某電廠圓形零件機器人智能焊接

任立斌， 朱平， 趙沖， 楊旺， 施一豐, 張國亮

(1.蘇州熱工研究院有限公司,江蘇 蘇州215003；2.江蘇科技大學，江蘇 鎮江 212003；3.華僑大學，福建 廈門 361021)

0 前言

機器人智能焊接在行業內已有大量研究，機器人結合傳感器定位并引導焊接路徑，再加上計算機技術實現一定范圍內的智能焊接[1-2]。當前機器人激光視覺+深度學習技術是智能焊接方面的新興趨勢。何景山等人[3]提出了圖像法焊縫自動跟蹤系統，以相機、激光器、濾光片等元件組成視覺傳感器。鄒勇等人[4]研制了具有CCD光電焊縫跟蹤系統的無軌道全位置焊接機器人。倪沫楠等人[5]搭建整體多層多道激光視覺焊縫跟蹤試驗系統，利用圖像處理得到的焊縫特征點位置信息，提高焊接工藝。國外在該領域起步較早，技術應用已經十分成熟，如英國Mata視覺公司生產的Laser Pilot激光焊縫跟蹤系統；加拿大Servo Robot公司的POWER-TRAC系統；德國Mel公司的M2DW激光焊縫跟蹤系統[6]。該次研究希望對某電廠圓形零件采用機器人實現智能焊接。從機器人焊接工藝、優選焊道排布、零件智能定位、機器人自動焊接、最終檢驗等方面論證了可實施性。采用機器人激光視覺抓取特征點并計算圓心位置，可以在工作臺范圍內自動定位工件，統一工件和機器人坐標系。從既定焊接工藝和焊道排布方式條件下，得到每條焊道在圓環形焊縫的起弧點坐標，利用機器人圓形路徑程序并調用焊接工藝程序，可以得到成形良好的焊縫。從而實現機器人對隨機放置的零件有統一的焊接輸出，實現該圓形零件的智能焊接。

1 作業系統介紹

機器人作業系統，主要包括：庫卡(KUKA)-KR 5 arc機器人、雙軸變位機、福尼斯(Fronius) CMT Advance 4000 R nc焊機、機器人激光傳感器、夾具等。其中機器人負荷5 kg，附加負荷12 kg，最大作用范圍1 412 mm，6自由度，重復精度應為±0.04 mm，質量127 kg。激光傳感器采用某品牌LZ8-0050W型號設備，產品主要性能指標見表1。機器人整體如圖1所示。

表1 激光傳感器主要性能指標 mm

圖1 機器人作業系統

2 圓形零件及待焊區域

圓形零件如圖2所示，待焊區域為圓環形槽。零件材料為奧氏體不銹鋼Z2CND1712等同于316L，待焊區槽形狀尺寸見表2。

圖2 圓形零件及其待焊區域

表2 零件及待焊區域尺寸信息

3 機器人焊接工藝評定

3.1 工藝試驗用材料、人員

為了方便取樣驗證焊接工藝參數，采用316L試板制作工藝評定，焊接材料使用ER316L焊絲，規格：φ1.0 mm。人員為焊接試驗室機器人操作人員，能熟練操作設備，熟悉工藝及設備狀況。

3.2 平板對接工藝試驗與評定

3.2.1工藝試板制作

如圖3所示，采用316L不銹鋼試板，V形帶墊板坡口形式。經過多次試焊，得到無損檢驗合格的試板如圖4所示，制作標準試樣進行理化檢驗。

圖3 坡口形式示意圖

圖4 平板對接工藝試件

3.2.2評定試驗

對工藝試板進行取樣制作標準試樣，進行理化試驗，試驗項目及數量見表3。沖擊試驗結果見表4。拉伸試驗結果見表5。彎曲試驗結果見表6。各項檢驗合格，焊接工藝評定確認并按此編制焊接工藝規程，其中，焊接工藝參數見表7。

表3 對接工藝試板力學性能試驗

表4 沖擊試驗結果

表5 拉伸試驗結果

表6 彎曲試驗結果

表7 焊接工藝參數

4 有限元優選焊道排布

為了驗證在不同的焊道排布和路徑順序下，產生的焊接變形和殘余應力大小，從而找出最優的圓形零件待焊區域機器人焊接路徑規劃，研究通過大量的有限元數值模擬計算，根據工藝規程參數，研究同一熱源下、同一材料模型和網格模型(圖5)，在8種不同焊道排布(圖6)情況下對焊接殘余應力和變形的影響，獲得控制焊接變形的最優模型與計算方法；在表8中，基于優化的模型與高效計算方法，研究圓形零件不同焊道排布等因素對焊接變形量和應力的影響，獲得其中圓形零件盤機器人焊接最優的焊道分布形式和路徑順序：12道焊縫布置，每層從內圈向外圈分布。

圖5 待焊圓形零件有限元模擬圖

圖6 不同焊道數量及排布示意圖

表8 不同焊道變形和應力結果比較

5 工件及焊道分布定位

5.1 建立工件坐標系及焊道分布

12條焊道分布相當于焊接電弧在待焊區域按照順序行走12條圓環，每個圓環的空間位置都不一樣，以工件表面圓心為原點建立工件坐標系(圖7)，將12條焊道起弧點(S1～S12)置于x軸正方向上，起弧點坐標可表示為S1(xS1，0，zS1)～ S12(xS12，0，zS12)，其中值|xS1| ～ |xS12|是每條圓環焊道的半徑，值|zS1| ～ |zS12|是每條焊道在垂直方向的分布，坐標編號見表9。

表9 12條焊道起弧點坐標編號

圖7 工件坐標系及焊道起弧點分布

5.2 工件坐標系與機器人坐標系擬合

將工件隨意放置于機器人工作臺上，待焊面水平向上，處于機器人坐標系統內。由于放置的隨機性，工件坐標系原點可能在工作臺范圍內任意點，所以需要找到工件表面圓心，以此為基點將工件坐標系與機器人坐標系統擬合，并使用機器人語言設定12條圓形焊道排布程序。

采用機器人激光視覺掃描待焊區域圓形坡口邊緣，獲得3個特征點在機器人坐標系統內的空間位置(如圖8)，設3個特征點坐標分別為A(xa，ya，za)，B(xb，yb，zb)，C(xc，yc，zc)，設工件表面圓心在機器人系統坐標為O(xO，yO，zO),半徑為R，因為3個特征點與圓心在同一平面，所以ZO=Za=Zb=Zc，再根據三點定圓心公式可得:

圖8 機器人激光掃描三點定位及特征點捕捉

xO=(ya-yc)[(x2a-x2b)-(y2b-y2a)]-(ya-yb)[(x2a-x2c)-(y2c-y2a)]2[(ya-yb)(xa-xc)-(xa-xb)(ya-yc)]

(1)

yO=(xa-xb)[(x2a-x2c)-(y2c-y2a)]-(xa-xc)[(x2a-x2b)-(y2b-y2a)]2[(ya-yb)(xa-xc)-(xa-xb)(ya-yc)]

(2)

ZO=Za=Zb=Zc

(3)

R=(xa-xO)2-(ya-yO)2

(4)

A,B,C這3個特征點在機器人系統的坐標數值實測得到，可以算得工件表面圓心在機器人系統的實際坐標O(xO，yO，zO)，以O點為原點建立工件坐標系，擬合機器人與工件坐標系統，坐標軸方向按照機器軸向規則，以OA連線為x軸正方向，z軸垂直向上，y軸方向按機器人“右手法則”方向。這樣機器人就可以根據激光定位和內部算法準確定位工件圓心，從而準確定位每條焊道的起弧點。

6 機器人焊接路徑規劃

6.1 機器人實際焊接位置修正

以圓形零件表面圓心為基點，建立空間坐標系，在待焊圓環形槽空間區域內，將12道焊縫起弧時機器人末端的坐標點標記在坐標系內。采用機器人語言SCIRC指令可以得到圓形軌跡，該指令需要3個坐標點和圓周角度(ANGLE)共4個參數。已知起弧點S1～S12位于x軸正向垂直平面，設另外兩組輔助點T1～T12和R1～R12分別位于y軸正、負垂直平面內(圖9)。

圖9 起弧點及輔助點坐標位置示意圖

該次研究中焊道分布在SCIRC指令下12條焊道參數見表10。根據模型優選的焊道排布，12個起弧點坐標理論上是均等分布的，但實際情況下為了保證焊縫成形，每道焊縫的起弧點位置與理論值有偏差，需要在既定工藝參數條件下做大量熔敷成形試驗，對每條焊道起弧點位置進行修正，得到該工藝條件下每條焊道起弧點的實際坐標位置，同時也得到輔助點坐標及圓周角度。

表10 SCIRC指令下的焊道位置參數

6.2 機器人焊接路徑語句導入

把三點定圓心算法轉為機器人定位程序，然后將12道焊縫起點坐標導入機器人路徑程序，使S1=P1并循環該語句12次，每個循環中將S點坐標位置賦予P1點，另使語句結束后回歸起始點即可。

7 圓形零件機器人焊接實施

完成上面工作后，設定機器人安全點和起始點，再設定執行語句調用焊機中既定焊接工藝參數，可以開始實施工序：工件任意放置→機器人自動定位→到達安全點→到達起始點→第1條焊道焊接→返回起始點→……→第12條焊道焊接→返回起始點→返回安全點。由機器人自動執行實施圓形零件智能焊接(圖10a),完成后的圓形零件狀態如圖10b所示。

圖10 圓形零件機器人自動焊接及焊接表面

8 無損檢驗和理化試驗

8.1 無損檢驗

對焊接完圓形零件進行滲透檢驗和射線檢驗，未發現超標缺陷。

8.2 理化試驗

對焊接完的圓形零件取樣進行常規理化性能試驗。拉伸試驗采用平板拉伸試樣，試板寬度12.5 mm，厚度12.5 mm，試驗結果見表11，斷裂位置在母材，結果合格。彎曲試驗為側彎，采用矩形彎曲試樣，試驗結果見表12，外表無肉眼可見裂紋，結果合格。沖擊試驗材料為316L不銹鋼，取樣位置為熔敷金屬，試驗結果見表13，結果合格。

表11 室溫拉伸試驗

表12 彎曲試驗

表13 沖擊試驗

9 結論

(1)通過機器人激光視覺定位、有限元優選焊道排布、配合經驗證的焊接工藝，編輯成機器人程序，驗證了在給定條件下的機器人智能焊接。其中主要關鍵：一是將三點定圓心算法與激光傳感器、機器人程序結合，實現機器人智能定位；二是通過大量的工藝試驗，在既定焊接工藝參數下得到成形良好的焊縫，即對焊道起弧點位置的修正，得到實際坐標。

(2)實施過程中還是有蓋面焊縫成形不美觀、通孔微小變形、射線檢驗局部盲區的問題，也都通過調整焊槍姿態、銅銷軸固定通孔、射線結合超聲波檢驗方法進行解決。該次研究針對特定零件焊接，可以提供一條參考思路，但仍有很多需要完善之處，歡迎業內同行指正討論。