爬行式全位置弧焊机器人.pdf

1 爬行式全位置弧焊机器人爬行式全位置弧焊机器人 中中 科科 院院院院 士士 清华大学清华大学教教 授授 潘潘际际銮銮 20062006年年8 8月月 2 焊接是现代工业极为重要的制造方法焊接是现代工业极为重要的制造方法 核电站示意图核电站示意图 3 148万千伏安核电站压力壳万千伏安核电站压力壳 核岛全貌核岛全貌反应堆压力壳反应堆压力壳 水流速度水流速度20米米 每秒每秒，进口温进口温 度度290290，压压 力为力为180180大气大气 压压，蒸发量为蒸发量为 每小时每小时71607160吨吨， 高高12.8512.85米米， 直径直径55705570毫米毫米, , 壁厚壁厚200200- -600600 毫米毫米, ,总重量总重量 483483吨吨 4 世界最大三峡水轮机转轮世界最大三峡水轮机转轮 由由13叶片焊接而成叶片焊接而成 5 焊接自动化的重要性及迫切性焊接自动化的重要性及迫切性 ?2002年我国钢产量年我国钢产量1.85亿吨亿吨 ?2002年钢消费量为年钢消费量为2亿吨亿吨 ?钢消耗量的钢消耗量的45%用焊接制成产品用焊接制成产品 ?2002年焊条年焊条,焊丝生产量焊丝生产量147万吨万吨 ?焊接机械化焊接机械化,半自动化半自动化,自动化程度自动化程度 为为40.1% 6 工业机器人已广泛应用于生产工业机器人已广泛应用于生产 全世界全世界300万台万台,我国我国1040台台 汽汽车车零零件件 汽汽车车制制造造 工工程程机机械械 摩摩 托托 车车 铁铁 路路 其 其 它它 锅锅炉炉 7 机器人用于汽车焊接机器人用于汽车焊接 8 用于机器部件焊接用于机器部件焊接 9 手臂式机器人装在龙门架上手臂式机器人装在龙门架上 10 大型结构件焊接仍无法解决大型结构件焊接仍无法解决 11 燕山石化wdl610d钢制2000m3液化气罐 12 兰州石化wdl610e钢制1500m3乙烯罐 13 镇海储油基地镇海储油基地 14 燕山储罐油燕山储罐油 wh610d2钢制燕山石化总厂10 万m3原油储罐 15 储油罐俯观储油罐俯观 燕山石化总厂燕山石化总厂10 万万m3原油储罐原油储罐 17 储油罐内观储油罐内观 燕山石化总厂燕山石化总厂10 万万m3原油储罐原油储罐 18 19 21 50t吊车同时安装壁板吊车同时安装壁板 22 船舶制造船舶制造焊接占重要地位焊接占重要地位 23 “ wdl610d钢制2000m3液化石油气运输船 24 大型船舶制造大型船舶制造 ?30万吨原油船 25 26 大型结构件焊接已有解决方法大型结构件焊接已有解决方法 大挂车大挂车（美国美国ogden公司产品公司产品） 27 （加拿大加拿大gullco公司产品公司产品） 铺设轨道式铺设轨道式 气电立焊气电立焊埋弧横焊埋弧横焊 29 30 31 大角缝埋弧自动焊大角缝埋弧自动焊 罐底组焊罐底组焊 罐底采用罐底采用co2半自动焊加碎丝高速埋弧平焊半自动焊加碎丝高速埋弧平焊 34 罐底组焊罐底组焊 35 曾经研究的方案曾经研究的方案 36 机器人路径机器人路径 自动规划自动规划 37 自动按规划自动按规划 轨迹焊接轨迹焊接 38 研究新技术路线研究新技术路线 39 研究任务研究任务 1 1无轨道爬行式全位置弧焊机器人无轨道爬行式全位置弧焊机器人 2 2。无轨道爬行式气电立焊机器人无轨道爬行式气电立焊机器人 40 1 1、爬行机构爬行机构 2 2、传感器传感器 3 3、控制方法控制方法 研究的难点研究的难点 41 1 1、爬行机构要求爬行机构要求： 强吸附力及负载能力强吸附力及负载能力，良好的可控性良好的可控性 及足够的响应速度及足够的响应速度。 2 2、传感器的选择传感器的选择： 抗电磁与弧光干扰能力强抗电磁与弧光干扰能力强；信息处理信息处理 的识别能力强的识别能力强，处理精度与速度满足跟处理精度与速度满足跟 踪要求踪要求。 3 3、控制方法控制方法： 全位置焊接系统可进行焊接速度与跟全位置焊接系统可进行焊接速度与跟 踪控制踪控制；气电立焊系统可进行弧长跟踪气电立焊系统可进行弧长跟踪 的焊接速度控制与跟踪控制的焊接速度控制与跟踪控制。 42 全位置爬行机构的研究全位置爬行机构的研究 ?电磁履带式电磁履带式 ?永磁悬浮轮式永磁悬浮轮式 ?永磁加磁悬浮轮履式永磁加磁悬浮轮履式 43 全位置焊接系统整体设计全位置焊接系统整体设计 44 永磁悬浮轮式爬行机外貌图永磁悬浮轮式爬行机外貌图 45 永磁加磁悬浮轮履式爬行机永磁加磁悬浮轮履式爬行机 46 爬行机在垂直面上爬行机在垂直面上 47 爬行式气爬行式气 电立焊机电立焊机 48 49 传感器的选择传感器的选择 50 扫描激光传感器原理图扫描激光传感器原理图 scanning-laser sensor work piece receiving mirror objective linear ccd focusing lens laser source angledetecting sensor motor scanningpath reflecting mirror 扫 51 结构激光传感器原理图结构激光传感器原理图 laser source slit and lens ccd camera a/d converter computer 52 激光传感器的优缺点激光传感器的优缺点 ?与电弧非一体与电弧非一体 ?图像处理技术为关键图像处理技术为关键 ?可实行多道多层跟踪可实行多道多层跟踪 53 激光传感器外貌图激光传感器外貌图 54 激光器光谱激光器光谱 55 干涉光片光谱干涉光片光谱 56 滤光片光谱滤光片光谱 57 ccd传感器响应曲线传感器响应曲线 58 激光器光学系统的研究激光器光学系统的研究 电磁与弧光干扰情况电磁与弧光干扰情况 59 研究成功抗干扰能力强的传感器研究成功抗干扰能力强的传感器 60 图像处理方法的研究与跟踪识别能力图像处理方法的研究与跟踪识别能力 61 控制系统的研究控制系统的研究 ?全位置弧焊机器人全位置弧焊机器人 控制系统控制系统 ?气电立焊机器人控气电立焊机器人控 制系统制系统 62 全位置弧焊机器人总体控制方案全位置弧焊机器人总体控制方案 人人 机机 界界 面面 可可 编编 程程 序序 控控 制制 器器 交流伺服电机交流伺服电机 驱动器驱动器 交流伺服电机交流伺服电机爬行小车爬行小车 跟踪控制器跟踪控制器 激光激光 ccd 传感器传感器 焊接电源焊接电源 控制器控制器 电流变送器电流变送器 焊焊 枪枪 工工 件件 手手 控控 器器 送丝机送丝机 电压反馈电压反馈 十字十字 滑块滑块 pc 机机 摆动控制器摆动控制器焊矩摆动驱动焊矩摆动驱动 气水气水 信号处理信号处理 63 爬行机运动控制方案爬行机运动控制方案 一一 接 口 信 号 校 正 跟踪控制器 信号 处理 交流伺服驱动器 激 光 ccd 传 感 器 工件 爬行机驱动控制器 交流伺服驱动器 焊矩 h v 左右 十字滑块驱动器 64 爬行机运动控制方案爬行机运动控制方案 二二 横向滑块位置信号 跟踪控制器信号处理 交流伺服驱动器 激 光 ccd 传 感 器 工件 爬行机驱动控制器 交流伺服驱动器 焊矩 h v 左右 十字滑块驱动器 65 模糊控制方框图模糊控制方框图 k vw v 66 焊炬跟踪控制方案焊炬跟踪控制方案 pid vw e 67 整机外貌整机外貌 68 气电立焊机器人控制系统气电立焊机器人控制系统 控制方案控制方案 ?焊缝跟踪控制焊缝跟踪控制 ?弧长控制即焊接速度控制弧长控制即焊接速度控制 plc 程序控自动回中 和中点偏差校正 触摸屏 车跟踪时对滑 块pid实时调参 由plc控制dsp运 行状态 触摸屏 跟踪或焊接 选择r dsp，得间隔偏差 跟踪或焊接 速度 x轴向滑块 左右电机 （小车运动 中产生左右 转动的偏 差） 车控制方法： 车pid 图像 ccd 自动跟踪态速 度vg预设 起弧焊接状态下y 轴向焊速vs反馈 由焊速控制 闭环得到 手 自 动 h 手动控制速 度设置 小车左右驱动速度小车左右驱动速度 分别给定分别给定 手自动h 焊缝跟踪控制焊缝跟踪控制 焊缝左右跟踪控制闭环焊缝左右跟踪控制闭环，分别在分别在 反馈得焊速和给定速度下完成焊反馈得焊速和给定速度下完成焊 缝跟踪缝跟踪，即焊缝偏差跟踪以即焊缝偏差跟踪以y轴轴 向速度为基准向速度为基准 左右轮 驱动器 有关跟踪的 参数输入 pid变参 滑块pid 区间判断 plc 控制方法： 触摸屏 pid 小车焊接时 前进速度 （不考虑图 像跟踪的x轴 向差值效 果） 炬高 霍尔电流传感器 （并用于判断焊 接是否稳定） pid pid 焊距高度给定 有关焊接的各 项参数输入 y 轴 向 滑 块 电压传感器 焊接速度控制焊接速度控制 焊接速度控制闭环焊接速度控制闭环，输出为输出为 焊速焊速，只在起弧焊接情况下只在起弧焊接情况下 有效有效，否则无作用否则无作用 焊速点动加减 左右轮驱 动 器 71 plc 由前图两控制环得 到 y轴向焊速 反馈vs x 轴 向 速 度 偏差v y 轴 向 跟 踪 速度给定vg y轴向速度 点动vp (vvp)v 向左右驱 动器模拟 量输出 v、vs、vg和和 vp之 间 关 系 公之 间 关 系 公 式式 72 73 74 测 试 记 录 测试状态基准值跟踪时一般值个别极值 控制方 案 焊接速度跟踪基准yzyzyz 十字滑 块控制 30cm/min单棱+0.1+0.5+0.7+0.4+0.8+0.7+1.4+1.0 +0.4 +2.0 十字滑 块控制 30cm/minv形 +0.1+0.4 +0.1+0.7+0.6+1.0 +0.1+0.7 -1.1-1.5 _-1.7 协调控 制 20cm/min单棱+0.1+0.3+0.1+0.5 +0.1+0.6 -0.1-0.5 +0.1+0.7 -1-1.7 +0.8-1.7 协调控 制 20cm/minv形+0.1+0.3-0.5+0.1 +0.1+0.6 -0.1-0.6 +0.1+0.7 -1.1-1.7 -0.5-1.1 _ 协调控 制 30cm/min v形(车角 度加大) -1.1+0.8 +0.1+0.8 -1.7-1.1 -1.1-0.5 _ 结 论 统 计 十字滑 块控制 2030cm/ min 单棱或v 形 0.3 1.3 协调控 制 0.9 一般0.6 跟踪精度测试跟踪精度测试 75 机器人在垂直面上机器人在垂直面上 沿环形槽自主爬行沿环形槽自主爬行 76 平焊实验结果 横焊实验结果 跟踪焊接结果跟踪焊接结果 77 立焊 ：分两道成型 焊丝直径： 1.2mm 板厚： 12mm 材料： 低碳钢 气体流量： 18 l/min 第 一 道： 摆动 ，二边停留 焊接速度：4.5cm/min 送丝速度：3m/min 焊接电流：80a 焊接电压：23.5v 第 二 道： 摆动 ，二边停留 焊接速度：4.5cm/min 送丝速度：3.3cm/min 焊接电流：95a 焊接电压：24.5v 多层多道焊实验结果多层多道焊实验结果 78 立焊两道成型情况立焊两道成型情况 79 背面成型背面成型陶瓷衬垫陶瓷衬垫 80 多层多道焊实验结果多层多道焊实验结果 横焊横焊：分四道成型分四道成型 焊丝直径焊丝直径：1.2mm板板厚厚：12mm 材材料料：低碳钢低碳钢气体流量气体流量：15 l/min 第第 一一 道道：焊接速度焊接速度：7.5cm/min 送丝速度送丝速度：3.4m/min 焊接电流焊接电流：95a 坡口角度坡口角度：55 焊接电压焊接电压：25v 第第 二二 道道：焊枪偏下焊枪偏下， 不摆动不摆动， 焊接速度焊接速度：18cm/min 送丝速度送丝速度：3.5 m/min 焊接电流焊接电流：100a 焊接电压焊接电压：25v 第第 三三 道道：焊枪水平焊枪水平，其它规范与第二道相同其它规范与第二道相同 第第 四四 道道：焊枪水平焊枪水平， 焊接速度焊接速