焊接自动化论文

题目 焊缝跟踪用传感技术研究现状及发展趋势焊缝跟踪用传感技术研究现状及发展趋势 选修课程 二级学院 学 号 姓 名 指导老师 目录目录 1 目 录 1 摘 要 2 前 言 2 1 焊缝跟踪用传感技术研究现状 3 1 1 机械式传感 器 3 1 2 电磁式传感 器 3 1 3 超声波传感 器 3 1 4 电弧特性传感 器 3 电弧传感 2 器 3 1 5 射流式传感 器 5 1 6 光电式传感 器 5 视觉传感 器 5 2 焊缝跟踪技术的发展趋 势 8 结束 语 8 参考文 献 9 3 焊缝跟踪用传感技术研究现状及发展趋势焊缝跟踪用传感技术研究现状及发展趋势 摘要摘要 随着科技水平的进步 人们对焊接质量的要求也越来越高 而人工焊接 时 由于受到技术水平 疲劳程度 责任心 生理极限等客观和主观因素的应 影响 难以较长时间保持焊接工作的稳定性和一致性 而且 由于焊接恶劣的 工作条件 愿意从事手工焊接的人在减少 熟练的技术工人更有短缺的趋势 另一方面 电子技术 计算机技术 数控及机器人技术的发展为焊接过程的自 动化提供了有利的条件 并已渗透到焊接的各个领域 本文介绍了和分析了弧 焊过程中典型的焊缝跟踪传感器的原理 特点及应用发展情况 Abstract Along with the progress of science and technology people on the welding quality requirements more and more is also high And manual welding due to the technical level fatigue the sense of responsibility physiological limit and the objective and subjective factors should influence a long time to keep the welding work stability and consistency Moreover due to welding the bad working conditions are willing to engage in hand welding in decrease skilled technical workers more shortage trend On the other hand electronic technology computer technology numerical control and the development of robot technology for welding process automation provides favorable conditions and has penetrated into all fields of welding This paper introduces and analyzes the arc welding process typical weld tracking sensor principle characteristics and application development 关键字关键字 焊缝跟踪 传感器 传感技术 焊接自动化 前言前言 在金属制造业中 焊接是仅次于装配和机械加工的第三大产业 然而 目前90 的焊接工作都是手工完成的 焊接过程中存在着强烈的热 烟尘和弧 光 工作环境非常恶劣 对工人的体能消耗很大 据统计 工人实际焊接的时 间不足其工作时间的30 因而效率很低 另外 手工作业导致焊接质量差 许多工艺需要进行二次加工 因此 为了提高焊接质量 提高生产率 节省人 力 国内外焊接工作者一直在不断地采取各种方法进行研究 以实现焊接过程 的自动化 焊缝跟踪作为一门综合性应用技术 具有多学科交叉融合的特点 包括电子技术 计算机 焊接 结构 材料 流体 光学 电磁等学科 国内 外众多研究工作者投入到这一领域进行研究 从示教型焊接机器人到程序控制 焊接系统 再到移动式自动焊缝跟踪技术 焊接自动化的每一次进步都显著提 4 高了生产效率 焊接技术的自动化 柔性化与智能化是未来焊接技术发展的必 然趋势 焊缝自动跟踪主要由传感器 控制器 执行机构三大部分组成 并构 成一个闭环反馈系统 见附图 1 焊缝跟踪用传感技术研究现状焊缝跟踪用传感技术研究现状 目前 用于焊缝跟踪的非接触式传感器主要有电磁传感器 光电传感器 超 声波传感器 红外传感器及CCD 视觉传感器等 按工作原理可分为机械 机电 电磁 电容 射流 超声 红外 光电 激光 视觉 电弧 光谱及光纤式等 焊用传感器可分为直接电弧式 接触式和非接触式3大类 按用途分有用于焊缝 跟踪 焊接条件控制 熔宽 熔深 熔透 成形面积 焊速 冷却速度和干伸长 及 其他如温度分布 等离子体粒子密度 熔池行为等 据日本焊接技术学会1994 年所做的调查显示 在日本 欧洲及其他发达国家 用于焊接过程的传感器有80 是用于焊缝跟踪的 由于视觉传感器所获得的信息量大 结合计算机视觉和图 像处理的最新技术成果 能极大的增强弧焊机器人的外部适应能力 因此视觉 传感器被认为是最有前途的焊缝跟踪传感器 下面对几种传感器一一介绍 其 中部分详细介绍 1 1 机械传感器 机械传感器 机械式传感器是目前提出较早且较成熟的接触式传感器 它以导杆或导轮 在焊缝前方探测焊缝位置 可分为机械式和电子式两种 前者是靠焊缝形状对 导杆的强制力来导向 后者是当焊枪与焊缝中心发生偏离时 导杆经电子装置 发出信号 它能表示偏离的大小和方向 再控制驱动装置使焊枪及传感器恢复正 确位置 此时传感器输出信号为零 实现自动跟踪 机械传感器结构简单 抗磁 光 烟尘和飞溅等干扰 性能好 工作可靠 价格便宜 维护方便 已应用于生产实际 但若坡口或缝隙的加工装配不均匀 机械传感器的导杆或导轮与工件接触时 容易失去跟踪点 为避免此类情况 焊接速度不能太快 此外导杆或导轮的磨损也影响传感器的精度 所以在现代 焊接技术中 已逐渐被非接触式传感器替代 1 2 电磁式传感器 电磁式传感器 电磁式传感器是一种非接触式传感器 可分为普通频率式 简称电磁传感器 和 高频式 简称涡流传感器 两种 电磁传感器的频率低于lOkHz 涡流传感器的频 率则为30 160kHz 电磁传感器适用于对接 搭接和角焊缝 其体积较大 使 用灵活性差 且对磁场干扰和工件装配条件比较敏感 一般应用于对精度要求 不太严格的场合 涡流传感器体积小 所有金属材料焊接时都能采用 但是焊 接非铁磁材料时灵敏度降低 1 3 超声波传感器 超声波传感器 5 超声波传感器可分为接触式和非接触式两种 接触式超声波传感器利用超 声波在金属内传播时的界面反射现象 由探头接受反射波脉冲 由入射一反射 波脉冲的行程 测得界面位置嗍 当探头离钢板接缝边缘的位置发生左右变化 时 接受到的反射波脉冲的时间就要发生变化 当焊枪偏离平衡位置时 其获 得的声程与平衡位置时的标准声程之差为左右跟踪的信号 一般采用横波探头 作焊缝跟踪传感器 非接触式超声波传感器通过气体介质传播超声波 采用纵 波形式 由于超声波在气体介质中传播损耗大 所以必须加入匹配层进行声 电匹配 利用聚焦声透镜技术提高空气超声波传感器的灵敏度 目前 空气超 声波传感器已应用于二氧化碳气体保护焊和埋弧焊 1 4 电弧特性传感器 电弧特性传感器 电弧特性传感器是利用焊接电弧本身 电弧电压 电弧电流 弧光辐射 电 弧声等 提供有关电弧轴线是否偏离焊接对缝的信息 实时控制焊接电弧始终跟 踪焊缝 为了能从与电弧现象有关的参数变化中 得到电弧轴线与焊缝相对位 置的信息 必须创造两个条件 一是使电弧相对焊缝产生周期性的横穿运动 即使电弧相对焊缝产生一定频率的横向摆动时 与电弧现象有关的参数可以产 生足够大的变化 方可能用来判断电弧轴线与焊缝相对位置的偏差 得到电弧 轴线与焊缝偏离的信息 二是控制执行机构调节电弧与焊缝的相对位置 使偏 离减少 直至消失 电弧传感器焊缝跟踪在非熔化极气体保护电弧焊中虽然也 曾经被采用过 但是 由于必须使电弧产生横向摆动 结构较复杂 成本较高 与其他焊缝位置跟踪方法相比没有优势 故没有得到发展 但仍然有用作焊枪高 度控制的 对于熔化极气体保护电弧焊 虽然也有横向摆动机构的麻烦 但由 于这种方法在技术可靠性及经济性方面与其他方法相比有较大的优势 所以在 实际中被广泛应用 电弧传感器的基本原理是利用焊枪与工件距离变化而引起 的焊接电流变化来探测距离高度和左右偏离 焊缝跟踪一般都是上下和左右二 维跟踪 上下跟踪可以直接利用导电嘴与工件间距离的变化而引起的电流变化 信号 调节机头高低位置达到目的 电弧式传感器利用焊接电极与被焊工件之间的距离变化能够引起电弧电流 对 于 GMAW 方法 电弧电压 对于 GTAW 方法 变化这一物理现象来检测接头 的坡口中心 电弧传感方式主要有摆动电弧传感 旋转电弧传感以及双丝电弧 传感 因为旋转电弧传感器的旋转频率可达几十 Hz 以上 大大高于摆动电弧 传感器的摆动频率 10Hz 以下 所以提高了检测灵敏度 改善了焊缝跟踪的 精度 且可以提高焊接速度 使焊道平滑等 旋转电弧传感器通常采用偏心齿 轮的结构实现 而采用空心轴电机的机构能有效的减小传感器的体积 如图 1 所示 6 图 1 旋转电弧传感器 电弧传感器具有以下优点 传感器基本不占额外的空间 焊枪的可达性好 不受电弧光 磁场 飞溅 烟尘的干扰 工作稳定 寿命长 不存在传感器和电弧间的距离 且信号处理也比较简单 实时性好 不需要附加装置和附加装置成本低 因而电弧传感器的价格低 所以电弧传感器获得了广泛的应用 目前是机器人弧焊中用的最多的传感 器 已经称为大部分弧焊机器人的标准配置 电弧传感器的缺点是对薄板件的 对接和搭接接头 很难跟踪 用于焊缝跟踪的非接触式传感器很多 主要有电磁传感器 超声波传感器 温度场传感器及视觉传感器等 其中以视觉传感器最引人注目 由于视觉传感 器所获得的信息量大 结合计算机视觉和图像处理的最新技术成果 大大增强 了弧焊机器人的外部适应能力 1 5 射流式传感器 射流式传感器 射流式传感器是一个气动射流反射型位移传感器 根据焊接工件的坡口形 式 可采用不同形状的气体射流位移传感器进行焊缝跟踪 此种跟踪尤其适用 于窄间隙气体保护焊 缺点是传感器的耗气量大 提高了跟踪成本 1 6 光电式传感器 光电式传感器 光电式传感器是目前研究最多的也最有前途的一种焊缝自动跟踪传感器 光学传感器精度高 再现性好 不仅可以用于焊缝跟踪 而且可以用于检测坡 口形状 宽度和截面 为焊接参数的自适应控制提供依据 光学传感器是焊缝 跟踪系统中比较理想的传感器181 考虑检测原理 对象 光源种类等因素 光 学传感器大致可以分为以下几种 1 单光点式传感器 利用简单的光电元件检测坡口棱边或白线 以激光 红外线 可见光 或 弧光为光源 它的跟踪基准是在焊缝一侧与焊缝平行的宽为l 2mm的白线 光 电元件接收屏上安装了两只光电接收管 当工件上的白线位于光斑中心位置时 两个光电接收管的受光面积相等 它们的输出信号也相等 当白线偏向光斑中 心一侧时 两只光电接收管的受光面积不等 它们输出的差值可以作为左右跟 7 踪信号 它的检测精度取决于焊炬高度误差和自线与焊缝的平行度 其优点是 传感器安装在焊缝侧面能消除附加的导前跟踪误差 这种传感器适用于不同的 接头形式和不同的接口形式 适用于碳钢 不锈钢 铜 铝等各种金属的焊接 2 CCD视觉传感器 在视觉测量系统中 国内外关于结构光视觉的研究较多 并且己进入实用 化阶段 所谓结构光方法 Structured Light 就是将平面光束照射在物体上可以形 成光带 光带的偏转数据反映了物体表面的三维形状信息 用这种方法可以精 确地获取物体的三维信息 借助于一组平行的平面光 或将物体置于专门的旋 转工作台上通过一束平面光 都可以利用偏转数据直接地计算出深度信息 称 这种方法为结构光方法 结构光方法适合于限制条件下 局部范围内需要精确 测量的情况 用于不规则表面的三维建模 许多文献标明 结构光视觉是视觉 跟踪中最有发展前途的方法 视觉传感器采用的光电转换器件最简单的是单元 感光器件 如光电二极管等 其次是一维的感光单元线阵 如线阵CCD 电荷耦 合器件 应用最多的是结构最复杂的二维感光单元面阵 如面阵CCD 是二维 图像的常规感光器件 它代表着目前传感器发展的最新阶段 因而应用日益广 泛 在焊缝跟踪系统中 使用何种视觉传感方法是首先需要确定的问题 根据 使用的照明光的不同 可以把视觉方法分为 被动视觉 和 主动视觉 两种 这里被动视觉只利用弧光或普通光源和摄像机组成的系统 而主动视觉一般只 使用具有特定结构的光源与摄像机组成的视觉传感系统 3 光切割式传感器 所谓光切割法 是采用激光等细长而扁平的光线 以45度方向斜射在工件 上 从而得到与坡口端面形状相似的光线图形 此图形能反映坡口的形状 深 度 摄像机在工件正上方 将此图形摄入并利用计算机进行图象处理可以求出 坡口的中心位置 坡口宽度等数据 4 激光扫描式传感器 利用激光扫描坡口和工件表面 并用一系列光电接收管同步接受反射光 从中检测坡口的位置和形状 由于点光源比线光源更容易达到较高的亮度 激 光扫描式比光切割式具有更高的信噪比和更强的抗弧光干扰能力 5 直接拍摄电弧式传感器 将包括电弧 熔池 导电嘴 焊丝伸出头和坡口等的图像 通过适当的光 学滤波器 采用工业电视 ITV 进行摄像 根据图像求出坡口宽度 然后判断焊 丝是否对中及其伸长度是否合适 由于光电传感器是非接触式 因此具有良好 的再现性及耐久性 该传感器不仅可以跟踪焊缝 还可预测坡口形状和截面积 并能用于焊接过程的自适应控制 可适用于各种坡口形状 视觉传感器视觉传感器 视觉传感器采用的光电转换器件最简单的是单元感光器件 如光电二极管 等 其次是一维的感光单元线阵 如线阵 CCD 电荷耦合器件 应用最多的是 结构最复杂的二维感光单元面阵 如面阵 CCD 是二维图像的常规感光器件 它 代表着目前传感器发展的最新阶段 因而应用日益广泛 在焊接机器人各种视 觉传感器中 CCD 传感器因其性能可靠 体积小 价格低 图像清晰直观而受 到了普遍重视 特别是 80 年代以来 CCD 与高性能的微机相结合产生的焊缝 跟踪系统 使焊缝跟踪的研究跨上了一个新的台阶 8 在弧焊过程中 由于存在弧光 电弧热 飞溅 以及烟雾等多种强烈的干 扰 是每一种视觉传感方法都需要解决的问题 根据焊接机器人视觉焊系统的 工作方式不同 可将用于焊接机器人视觉焊缝跟踪系统的视觉传感器分为 结 构光式 激光扫描式和直接拍摄电弧式 其中结构光式和激光扫描式属于主动 视觉的方法 使用激光束因为集中于一点 抗干扰性能更好一些 文中所提到 的采用 CCD 摄像机 激光二级管与扫描透镜相配合组成的视觉系统 如图 2 示 是比较典型的激光扫描应用方式 类似的还有文中所提到的焊缝跟踪方法 如 图 3 示 2 视觉传感系统组成 3 视觉传感器组成 被动视觉方法是用 CCD 摄像机通过滤光片和减光片直接观察熔池附近区域 或焊缝 在这种方法中 大部分电弧本身就是监测位置 检测对象 焊缝中心 线 与被控对象 焊炬 在同一位置 不存在检测对象与被控对象的位置差 即时间差的问题 所以没有因热变形等因素所引起的超前检测误差 更容易实 现较为精确的跟踪控制 并且能够获取接头和熔池的大量信息 这对焊接的自 适应控制非常有利 因为被动视觉和人的视觉更为相似 所以它最有希望解决 紧密对接焊缝和薄板搭接焊缝的跟踪问题 而且被动视觉传感器结构简单价格 低 因而它是一种很值得研究的焊缝跟踪方法 在这种方法中确实存在图像易 受到电弧的严重干扰的问题 但这可以通过改进滤光方法 图像处理算法以及 调整合适的取像时刻等方法解决 主动视觉和被动视觉的比较见表 1 表 1 激光焊缝跟踪传感器和被动视觉传感器的优缺点比较 9 2 焊缝跟踪技术的发展趋势焊缝跟踪技术的发展趋势 焊缝跟踪技术是现代焊接技术的一个重要组成部分 随着焊接技术的发展 焊缝跟踪技术也获得了革命性的进展 21世纪全世界钢产量的50 要通过焊接 成形制成产品 焊缝跟踪技术将在焊接制造业中起着极为重要的作用11 I 根 据先进制造技术的发展趋势 结合焊接技术本身的特点 未来对焊缝跟踪系统 的要求是 跟踪过程高精确化 现场使用可靠 性能稳定 抗干扰性强 环境 适应性强及连续工作时间长等优点 根据这一系列的要求 我们可以看出 未 来的焊缝跟踪系统的检测部分将以视觉传感器为主 跟踪方向及速度的调节将 通过对电机的控制来实现 将具有智能性的模糊控制和神经网络等人工智能手 段渗透到焊缝跟踪控制中 会增强对非线性系统控制的准确性 使焊接生产过 程更具有智能性 3 结束语结束语 本文通过对多种焊缝跟踪技术的分析 比较它们的优缺点 并根据生产实 际及课题要求 设计了一套基于CCD视觉传感器的焊缝自动跟踪系统 并进行 了焊缝跟踪实验 实验结果表明 在本系统的控制下 跟踪轨迹不仅外观平滑 而且与焊缝拟合的很好 误差范围满足要求 比较圆满地达到了本课题的预期 目标 在传感器方面 随着计算机技术和图像处理技术的迅速发展 以视觉传感 器为主的光学传感器 特别是CCD传感器因其丰富的信息量 可靠的性能 清 晰直观的图像和良好的使用效果将会得到更加深入的研究和广泛的运用 其次 为了克服单一传感信号难以保证输入信息的准确性和可靠性 为了更好地满足智 能机器人系统获取环境信息和系统决策能力的要求 多传感器智能信息融合技 术必会引起更加普遍的重视 在控制方面 随着智能控制研究的不断深入 神 经网络 专家系统 模糊控制将会更加紧密结合 如神经网络与模糊控制的结 合 专家系统和神经网络的结合 以及模糊专家控制系统的应用等 三者的结 10 合使得控制系统具有更强的自适应 自学习 自组织和更好的控制品质 参考文献参考文献 1 黄石生 王秀媛等 焊缝跟踪控制系统及发展状况 焊接 2001 2 熊腊森 焊接工程基础 机械工业出版社 2002 3 林尚扬 我国机械制造业中焊接机器人的应用现状及发展趋势 第八届全国 焊接会 议论文