戴建明 韓沛文 蔣林
摘要:弧焊智能化是對電弧焊接各環(huán)節(jié)進(jìn)行智能化,傳統(tǒng)的示教加再現(xiàn)的焊接機(jī)器人已無法滿足要求,必須構(gòu)建智能化弧焊機(jī)器人系統(tǒng)。對工業(yè)機(jī)器人控制、機(jī)器人視覺、六維力矩傳感、激光2D/3D焊縫傳感、高頻逆變弧焊電源、機(jī)器人弧壓調(diào)高技術(shù)、機(jī)器人弧焊工藝技術(shù)方面進(jìn)行了研究。
關(guān)鍵詞:弧焊智能化;焊接機(jī)器人;焊縫跟蹤;弧壓調(diào)高
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弧焊智能化是對電弧焊接各環(huán)節(jié)進(jìn)行智能化,包括:焊接前期的工藝準(zhǔn)備、工件導(dǎo)入、夾具動作的智能化;焊接過程的焊縫尋位、焊縫實(shí)時跟蹤、工藝參數(shù)及焊接姿態(tài)實(shí)時調(diào)整、焊接質(zhì)量實(shí)時檢測智能化;焊接后期的自動焊接質(zhì)量檢測智能化等。對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的弧焊智能化系統(tǒng)主要是由焊接機(jī)器人、機(jī)器人視覺及焊縫跟蹤、機(jī)器人焊接電源、智能控制系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)構(gòu)成,并具有焊縫自主尋位、路徑自主規(guī)劃、焊接工藝參數(shù)自行優(yōu)化及過程自適應(yīng)控制、焊接質(zhì)量在線檢測以及生產(chǎn)自動安排的智能化功能。
目前市場應(yīng)用中的焊接機(jī)器人仍然是示教加再現(xiàn),其焊接路徑和工藝參數(shù)都是預(yù)先設(shè)置的,對作業(yè)的一致性要求非常嚴(yán)格,在焊接過程中缺少對外部信息變化的實(shí)時反饋和實(shí)時調(diào)節(jié)功能。然而焊接過程中的環(huán)境和條件的變化是不可避免的,如焊接工件加工和裝配誤差造成接頭位置、焊縫間隙和尺寸的分散性,示教軌跡與實(shí)際焊縫的差異、焊接過程中熱變形、熔透及焊縫成型不穩(wěn)定等因素都會引起焊接質(zhì)量的波動,并導(dǎo)致焊接缺陷的產(chǎn)生。為了解決這一問題,通過激光的2D/3D成像技術(shù)構(gòu)成機(jī)器人的實(shí)時視覺,通過2D成像檢測焊縫的實(shí)時軌跡,通過3D成像檢測焊縫的寬度和深度,實(shí)時調(diào)整焊接工藝,使之能實(shí)現(xiàn)初始焊接位置識別與自主導(dǎo)引、實(shí)時焊縫糾偏與跟蹤,獲取焊接熔池動態(tài)特征信息,通過工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫自適應(yīng)調(diào)節(jié)和焊縫成形的實(shí)時控制,來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接過程的自主智能控制。這種將智能化焊接技術(shù)集成于機(jī)器人控制,通過具有對焊接環(huán)境感知的視覺傳感、熔池的監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)初始焊位導(dǎo)引、焊縫跟蹤、焊縫成形及質(zhì)量控制功能,就構(gòu)成智能化弧焊機(jī)器人系統(tǒng)。
文中以深圳鴻柏科技研制的弧焊智能化設(shè)備為例,對弧焊智能化進(jìn)行探討。
1 弧焊智能化的探索
1.1 機(jī)器人控制系統(tǒng)探索
為研究電弧焊接智能化,首先必須研究適合運(yùn)用于電弧焊接的機(jī)器人。采用多核ARM+DSP+FPGA架構(gòu)(上層信息管理ARM,運(yùn)動控制算法DSP,實(shí)時控制FPGA)并構(gòu)建機(jī)器人編程語言、語言解釋器,開發(fā)機(jī)器人控制用的TP、PC調(diào)試控制軟件等。在機(jī)器人運(yùn)動控制器達(dá)到一定技術(shù)條件時,通過匹配多軸一體化伺服驅(qū)動控制軟件代碼的使用開發(fā)權(quán),將交流伺服電機(jī)驅(qū)動控制核心技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人的伺服驅(qū)動控制,并與運(yùn)行控制結(jié)合構(gòu)建整個機(jī)器人的控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)運(yùn)控一體化。在機(jī)器人控制系統(tǒng)技術(shù)基本成熟以后,結(jié)合弧焊智能化技術(shù)的基本要素,構(gòu)建新一代弧焊機(jī)器人軟硬件控制系統(tǒng),如圖1所示。
為滿足高效高質(zhì)量弧焊需要,采用了驅(qū)控一體的機(jī)器人控制技術(shù),包括:面向應(yīng)用的機(jī)器人編程語言、自動規(guī)避奇異點(diǎn)運(yùn)動學(xué)算法、高階樣條加加速度平滑插補(bǔ)算法、自適應(yīng)位置/姿態(tài)速度規(guī)劃算法、動力學(xué)補(bǔ)償算法、負(fù)載慣量識別及PID參數(shù)自動調(diào)節(jié)算法、手把手求教技術(shù)、振動抑制技術(shù)等,如圖2所示。
1.2 機(jī)器人視覺及相關(guān)傳感技術(shù)
1.2.1 激光2D/3D焊縫跟蹤器
機(jī)器人焊縫跟蹤器采用激光掃描成像,為成像目標(biāo)構(gòu)建位姿坐標(biāo)信息系統(tǒng),一般與弧焊槍一起安裝在機(jī)器人的前端法蘭上。視覺控制系統(tǒng)主要由ARM事件處理模塊、DSP運(yùn)動控制模塊、FPGA伺服驅(qū)動模塊、逆變放大電路模塊、激光視覺傳感器(激光2D/3D焊縫跟蹤器)模塊、弧焊控制主機(jī)以及目標(biāo)控制對象弧焊焊槍組成,其工作原理如圖3所示。由圖3可知,由于焊縫跟蹤器具備檢測焊縫寬度和深度等焊縫特征參數(shù),能實(shí)時給出位姿信息,加上焊縫跟蹤器與焊槍的安裝位置相對位置為固定值,因此,通過跟蹤器對實(shí)際焊縫的位置檢測,可得到實(shí)際焊縫在機(jī)器人基坐標(biāo)系中的相對位置。這樣通過對實(shí)際焊縫的位置檢測就可實(shí)現(xiàn)軌跡位置的閉環(huán)控制,從而達(dá)到實(shí)時焊縫跟蹤的目的。機(jī)器人焊縫跟蹤器實(shí)物如圖4所示。
1.2.2 六維力傳感器
基于機(jī)器人末端的六維力傳感器示教(見圖5),其原理是通過感知末端力傳感器的6個參數(shù)值,進(jìn)行力的合成與分解到機(jī)器人運(yùn)動上,機(jī)器人通過自身的運(yùn)動來使末端的力傳感器的6個參數(shù)都趨近于“ 零 ”,機(jī)器人在運(yùn)動過程中記錄機(jī)器人的中間軌跡,達(dá)到拖動示教的目的。對于沒有焊縫跟蹤條件的簡單焊縫,可以通過拖動示教來代替編程,如圖6所示。
1.2.3 機(jī)器人弧焊弧壓調(diào)高
在機(jī)器人焊條電弧焊接、TIG恒流焊接中,為了保證焊接電弧電壓穩(wěn)定在一定值上,保證焊接工件與規(guī)劃軌跡存在偏差時的焊接質(zhì)量,機(jī)器人根據(jù)預(yù)設(shè)定的期望電弧電壓值和實(shí)際值,通過一定的算法調(diào)整機(jī)器人的位姿,保證實(shí)際焊接弧壓穩(wěn)定在設(shè)定值。
為了讓弧焊機(jī)器人控制系統(tǒng)的調(diào)高控制能與不同品牌型號的焊接電源構(gòu)成調(diào)高控制,研發(fā)了焊接電源信號采集控制器(見圖7),直接采集焊接電源輸出的電流及電壓值,通過邏輯判斷引弧成功,根據(jù)焊接調(diào)高要求的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的控制。
1.3 機(jī)器人弧焊電源系統(tǒng)
隨著新材料焊接、高速高熔覆的高效焊接、焊縫的控形控性等需求推動了先進(jìn)MIG、多電極多電弧焊、激光復(fù)合焊等焊接新方法的出現(xiàn),促進(jìn)了數(shù)字化焊接電源、智能化自動焊接技術(shù)的進(jìn)步,采用機(jī)器人替代焊工已成為高效焊接的必然趨勢。為了滿足高速、高熔覆率焊接的需求,在傳統(tǒng)脈沖焊的基礎(chǔ)上開發(fā)了機(jī)器人高速脈沖弧焊系統(tǒng),專門針對高速高熔覆的高效焊接。
機(jī)器人高速脈沖弧焊系統(tǒng)主要包括全數(shù)字化的高速脈沖弧焊電源、送絲機(jī)、機(jī)器人控制系統(tǒng)等,它們之間進(jìn)行高速全數(shù)字化通信。其中焊接電源通過光纖控制器與機(jī)器人控制器連接,根據(jù)自定義的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)對高速脈沖弧焊電源狀態(tài)及運(yùn)行過程的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。為了達(dá)到高速高精度控制,弧焊電源采用高頻逆變系統(tǒng),主回路的IGBT逆變頻率從20 kHz升級到30 kHz,考慮到焊接電源的負(fù)載率及控制性能,主電路從全橋全波硬開關(guān)升級到雙管正激全波并,從專用芯片的移相PWM軟開關(guān)到FPGA智能型移相PWM軟開關(guān),控制上采用高速DSP+FPGA及ARM+DSP+FPGA兩種架構(gòu)。整流后的焊接電流脈動最大在120K,其控制框圖如圖8所示。通過上述手段,大大提高了弧焊電源的控制精度和響應(yīng)速度,實(shí)現(xiàn)了熔深大、速度快、熔覆率高、飛濺小的設(shè)計目標(biāo)。
2 攻堅克難,努力實(shí)現(xiàn)弧焊智能化
2.1 機(jī)器人焊條智能化焊接
焊條焊接智能系統(tǒng)是模擬人工進(jìn)行焊條電弧焊,在各個焊接工況下保證焊接質(zhì)量,焊接系統(tǒng)使用機(jī)器人工作站方式進(jìn)行。從焊接階段開始,引燃焊條是第一步,因焊條上有藥皮,機(jī)器人的動作很難像人一樣進(jìn)行劃擦引燃電弧,這就要事先對焊條的端部進(jìn)行處理,如加碳粉、打磨焊條端部,機(jī)器人做相應(yīng)引弧姿態(tài)測試引弧成功率,找到磨尖焊條端部及機(jī)器人讓焊條端部在引弧工件上轉(zhuǎn)動引燃電弧。第二步是保證焊接電弧穩(wěn)定,這是關(guān)鍵的一步。機(jī)器人端部的運(yùn)行軌跡是通過工件的焊縫示教產(chǎn)生的,機(jī)器人在焊接時焊條燃燒變短,機(jī)器人也要像人一樣在保證電弧穩(wěn)定的同時讓焊條向熔池推進(jìn),而這個動作機(jī)器人必須是自動完成的,因此引入了電弧調(diào)高功能參與機(jī)器人的動作。另外,在焊接過程中還有些焊條長度不等的處理、再次焊條端部打磨、再次焊條引弧的處理等,這些工作使焊條焊接更具智能化。除了焊接之外,工件的上下料、焊接工件工裝夾具都可以進(jìn)行智能化處理。對于工件相同的焊接,物料的自動上、下料采用專用夾具是可以完成,對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不同的焊接件可以采用機(jī)器視覺找位、復(fù)合夾具定位,或是采用多機(jī)器人協(xié)同夾持工件及搬運(yùn)工件。
機(jī)器人焊條自動化焊接系統(tǒng)主要由焊條箱、焊條端部處理器、焊條排列器、焊條殘余收集盒、焊件夾具臺、機(jī)器人、焊接電源及電弧信號處理器等組成。焊條端部處理器主要是進(jìn)行焊條前端磨尖和檢測二次焊條長度,方便焊條引弧和二次引弧位置。電弧信號處理器把電弧信息反饋到機(jī)器人控制系統(tǒng),進(jìn)行焊接電弧弧壓PID調(diào)高控制,保證焊條焊接質(zhì)量。當(dāng)然,為了提高整個機(jī)器人焊條焊接系統(tǒng)的智能化,還可以增加機(jī)器視覺進(jìn)行焊縫跟蹤、焊接質(zhì)量的檢測或是焊接工件的自動上下載等。
2.2 機(jī)器人管道相貫線MAG智能焊接
機(jī)器人管道MAG智能焊接系統(tǒng)主要用于建筑水管主支管路的相貫線焊接,應(yīng)用線激光機(jī)器視覺在線檢測焊縫及變位機(jī),實(shí)時引導(dǎo)機(jī)器人跟蹤并實(shí)現(xiàn)擺動焊接。因建筑水管各構(gòu)件存在實(shí)際尺寸偏差,單純使用機(jī)器人的示教軌跡是不能滿足焊接工況要求,應(yīng)用激光視覺傳感器實(shí)時測量焊縫,通過機(jī)器人的焊縫跟蹤技術(shù)補(bǔ)償軌跡的偏差。管道的主支管相貫線上焊縫的寬度也是存在較大的偏差,采用機(jī)器人擺動焊接是必須的,以使焊道能充分焊透飽滿,形成質(zhì)量有保證的焊縫。除了上述焊接方面的智能處理,機(jī)器人與工裝夾具通過采用PLC實(shí)現(xiàn)各過程的智能控制。
機(jī)器人MAG焊接工作站還可進(jìn)行多種焊接智能化實(shí)現(xiàn)擴(kuò)充,如:工裝夾具智能動作實(shí)現(xiàn),工件焊縫與機(jī)器人端部焊槍位姿的協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn),焊接過程焊絲的自動修剪實(shí)現(xiàn),環(huán)境焊接煙霧的自動排除,焊接工件焊接質(zhì)量的檢測等。完成一個弧焊智能化處理牽聯(lián)多方面的智能控制的實(shí)現(xiàn),是多維技術(shù)綜合的體現(xiàn)。要實(shí)現(xiàn)弧焊項目整個過程高水平的智能化處理,可以考慮各個細(xì)節(jié)步驟是否存在智能性提高。
2.3 機(jī)器人多工位TIG智能焊接
應(yīng)用機(jī)器人進(jìn)行TIG多工位電弧焊接時,因工件尺寸相對一致性好,只是焊縫存在較小偏差,故系統(tǒng)未采用機(jī)器視覺;焊接電源在TIG焊接下為恒電流模式,應(yīng)用機(jī)器人控制系統(tǒng)的電弧電壓調(diào)高技術(shù)對焊接電弧進(jìn)行焊接能量控制,盡量在穩(wěn)定送絲速度下保證焊縫成型一致,整個焊接時期由機(jī)器人智能自動完成。焊接工裝方面,采用工件雙工位上料,自動裝夾,機(jī)器人本體軌道平移進(jìn)行焊接,專機(jī)采用PLC協(xié)調(diào)控制。
3 結(jié)論
實(shí)現(xiàn)弧焊智能化工作是電弧焊接領(lǐng)域長期追求的目標(biāo)。隨著焊接電源、焊接過程實(shí)時檢測及傳感技術(shù)的不斷發(fā)展,焊接機(jī)器人技術(shù)的不斷提高,實(shí)現(xiàn)電弧焊接自動化和智能化越來越成為可能。但就目前的現(xiàn)狀來看,存在的問題還很多。尤其在對焊縫進(jìn)行實(shí)時跟蹤過程中發(fā)現(xiàn)的焊縫寬窄深淺變化,如何讓機(jī)器人、焊接電源、送絲機(jī)構(gòu)都能適應(yīng)這種變化,使焊接質(zhì)量最終得到保證,這還是目前沒有從根本上解決的大問題,總之,弧焊智能化工作需要持續(xù)不斷的探索與實(shí)踐。
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