机器人焊接GIS气箱焊前位置检测分析

2011-04-10刘华中林晓东吴征南

制造业自动化 2011年16期

刘华中，林晓东，吴征南

LIU Hua-zhong,LIN Xiao-dong,WU Zheng-nan

（北京机械工业自动化研究所，北京 100120）

0 引言

GIS柜，即气体绝缘全封闭组合开关柜。组成GIS柜的箱体（以下简称气箱）内部充有一定压强的绝缘气体；气箱要有很好的密封性和外观，因此对焊接工艺有较高要求；机器人焊接代替人工焊接，解决了该焊接工艺问题，可以保证焊接定位、路径、速度、工艺参数等的稳定性，从而保证焊接质量，包括密封性和外观。

机器人性能可保证焊接位置准确、速度稳定，焊机性能可保证焊接工艺参数稳定，而机器人焊接定位则需要根据实际焊接工况分析解决。焊接定位包括焊前的位置检测和焊接位置修正。焊前位置检测是机器人自动焊接要解决的关键技术，检测方式主要有非接触式检测和接触式检测两种形式；根据工程实况分析，接触式检测相对简便、成本低廉、易于实现，对气箱的自动焊接效果理想。本文重点对焊前接触式检测技术进行分析。

1 位置检测分析

人工将单板拼接点焊成气箱如图1所示，接下来要进行机器人自动焊接；点焊成形的气箱焊接位置具有累积偏差，机器人只有先对气箱的位置进行检测以确定当前位置后，才能进行自动定位和焊接。接触式检测采用探针检测的形式，机器人腕部安装固定有一个检测探针如图3所示，机器人移动探针使其接触到工件的焊接位置同时产生接触信号，此时机器人记录下信号产生所在的位置数值，并与原基准位置（不产生偏差时的位置或机器人程序中设定的位置）数值相比较，机器人计算出偏移值，通过该值计算出实际的焊接位置，从而机器人对焊接位置进行修正并最终定位实现自动焊接。

气箱单板的拼接方式有多种如图2所示，拼接过程中由于板材的加工偏差等因素，使焊接位置发平行偏移（如图3至图6焊接位置从a平移至a′）或角向偏移（如图7焊接位置从bd偏移至 b′ d）。

根据（如图3所示）拼接形式分析检测方法：检测探针首先直立，沿水平方向移动接触板材竖直面后产生接触信号，机器人记录下该位置与原基准位置相比较得出偏移值B；检测探针调整为水平姿态，竖直向下移动接触到板材水平面后产生接触信号，机器人记录下该位置与原基准位置相比较得出偏移值A（B和A的取值范围为正负值）。最终确定焊缝从a偏移到a′的总偏移量，机器人根据该偏移量自动修正焊接位置，即在a′位置进行焊接。

图4中的焊缝位置a离板材边界较远，在检测方式上要做些调整，A偏移量的取得要将探针直立然后向下移动，使探针端部与板材接触产生接触信号，机器人记录下该位置与原基准位置相比较得出偏移值A；偏移值B的取得与图3同。自动修正焊接位置，即在a′位置进行焊接。虽然图5拼接形式与图3不同，但检测形式相同。

图6的拼接形式为两个板材的搭接，在检测方式上要做些特殊调整，首先可使探针直立，竖直向下移动使探针端部与下层板材面接触产生接触信号，机器人记录下该位置与原基准位置相比较得出偏移值A；接下来探针做微小提升使其不在接触板材，然后水平移动探针接触到上层板材边沿产生接触信号，机器人记录下该位置与原基准位置相比较得出偏移值B，最终确定焊缝从a偏移到a′的总偏移量，机器人根据该偏移量自动调整在a′位置进行焊接。

根据实际工程现场分析，焊接位置平行偏移3～5mm范围内机器人都能够通过探针自动检测并自动进行焊接位置调整。箱体的焊缝存在角向偏移的情况也比较普遍，为解决该偏移可以采用多点检测的方式。

角向偏移在长直线段焊缝中容易出现，（如图7所示）焊缝产生了角向偏移，即原直线段焊缝bd偏移为直线段焊缝b′d，左右侧偏移量不相等。机器人对这种长直线焊缝的焊接应采用多段线焊接的方式，即采用bc和cd两条线段组合成bd线段的焊接形式进行。机器人首先用探针对bcd三个端点位置进行检测分别检测出其偏移量C （bb′）、cc′,机器人根据该偏移量自动调整沿b′、c′点位置进行焊接，最终焊接位置调整为b′c′和c′d两个直线段位置。

根据实际工况分析，有些气箱由精加工板材拼接而成后，其长焊缝的角向偏移量最大值C＜2mm，根据此工况，机器人的焊缝检测可以采用一种简化方式进行，即中点检测方式如图8所示。原基准位置为bd线段，由于焊缝产生了角向偏移，偏移为直线段焊缝b′d，最大偏移值C（bb′）＜2mm；机器人可以利用探针只对中点c进行检测，检测到的偏移值cc′也作为直线段的b点和d点的偏移值，最后产生的偏移位置点为b″、c′、d′，机器人沿 b″c′和c′d′线段路径进行焊接，此路径偏离实际路径最大值变为D=b″b′=dd′根据中线定理，D=0.5C 即b″b′=dd′＜1mm此偏差值满足机器人的自动定位和焊接。在此种工况下可以采用简化的位置检测形式。