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智能焊接机器人的研究
摘要:研究具有自主知识产权的无导轨磁轮自由行走式全位置焊接机器人和有导轨全位置智能焊接机器人机械机构、自动跟踪及计算机程控等关键技术,开发出系列产品,并在国家重大工程项目中得到应用。 焊接机器人在生产中可大大提高生产设备的自动化水平,提高焊接质量和生产效率,保证焊接过程的稳定性和产品的一致性,减小劳动强度,同时又可提升企业的产品质量,提高企业的整体竞争力。自20世纪90年代以来,随着计算机技术、微电子技术、网络等技术的快速发展,机器人技术也得到了飞速发展。焊接机器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不断提高,而焊接机器人的制造成本和价格却不断下降。和焊接机器人价格相反的是,焊工的劳动力成本有不断增长的趋势,劳动力成本的提高给企业带来了不小的压力,因而焊接机器人价格指数的降低恰巧为其进一步的推广应用带来了契机。
关键词:全位置 焊接机器人 智能
一、智能焊接机器人研究 为适应石油石化、冶金建设、船舶制造、压力容器制造等行业要求的现场安装制造、焊接施工量大、焊缝不规则以及焊接工艺复杂等特点,作者带领的研发团队先后研发了无导轨磁轮自由行走式全位置焊接机器人系列产品及有导轨全位置焊接机器人系列产品。其中,有导轨全位置焊接机器人又可以分为刚性导轨和柔性导轨两个系列。
1. 无导轨磁轮自由行走式全位置焊接机器人的研究
无导轨磁轮自由行走式全位置焊接机器人如图1所示。该系列产品采用永磁磁轮吸附在工件表面,可在工件表面自由行走,行走方向和行走速度可实时调节,磁轮磁吸力可达200kg,可负重行走,具备一定的负载能力。
无导轨磁轮自由行走式全位置焊接机器人控制系统结构如图2所示。该系列焊接机器人采用PLC为主控制器,配有自主研制的CCD光电传感器、激光传感器或视频监控系统。此系统在焊接过程中实时控制焊枪依照焊缝跟踪线运动,其跟踪精度高,在多层多道焊接时,无累积跟踪误差;具有手控盒输入输出模块及液晶显示输入模块,焊接操作十分方便。同时还具有位置检测传感器及焊接参数存储控制模块,可存储并实时调用全位置焊接参数,适合大厚板的多层多道全位置焊接作业。
无导轨磁轮自由行走式全位置焊接机器人主要用于大型球罐的现场焊接、各种储罐的厂内和现场焊接、钢板的全位置焊接及船体焊接。 2. 有导轨全位置焊接机器人研究 有导轨全位置焊接机器人是沿导轨进行焊接作业的一类焊接机器人,其运行轨迹相对固定,运动重复性好,适用于规则焊缝的焊接。有导轨焊接机器人的导轨可分为刚性导轨和柔性导轨两大类。柔性导轨采用高锰钢制成,由磁座吸附在工件外表面或内表面,可与工件表面的曲率保持一致,其柔性好,装卸方便,从而可使柔性导轨全位置焊接机器人适应各种曲率的大型焊件。
有导轨全位置焊接机器人具有位置传感器,能够自动识别焊接
小车所在的空间位置;焊接参数存储控制模块允许操作者分道分区设定不同的焊接参数;焊接电源联机控制模块使焊接机器人与焊接电源联动控制,可自动调节全位置焊接参数;焊缝轨迹示教模块使操作者能对焊缝轨迹进行在线示教,从而使焊接机器人能适应各种不规范焊缝的全自动焊接,减少焊接过程中的人为干预;此外,有轨道焊接机器人还具有直摆和角摆两种摆动方式,可适应不同焊接工艺对焊枪摆动方式的需求。
有轨道焊接机器人可适用于大型钢结构焊接、管道全位置焊接、船体焊接及核工业焊接等领域的全自动焊接作业。
二、全位置智能焊接机器人关键技术研究
1. 焊接机器人机械机构研究
(1)无导轨磁轮自由行走机构研究 为了能在球罐表面直接吸附行走,无导轨磁轮自由行走式焊接机器人行走机构采用行车式四磁轮柔性行走机构。此机构主要由底板与左右两侧磁轮箱组成,底板与左右两侧磁轮座间通过铰链机构柔性连接,如图7所示。磁轮箱中的磁轮由交流伺服电动机通过减速器驱动。
(2)刚性导轨行走机构研究 刚性导轨全位置焊接机器人的行走在车体内部安装有导向夹紧机构,车体通过导向夹紧机构与齿条型刚性轨道可靠滚动连接。此行走机构由交流伺服电动机驱动,行走速度无级可调,实时闭环控制,稳定可靠。其主要特点是能适应从φ160mm圆轨到直导轨的各种曲率刚性导轨,具有通用性。
(3)柔性导轨行走机构研究 柔性导轨焊接机器人行走机构的特点是采用摩擦传动方式,使用弹性压紧式摩擦轮传动机构,行走机构传动稳定可靠,从而使焊接机器人可适用于不同管径及不同曲率工件的自动焊接,机器人安装操作也更方便。由于不用制作齿条,大大降低了导轨的制作加工难度。
(4)焊枪摆动调节机构研究 焊接机器人焊枪摆动调节机构如图8所示,由焊枪夹、焊枪高低位置电动调节机构、焊枪高低位置手动调节机构、焊枪横向位置调节/摆动机构和行走机构等组成。
2. 自动跟踪技术研究
焊缝检测及自动跟踪技术是移动式焊接机器人实现自动化焊接所需解决的一个关键技术问题。经过长期研究,已开发出具有自主知识产权的CCD光电跟踪传感器及相应跟踪系统。
(1)CCD光电跟踪传感器研究 此系统采用线阵CCD芯片作为检测元件,通过检测与焊缝平行的焊缝跟踪线,进行全位置实时跟踪。 此系统的特点是无需直接检测焊缝,不受弧光干扰,检测信号稳定,跟踪精度可达1mm以内,可成功解决多层多道焊的焊缝跟踪问题。
(2)激光检测焊缝跟踪传感器研究 采用激光检测焊缝跟踪传感器可直接对焊缝位置进行检测,
与国内外其他类型的激光焊缝跟踪传感器相比,该传感器采用光纤传感、DSP图像处理等高新技术,具有体积小巧、不用水冷和成本低廉等特点,因而具有较高的实用价值。
此系统通过手控盒上的控制按钮来启动在线焊缝轨迹示教操作。操作者先将焊接机器人定位于焊缝起始点,并记忆焊接机器人所在位置信息。记忆完第一点后将焊接机器人移动至下一记忆点,再次记忆该点所在的位置信息,直至记忆到焊缝终点的位置信息为止。在记忆完焊缝位置信息后将焊接机器人定位于焊缝起始点,同时系统将所记忆的相邻焊缝点位置信息进行分段线性化,从而可以拟合出焊接机器人焊缝跟踪运动轨迹。在焊缝轨迹示教成功后退出在线焊缝轨迹示教模式,该焊接机器人便可按示教的运动轨迹来进行焊接操作。该示教控制可实现多点的分段线性化,从而可适应复杂多变的不规则焊缝的机器人自动焊接。
3.计算机程控技术研究
利用智能控制器除可完成焊接机器人的基本功能控制,还可实现很多焊接机器人智能化功能,如全位置焊接参数存储调用、焊接电源联动控制以及焊接参数自学习等功能。
(1)全位置焊接参数程控研究 焊接机器人可存储记忆各种全位置焊接参数,识别焊接位置,易于实现管道全位置自动焊接。
每一区的焊接参数可单独设置。可实现多层多道焊的自动焊接参数存储,因而每套焊接参数可包括每一层、每一道及每一区的参数。在焊接过程中还可实时显示焊接小车的当前位置。焊接参数输入操作简便,可离线输入,并可随时修改。 z ?L]5m` H
(2)焊接电源联动控制研究 研发的各种焊接机器人都专门配置了与各种焊接电源的接口电路,并可根据用户的不同需求,实现与指
定焊接电源的联机控制,从而达到焊接电源与焊接机器人的同
步。 通过接口电路,焊接机器人可控制焊接电源的焊接电流、电压和启停等操作,还可检测焊接电流、电压焊接实时值,并在焊接机器人操作界面中显示,从而极大地方便了焊工的操作。
四、经过多年的研发,我国外焊接机器人的技术水平日趋完善,产品日益成熟,价格不断下降,而劳动力成本却逐渐增加,因而焊接机器人的推广应用迎来了巨大的历史机遇。
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