實時感知焊接變形的機器人焊接技術(shù)研究

倪加明，董智軍，管雅娟，楊長祺，王新文，楊學(xué)勤

（上海航天精密機械研究所，上海201600）

0 前言

航天產(chǎn)品具有強度高、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、焊接變形控制要求高等特點，多采用高強鋁合金等輕質(zhì)高強材料。針對鋁合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)功能，難以滿足航天高技術(shù)產(chǎn)品復(fù)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(zhì)量[5-6]。隨著焊接自動化水平的提高，焊接機器人應(yīng)用日益普及，已成為航天焊接技術(shù)的發(fā)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(tǒng)集成

為實現(xiàn)航天產(chǎn)品鋁合金GTAW焊接過程的實時控制，在數(shù)字焊接電源與機器人系統(tǒng)集成基礎(chǔ)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(shù)字傳感器技術(shù)，能夠抗反光和適應(yīng)惡劣的焊接環(huán)境?？刂茊卧呛缚p跟蹤和焊縫成形自適應(yīng)控制系統(tǒng)的核心，包含焊縫跟蹤和自適應(yīng)焊接參數(shù)控制所需的視覺處理和過程控制功能?？刂茊卧梢酝ㄟ^以太網(wǎng)、RS232/422串行口、模擬信號和數(shù)字I/O與機器人、PLC或運動控制器通信，實現(xiàn)焊縫跟蹤和焊縫成形自適應(yīng)控制功能?？刂茊卧梢赃B接多個激光傳感器，其通過以太網(wǎng)與PC連接，由人機界面實現(xiàn)傳感器的參數(shù)設(shè)置、視覺算法選擇。

圖1 基于激光傳感的自動焊接系統(tǒng)構(gòu)架

激光傳感器是一款緊湊的焊縫跟蹤系統(tǒng)，體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、檢測精度高，在抗鏡面反射以及弧光干擾方面表現(xiàn)優(yōu)異，適用于空間狹小環(huán)境下的跟蹤焊接作業(yè)。該系統(tǒng)配備一個激光傳感器，并帶有內(nèi)置2D CMOS像頭，激光發(fā)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(xù)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(jīng)過相應(yīng)焊接算法和反饋控制，實現(xiàn)焊接過程的焊縫路徑自動跟蹤功能以及焊接工藝參數(shù)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(yīng)跟蹤試驗，如圖2所示。針對激光跟蹤傳感器進行相應(yīng)位置標定，確認相對位置關(guān)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(shù)據(jù)，依據(jù)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(jié)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(fù)雜路徑焊縫自動跟蹤調(diào)整

焊接路徑自適應(yīng)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(xiàn)焊縫路徑的自適應(yīng)跟蹤，從而實現(xiàn)鋁合金自動焊接的焊縫中心自適應(yīng)跟蹤，確保焊槍及送絲處于焊縫中心。結(jié)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(xiàn)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(yīng)跟蹤

2.4 變間隙焊縫跟蹤

基于激光實時傳感的焊接系統(tǒng)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(shù)的補償，實現(xiàn)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(diào)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(jīng)X光檢測，焊縫內(nèi)部僅有少量氣孔，無裂紋等缺陷，焊縫內(nèi)部質(zhì)量滿足YS0620-1997Ⅰ級焊縫要求。

3 結(jié)論

針對航天鋁合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，集成基于激光傳感機器人自動焊接系統(tǒng)。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(xiàn)機器人自動焊接過程中的焊縫軌跡自動跟蹤，以適應(yīng)復(fù)雜示教路徑的自適應(yīng)調(diào)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(xiàn)精確跟蹤。實現(xiàn)了1～4 mm漸變間隙的自適應(yīng)跟蹤調(diào)整，采用填充控制算法進行焊接工藝參數(shù)補償，實現(xiàn)焊縫均勻熔透成形。

圖5 焊縫成形自適應(yīng)控制

圖6 雙面熔透的焊縫成形