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基于視覺跟蹤的貨車油箱焊接機器人工作站設計

發布日期:2016-12-21   來源:智能機器人   作者:王鵬潔 鄭衛剛   瀏覽次數:20440
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【摘   要】:摘要:針對貨車油箱的焊接特點與Fronius焊接機器人的焊接特性,采用MIG焊方法,設計了一種新型的油箱焊接機器人工作站,重點對焊

 摘要:針對貨車油箱的焊接特點與Fronius焊接機器人的焊接特性,采用MIG焊方法,設計了一種新型的油箱焊接機器人工作站,重點對焊接機器人工作站結構進行了新型設計,采用雙焊接機器人雙工位焊接結構,并配置最先進的激光焊縫跟蹤系統,大大提高了生產效率。焊接工作站的工藝實驗探究表明,雙焊接機器人雙工位的焊接方式所生產的鋁合金油箱質量符合要求,焊縫力學試驗中焊縫的屈服強度、抗拉強度、硬度及延伸率均符合要求,具有一定的市場應用前景。

關鍵字:貨車油箱;焊接機器人;激光傳感;工作站

Based on visual tracking of truck tank welding robot workstation design

                              Wang Pengjie1       Zheng Weigang2

1 School of energy and power engineering, Wuhan University of Technology,Wuhan Hubei,430063,China。2 Engineering Training Center Wuhan University of Technology,Wuhan Hubei,430063,China)

Abstract: According to the welding characteristics of tank truck and the welding characteristics of Fronius welding robot, we design a new type of fuel tank welding robot workstation in the method of MIG welding, focusing on welding robot workstation structure to design a new type, double location with double welding robot welding structure, and configure the most advanced laser welding seam tracking system, greatly improving the production efficiency. Welding workstation technology experimental research show that the quality of aluminum alloy fuel tank which is producted by double welding robot double position welding robot workstation can meet the requirements. And the yield strength, tensile strength, hardness and elongation rate of the weld seam in the mechanical test is in line with the requirements . So it has a certain market application prospect.

Key words: Tank truck; The welding robot; The laser sensor; The workstation

0 前言

    重型貨車的油箱一般采用鋁合金制成,油箱的截面為帶圓角的方形,箱體部件為兩個端蓋和筒體,分別沖壓和焊接成形,主要焊縫包括直縫和兩端的環縫。建造焊接機器人工作站,進行自動化焊接生產,可以大幅提高焊接質量和生產效率[1]-[3]。由于鋁合金材料的厚度,表面氧化膜和電弧特性,采用傳統的接觸尋位和電弧跟蹤容易出現焊偏,燒穿及撞槍等問題,造成產品的報廢,因此,需采用目前最先進和最具發展前景的激光焊縫跟蹤技術。

1基于視覺傳感器的焊接機器人工作站整體設計

鋁合金油箱機器人焊接系統由兩臺Fronius焊接機器人、頭尾式焊接變位機、MIG雙脈沖焊接電源、激光跟蹤系統、機器人控制柜等組成,如圖1所示,為提高效率,系統采用雙機器人雙工位結構,焊縫激光跟蹤技術實現了機器人自動焊縫尋位,激光束掃描焊縫位置,隨焊縫變化調整焊槍位置及高度,取代了人工對焊槍的調整,真正實現無人值守自動焊接,Touch Sensor通過觸頭確定工件位置,系統從而計算出焊縫的位置,實現了對油箱加油口、放油口等裝配誤差較大的工件的自動焊接。

 

 

說明: C:\Users\user\Desktop\12.jpg

                      1 油箱焊接機器人工作站整體模擬圖

                Figure 1  tank welding robot workstation simulation figure as a whole

2工作站關鍵組成部分設計

 2.1  Fronius焊機

    為盡可能提高生產效率,系統采用雙Fronius機器人同時焊接兩端環縫的方案,旋轉變位機旋轉一周,兩條環縫同步進行焊接,整個工作站設置兩個工位,一個工位進行焊接時,另一個工位用于裝卸工件,兩個機器人側掛方式安裝在帶有1軸導軌的固定龍門架上,可以左右移動在兩個工位上焊接。

Fronius焊機大部份功能由軟件控制,減少了40%的電子元件數量,外置送絲機重量為15Kg,移動方便,同加長中間連線配合,可焊接30米范圍內的工件。焊機逆變頻率高達100KHz遠高于同類逆變焊機,輸出規范平穩,電弧穩定,并且其可以調節電弧推力大小,進行全方位的焊接工作,焊機內存80組焊接專家系統,實現一元化調節,焊接時只需輸入工件板厚極大地降低工人素質要求,也方便了工人操作。Fronius焊機如圖2所示。


說明: c:\users\user\appdata\roaming\360se6\User Data\temp\29679260_2.jpg
                        2 Fronius焊機

                                   Figure 2  Fronius welder

2.2雙頭尾架式旋轉變位機

變位機采用頭尾架式的旋轉變位機,工作臺采用電動回轉,可調四爪卡盤與工作臺連成一整體,支撐托架與主機相互獨立,可作水平位移的手動調節,尾架可以左右移動,適應長短不同的油箱焊接需求,只要調節夾具與尾架位置,即可滿足不同型號尺寸的油箱焊接,旋轉變位機的作用,一是使得機器人帶著焊槍可以方便地一次焊完一周的焊縫,二是保證焊槍能夠在任何時刻都保持最佳的平焊位置。同樣,系統配置兩臺變位機,用在兩個工位,一個在焊接時變位旋轉,另一個同時進行工件裝卸。頭尾架式旋轉變位機如圖3所示。

說明: 頭尾式焊接變位機

3頭尾架式旋轉變位機

                 Figure 3  Head to tail frame rotation displacement machine

3 工作站關鍵技術及其系統設計

 3.1激光焊縫跟蹤技術原理

   激光焊縫跟蹤技術是油箱焊接工作站的關鍵技術,如圖4所示,激光焊縫跟蹤系統的基本原理是通過測量反射光束與CCD主光軸的夾角,結合CCD與掃描鏡面的距離、已知的透射光束與掃描鏡面的夾角等數據,得到每一束激光在工件表面投射點與CCD鏡面的距離,激光經反射后投到焊縫表面,再經反射后被CCD攝像頭接受,從而得到焊縫端面剖面圖[4][5]。

             說明: c:\users\user\appdata\roaming\360se6\User Data\temp\1442-201261412586186.jpg

  4 激光傳感器結構示意圖                     5 Power-Trac激光焊縫跟蹤系統

 Figure 4 laser sensor structure diagram          Figure 5 Power - Trac laser welding seam tracking system

3.2激光焊縫跟蹤系統設計

   由于油箱的鋁合金材料表面非常光亮,具有很強的反光特性,一般的電弧傳感器在電弧環境下難以實現對光亮鋁合金接頭的精確測量[6],焊接時必須實現對變位機的轉動和機器人焊槍軌跡的精確控制,保證焊接位置為平焊位置,保障焊接質量,此外,四個拐角位置的焊縫曲率半徑較小,激光傳感器需要有較大的市場范圍和足夠的前視距離以保證拐角位置的準確測量與跟蹤[7],因此,采用SERVO-ROBOT公司最新型的Power-Trac激光焊縫跟蹤系統如圖5所示,其具有強大的焊接中焊縫搜索定位、焊縫跟蹤和自適應控制能力,能夠在光亮的鋁合金表面獲得清晰的激光條紋圖像。

 4焊接工作站工藝實驗探究

   為探究焊接工作站的工藝優良性,筆者在工廠進行了焊接實地探究,如圖6所示, 啟動焊接后,兩臺機器人同時從初始位置接近焊縫,用激光傳感器搜索焊縫,找到焊縫后,將焊槍移動到焊接起始位置,啟動焊縫跟蹤,起弧同時驅動變位機帶動工件旋轉,焊接一周后,激光視覺系統檢測到起弧點,自動重疊焊接一段距離后熄弧,然后到另一工位重復此過程。

 說明: c:\users\user\appdata\roaming\360se6\User Data\temp\t01d8de36a4d7d208a6.jpg

                           6 油箱焊接實物圖

Figure 6 tank welding material object graph

   焊接工作站的工藝參數如表1所示,油箱常用材料為5052-H112,其力學性能如表2所示。

 

1 焊接工藝參數

Tab.1 welding parameter

 

焊接方法

 

焊條牌號

 

焊條直徑(mm

 

保護氣

 

電流

A

 

電壓

V

 

焊接速度(cm/min

 

電弧

長度

熔化極氬弧焊

MIG

 

ER5183

 

 

1.2

 

Ar

 

220-240

 

 

24-28

 

35-60

 

  +3

預熱溫度(°C

80-120

層間溫度(°C

   60-100

                     

 

   焊接后焊縫力學性能如表3所示,通過對比5052-H112力學性能參數可知,焊接工作站焊接完成的試件強度合格,硬度合格,延伸率≥12%,合格。

 

 

                         2 5052-H112力學性能參數

Tab.2 mechanical properties parameters of 5052-H112

屈服強度(MPa

抗拉強度(MPa

硬度(500kg10mm球)

延伸率%

195

175

60

12

3 焊縫力學性能試驗參數

Tab.3 mechanical properties experimental parameters of butt welded

屈服強度(MPa

抗拉強度(MPa

硬度(500kg10mm球)

延伸率%

    292

      264

      74

      16

 

5結語

   文中對鋁合金油箱焊接工作站進行了新型設計并對其焊件進行了探究,利用Fronius焊機的工作站,采用可移動的頭尾架式旋轉變位機,能夠實現各種不同尺寸的油箱焊接工作,先進的激光焊縫跟蹤系統保證了焊接質量,降低了工人的工作強度,提高了焊接效率,具有一定的市場推廣價值。

 參考文獻

[1]  張驥豐,鄭衛剛,李文超.鐵路機車轉向架焊接機器人系統的設計與應用 [J].熱加工工藝,201208):181-182.

[2] 張驥豐,鄭衛剛,張 .汽車減振器支架焊接機器人系統的設計 [J]. 熱加工工藝,201209:186-187

[3] 杜杰偉,虞然,鄭衛剛 桁架結構焊接機器人工作站設計與研究[J]. 熱加工工藝,201415):202-204

[4] 陳善本,林濤等,智能化焊接機器人技術。北京:機械工業出版社,2006.1。110-113。

[5] 王鵬潔,鄭衛剛,有軌道全位置智能焊接機器人的研究及應用[J].起重運輸機械,20154):20-22

[6] 何天剛,吳南君,張龍華,帶激光跟蹤的焊接機器人系統在鋁合金油箱焊接中的應用[J]. 電焊機,200904):71-75

[7] 張宇,基于CCD視覺傳感的焊縫跟蹤技術的研究[D],碩士論文,上海交通大學,2007.

 
 
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