

（3）校準，點擊“校準”按鈕前，要保證激光線盡量垂直于焊縫（誤差5），焊槍的出絲位置對準焊縫，IO 水平與垂直，對準輸出選中。

（4）寫入參數，注意有焊點點擊濾波32。

2.2 常見焊接類型及焊縫形式跟蹤模式

（1）可支持焊縫類型見圖4。

（2）焊接形式跟蹤模式見圖5。

圖3 焊縫跟蹤系統工作界面

圖4 常見焊接類型

圖5 焊接形式跟蹤模式

3 機器人焊縫跟蹤系統在焊接實踐教學中的應用

在進行弧焊機器人實踐教學環節的同時，加入焊縫跟蹤系統的學習，能有效激發學生的創造力，提升學習的趣味性和挑戰性，鍛煉和提高學生實際操作弧焊機器人的能力，達到理論與實踐相互結合的效果。而學生通過具體學習和實際鍛練，不但能夠熟練掌握搭接、拼接等焊縫跟蹤的操作能力，還能學會設置和修改其基本參數等重要知識點（圖6）。

通過此實踐教學內容的學習，激發了學生的學習興趣，使學生在掌握傳統焊接方法的前提下，對于先進弧焊機器人加深了認識、提高了操作能力。因此，該環節必須注重實踐操作在整個教學環節中的比重，積極引導學生在學習實踐中以團隊的方式進行深入探討與交流，提升學生工程素質的培養，增加學習的趣味性和挑戰性。

圖6 學生操作機器人焊縫跟蹤系統

4 結語

機器人焊縫跟蹤系統的應用，可以降低成本，無需高精度工裝實現一致的和可復現的連接。對于復雜的焊件，可減少編程工作。在教學方面，能夠充分激發學生創造力、想象力與實踐動手能力；提升教學的吸引力、說服力和影響力；進而提高弧焊機器人實踐教學的實效性。這種創新的實踐教學模式效果顯著，受到了學生的普遍歡迎。