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基于視覺的復合焊接系統設計與應用

時間:2020-01-08 10:11作者:馮杰才 劉洪飛 曹守啟
本文導讀:這是一篇關于基于視覺的復合焊接系統設計與應用的文章,隨著焊接自動化技術的快速發展,機器人焊接由于有著自動化程度高、焊接精度高以及質量穩定等優點而廣泛應用于焊接車間生產。此外,傳感器技術的發展助力于自動化技術的快速發展。

  摘    要: 對于中小型機器人焊接車間,經常要針對不同材料測試焊接參數。針對反復定位耗費時間長,工人勞動強度大等問題,將視覺系統應用于激光電弧復合焊接設備中以提高工廠的生產效率。整個系統由機器人系統,焊接系統和視覺系統組成。通過視覺系統獲得焊接所需的軌跡信息及位置信息,并將結果反饋給機器人系統完成相應的焊接任務,有效降低了工人的勞動強度和提高生產效率。

  關鍵詞: 視覺系統; 復合焊接; 機器人焊接;

  Abstract: For small and medium robot welding shops,it is necessary to test welding parameters for different materials.In view of the problem that it takes a long time to repeatedly locate and the labor intensity of workers,this paper applies the vision system to the laser arc hybrid welding equipment to improve the production efficiency of the factory.The entire system consists of a robotic system,a welding system and a vision system.The trajectory information and position information required for welding are obtained through the vision system,and the results are fed back to the robot system to complete the corresponding welding task,which effectively reduces the labor intensity of the worker and improves the production efficiency.

  Keyword: visual system; composite welding; robot welding;

  隨著焊接自動化技術的快速發展,機器人焊接由于有著自動化程度高、焊接精度高以及質量穩定等優點而廣泛應用于焊接車間生產。此外,傳感器技術的發展助力于自動化技術的快速發展。各種智能傳感器與機器人焊接技術的融合使得焊接的精度進一步提高,機器人的應用范圍更加廣泛。同時,視覺傳感器由于有著豐富的特征信息和低損耗等優點,廣泛應用于特征的提取和目標識別,而計算機視覺技術的快速發展也推動了視覺傳感器在工業上的廣泛應用。近代焊縫跟蹤系統大都將視覺傳感器識別定位和模糊控制理論結合進行跟蹤控制,有效地提高了對焊接質量的把控[1]。

  對于中小型機器人焊接車間,常需要針對不同的材料,厚度,焊縫寬度來制定不同的焊接參數,這就需要反復進行測試。傳統的離線示教編程方式靈活性差,需要工人反復移動工件定位,導致工人的工作強度增加且生產效率低下。本文將視覺系統應用于焊接產線,有效地提高了自動化程度,降低了工人工作強度。

  1、 基于視覺的復合焊接系統

  整個基于視覺的復合焊接系統構成如圖1所示,主要由三大系統組成:機器人系統、焊接系統和視覺系統。機器人系統主要由工業機器人KUKA機器人(KR30)和控制柜組成。KUKA KR30機器人為6軸機器人,負載為30kg,最大工作范圍為2033mm,工作精度可達±0.05mm。
 

基于視覺的復合焊接系統設計與應用
 

  焊接系統是由激光器、弧焊機、氣體保護裝置以及冷卻裝置。機械臂末端裝有激光引導裝置,弧焊焊槍置于旁側,使得激光器與焊槍目標區域集中于一點,通過激光電弧復合焊實現焊接任務。激光電弧復合焊接[2]是一種高效、高質的新型焊接技術。它將傳統電弧焊的較強的熔池金屬搭橋能力和激光焊的精密高速優點結合起來,使兩種熱源的能量集中于同一個焊接熔池,實現了兩種焊接方式的缺點相互制約,優點互補[3,4]。進行焊接的同時需要惰性氣體來保護焊接區域免于焊接熔池與空氣發生化學反應,保證焊接的質量和強度。

  視覺系統是由工業相機和工業計算機組成,視覺傳感器采用Basler(分辨率:1392×1044像素)工業相機,相機安裝于機械臂末端,相機拍攝的視野充足且相機的拍攝范圍應包含完整的焊縫區域,工業計算機用于處理焊接圖像以及輸出相應的焊接信息。

  圖1 復合焊接系統的組成
圖1 復合焊接系統的組成

  整個焊接流程如圖2所示,由于工業相機安裝于機器人的末端,因此需要先將機械臂移動到一個已標定的固定位置,使得相機能夠拍攝到整個焊接區域;將焊接圖像傳輸到工業計算機進行圖像處理,得到相應的焊縫信息,包括焊縫的寬度、焊接起終點的坐標、焊接軌跡坐標等信息;操作人員需要進一步進行焊接參數的確定及相應的調整;然后機器人按照給定的軌跡以及焊接參數執行焊接任務;完成焊接后機器人執行復位動作,回到指定位置等待下一步操作。

  圖2 焊接任務流程
圖2 焊接任務流程

  2、 應用

  圖3 視覺傳感器應用平臺
圖3 視覺傳感器應用平臺

  焊接車間實際生產過程之前,常常需要進行不斷測試來得到合適的焊接工藝參數。這就要求工人在測試件上不斷的進行測試,也就需要不斷的進行測試件的定位,但由于測試件的大小,材料以及厚度都可能發生變化,導致測試件的裝夾和定位都可能產生誤差,并且每次定位都會耗費大量的時間。為了降低測試件定位操作的時間,如圖3所示,將視覺傳感器安裝于機械臂的末端,測試件放置于工作臺之上,拍攝焊接圖像獲得相應的焊接軌跡進行規劃。

  實際檢測過程中,如圖4所示,工業相機獲取焊接圖像,處理后會將焊縫的軌跡路徑顯示在圖像中。一些焊縫的特征信息,如焊縫的寬度、焊縫的起點信息和位置信息都將被提取出來;操作人員讀取參數,按照結果進行修改參數或者調整工件的位置;最后將結果傳遞給機器人的控制系統,機器人按照給定的坐標執行相應的操作。

  圖4 視覺系統監測
圖4 視覺系統監測

  3、 結束語

  將視覺系統應用于焊接生產,縮短了焊接參數獲取的時間,將原來復雜的手動測量焊縫寬度、示教編程等工作交給視覺系統處理,對工件的定位要求降低,工人只需依據處理結果進行簡單調整就可以快速完成焊接參數的校正。相比于傳統的人工定位工件測試來獲得焊縫參數的方法,視覺系統的采用提高了生產效率,同時又降低了工人勞動強度。

  參考文獻

  [1]王艷.淺析焊接機器人技術及其發展[J].科技經濟導刊,2019,27(24):62
  [2] Steen W M. Arc augmented laser processing of materials[J].Journal of Applied Physics, 1980, 51(11):5636-5641
  [3]雷振,徐良,徐富家,等.激光-電弧復合焊接技術國內研究現狀及典型應用[J].焊接,2018(12):1-6,65
  [4]徐春鷹,劉雙宇,張宏,等.激光-電弧復合焊過程的熔滴過渡特征與受力分析[J].機械工程學報,2018,54(6):154-161

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