新型集装箱多种门端框激光跟踪焊接系统研制

陆宏文，相顺强

(广东新会中集特种运输设备有限公司，广东 新会 529144)

在现代制造业中,焊接技术作为重要的加工手段,占有非常重要的地位。焊接机器人在提高焊接质量,降低焊接成本,实现焊接自动化方面起着非常重要的作用[1]。智能化的焊接技术是保证焊接质量的关键，是实现焊接自动化的重要研究方向[2]。

集装箱产品的门端框尺寸为2 438～2 600 mm, 目前行业中的标箱门端框焊接胎位不能适应超宽、超窄特箱门端框的生产。焊接过程中，宽度调整采用简易腰型孔、螺栓压紧方式，存在转产慢、用人多和调整精度差等问题；工件推送及焊接均为人工作业，劳动强度大，焊接质量因人而异，难以稳定。针对上述问题，本文研制了一种新型集装箱多种门端框焊接系统，适用于20、40、45、53 in箱等约10余种产品，实现了端框宽度调整一键式操作及门端框铰链、锁座及角部焊缝的跟踪焊接全部自动化。整套系统做到连锁控制，无人化操作，使各种箱型门端框生产单班均节省4名操作者。

1 焊接系统的组成

新型集装箱多种门端框激光跟踪焊接系统示意图如图1所示，其主要包括输送设备、宽度调整机构和新型激光跟踪焊接机器人系统。其中，输送设备将待焊接的门端框移动到预定位置；宽度调整机构与输送设备连接，适应待焊接不同宽度尺寸的门端框快速转产要求；新型激光跟踪焊接机器人系统用于自动扫描焊接待焊接的门端框。

图1 新型集装箱多种门端框焊接系统

2 焊接系统的结构设计

2.1 输送设备

该装备设动力输送，实现工件自动输送、定位和夹紧，可适应高、低箱等2种模式，且与机器人实现联动作业。其生产工艺流程如下：1)前道工序将工件进行正确装配；2)工件自动进入机器人焊接区域并自动定位；3)机器人自动起动；4)机器人进行激光扫描并自动焊接(4台机器人同时起动，每台机器人负责约1/4的工作)；5)焊接结束，机器人进行清枪、剪丝工作并回零；6)工件自动移出，进行下一循环。

2.2 宽度调整系统

宽度调整系统(见图2)采用由2个减速电动机分别带动两端的螺旋伸缩装置。该伸缩装置与门端框输送滚梁相连接，减速电动机安装于输送滚梁下，与输送梁一起移动，实现了各型门端框宽度调整的一键式操作，且转产方便。

图2 工件输送及宽度调整系统示意图

2.3 新型激光跟踪焊接机器人系统

开发了一种新的能与机器人系统完美对接的激光扫描系统及处理法则，实现了门端框铰链、锁座及上、下角部复杂焊缝扫描、自动跟踪焊接、间隙判断及处理全自动化，满足生产节拍为2.75 min及焊接跟踪精度为0.5 mm的性能要求。其具体方案如下。

1)倒挂4台机器人，分别焊接铰链、锁座及角部复杂焊缝，4台机器人工作量基本一致，满足20 in箱2.75 min最快生产节拍要求。

2)焊接跟踪采用激光扫描取点方案，根据位移变化，精确计算焊缝的位置，跟踪精度可达0.5 mm。激光跟踪器安装在机械臂上(见图3)，由程序控制其在工件表面快速移动，形成扫描轨迹(扫描线)；同时系统采集扫描线上激光的数据，获得扫描轨迹剖面的形状，再通过特定的数学运算，计算出剖面上出现的一个或多个特征(通常是台阶或交点)的准确空间位置[3-4]。

图3 机械臂

3)扫描轨迹的位置和数目可根据不同的工件特点设定，以获得的特征数足够确定所有焊接线为原则。铰链、锁座属于大致规则工件，在获得若干基本特征点后通过偏移、延伸等方法形成焊接轨迹[5]。铰链需要3条扫描线，获得5个特征。锁座需要4条扫描线，获得8个特征。角部复杂焊缝由多段直线焊缝组成，较长的直线以2点定直线方式获取特征数，较短的直线只扫描1个特征，并假设是平行于某个方向的方式确定直线。

4)焊缝的起点、终点的坐标通过空间几何方法计算获得，加入焊接工艺参数，指挥机器人按工件实际位置进行焊接。

本系统对工件的定位误差(XY平面±50 mm，Z方向±20 mm，旋转±10°)有极好的适应能力。

本系统通过间隙扫描算法，在可能出现装配间隙的位置，机械臂带动激光以适当的角度和速度扫描通过间隙部位，经过计算可获得间隙的大小，分辨率>0.3 mm。获取间隙后采用相应的焊接策略，即当间隙<1 mm时按正常方式直接焊接；当1 mm<间隙<2 mm时快速打底一次，然后按正常方式焊接；当2 mm<间隙<3 mm时慢速打底一次，然后按正常方式焊接。

应用该系统完成的焊接工件示例如图4所示。

图4 焊接工件

3 创新点

本项目的创新点如下。

1)解决了各型门端框焊接的柔性加工问题，工件输送、定位、夹紧、扫描、焊接、间隙判断及处理全自动化，解决了20、40、45、53 in箱、设备箱、开顶箱、多联箱和超宽箱等约10余种产品的快速换型问题。

2)开发了新型机器人激光跟踪系统，实现了门端框铰链、锁座及上、下角部复杂焊缝的跟踪焊接，满足焊接跟踪精度0.5 mm的要求。

3)焊缝扫描轨迹及算法灵活多变，使用可靠。具体方法如下：根据不同的产品，分布大致的焊缝长度，规划合理的焊缝扫描轨迹，扫描轨迹上的点应具备形状确定、位置确定和相对位置确定的要素；采用扫描轨迹上的特征点，获得焊接工件的形状；根据数据，调用不同的算法，规划焊接轨迹和焊接工艺；采用离线编程，可以减少机器人不工作时间，也可以使操作者远离危险的工作环境[6]。

4)把机器人的灵活性和点激光快速测量巧妙地结合起来，成功解决了激光采集数据和机器人运动时的坐标同步问题，适合结构形状复杂的场合使用。算法是自行编制的，可按项目要求定制(本项目至少有5种以上非常见结构算法)。据了解，目前市场上还没有同样结构形式的产品。

4 目前国内外激光跟踪技术现状及本项目研发价值点

目前比较先进的激光跟踪系统有英国Meta、加拿大赛融公司(Servo-Robot)和德国binzel(scansonic TH6D)。Meta的智能型激光传感器技术将图像处理软硬件嵌入到传感器内部，通过网络在传感器、触摸屏显示器和集成多功能I/O板之间通信，极大简化了系统的结构；系统软硬件还包括了先进的抗反射技术，因此系统对高反射性材料(如铝合金和不锈钢)跟踪性能大幅提高；将图像处理软硬件集成在传感器内部，其采样速率在百万像素级别下达到了30帧/s，能够适应高焊接速度和高跟踪精度要求；动态窗口技术还可以获得更高的采样速率。Servo-Robot激光视觉传感具备独有的抗反光技术，可用于镀锌、抛光、铝合金和不锈钢等光亮表面的检测，视觉系统能实现焊缝搜索、定位、跟踪、焊接参数自适应控制、焊缝质量在线监测以及自动装配和搬运等的定位、检测与质量控制。Scansonic TH6D是三维焊缝跟踪系统，适用于有反射的加工表面，如铝和不锈钢，受电场以及工作环境光源的影响极小，采用滤光器以及高强度二极管激光的应用使探测头对干涉光有极高的抗干扰作用，适用于所有常见焊接领域，如激光、MIG、MAG和等离子(PLASMA)等，支持多种机器人接口以及针对线形运动轴的模拟信号接口，无需预热软件及硬件的过滤技术屏蔽掉错误的信息，数据与机器人之间的传输速度高。

目前国内也有一些厂家在进行相关的研究和开发，主要是在借鉴国外成熟技术的基础上，集成各家的焊缝算法而开发出的激光视觉系统。而国内的激光视觉焊缝跟踪系统生产厂家，由于起步晚于国外，且使用的量不大，产品存在算法不丰富、产品不稳定等问题。

目前国外激光视觉焊缝跟踪系统价格昂贵，焊缝的形式比较单一(仅限于几种)，服务价格昂贵，集成难度比较大。

笔者目前研发的激光跟踪型是采用智能焊接，能根据工件的类型完成规划扫描路径，通过扫描轨迹得出工件的3D焊缝形式，判断焊缝位置和焊缝间隙，自主规划焊接轨迹和焊接工艺。而本项目采用激光位移传感器焊缝跟踪系统，其不同于国外的技术，利用激光与工件之间的相对位置，通过焊缝软件算法，得到焊缝位置，规划焊接运行轨迹。本项目所用的技术算法丰富，能实现焊缝定制化设计，根据各种复杂的焊缝形式，进行算法软件的编制，达到精确的焊缝跟踪，集成非常灵活。

目前集装箱行业机器人应用范围不大，主要受制于部件加工、定位精度和结构[7]，本项目可以很好地满足这种需求，对于扩大集装箱行业机器人应用具有重大意义。

5 结语

通过新型集装箱多种门端框焊接系统研制，使其跟踪焊接技术有了根本性的变化。其适应性强、应用范围广泛，可推广应用到集装箱生产的许多工位及机械行业钢结构跟踪焊接的企业，经济效益及社会效益显著。