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焊接新技術/Enterprise-College Cooperation
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自動化焊接與智能化焊接技術

發布時間:2018-01-21   瀏覽量:4227

目前國內外在焊接自動化技術與智能化焊接的基礎研究熱點集中在以下幾個方面:焊縫自動跟蹤技術,特別是視覺傳感與跟蹤技術;焊接過程熔滴過渡控制;焊接熱輸入控制技術;焊縫成形技術,包括焊接熔深熔透控制等。綜合利用機械、電弧、光等物理信息對焊接過程進行控制和檢測,是實現自動化焊接的基礎,同時又促使焊接過程向智能化發展。

傳感器是焊縫自動跟蹤系統中最關鍵的組成部分,目前的研究比較集中于基于電弧的傳感器和基于光學的視覺傳感器兩大類。電弧傳感器原理以電或機械方法使電弧擺動或者旋轉,通過弧長變化引起的電弧參數變化導出電弧中心與焊縫相對位置等傳感量。它最大優勢是成本低,結構簡單。電弧傳感器的應用,尤其是在國內的應用還僅限于某些特殊場合的焊縫跟蹤,現有工業應用中成功的例子都是在 V 形坡口和角焊縫上完成的。此外,對電弧傳感器信號處理也是難點之一,如何去除弧焊過程中如短路電流、熔池液態金屬波動或流動帶來的信號干擾還未有好的解決方案。

相比較而言,基于機器視覺的焊接自動跟蹤技術方法和系統具有很好的應用前景。視覺傳感器通常采用紅外光、可見光、弧光為光源,以點、線、面、體的方式傳感焊接區域圖像信息,具有精度高、再現性好的優點,使用時不易受到磁偏吹或者焊絲影響,近年來得到了非??斓陌l展。目前常見的商業化焊縫跟蹤系統主要采用激光結構光的方法,包括點式和條紋式激光光源,以適應不同的應用需要。該方法用激光光源照射在焊接接頭上,由于接頭的幾何形狀而使光斑條紋發生相應的形變,通過圖像上條紋的形狀特征就可以確定焊接接頭的位置。焊縫跟蹤視覺系統在航空航天、汽車制造、建筑材料、工程機械、交通運輸等多個行業中都有廣泛的應用。

根據視覺傳感特點,焊縫跟蹤方法又主要分為主動視覺和被動視覺兩大類。主動視覺采用一些特殊的照明光源投射到工件表面待焊區域上,電荷耦合元件(Charge-coupled device, CCD)攝像機接收到從工件上漫反射的反映不同焊縫坡口形式的條形光,被動視覺的焊縫跟蹤主要通過對從 CCD 攝像機獲得的圖像進行處理。圖像處理是焊接視覺跟蹤技術的重要基礎和核心,直接決定著焊縫跟蹤的準確性、實時性和適應性。用于焊縫跟蹤的圖像處理技術,首先涉及濾波、降噪等改善圖像質量的低級處理技術,對圖像提取特征(如邊緣檢測、圖像分割、紋理或色彩特征)是識別焊縫邊緣、或者分割出焊縫區域的重要手段,在焊縫跟蹤技術中占主要地位。高級圖像處理涉及對圖像內容的理解,為焊接智能化的研究提供了人工智能領域的可能發展方向。

局部環境下自主焊接系統的研究中就初始焊接位置的識別、基于邊緣檢測和邊緣細化的被動視覺焊縫識別、熔池三維形狀的模型建立等幾個關鍵技術開展了工作,取得了較好成果。在待焊區自主識別和焊縫自動跟蹤領域,現有的視覺技術方法及系統裝備已經并仍然發揮著重要作用。例如,研制的具有高抗干擾能力的線結構光自動跟蹤系統已應用于管道電弧焊接,基于圓斑結構光的自動跟蹤系統已可應用于板材的激光高速焊接。

自動化焊接技術在實際的工業生產中也得到了一定的發展,近年來,在我國制造業中,采用專機自動焊和機器人焊接已成為焊接行業接受的可行技術,從焊接自動化到智能化技術研究和開發層次也在逐步提高。

同時,從焊接機器人模擬實現由焊條電弧焊到自動焊的智能化焊接技術需求出發,研究了各種焊接動態過程(如各種電弧焊,等離子、高能束、激光焊、電阻焊、攪拌摩擦焊等工藝)及其焊接質量的有效控制以及機器人焊接智能系統集成技術。采用焊接機器人進行焊接在汽車整車及零部件、工程機械、鐵路、船舶、航天、一般制造業等行業的應用有了明顯增長。如近 5 年汽車制造業的超高速發展,工業機器人的應用數量急劇上升,平均年增長率超過25%。

在工程機械制造過程中,由于工件為厚板且尺寸較大,備料精度較低,間隙不均勻,而焊接質量要求較高,已有機器人采用了具有焊縫寬度檢測功能的電弧傳感器或激光掃描傳感器檢測到焊縫寬度變化,進而在一定范圍和條件下實現了機器人焊縫跟蹤與焊縫變間隙的自適應控制焊接。

在造船領域已有徑管—凸緣焊接生產中采用機器人工作站,不但提高了產品質量和生產效率,而且基本不需要焊縫后續處理工作(焊縫打磨等),大大減少了工作量。該管子—凸緣的機器人焊接生產是焊接機器人在國內船廠的首次成功應用,并已經在 3 家造船廠推廣應用。在航天裝備精密焊接制造中,也有基于視覺傳感的智能化機器人焊接技術及其系統成功應用范例。

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