焊接自動化論文

1、 題目：焊縫跟蹤用傳感技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 選修課程： 二級學(xué)院：學(xué) 號： 姓 名： 指導(dǎo)老師： 目錄目錄·········································

2、··········· 1摘要······································&#

3、183;············· 2前言···································

4、3;················ 21焊縫跟蹤用傳感技術(shù)研究現(xiàn)狀················· 3 1.1機(jī)械式傳感器············

5、························· 31.2電磁式傳感器·······················&

6、#183;·············· 3 1.3 超聲波傳感器·································

7、····· 3 1.4電弧特性傳感器···································· 3 電弧傳感器·····

8、83;·································· 3 1.5射流式傳感器·············

9、83;························ 5 1.6光電式傳感器·······················

10、83;·············· 5 視覺傳感器··································&

11、#183;···· 52 焊縫跟蹤技術(shù)的發(fā)展趨勢································ 8結(jié)束語··········

12、;········································· 8參考文獻(xiàn)········

13、;········································· 9焊縫跟蹤用傳感技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢摘要：隨著科技水平的進(jìn)步，人們對焊接質(zhì)量的要求也越來越高。而人工焊

14、接時，由于受到技術(shù)水平、疲勞程度、責(zé)任心、生理極限等客觀和主觀因素的應(yīng)影響，難以較長時間保持焊接工作的穩(wěn)定性和一致性。而且，由于焊接惡劣的工作條件，愿意從事手工焊接的人在減少，熟練的技術(shù)工人更有短缺的趨勢。另一方面，電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、數(shù)控及機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展為焊接過程的自動化提供了有利的條件，并已滲透到焊接的各個領(lǐng)域。本文介紹了和分析了弧焊過程中典型的焊縫跟蹤傳感器的原理、特點及應(yīng)用發(fā)展情況。Abstract: Along with the progress of science and technology, people on the welding quality requiremen

15、ts 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

16、 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 ha

17、s penetrated into all fields of welding. This paper introduces and analyzes the arc welding process typical weld tracking sensor principle, characteristics and application development.關(guān)鍵字：焊縫跟蹤、傳感器、傳感技術(shù)、焊接自動化前言 ：在金屬制造業(yè)中，焊接是僅次于裝配和機(jī)械加工的第三大產(chǎn)業(yè)。然而，目前90的焊接工作都是手工完成的。焊接過程中存在著強(qiáng)烈的熱、煙塵和弧光，工作環(huán)境非常惡劣，對工人的體能消耗很大。據(jù)統(tǒng)

18、計，工人實際焊接的時間不足其工作時間的30，因而效率很低。另外，手工作業(yè)導(dǎo)致焊接質(zhì)量差，許多工藝需要進(jìn)行二次加工。因此，為了提高焊接質(zhì)量，提高生產(chǎn)率，節(jié)省人力，國內(nèi)外焊接工作者一直在不斷地采取各種方法進(jìn)行研究，以實現(xiàn)焊接過程的自動化。焊縫跟蹤作為一門綜合性應(yīng)用技術(shù)，具有多學(xué)科交叉融合的特點，包括電子技術(shù)、計算機(jī)、焊接、結(jié)構(gòu)、材料、流體、光學(xué)、電磁等學(xué)科，國內(nèi)外眾多研究工作者投入到這一領(lǐng)域進(jìn)行研究，從示教型焊接機(jī)器人到程序控制焊接系統(tǒng)，再到移動式自動焊縫跟蹤技術(shù)，焊接自動化的每一次進(jìn)步都顯著提高了生產(chǎn)效率。焊接技術(shù)的自動化、柔性化與智能化是未來焊接技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。焊縫自動跟蹤主要由傳感器、控

19、制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)三大部分組成，并構(gòu)成一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)（見附圖）。1 焊縫跟蹤用傳感技術(shù)研究現(xiàn)狀目前，用于焊縫跟蹤的非接觸式傳感器主要有電磁傳感器、光電傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器及CCD 視覺傳感器等. 按工作原理可分為機(jī)械、機(jī)電、電磁、電容、射流、超聲、紅外、光電、激光、視覺、電弧、光譜及光纖式等。焊用傳感器可分為直接電弧式、接觸式和非接觸式3大類。按用途分有用于焊縫跟蹤、焊接條件控制(熔寬、熔深、熔透、成形面積、焊速、冷卻速度和干伸長)及其他如溫度分布、等離子體粒子密度、熔池行為等。據(jù)日本焊接技術(shù)學(xué)會1994年所做的調(diào)查顯示,在日本、歐洲及其他發(fā)達(dá)國家,用于焊接過程的傳感器有80%是用于

20、焊縫跟蹤的。由于視覺傳感器所獲得的信息量大， 結(jié)合計算機(jī)視覺和圖像處理的最新技術(shù)成果，能極大的增強(qiáng)弧焊機(jī)器人的外部適應(yīng)能力，因此視覺傳感器被認(rèn)為是最有前途的焊縫跟蹤傳感器。下面對幾種傳感器一一介紹，其中部分詳細(xì)介紹。1.1機(jī)械傳感器機(jī)械式傳感器是目前提出較早且較成熟的接觸式傳感器。它以導(dǎo)桿或?qū)л喸诤缚p前方探測焊縫位置，可分為機(jī)械式和電子式兩種。前者是靠焊縫形狀對導(dǎo)桿的強(qiáng)制力來導(dǎo)向；后者是當(dāng)焊槍與焊縫中心發(fā)生偏離時，導(dǎo)桿經(jīng)電子裝置發(fā)出信號(它能表示偏離的大小和方向)再控制驅(qū)動裝置使焊槍及傳感器恢復(fù)正確位置，此時傳感器輸出信號為零，實現(xiàn)自動跟蹤。機(jī)械傳感器結(jié)構(gòu)簡單，抗磁、光、煙塵和飛濺等干擾，性能

21、好，工作可靠，價格便宜，維護(hù)方便，已應(yīng)用于生產(chǎn)實際。但若坡口或縫隙的加工裝配不均勻，機(jī)械傳感器的導(dǎo)桿或?qū)л喤c工件接觸時，容易失去跟蹤點。為避免此類情況，焊接速度不能太快，此外導(dǎo)桿或?qū)л喌哪p也影響傳感器的精度。所以在現(xiàn)代焊接技術(shù)中，已逐漸被非接觸式傳感器替代。1.2電磁式傳感器電磁式傳感器是一種非接觸式傳感器?？煞譃槠胀l率式(簡稱電磁傳感器)和高頻式(簡稱渦流傳感器)兩種。電磁傳感器的頻率低于lOkHz，渦流傳感器的頻率則為30160kHz。電磁傳感器適用于對接、搭接和角焊縫，其體積較大，使用靈活性差，且對磁場干擾和工件裝配條件比較敏感。一般應(yīng)用于對精度要求不太嚴(yán)格的場合。渦流傳感器體積小，

22、所有金屬材料焊接時都能采用，但是焊接非鐵磁材料時靈敏度降低。1.3超聲波傳感器超聲波傳感器可分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式超聲波傳感器利用超聲波在金屬內(nèi)傳播時的界面反射現(xiàn)象，由探頭接受反射波脈沖；由入射一反射波脈沖的行程，測得界面位置嗍。當(dāng)探頭離鋼板接縫邊緣的位置發(fā)生左右變化時，接受到的反射波脈沖的時間就要發(fā)生變化，當(dāng)焊槍偏離平衡位置時，其獲得的聲程與平衡位置時的標(biāo)準(zhǔn)聲程之差為左右跟蹤的信號。一般采用橫波探頭作焊縫跟蹤傳感器。非接觸式超聲波傳感器通過氣體介質(zhì)傳播超聲波，采用縱波形式。由于超聲波在氣體介質(zhì)中傳播損耗大，所以必須加入匹配層進(jìn)行聲、電匹配，利用聚焦聲透鏡技術(shù)提高空氣超聲波傳感器的靈

23、敏度。目前，空氣超聲波傳感器已應(yīng)用于二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊和埋弧焊。1.4電弧特性傳感器電弧特性傳感器是利用焊接電弧本身(電弧電壓、電弧電流、弧光輻射、電弧聲等)提供有關(guān)電弧軸線是否偏離焊接對縫的信息，實時控制焊接電弧始終跟蹤焊縫。為了能從與電弧現(xiàn)象有關(guān)的參數(shù)變化中，得到電弧軸線與焊縫相對位置的信息，必須創(chuàng)造兩個條件：一是使電弧相對焊縫產(chǎn)生周期性的橫穿運動，即使電弧相對焊縫產(chǎn)生一定頻率的橫向擺動時，與電弧現(xiàn)象有關(guān)的參數(shù)可以產(chǎn)生足夠大的變化，方可能用來判斷電弧軸線與焊縫相對位置的偏差，得到電弧軸線與焊縫偏離的信息；二是控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)電弧與焊縫的相對位置，使偏離減少，直至消失。電弧傳感器焊縫跟蹤在非

24、熔化極氣體保護(hù)電弧焊中雖然也曾經(jīng)被采用過，但是，由于必須使電弧產(chǎn)生橫向擺動，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、成本較高，與其他焊縫位置跟蹤方法相比沒有優(yōu)勢，故沒有得到發(fā)展(但仍然有用作焊槍高度控制的)。對于熔化極氣體保護(hù)電弧焊，雖然也有橫向擺動機(jī)構(gòu)的麻煩，但由于這種方法在技術(shù)可靠性及經(jīng)濟(jì)性方面與其他方法相比有較大的優(yōu)勢，所以在實際中被廣泛應(yīng)用。電弧傳感器的基本原理是利用焊槍與工件距離變化而引起的焊接電流變化來探測距離高度和左右偏離。焊縫跟蹤一般都是上下和左右二維跟蹤。上下跟蹤可以直接利用導(dǎo)電嘴與工件間距離的變化而引起的電流變化信號，調(diào)節(jié)機(jī)頭高低位置達(dá)到目的。電弧式傳感器利用焊接電極與被焊工件之間的距離變化能夠引起電

25、弧電流（對于GMAW方法）電弧電壓（對于GTAW方法）變化這一物理現(xiàn)象來檢測接頭的坡口中心。電弧傳感方式主要有擺動電弧傳感、旋轉(zhuǎn)電弧傳感以及雙絲電弧傳感。因為旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的旋轉(zhuǎn)頻率可達(dá)幾十Hz以上，大大高于擺動電弧傳感器的擺動頻率（10Hz以下），所以提高了檢測靈敏度，改善了焊縫跟蹤的精度，且可以提高焊接速度，使焊道平滑等。旋轉(zhuǎn)電弧傳感器通常采用偏心齒輪的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，而采用空心軸電機(jī)的機(jī)構(gòu)能有效的減小傳感器的體積，如圖1所示。 圖1 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器電弧傳感器具有以下優(yōu)點： ·傳感器基本不占額外的空間，焊槍的可達(dá)性好 ·不受電弧光、磁場、飛濺、煙塵的干擾，工作穩(wěn)定，壽命長 &

26、#183;不存在傳感器和電弧間的距離，且信號處理也比較簡單，實時性好 ·不需要附加裝置和附加裝置成本低，因而電弧傳感器的價格低 所以電弧傳感器獲得了廣泛的應(yīng)用，目前是機(jī)器人弧焊中用的最多的傳感器，已經(jīng)稱為大部分弧焊機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)配置。電弧傳感器的缺點是對薄板件的對接和搭接接頭，很難跟蹤。 用于焊縫跟蹤的非接觸式傳感器很多,主要有電磁傳感器、超聲波傳感器、溫度場傳感器及視覺傳感器等。其中以視覺傳感器最引人注目，由于視覺傳感器所獲得的信息量大，結(jié)合計算機(jī)視覺和圖像處理的最新技術(shù)成果，大大增強(qiáng)了弧焊機(jī)器人的外部適應(yīng)能力。1.5射流式傳感器射流式傳感器是一個氣動射流反射型位移傳感器。根據(jù)焊接工

27、件的坡口形式，可采用不同形狀的氣體射流位移傳感器進(jìn)行焊縫跟蹤，此種跟蹤尤其適用于窄間隙氣體保護(hù)焊。缺點是傳感器的耗氣量大，提高了跟蹤成本。1.6光電式傳感器光電式傳感器是目前研究最多的也最有前途的一種焊縫自動跟蹤傳感器，光學(xué)傳感器精度高、再現(xiàn)性好，不僅可以用于焊縫跟蹤，而且可以用于檢測坡口形狀、寬度和截面，為焊接參數(shù)的自適應(yīng)控制提供依據(jù)。光學(xué)傳感器是焊縫跟蹤系統(tǒng)中比較理想的傳感器181?？紤]檢測原理、對象、光源種類等因素，光學(xué)傳感器大致可以分為以下幾種：(1)單光點式傳感器利用簡單的光電元件檢測坡口棱邊或白線，以激光、紅外線、可見光，或弧光為光源。它的跟蹤基準(zhǔn)是在焊縫一側(cè)與焊縫平行的寬為l2m

28、m的白線，光電元件接收屏上安裝了兩只光電接收管。當(dāng)工件上的白線位于光斑中心位置時，兩個光電接收管的受光面積相等，它們的輸出信號也相等。當(dāng)白線偏向光斑中心一側(cè)時，兩只光電接收管的受光面積不等，它們輸出的差值可以作為左右跟蹤信號。它的檢測精度取決于焊炬高度誤差和自線與焊縫的平行度。其優(yōu)點是傳感器安裝在焊縫側(cè)面能消除附加的導(dǎo)前跟蹤誤差。這種傳感器適用于不同的接頭形式和不同的接口形式，適用于碳鋼、不銹鋼、銅、鋁等各種金屬的焊接。(2)CCD視覺傳感器在視覺測量系統(tǒng)中，國內(nèi)外關(guān)于結(jié)構(gòu)光視覺的研究較多，并且己進(jìn)入實用化階段。所謂結(jié)構(gòu)光方法(Structured Light)就是將平面光束照射在物體上可以形

29、成光帶，光帶的偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)反映了物體表面的三維形狀信息，用這種方法可以精確地獲取物體的三維信息。借助于一組平行的平面光，或?qū)⑽矬w置于專門的旋轉(zhuǎn)工作臺上通過一束平面光，都可以利用偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)直接地計算出深度信息，稱這種方法為結(jié)構(gòu)光方法。結(jié)構(gòu)光方法適合于限制條件下，局部范圍內(nèi)需要精確測量的情況，用于不規(guī)則表面的三維建模。許多文獻(xiàn)標(biāo)明，結(jié)構(gòu)光視覺是視覺跟蹤中最有發(fā)展前途的方法。視覺傳感器采用的光電轉(zhuǎn)換器件最簡單的是單元感光器件，如光電二極管等；其次是一維的感光單元線陣，如線陣CCD(電荷耦合器件)；應(yīng)用最多的是結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的二維感光單元面陣，如面陣CCD，是二維圖像的常規(guī)感光器件，它代表著目前傳感器發(fā)展的最新

30、階段，因而應(yīng)用日益廣泛。在焊縫跟蹤系統(tǒng)中，使用何種視覺傳感方法是首先需要確定的問題，根據(jù)使用的照明光的不同，可以把視覺方法分為“被動視覺”和“主動視覺”兩種。這里被動視覺只利用弧光或普通光源和攝像機(jī)組成的系統(tǒng)，而主動視覺一般只使用具有特定結(jié)構(gòu)的光源與攝像機(jī)組成的視覺傳感系統(tǒng)。(3)光切割式傳感器所謂光切割法，是采用激光等細(xì)長而扁平的光線，以45度方向斜射在工件上，從而得到與坡口端面形狀相似的光線圖形，此圖形能反映坡口的形狀、深度。攝像機(jī)在工件正上方，將此圖形攝入并利用計算機(jī)進(jìn)行圖象處理可以求出坡口的中心位置，坡口寬度等數(shù)據(jù)。(4)激光掃描式傳感器利用激光掃描坡口和工件表面，并用一系列光電接收管

31、同步接受反射光，從中檢測坡口的位置和形狀。由于點光源比線光源更容易達(dá)到較高的亮度，激光掃描式比光切割式具有更高的信噪比和更強(qiáng)的抗弧光干擾能力。(5)直接拍攝電弧式傳感器將包括電弧、熔池，導(dǎo)電嘴、焊絲伸出頭和坡口等的圖像，通過適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)濾波器，采用工業(yè)電視(ITV)進(jìn)行攝像，根據(jù)圖像求出坡口寬度，然后判斷焊絲是否對中及其伸長度是否合適。由于光電傳感器是非接觸式，因此具有良好的再現(xiàn)性及耐久性。該傳感器不僅可以跟蹤焊縫，還可預(yù)測坡口形狀和截面積，并能用于焊接過程的自適應(yīng)控制，可適用于各種坡口形狀。視覺傳感器 視覺傳感器采用的光電轉(zhuǎn)換器件最簡單的是單元感光器件，如光電二極管等；其次是一維的感光單元線陣

32、，如線陣CCD(電荷耦合器件)；應(yīng)用最多的是結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的二維感光單元面陣，如面陣CCD，是二維圖像的常規(guī)感光器件,它代表著目前傳感器發(fā)展的最新階段，因而應(yīng)用日益廣泛。在焊接機(jī)器人各種視覺傳感器中，CCD傳感器因其性能可靠、體積小、價格低、圖像清晰直觀而受到了普遍重視。特別是80年代以來，CCD與高性能的微機(jī)相結(jié)合產(chǎn)生的焊縫跟蹤系統(tǒng),使焊縫跟蹤的研究跨上了一個新的臺階。 在弧焊過程中，由于存在弧光、電弧熱、飛濺、以及煙霧等多種強(qiáng)烈的干擾。是每一種視覺傳感方法都需要解決的問題。根據(jù)焊接機(jī)器人視覺焊系統(tǒng)的工作方式不同，可將用于焊接機(jī)器人視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)的視覺傳感器分為：結(jié)構(gòu)光式、激光掃描式和直接拍攝

33、電弧式。其中結(jié)構(gòu)光式和激光掃描式屬于主動視覺的方法。使用激光束因為集中于一點，抗干擾性能更好一些。文中所提到的采用CCD攝像機(jī)、激光二級管與掃描透鏡相配合組成的視覺系統(tǒng)，如圖2示，是比較典型的激光掃描應(yīng)用方式。類似的還有文中所提到的焊縫跟蹤方法，如圖3示。 2.視覺傳感系統(tǒng)組成 3.視覺傳感器組成 被動視覺方法是用CCD攝像機(jī)通過濾光片和減光片直接觀察熔池附近區(qū)域或焊縫。在這種方法中，大部分電弧本身就是監(jiān)測位置，檢測對象（焊縫中心線）與被控對象（焊炬）在同一位置，不存在檢測對象與被控對象的位置差，即時間差的問題，所以沒有因熱變形等因素所引起的超前檢測誤差，更容易實現(xiàn)較為精確的跟蹤控制，并且能夠

34、獲取接頭和熔池的大量信息，這對焊接的自適應(yīng)控制非常有利。因為被動視覺和人的視覺更為相似，所以它最有希望解決緊密對接焊縫和薄板搭接焊縫的跟蹤問題。而且被動視覺傳感器結(jié)構(gòu)簡單價格低，因而它是一種很值得研究的焊縫跟蹤方法。在這種方法中確實存在圖像易受到電弧的嚴(yán)重干擾的問題，但這可以通過改進(jìn)濾光方法、圖像處理算法以及調(diào)整合適的取像時刻等方法解決。主動視覺和被動視覺的比較見表1。 表1 激光焊縫跟蹤傳感器和被動視覺傳感器的優(yōu)缺點比較 2 焊縫跟蹤技術(shù)的發(fā)展趨勢焊縫跟蹤技術(shù)是現(xiàn)代焊接技術(shù)的一個重要組成部分。隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，焊縫跟蹤技術(shù)也獲得了革命性的進(jìn)展。21世紀(jì)全世界鋼產(chǎn)量的50要通過焊接成形制成產(chǎn)

35、品，焊縫跟蹤技術(shù)將在焊接制造業(yè)中起著極為重要的作用11I。根據(jù)先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢，結(jié)合焊接技術(shù)本身的特點，未來對焊縫跟蹤系統(tǒng)的要求是：跟蹤過程高精確化、現(xiàn)場使用可靠、性能穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)及連續(xù)工作時間長等優(yōu)點。根據(jù)這一系列的要求，我們可以看出，未來的焊縫跟蹤系統(tǒng)的檢測部分將以視覺傳感器為主。跟蹤方向及速度的調(diào)節(jié)將通過對電機(jī)的控制來實現(xiàn)，將具有智能性的模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能手段滲透到焊縫跟蹤控制中，會增強(qiáng)對非線性系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確性，使焊接生產(chǎn)過程更具有智能性。3.結(jié)束語 本文通過對多種焊縫跟蹤技術(shù)的分析，比較它們的優(yōu)缺點，并根據(jù)生產(chǎn)實際及課題要求，設(shè)計了一套基于CCD視覺傳感器的焊縫自動跟蹤系統(tǒng)，并進(jìn)行了焊縫跟蹤實驗。實驗結(jié)果表明，在本系統(tǒng)的控制下，跟蹤軌跡不僅外觀平滑，而且與焊縫擬合的很好，誤差范圍滿足要求，比較圓滿地達(dá)到了本課題的預(yù)期目標(biāo)。 在傳感器方面，