弧焊机器人焊缝自动追踪系统的教学应用

周冰科，高党寻，王龙兵，姚启明，赵 萌

（清华大学基础工业训练中心，北京 100084）

0 引言

技术创新是发展产业的基础，产业的发展必须依托技术创新。随着先进制造技术的发展，实现焊接产品制造的自动化、柔性化及智能化已成为必然趋势。其中焊接实习作为学生实践的一个重要环节，帮助学生拓宽眼界，了解多种焊接工艺方法和先进焊接设备。训练中心与时俱进紧跟《中国制造2025》发展趋势，清华大学基础工业训练中心从2014 年开始引进3 台库卡弧焊机器人之后不断发展和建设，到现在为止逐步建设成拥有3个弧焊工作站共6 台机器人的焊接实验室，用于实践教学受到学生一致好评。在实验室建设中要增强新的技术在教学中的体现，展现已有设备的先进功能，充分发挥先进优势，这样才能更好地培养优秀学生，拓宽学生对焊接技术在机械化自动化发展方面的了解以及对数字化制造的认知，有利于从单一知识的传授向创新性教学的转变。

1 实验背景

弧焊机器人实验室除了承担清华本科生的工程实践之外，还承担着机械系材料加工系列实验等专业实验课程。其中一个实验就是观察利用弧焊机器人在定一变三的不同参数下自动焊接对焊缝外观成形的影响规律。但由于参加实验的学生在弧焊机器人焊接应用方面基础薄弱，每次焊接都会存在客观误差影响实验结果，再加上实验过程需要重复编写焊接程序，浪费大量时间，往往不能在规定时间内完成实验内容。为了提高焊接质量与实验效率及改善实验条件，实验室决定引进焊缝自动追踪技术。应用焊缝自动跟踪技术可避免由于焊偏造成的未焊透等缺陷，减少焊接电弧的高温与光辐射的影响，减少焊接辅助时间，因此深受学生的欢迎。

2 实验设备建设

2.1 完善实验设备

弧焊机器人实验室所采用的设备是工业级弧焊机器人，具有工业实现的各项功能。为了满足材料加工实验课程的需求及工业级设备功能要求，在机器人本体上加装激光焊缝自动追踪系统软硬件，激光焊缝跟踪器如图1 所示。在原有焊接机器人基础上实现焊缝自动追踪，满足工程实践教学和材料加工系列实验的需求。此外，还需解决机器人系统集成与焊缝追踪系统焊接程序的编制与运行，开发适用于本科生实践教学的环节和材料加工系列实验程序。

图1 激光焊缝跟踪器

2.2 激光焊缝追踪原理

激光焊缝跟踪器使用线式激光发生器、光学传感器和中央处理器，利用光学传播与成像原理，得到激光扫描区域内各个点的位置信息，通过内部的程序算法完成对常见焊缝的在线实时检测。

对于检测范围、检测能力以及针对焊接过程中的常见问题都有相应的功能设置。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。

2.3 功能原理

传感器的工作是基于光学三角测量原理，视觉传感器工作原理如图2 所示。

图2 视觉传感器工作原理

半导体激光器：①发出的光，经透镜②形成XZ 平面光幕，并在被测物⑥上形成一条轮廓线，镜片③收集被测物体反射回来的光并将其投影到一个二维CMOS 阵列④，这样形成的目标物体剖面图形被信号处理器⑤分析处理，得到被测物的2D 轮廓线。轮廓线的长度用X 轴计量，轮廓线的高低用Z 轴计量。如果在此基础上扩展一个垂直于XZ 平面的一个运动的Y 轴，即可得到物体表面的3D 图像。

2.4 组成弧焊机器人焊缝自动追踪工作站

实验室弧焊机器人焊缝自动追踪工作站如图3 所示。

图3 实验室弧焊机器人焊缝自动追踪工作站

3 焊缝自动追踪程序设计方案

以对接接头形式为例，对接接头形式焊缝自动追踪程序见表1，对接接头形式焊缝自动追踪程序编写示意如图4 所示。

图4 对接接头形式焊缝自动追踪程序编写示意

表1 对接接头形式焊缝自动追踪程序

4 机器人CO2焊接实验

4.1 实验方法

利用弧焊机器人的焊缝自动追踪技术，只编写一次程序，然后每组均以合理参数（中等参数）作为实验参数基础，重复焊接出成型美观的焊缝。

方法1：以定电流、电压，干伸长度，变机器人速度来进行两至三种试验。

（1）比合理速度大1/4 倍。

（2）比合理速度小1/4。

（3）比合理速度大1/2 倍。

方法2：以定速度、电压，干伸长度，变电流来进行两至三种试验。

（1）比合理电流大1/4 倍。

（2）比合理电流小1/4。

（3）比合理电流大1/2 倍。

方法3：以定电流、机器人速度，干伸长度，变电压来进行两至三种试验。

（1）比合理电压大1/4 倍。

（2）比合理电压小1/4。

（3）比合理电压大1/2 倍。

4.2 实验过程记录

列表记录真实参数（电流、电压、干伸长度、机器人速度、气体流量、运行角度），另记材料，焊丝，设备等相关。

任何一组参数试验后，用卡尺测量熔宽、熔深、余高（可用文字描述），拍照对比成型状况，作为试验报告材料。

5 焊缝自动追踪系统的作用

在焊接机器人施焊的过程中，如果焊接条件基本稳定，则机器人能够保证焊接质量。但是，由于各种因素的影响，实际的焊接条件经常发生变化。例如：由于强烈的弧光辐射、高温、烟尘、飞溅、坡口状况、加工误差、夹具装夹精度、表面状态和工件热变形等因素影响会使焊枪偏离焊缝，从而造成焊接质量下降甚至失败。因此，焊接条件的这种变化要求焊接机器人能够实时检测出焊缝的偏差，并调整焊接路径和焊接参数，保证焊接质量的可靠性。弧焊机器人加装焊缝自动追踪系统，经实验人员和学生实践操作使用后与没装之前对比：

（1）使得实验过程得到大量简化，不用频繁的编写重复程序。

（2）焊缝成形质量有显著提高，对实验结果有很大提升。尤其对于参加工程实践的学生来说，使得他们的学习成本下降很多，更容易上手操作，在短时间内对焊接自动化技术有深刻的认识，得到学生广泛好评。

6 结束语

焊缝自动追踪系统显著提高弧焊机器人实践教学水准，体现焊接技术在机械化自动化发展前沿的状态，为弧焊机器人实践教学提供一个重要的硬件平台，有效地提高弧焊机器人工程实践教学的前沿性和真实性，为培养本科生起到积极的作用。