某电厂圆形零件机器人智能焊接

任立斌， 朱平， 赵冲， 杨旺， 施一丰, 张国亮

(1.苏州热工研究院有限公司,江苏 苏州215003；2.江苏科技大学，江苏 镇江 212003；3.华侨大学，福建 厦门 361021)

0 前言

机器人智能焊接在行业内已有大量研究，机器人结合传感器定位并引导焊接路径，再加上计算机技术实现一定范围内的智能焊接[1-2]。当前机器人激光视觉+深度学习技术是智能焊接方面的新兴趋势。何景山等人[3]提出了图像法焊缝自动跟踪系统，以相机、激光器、滤光片等元件组成视觉传感器。邹勇等人[4]研制了具有CCD光电焊缝跟踪系统的无轨道全位置焊接机器人。倪沫楠等人[5]搭建整体多层多道激光视觉焊缝跟踪试验系统，利用图像处理得到的焊缝特征点位置信息，提高焊接工艺。国外在该领域起步较早，技术应用已经十分成熟，如英国Mata视觉公司生产的Laser Pilot激光焊缝跟踪系统；加拿大Servo Robot公司的POWER-TRAC系统；德国Mel公司的M2DW激光焊缝跟踪系统[6]。该次研究希望对某电厂圆形零件采用机器人实现智能焊接。从机器人焊接工艺、优选焊道排布、零件智能定位、机器人自动焊接、最终检验等方面论证了可实施性。采用机器人激光视觉抓取特征点并计算圆心位置，可以在工作台范围内自动定位工件，统一工件和机器人坐标系。从既定焊接工艺和焊道排布方式条件下，得到每条焊道在圆环形焊缝的起弧点坐标，利用机器人圆形路径程序并调用焊接工艺程序，可以得到成形良好的焊缝。从而实现机器人对随机放置的零件有统一的焊接输出，实现该圆形零件的智能焊接。

1 作业系统介绍

机器人作业系统，主要包括：库卡(KUKA)-KR 5 arc机器人、双轴变位机、福尼斯(Fronius) CMT Advance 4000 R nc焊机、机器人激光传感器、夹具等。其中机器人负荷5 kg，附加负荷12 kg，最大作用范围1 412 mm，6自由度，重复精度应为±0.04 mm，质量127 kg。激光传感器采用某品牌LZ8-0050W型号设备，产品主要性能指标见表1。机器人整体如图1所示。

表1 激光传感器主要性能指标 mm

图1 机器人作业系统

2 圆形零件及待焊区域

圆形零件如图2所示，待焊区域为圆环形槽。零件材料为奥氏体不锈钢Z2CND1712等同于316L，待焊区槽形状尺寸见表2。

图2 圆形零件及其待焊区域

表2 零件及待焊区域尺寸信息

3 机器人焊接工艺评定

3.1 工艺试验用材料、人员

为了方便取样验证焊接工艺参数，采用316L试板制作工艺评定，焊接材料使用ER316L焊丝，规格：φ1.0 mm。人员为焊接试验室机器人操作人员，能熟练操作设备，熟悉工艺及设备状况。

3.2 平板对接工艺试验与评定

3.2.1工艺试板制作

如图3所示，采用316L不锈钢试板，V形带垫板坡口形式。经过多次试焊，得到无损检验合格的试板如图4所示，制作标准试样进行理化检验。

图3 坡口形式示意图

图4 平板对接工艺试件

3.2.2评定试验

对工艺试板进行取样制作标准试样，进行理化试验，试验项目及数量见表3。冲击试验结果见表4。拉伸试验结果见表5。弯曲试验结果见表6。各项检验合格，焊接工艺评定确认并按此编制焊接工艺规程，其中，焊接工艺参数见表7。

表3 对接工艺试板力学性能试验

表4 冲击试验结果

表5 拉伸试验结果

表6 弯曲试验结果

表7 焊接工艺参数

4 有限元优选焊道排布

为了验证在不同的焊道排布和路径顺序下，产生的焊接变形和残余应力大小，从而找出最优的圆形零件待焊区域机器人焊接路径规划，研究通过大量的有限元数值模拟计算，根据工艺规程参数，研究同一热源下、同一材料模型和网格模型(图5)，在8种不同焊道排布(图6)情况下对焊接残余应力和变形的影响，获得控制焊接变形的最优模型与计算方法；在表8中，基于优化的模型与高效计算方法，研究圆形零件不同焊道排布等因素对焊接变形量和应力的影响，获得其中圆形零件盘机器人焊接最优的焊道分布形式和路径顺序：12道焊缝布置，每层从内圈向外圈分布。

图5 待焊圆形零件有限元模拟图

图6 不同焊道数量及排布示意图

表8 不同焊道变形和应力结果比较

5 工件及焊道分布定位

5.1 建立工件坐标系及焊道分布

12条焊道分布相当于焊接电弧在待焊区域按照顺序行走12条圆环，每个圆环的空间位置都不一样，以工件表面圆心为原点建立工件坐标系(图7)，将12条焊道起弧点(S1～S12)置于x轴正方向上，起弧点坐标可表示为S1(xS1，0，zS1)～ S12(xS12，0，zS12)，其中值|xS1| ～ |xS12|是每条圆环焊道的半径，值|zS1| ～ |zS12|是每条焊道在垂直方向的分布，坐标编号见表9。

表9 12条焊道起弧点坐标编号

图7 工件坐标系及焊道起弧点分布

5.2 工件坐标系与机器人坐标系拟合

将工件随意放置于机器人工作台上，待焊面水平向上，处于机器人坐标系统内。由于放置的随机性，工件坐标系原点可能在工作台范围内任意点，所以需要找到工件表面圆心，以此为基点将工件坐标系与机器人坐标系统拟合，并使用机器人语言设定12条圆形焊道排布程序。

采用机器人激光视觉扫描待焊区域圆形坡口边缘，获得3个特征点在机器人坐标系统内的空间位置(如图8)，设3个特征点坐标分别为A(xa，ya，za)，B(xb，yb，zb)，C(xc，yc，zc)，设工件表面圆心在机器人系统坐标为O(xO，yO，zO),半径为R，因为3个特征点与圆心在同一平面，所以ZO=Za=Zb=Zc，再根据三点定圆心公式可得:

图8 机器人激光扫描三点定位及特征点捕捉

xO=(ya-yc)[(x2a-x2b)-(y2b-y2a)]-(ya-yb)[(x2a-x2c)-(y2c-y2a)]2[(ya-yb)(xa-xc)-(xa-xb)(ya-yc)]

(1)

yO=(xa-xb)[(x2a-x2c)-(y2c-y2a)]-(xa-xc)[(x2a-x2b)-(y2b-y2a)]2[(ya-yb)(xa-xc)-(xa-xb)(ya-yc)]

(2)

ZO=Za=Zb=Zc

(3)

R=(xa-xO)2-(ya-yO)2

(4)

A,B,C这3个特征点在机器人系统的坐标数值实测得到，可以算得工件表面圆心在机器人系统的实际坐标O(xO，yO，zO)，以O点为原点建立工件坐标系，拟合机器人与工件坐标系统，坐标轴方向按照机器轴向规则，以OA连线为x轴正方向，z轴垂直向上，y轴方向按机器人“右手法则”方向。这样机器人就可以根据激光定位和内部算法准确定位工件圆心，从而准确定位每条焊道的起弧点。

6 机器人焊接路径规划

6.1 机器人实际焊接位置修正

以圆形零件表面圆心为基点，建立空间坐标系，在待焊圆环形槽空间区域内，将12道焊缝起弧时机器人末端的坐标点标记在坐标系内。采用机器人语言SCIRC指令可以得到圆形轨迹，该指令需要3个坐标点和圆周角度(ANGLE)共4个参数。已知起弧点S1～S12位于x轴正向垂直平面，设另外两组辅助点T1～T12和R1～R12分别位于y轴正、负垂直平面内(图9)。

图9 起弧点及辅助点坐标位置示意图

该次研究中焊道分布在SCIRC指令下12条焊道参数见表10。根据模型优选的焊道排布，12个起弧点坐标理论上是均等分布的，但实际情况下为了保证焊缝成形，每道焊缝的起弧点位置与理论值有偏差，需要在既定工艺参数条件下做大量熔敷成形试验，对每条焊道起弧点位置进行修正，得到该工艺条件下每条焊道起弧点的实际坐标位置，同时也得到辅助点坐标及圆周角度。

表10 SCIRC指令下的焊道位置参数

6.2 机器人焊接路径语句导入

把三点定圆心算法转为机器人定位程序，然后将12道焊缝起点坐标导入机器人路径程序，使S1=P1并循环该语句12次，每个循环中将S点坐标位置赋予P1点，另使语句结束后回归起始点即可。

7 圆形零件机器人焊接实施

完成上面工作后，设定机器人安全点和起始点，再设定执行语句调用焊机中既定焊接工艺参数，可以开始实施工序：工件任意放置→机器人自动定位→到达安全点→到达起始点→第1条焊道焊接→返回起始点→……→第12条焊道焊接→返回起始点→返回安全点。由机器人自动执行实施圆形零件智能焊接(图10a),完成后的圆形零件状态如图10b所示。

图10 圆形零件机器人自动焊接及焊接表面

8 无损检验和理化试验

8.1 无损检验

对焊接完圆形零件进行渗透检验和射线检验，未发现超标缺陷。

8.2 理化试验

对焊接完的圆形零件取样进行常规理化性能试验。拉伸试验采用平板拉伸试样，试板宽度12.5 mm，厚度12.5 mm，试验结果见表11，断裂位置在母材，结果合格。弯曲试验为侧弯，采用矩形弯曲试样，试验结果见表12，外表无肉眼可见裂纹，结果合格。冲击试验材料为316L不锈钢，取样位置为熔敷金属，试验结果见表13，结果合格。

表11 室温拉伸试验

表12 弯曲试验

表13 冲击试验

9 结论

(1)通过机器人激光视觉定位、有限元优选焊道排布、配合经验证的焊接工艺，编辑成机器人程序，验证了在给定条件下的机器人智能焊接。其中主要关键：一是将三点定圆心算法与激光传感器、机器人程序结合，实现机器人智能定位；二是通过大量的工艺试验，在既定焊接工艺参数下得到成形良好的焊缝，即对焊道起弧点位置的修正，得到实际坐标。

(2)实施过程中还是有盖面焊缝成形不美观、通孔微小变形、射线检验局部盲区的问题，也都通过调整焊枪姿态、铜销轴固定通孔、射线结合超声波检验方法进行解决。该次研究针对特定零件焊接，可以提供一条参考思路，但仍有很多需要完善之处，欢迎业内同行指正讨论。