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焊管行业中的激光视觉系统

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焊管行业中的激光视觉系统

什么是激光焊缝跟踪?

摘 要:本文阐述了振动压路机振动轮的焊接工艺要求,自动焊接机械手的开发思路和工作原理,开发的主要内容,成功应用后的效果。概述 振动轮是振动压路机的核心、关键部件,振动轮生产制造过程内腔焊接技术是振动轮制作的关键工序和关键工艺技术:厚度30mm钢板卷制的筒体与厚度45mm的幅板先进行焊接,而后组装加强板,焊缝为由筒体和幅板组成的多层角焊缝以及由筒体、幅板和加强板组成的多层角焊缝和单边“v”形焊缝。质晕要求高、焊接难度大。传统工艺是由焊工人站在直径1.6米振动轮筒体内手工焊接,其操作能见度差,作业空间小,夏天焊接时筒内气温高达70~80度,劳动环境恶劣、强度大,必然导致劳动效率低下,焊缝的开裂、气孔、漏油缺陷时有发生,焊缝质晕难以保证,因而以原有手工焊接和气体保护半自动焊为主的生产方式,无法满足振动压路机产量和质量、外观的要求。在这种状况下实现焊接自动化显得十分急需和必要。 三明承型机器有限公司和厦门思尔特机器人系统有限公司合作,借鉴国内外焊接机器人开发应用的经验,通过消化、吸收、再创新,开发研制出适用本企业产品的高性价比、高可靠性、高效率的自动焊接机械手系统,并实施应用于振动脉路机振动轮自动焊接,以解决振动轮内腔大坡口的多层多道焊接关键技术,实现振动轮自动化焊接,确保焊缝质量和焊接效率的提高。1、开发的主要内容 振动轮自动焊接机械手主要包括机械手和焊接设备两部分。机械手山机械手本体和控制柜(硬件及软件)组成,而焊接装备,则由焊接电源、送丝机、焊枪等部分组成,对于自动焊接机械手还府有传感系统,如激光或摄像传感器及其控制装置等。 自动焊接系统的原理为:转台带动振动轮转动,焊枪根据焊缝跟踪系统的反馈信号,自动跟踪焊缝的轨迹,进行多层多道焊接。整个系统包括焊缝跟踪系统、焊接电源系统、电气控制系统、机械传动系统等。重点要考虑的是焊缝的自动跟踪系统以及与控制系统的匹配问题,然后考虑焊接参数的控制方法,如工件转速、焊接的电压、电流,焊枪摆动的摆幅和频率等。同时,在机械系统上,采用烈工位的设备方案,以满足振动轮的焊接要求,并实现了效率的最大化。为实现该系统,研制工作主要解决了以下几个方而的问题。压路机振动轮自动焊接工艺 振动轮的焊接顺序。首先由δ30厚度的制板卷制的筒体与640幅板先进行焊接,而后装配加强板。技术要求其对接焊缝应半齐(焊缝余高过高会造成装配加强板时凸出,余高过低会造成加强板装配间隙过大)。该工件由振动轮轮体(一个)和幅板(两端异一片)组成,焊缝形式为多层角焊缝和加强板(两端异二片)组成,焊缝形式为两道多层角焊缝和一道多层半“V”形焊缝。 焊接参数的控制方法。设计要点,首先考虑的是焊枪轨迹的实现,然后考虑焊接参数的控制方法,如工件转速,焊接的电压、电流,焊枪摆动的摆幅和频率等。另外,要考虑到振动轮筒体圆应有±3mm的误差,以及振动轮加强板上下高度、坡口角度大小的误差,采用了激光传感器跟踪焊缝。焊缝跟踪系统 焊缝跟踪系统的研制,激光跟踪传感具有优越的性能,成为最有前途、发展最快的焊接传感器。采用位移激光检测器用于焊枪机械臂的定位和焊接过程中工件焊缝的偏差测量,检测器必须集传感器和测量系统于一体,检测器上的光点位置取决于被检测物体的的距离,信号根据光点位置而变化,信号经微控制器处理,产生了与被检测物体距离一致的线性信号对府恶劣的焊接环境,激光传感器采取抗干扰措施。焊接过程中的干扰源主要为焊接弧光、焊接烟雾和焊接热辐射。 ①焊接弧光:焊接弧光主要为红外光和紫外光,波长为300nm和700nm之间,激光传感器的波长为650nm,因此,加上窄带滤光片以防止弧光干扰; ②焊接烟雾:焊接产生的烟雾覆盖在传感器前,影响光信号接收,为此在传感器前加C02气体或其它干燥的压缩气体; ③焊接热辐射:传感器的工作环境要求温度为0~40℃,而实际工作环境温度都在10℃以上,冈此必须在传感器四周采取措施,防止热辐射。电气控制系统及软件系统 利用激光传感器和计数器组成传感检测单元,检测焊缝位置和工件转过的角度,激光传感器与计数器交换数据,再传到PLC中进行数据处理,用触摸屏组成数据输入和监控单元,由伺服电机和焊接电源构成执行单元。运行时在触摸屏上输入示教好的异种参数,PLC就可以按照设定好的参数运行,并在运行的过程中根据传感器对焊缝的实时检测进行实时的位置调整,构成一个闭环控制系统,达到对焊缝的精确定位已达到要求的焊接质量。 电控系统以控制器为控制桉心,配套选用模拟量输出模块控制焊接电压电流和工件转台转速,选用了模拟量输入模块采集激光传感器信号,跟踪焊缝。焊接工艺过程系统 机械主体采用龙门架形式,行走有效行程为保证双工位的振动轮焊接要求。焊枪轨迹控制为四轴机构:空间三维坐标加上一轴摆角,采用交流伺服电机驱动,传动部分采用滚珠丝杆和直线导轨,提高行走速度和行走精度。两工位的工作台采用交流变频电机驱动,转速可调,低速启动,转速半稳,确保焊接过程一致。所有导轨均采用了防焊接飞溅的烟尘防护罩。根据焊接条件和工件的实际情况设计焊接过程,焊接电源选用微电脑波形控制的焊机,这样可获得稳定、低飞溅的焊接,实现高速、高精度焊接。由于焊接机械手在弧焊机工作周期中电弧时间所占的比例较大,因此在选择焊接电源时,一般应按持续率l00%求确定电源的容量。为提高设备的操作方便性和适应性,设计了三种操作模式:手动、半自动和自动操作模式。2、应用效果 振动轮自动焊接机械手投入应用后,能够合理安排焊接的焊缝顺序,有效控制焊接变形,减少焊后应力集中,大幅度提高结构件焊接质量,使焊后毛坯件基本保持一致,焊缝外形美观,质量稳定,便于下道工序拼搭和机加工;采用焊缝激光跟踪器可实时测量焊缝尺寸,动态实时调整焊接参数,可得到理想的焊接质量。与原有的手工气体保护焊接相比较,自动焊接机械手的应用具有如下显著效果: (1)生产能力提高2~1倍; (2)焊缝合格率提高20%; (3)节约人工费、返工费、材料费等260元/台: (4)极大地改善了劳动环境,降低劳动强度; (5)提高整体外观质量和稳定性。 自动焊接机械手的投入使用,显著提高了压路机产品的整体质量,减少了不良产品,降低了生产成本和劳动强度,改善了工人的工作环境,从根本上解决了制约压路机生产的问题,进一步提升和增强了企业的市场竞争力,取得了良好的经济效益和社会效益。

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主要由激光焊机、激光3D智能传感器和机器人。利用激光3D智能传感器的三角反射式原理,得到激光扫描区域内各点的位置信息,通过软件算法完成对常见焊缝的在线实时检测。设备通过计算检测到的焊缝与焊枪之间的偏差,输出偏差数据,由运动执行机构实时纠正偏差,精确引导焊枪自动焊接,从而实现对焊接过程中焊缝的智能实时跟踪。

激光视觉技术起始于20世纪80年代,随着该技术的逐渐成熟,已开发出许多附加功能,如基于接头几何形状的自适应控制等。同时该技术应用广泛,尤其在焊管行业,如TIG焊管、直缝埋弧焊管和螺旋焊管等。基本原理激光视觉系统普遍应用三角结构光测量法来获得工件表面的三维信息。三角测量法本身是一个古老的技术,在第二次世界大战中曾用来控制轰炸机投弹精度。激光视觉技术采用激光作为结构光源,激光器同摄像机(CCD或者CMOS)成特定的角度,两者置于紧凑的传感器内部。使用时,激光器京柱面镜投射激光条纹到工件/接头的表面,摄像机获取到激光条纹的图像,通过三角测量的矩阵换算以及图像处理和特征进行识别,从而获取到焊接接头的三维信息。该信息随后可以被用于焊接过程的控制。如果用于焊缝跟踪,系统提取出接头相对于焊枪位置的偏差数据,然后调节控制机器人或者焊接专机焊枪的运动。在焊管行业的应用采用激光视觉系统对焊缝进行跟踪和过程控制的技术已经在焊管行业得到广泛的应用。在过去的15年间,数百套系统已安装在简单的TIG焊管焊枪导引、螺旋焊管过程控制以及海面厚壁管道的多焊枪多层多道全自动焊接生产中。1. TIG焊管图1展示了TIG焊管焊接过程中的焊接机头部分。激光视觉传感器安装在距离焊枪前面很短的距离处,注意观察管材合拢的边缘处形成的间隙,间隙中间位置应是焊枪的理想位置,传感器探测到当前焊枪位置同其基准位置之间的偏差,并控制执行机构(十字滑架)移动焊枪到当前的焊缝位置处,从而保证焊枪始终处于焊缝的中心位置。TIG焊管的焊接速度可以达到5~10m/min。通过激光传感器每秒50次的运算和处理,激光视觉系统可以很容易适应这样高的焊接速度。

示教机器人:

图1 TIG焊管激光自动跟踪系统

指明焊接区域的路径,将焊枪定位在能够获得合适的焊缝位置。因此焊缝总是能够出现在激光3D传感器的视场范围内,为了将性能发挥到最佳,尽量将传感器相对于焊缝的位置改变减少到最小。也就是说让传感器沿着焊缝的位置轨迹保持不变。

在TIG焊管中应用激光视觉系统能够提高生产率和焊缝质量。管子成形前形成焊缝之处的间隙经常会相对焊枪产生连续波动。如果不采用焊缝自动跟踪系统,就需要操作者监视焊枪相对于焊缝的位置,如果产生偏差,操作者必须加以调整。采用激光视觉系统,操作者就不需再监视该过程。另一个好处在于激光跟踪系统以50Hz的频率和0.1mm的精度检测并控制焊枪相对于焊缝的位置,提高了焊接质量,降低了废品率,同时也提高了生产率。在国内大连近江不锈钢有限公司已经得到应用,同时在浙江久立的等离子焊管中也得到应用。目前国内的激光焊管中也应用了类似的系统。2. 直缝和螺旋埋弧焊管对于大直径的管道,通常采用两种方法生产:直缝焊管以及螺旋焊管。直缝焊管通过板材卷制成形,在最后成形之前,通过点固焊之后,采用双丝埋弧焊接内缝(ID)和外缝(OD),产品用作油气管道。激光焊缝跟踪系统可以用于上述三个过程,即点固焊、内焊和外焊。因为UOE点固通常采用明弧,电流高达2000A,焊接速度高达10m/min,明弧大电流会产生的强烈弧光、烟尘和飞溅,其工作环境非常恶劣,UOE点固系统上采用激光跟踪系统是一个挑战。通过采用激光视觉传感器就可以滤除所有的电弧光和飞溅辐射。接触式焊缝跟踪设备对于焊接飞溅非常敏感,需要经常维护,而激光跟踪传感器维护工作量很小,只需要定期清理和更换保护塑料片。激光焊缝跟踪系统目前已经成功地取代了点固焊机上的接触式焊缝跟踪设备ID和OD焊接系统焊接环境相对整洁,该焊接过程是产品生产的最后阶段,该过程必须非常可靠,尽可能降低废品率。图2展示了UOE直缝的焊接(OD)激光自动跟踪系统。

运行机器人:

图2 直缝埋弧焊管的激光焊缝跟踪

传感器系统测量焊缝的位置。测量数据保存并指示走到焊缝末端。我们定义5mm一个间隔,系统获得路径上偏移数据,内部经过算法校正。系统将数据进行滤波和平滑处理传输给机器人。

螺旋焊管主要用于油气管道、水管以及桩管。与直缝焊管不同,螺旋焊管为连续生产,这就意味着激光跟踪系统能够连续长时间稳定可靠的工作。图3给出了宝鸡石油钢管有限公司的螺旋焊管激光焊缝自动跟踪系统。迄今为止,国内的宝鸡钢管厂、中原焊管、中石油管道局钢管厂、金州管道、宝世威钢管厂都应用了类似的激光焊缝跟踪系统。焊管行业激光视觉系统的新应用在焊管行业,激光视觉技术已经应用新的生产领域,包括ERW焊管的在线错边监测、螺旋焊管中成形角自动控制、螺旋焊管和直缝焊管离线及在线超声探伤焊道跟踪系统。1. ERW焊管在线错边检测电阻焊管(ERW)不需要焊缝跟踪系统,因为焊接热源不是传统弧焊那样的点热源。但激光视觉系统可以实时测量焊接接头的错边量,在ERW焊接过程中仍然起到重要的作用。由于ERW方法本身的原因,需要在焊后在线进行机械刨削,如果焊缝在被焊之前的递送边没有对齐(有错边),随着焊后的刨削过程,管子的壁厚将被减薄。该问题如未被及时发现,最终用户将会拒绝收货或者会在使用过程中失效。一种解决方案是将激光视觉系统安装在焊接机头和刨刀之间,视觉传感器投射一条激光条纹到焊接接头上,来测量接头两侧管子的错边量,并将焊缝的位置和角度考虑进去。如果错边量超差,则会给出警告信号。该系统在ERW应用的挑战之一是其恶劣的生产环境,例如传感器附近存在高温、冷却液、烟尘、以及刨削的飞屑等。解决该问题的最好办法是设计一个安装高度较高(至少100mm)的传感器。2. 螺旋焊管的成型角自动控制激光焊缝跟踪系统在螺旋焊管的内外焊中已经得到成功应用。目前开发的系统不但能够执行焊缝跟踪功能,而且能够在焊接过程中进行高级控制。通常螺旋焊管焊接过程中需要控制成型角,成型角对管道的直径以及管材成形非常重要。操作者在手动调整过程中,需要观察间隙(附近有埋弧焊焊剂)进行调整,而控制成型角的液压机构反应较慢,使得成型角控制难度较大,很大程度上依赖于人的主观判断。成型角自动控制的关键在于能够准确稳定的测量接头处的间隙,新一代激光视觉传感器能够投射三条激光条纹,并具有很高的精度。由于螺旋焊管采用埋弧焊接方法,传感器安装在焊接接头处焊剂之前,通过测量接头处的几点间隙,来获得成型角度。目前该系统已经在印度管道行业得到成功应用。3. 超声探伤(UT)的激光自动导引激光焊缝跟踪系统同样也应用在超声自动探伤探头的自动导引中。通过螺旋焊管和直缝焊管生产的焊缝,通常需要100%的超声探伤。在螺旋焊管中,超声探伤可以集成到螺旋焊管生产线中在线探伤,或者在管道切割后离线探伤。 对超声探伤进行自动跟踪的难点在于埋弧焊接所形成焊缝几何特征的精确定义和测量。通常在离线探伤中,要求探伤速度较快,因此对跟踪系统的性能要求较高。我们设计的新一代三条纹激光传感器和相应的软件,能够可靠的跟踪这些焊缝,并且已经在印度和欧洲得到成功应用。(end)

激光3D焊接机器人工作优势:

1、能够稳定提高焊接质量,受人为因素较少,参数一致。

2、提高生产效率。

3、焊接精度高,实时监测。

4、降低了对操作者的焊接技术要求,提高了用工环境。

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