中厚板机器人自动化焊接技术与应用

第1章中厚板机器人焊接综述

1.1坡口特征识别技术

1.2焊缝填充规律

1.3焊缝成形尺寸控制技术

1.4机器人焊接离线编程技术

第2章焊接机器人运动学基础

2.1机器人空间坐标系描述

2.2机器人D-H坐标系建立

2.2.1机器人连杆参数解析

2.2.2机器人各连杆之间的D-H变换

2.3建立机器人运动学方程

2.3.1机器人运动学方程

2.3.2机器人运动学逆解

2.4 焊缝特征坐标系与工作坐标系转换

2.4.1建立焊缝特征坐标系

2.4.2 焊缝特征坐标系与工作坐标系的转换矩阵·

2.4.3焊枪位姿变换

2.5欧拉角与四元数在ABB机器人中的应用

2.5.1欧拉角变换焊枪位置

2.5.2四元数变换焊枪姿态

2.5.3欧拉角与四元数变换焊枪姿态程序流程

第3章基于激光视觉的坡口特征识别

3.1 激光视觉传感器平台搭建

3.1.1 激光视觉传感器安装图与工作流程

3.1.2系统主要部件选型

3.1.3系统参数配置

3.2激光视觉传感器标定

3.2.1激光视觉传感系统原理

3.2.2机器人坐标系与坐标变换

3.2.3机器人焊枪标定

3.2.4激光视觉传感器TCP的标定

3.2.5建立仿真系统

3.3坡口特征识别

3.3.1激光传感器检测原理

3.3.2图像处理

3.3.3坡口特征提取

3.3.4 坡口检测

第4章焊接工艺规划

4.1焊道截面积与焊接参数的关系

4.1.1焊道截面积与焊接参数的函数关系式

4.1.2焊道几何参数测量方法

4.1.3 焊道截面积算法验证

4.2焊接工艺参数对焊道成形的影响

4.2.1干伸长度对焊道成形的影响

4.2.2焊接电流对焊道成形的影响

4.2.3焊接速度对焊道成形的影响

4.3焊枪摆动对焊道成形的影响

4.3.1摆动模式对焊道成形的影响

4.3.2 摆幅对焊道成形的影响

4.4多层多道焊路径规划

4.5坡口截面规划

4.5.1等高型

4.5.2等截面积型

4.5.3焊缝截面中焊枪位姿的确定

4.5.4 多层多道焊路径规划实现

4.5.5焊接顺序规划

4.5.6坡口截面积规划实验分析

4.6中厚板焊缝填充规律

4.6.1坡口填充量与焊接参数的关系

4.6.2 焊缝截面积与焊接参数数据库的建立…

4.6.3焊缝填充实验分析·

4.7焊缝成形尺寸控制与实验分析

4.7.1焊缝成形尺寸预测模型的建立

4.7.2焊缝成形尺寸控制

4.7.3实验分析·

……

第5章弧焊机器人离线编程技术

第6章装载机大梁焊接机器人离线编程

第7章挖掘机×架焊接机器人离线编程

第8章基于激光视觉传感的焊后检测技术

第9章中厚板焊接专家系统及其应用

参考文献

附录A主要程序代码

附录BX架侧板目标点代码

附录C第6章焊接工艺（实例）

第1章中厚板机器人焊接综述

《2015一2020年中国工业机器人行业产销需求预测与转型升级分析报告》显示，全球制造业机器人密度最高的是韩国，达到每万人396台，日本、德国分别为每万人332台和273台。我国机器人仍然低于制造业发达国家水平。工业机器人在我国有着巨大的市场空间，我国已超过日本成为第一需求大国，工业机器人在智能制造领域将得到更广泛的应用，特别是在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等行业。按钢板厚度的不同，可将钢板分为薄板、中厚板、厚板和超厚板，薄板厚度小于4.5mm，中厚板厚度为4.5~20mm（包括4.5mm），厚板厚度为20~60mm（包括20mm），厚度不小于60mm的钢板为超厚板。工程机械领域中厚板焊接应用广泛，如装载机的动臂横梁、前车架、后车架、油箱、摇臂、翼箱，挖掘机的铲斗、X架、主平台、动臂、斗杆、履带梁、挖斗，推土机的后桥箱、台车架、平衡梁、松土器等。相比汽车行业薄板焊接使用点焊和缝焊，中厚板焊接具有结构复杂、组对偏差大、焊接性差、焊接自动化难度大、对自动化焊接装备要求高等特点。

对于工程机械构件，影响焊接工件尺寸精度的因素主要有三个方面：一是由于工件厚、尺寸大，安装定位时往往需要多次重复调整，存在一定的位置偏差，导致错边、坡口间隙不均匀等；二是受零件加工精度限制，很难保证整条焊缝坡口尺寸的一致性和重复性；三是在焊接过程中由于电弧热及其应力的作用，工件产生变形，导致接头位置及尺寸的变化。普通的自动焊接设备，由于对焊枪位置及焊接工艺参数调整方面的限制，一般总是在焊前确定焊接规范，在焊接过程中不能自动适应坡口状态及焊缝位置的变化。靠技术工人的观测与经验，对焊枪位置（包括高度和对中）及焊接参数进行人工在线调整，调整难度较大。传统的焊接技术与装备难以实现对重要焊接产品的制造过程进行监测与控制的要求。

激光视觉传感自适应控制系统能够检测待焊坡口的几何信息，实现焊枪的自动对中及高度的自动调整，同时根据检测到的坡口间隙和截面积自动优化焊接参数并在线调整。根据传感系统得到的跟踪点位置坐标，系统控制焊枪进行横向和垂直运动，实现水平位置和垂直位置的调整，从而实现焊缝跟踪和保持焊枪高度一致。基于激光视觉传感的焊缝跟踪和焊枪高度控制的功能，既减轻了现场焊接操作人员的工作强度，又提高了焊接成形的质量。

1.1坡口特征识别技术

在进行焊接工序前，先要对焊缝坡口进行识别。坡口识别通常是基于传感器技术来完成的，通过传感器直接或者间接地取得工件表面的信息，以电信号的方式传递给处理系统进行处理，达到测量焊缝坡口信息的目的，坡口识别的精度决定了焊缝质量的好坏。为此，国内外对焊缝识别技术进行了大量的研究，国外很多研究成果已经产业化，同时国内的研究成果也取得了突破性的进展。

日本学者S.Murakami等人研发的弧焊机器人焊缝跟踪系统由CCD相机将所采集的图像，经神经网络技术处理取得坡口的形状参数，系统中嵌入了模糊控制实现焊缝跟踪的功能。由瑞典的ASEA(ABB公司前身）研发的UserTrack 激光视觉传感跟踪系统对整个焊接过程实时进行跟踪寻找焊缝轨迹，通过传感器识别技术自动识别出焊缝的起始点和终点。它可以识别搭接、对接、角接头三种典型的焊缝坡口，焊接速度最大可达120mm/min，焊接精度值为±0.4mm。美国人Maurice J.Dunne和日本人Hideo Toda,Ichiro Moasaki等合作研制的弧焊激光视觉系统对焊缝坡口图像的处理更加简易。它是基于激光线性度好且容易和其他波长的图像信息区分的特点，检测出光带特征点的坐标值，进而获取坡口的参数，达到识别跟踪的目的。英国Meta Machines Ltd公司研制的型号为Meta Torch 200和500的激光焊缝跟踪系统应用于精密部件TIG焊接，精度高达0.1 mm。加拿大魁北克省的ServoRobot公司开发的内置高分辨率CCD相机和激光传感器POWER-CAM广泛应用在自动焊接过程中的焊缝跟踪、焊缝的无损探伤和焊缝轨迹导向，保证了较高的焊接自动化水平，系统的焊缝跟踪速度最大为10 m/min。

……

目前，国内关于中厚板机器人自动焊接技术的专业书籍较少，高校学生主要从工业机器人等相关书籍了解机器人自动焊接的基本知识，尚未形成系统的理论体系，难以指导全新的工艺设计，从而制约了我国工程机械产品开发的原创能力。本书在介绍机器人运动学方程的建立、欧拉角与四元素理论基础上，详细阐述了中厚板机器人自动化焊接中的视觉技术、工艺规划与离线编程。主要内容包括：激光视觉传感器平台措建与焊接坡口特征识别；焊道截面积与焊接参数的关系、焊接工艺参数对焊道成形的影响、焊枪摆动对焊道成形的影响、多层多道焊路径规划、坡口截面规划、中厚板焊缝填充规律、中厚板焊缝成形尺寸分析、多层多道焊的焊缝成型尺寸控制；简述了焊接I艺专家系统设计；并给出若干工程应用实例。