弧焊機(jī)器人焊縫自動(dòng)追蹤系統(tǒng)的教學(xué)應(yīng)用

周冰科，高黨尋，王龍兵，姚啟明，趙 萌

（清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心，北京 100084）

0 引言

技術(shù)創(chuàng)新是發(fā)展產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必須依托技術(shù)創(chuàng)新。隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)焊接產(chǎn)品制造的自動(dòng)化、柔性化及智能化已成為必然趨勢(shì)。其中焊接實(shí)習(xí)作為學(xué)生實(shí)踐的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生拓寬眼界，了解多種焊接工藝方法和先進(jìn)焊接設(shè)備。訓(xùn)練中心與時(shí)俱進(jìn)緊跟《中國(guó)制造2025》發(fā)展趨勢(shì)，清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心從2014 年開始引進(jìn)3 臺(tái)庫(kù)卡弧焊機(jī)器人之后不斷發(fā)展和建設(shè)，到現(xiàn)在為止逐步建設(shè)成擁有3個(gè)弧焊工作站共6 臺(tái)機(jī)器人的焊接實(shí)驗(yàn)室，用于實(shí)踐教學(xué)受到學(xué)生一致好評(píng)。在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中要增強(qiáng)新的技術(shù)在教學(xué)中的體現(xiàn)，展現(xiàn)已有設(shè)備的先進(jìn)功能，充分發(fā)揮先進(jìn)優(yōu)勢(shì)，這樣才能更好地培養(yǎng)優(yōu)秀學(xué)生，拓寬學(xué)生對(duì)焊接技術(shù)在機(jī)械化自動(dòng)化發(fā)展方面的了解以及對(duì)數(shù)字化制造的認(rèn)知，有利于從單一知識(shí)的傳授向創(chuàng)新性教學(xué)的轉(zhuǎn)變。

1 實(shí)驗(yàn)背景

弧焊機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室除了承擔(dān)清華本科生的工程實(shí)踐之外，還承擔(dān)著機(jī)械系材料加工系列實(shí)驗(yàn)等專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程。其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)就是觀察利用弧焊機(jī)器人在定一變?nèi)牟煌瑓?shù)下自動(dòng)焊接對(duì)焊縫外觀成形的影響規(guī)律。但由于參加實(shí)驗(yàn)的學(xué)生在弧焊機(jī)器人焊接應(yīng)用方面基礎(chǔ)薄弱，每次焊接都會(huì)存在客觀誤差影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，再加上實(shí)驗(yàn)過(guò)程需要重復(fù)編寫焊接程序，浪費(fèi)大量時(shí)間，往往不能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。為了提高焊接質(zhì)量與實(shí)驗(yàn)效率及改善實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)驗(yàn)室決定引進(jìn)焊縫自動(dòng)追蹤技術(shù)。應(yīng)用焊縫自動(dòng)跟蹤技術(shù)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(shí)間，因此深受學(xué)生的歡迎。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備建設(shè)

2.1 完善實(shí)驗(yàn)設(shè)備

弧焊機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室所采用的設(shè)備是工業(yè)級(jí)弧焊機(jī)器人，具有工業(yè)實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能。為了滿足材料加工實(shí)驗(yàn)課程的需求及工業(yè)級(jí)設(shè)備功能要求，在機(jī)器人本體上加裝激光焊縫自動(dòng)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(jī)器人基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)焊縫自動(dòng)追蹤，滿足工程實(shí)踐教學(xué)和材料加工系列實(shí)驗(yàn)的需求。此外，還需解決機(jī)器人系統(tǒng)集成與焊縫追蹤系統(tǒng)焊接程序的編制與運(yùn)行，開發(fā)適用于本科生實(shí)踐教學(xué)的環(huán)節(jié)和材料加工系列實(shí)驗(yàn)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(xué)傳感器和中央處理器，利用光學(xué)傳播與成像原理，得到激光掃描區(qū)域內(nèi)各個(gè)點(diǎn)的位置信息，通過(guò)內(nèi)部的程序算法完成對(duì)常見(jiàn)焊縫的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)。

對(duì)于檢測(cè)范圍、檢測(cè)能力以及針對(duì)焊接過(guò)程中的常見(jiàn)問(wèn)題都有相應(yīng)的功能設(shè)置。設(shè)備通過(guò)計(jì)算檢測(cè)到的焊縫與焊槍之間的偏差，輸出偏差數(shù)據(jù)，由運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)糾正偏差，精確引導(dǎo)焊槍自動(dòng)焊接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程中焊縫的智能實(shí)時(shí)跟蹤。

2.3 功能原理

傳感器的工作是基于光學(xué)三角測(cè)量原理，視覺(jué)傳感器工作原理如圖2 所示。

圖2 視覺(jué)傳感器工作原理

半導(dǎo)體激光器：①發(fā)出的光，經(jīng)透鏡②形成XZ 平面光幕，并在被測(cè)物⑥上形成一條輪廓線，鏡片③收集被測(cè)物體反射回來(lái)的光并將其投影到一個(gè)二維CMOS 陣列④，這樣形成的目標(biāo)物體剖面圖形被信號(hào)處理器⑤分析處理，得到被測(cè)物的2D 輪廓線。輪廓線的長(zhǎng)度用X 軸計(jì)量，輪廓線的高低用Z 軸計(jì)量。如果在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展一個(gè)垂直于XZ 平面的一個(gè)運(yùn)動(dòng)的Y 軸，即可得到物體表面的3D 圖像。

2.4 組成弧焊機(jī)器人焊縫自動(dòng)追蹤工作站

實(shí)驗(yàn)室弧焊機(jī)器人焊縫自動(dòng)追蹤工作站如圖3 所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)室弧焊機(jī)器人焊縫自動(dòng)追蹤工作站

3 焊縫自動(dòng)追蹤程序設(shè)計(jì)方案

以對(duì)接接頭形式為例，對(duì)接接頭形式焊縫自動(dòng)追蹤程序見(jiàn)表1，對(duì)接接頭形式焊縫自動(dòng)追蹤程序編寫示意如圖4 所示。

圖4 對(duì)接接頭形式焊縫自動(dòng)追蹤程序編寫示意

表1 對(duì)接接頭形式焊縫自動(dòng)追蹤程序

4 機(jī)器人CO2焊接實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)方法

利用弧焊機(jī)器人的焊縫自動(dòng)追蹤技術(shù)，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(shí)驗(yàn)參數(shù)基礎(chǔ)，重復(fù)焊接出成型美觀的焊縫。

方法1：以定電流、電壓，干伸長(zhǎng)度，變機(jī)器人速度來(lái)進(jìn)行兩至三種試驗(yàn)。

（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(zhǎng)度，變電流來(lái)進(jìn)行兩至三種試驗(yàn)。

（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(jī)器人速度，干伸長(zhǎng)度，變電壓來(lái)進(jìn)行兩至三種試驗(yàn)。

（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(shí)驗(yàn)過(guò)程記錄

列表記錄真實(shí)參數(shù)（電流、電壓、干伸長(zhǎng)度、機(jī)器人速度、氣體流量、運(yùn)行角度），另記材料，焊絲，設(shè)備等相關(guān)。

任何一組參數(shù)試驗(yàn)后，用卡尺測(cè)量熔寬、熔深、余高（可用文字描述），拍照對(duì)比成型狀況，作為試驗(yàn)報(bào)告材料。

5 焊縫自動(dòng)追蹤系統(tǒng)的作用

在焊接機(jī)器人施焊的過(guò)程中，如果焊接條件基本穩(wěn)定，則機(jī)器人能夠保證焊接質(zhì)量。但是，由于各種因素的影響，實(shí)際的焊接條件經(jīng)常發(fā)生變化。例如：由于強(qiáng)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(huì)使焊槍偏離焊縫，從而造成焊接質(zhì)量下降甚至失敗。因此，焊接條件的這種變化要求焊接機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)出焊縫的偏差，并調(diào)整焊接路徑和焊接參數(shù)，保證焊接質(zhì)量的可靠性。弧焊機(jī)器人加裝焊縫自動(dòng)追蹤系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)人員和學(xué)生實(shí)踐操作使用后與沒(méi)裝之前對(duì)比：

（1）使得實(shí)驗(yàn)過(guò)程得到大量簡(jiǎn)化，不用頻繁的編寫重復(fù)程序。

（2）焊縫成形質(zhì)量有顯著提高，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很大提升。尤其對(duì)于參加工程實(shí)踐的學(xué)生來(lái)說(shuō)，使得他們的學(xué)習(xí)成本下降很多，更容易上手操作，在短時(shí)間內(nèi)對(duì)焊接自動(dòng)化技術(shù)有深刻的認(rèn)識(shí)，得到學(xué)生廣泛好評(píng)。

6 結(jié)束語(yǔ)

焊縫自動(dòng)追蹤系統(tǒng)顯著提高弧焊機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)水準(zhǔn)，體現(xiàn)焊接技術(shù)在機(jī)械化自動(dòng)化發(fā)展前沿的狀態(tài)，為弧焊機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)提供一個(gè)重要的硬件平臺(tái)，有效地提高弧焊機(jī)器人工程實(shí)踐教學(xué)的前沿性和真實(shí)性，為培養(yǎng)本科生起到積極的作用。