弧焊機器人焊縫自動追蹤系統的教學應用

周冰科，高黨尋，王龍兵，姚啟明，趙 萌

（清華大學基礎工業訓練中心，北京 100084）

0 引言

技術創新是發展產業的基礎，產業的發展必須依托技術創新。隨著先進制造技術的發展，實現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節，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》發展趨勢，清華大學基礎工業訓練中心從2014 年開始引進3 臺庫卡弧焊機器人之后不斷發展和建設，到現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，展現已有設備的先進功能，充分發揮先進優勢，這樣才能更好地培養優秀學生，拓寬學生對焊接技術在機械化自動化發展方面的了解以及對數字化制造的認知，有利于從單一知識的傳授向創新性教學的轉變。

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下自動焊接對焊縫外觀成形的影響規律。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級弧焊機器人，具有工業實現的各項功能。為了滿足材料加工實驗課程的需求及工業級設備功能要求，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集成與焊縫追蹤系統焊接程序的編制與運行，開發適用于本科生實踐教學的環節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，輸出偏差數據，由運動執行機構實時糾正偏差，精確引導焊槍自動焊接，從而實現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（中等參數）作為實驗參數基礎，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（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 焊縫自動追蹤系統的作用

在焊接機器人施焊的過程中，如果焊接條件基本穩定，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，保證焊接質量的可靠性。弧焊機器人加裝焊縫自動追蹤系統，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

焊縫自動追蹤系統顯著提高弧焊機器人實踐教學水準，體現焊接技術在機械化自動化發展前沿的狀態，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，為培養本科生起到積極的作用。