光学式跟踪系统

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1、石油管道焊接成形光学式跟踪系统的设计石油管道焊接成形光学式跟踪系统的设计1前言第2页共33页石油管道焊接成形光学式跟踪系统的设计1.1研究指导思想在金属制造业中，焊接是仅次于装配和机械加工的第三大产业。在工业发达国家，每年钢铁产量的40%以上要通过焊接才能转化为最终的产品。自现代焊接技术问世以来，焊接生产的机械化、自动化和机器人化一直在不断发展之中。据统计，日本在1975年共有焊接工人460,930名，而1985年减少为335,600名，1990年则为210,800名，大约每10年减少27～37%的焊接工人数[1]。而日

2、本工业机器人协会的统计表明，至1990年，在日本生产和销售的弧焊机器人已达到9,563台，点焊机器人为5,378台。对焊接材料用量的统计也显示，过去大约每10年手工药皮焊条的用量减少一半，而实心焊丝和药芯焊丝的用量则显著增加了。这些数据表明，在过去的二十多年中，焊接工作不断地由手工操作转为自动、半自动焊接乃至机器人焊接。手工焊接的场合依靠人的眼睛和手的配合来跟踪焊缝，而在自动焊接的场合则需要解决焊接熔池（或电弧）始终对准待焊焊缝的问题。由此可见，随着现代焊接生产的自动化程度越来越高以及机器人焊接技术的发展，对焊缝自动跟踪

3、技术的需求也越来越迫切，这主要表现在三个方面：1.1.1、提高焊接质量第2页共33页石油管道焊接成形光学式跟踪系统的设计由于待焊工件存在下料加工及装配的误差，焊接热过程引起的变形事先也难以预料，因此给定轨迹的目标控制（或程序控制）方式己无能为力，具有焊缝自动跟踪能力的自适应系统自然成为首选目标。在机器人焊接领域，国内外使用的弧焊机器人大多数仍是第一代示教再现式机器人，虽然这种机器人能够完成大量的重复性的工作，具有简单、直观、易于操作和重复定位精度高等优点，但当变更工件的种类时，必须更换工装，这在小批量、多品种的生产中必然

4、会造成成本过高的问题。而且，由于焊接是一种热加工工艺过程，一些尺寸较大、刚性较差（如薄板）的工件在焊接过程中很可能会产生热变形，或者由于大型焊件的焊缝开口一致性不好，可能会导致实际的焊道偏离了预先示教的轨迹，此时，示教再现法就难以保证焊接质量。因此，虽然示教反馈式的传统型机器人己经有所应用，但是在精度要求更高和产品经常变化的场合是不合适的。因此需要研究开发能灵活移动，具有一定智能的焊接机械，以适应不同结构、不同的地点的焊接任务[1]。所以有必要加入自动跟踪装置以增强它们的适应性，发展配带传感器、智能化更加灵活的制造系统的

5、需求非常迫切。1.1.2、改善焊接工人工作条件由于焊接过程产生强烈的热、烟尘和弧光，导致现场工作环境非常恶劣，对工人的体能消耗很大，而且焊接现场的空气污染、电磁污染和强烈的弧光辐射会对工人的健康造成危害。采用自动化、机器人化的焊接系统是将人从手工焊接的恶劣环境中解放出来的根本途径。在发达国家，手工焊接仍占40%左右，而在我国则高达60%以上。未来这一部分由手工操作的焊接工作将由自动化焊接装置来完成。由此可见，自动焊接装置和工业机器人在焊接领域的应用有着非常广阔的前景，进而催生了对焊缝自动跟踪系统的需求。1.1.3、提高生

6、产率手工焊接的效率很低。据统计，工人实际焊接的时间不足其工作时间的30%[4]，而且手工焊接质量受操作者人为因素的影响很大，不能维持产品质量的稳定。毫无疑问，自动焊接系统的生产效率远远高于手工焊接，而采用焊缝自动跟踪系统的自动焊接系统又可大大提高焊接生产效率。这是因为与示教型和程序控制焊接系统相比，它省去了繁重的示教工作或事先的编程工作，也降低了对工件加工精度和装配精度的要求，从而降低了焊接准备时间，提高了整个系统的生产效率。特别是对于曲线焊缝，示教型焊接机器人为了保证示教轨迹的精度，示教的点数要求较多，为此需要较长时间

7、的示教操作，这是一件很繁琐的工作，对于小批量生产更为不利1.2国内外研究的动态1.2.1焊缝传感技术焊接生产时自动焊接装置或机器人焊接系统对焊缝的自动、实时跟踪已成为自动化焊接和智能化焊接的重要内容。图1-1是日本焊接协会分别于1981年和1990年进行的有关焊接传感器用途的调查统计，这些统计结果从一个侧面反映了焊缝跟踪在焊接生产过程中占有非常重要的地位。第2页共33页石油管道焊接成形光学式跟踪系统的设计图1-1焊接传感器用途的调查统计焊缝自动跟踪系统研究中首要解决的问题是焊缝位置的实时传感，而这种位置信息的获得很大程度

8、上取决于传感方式。因此，传感器是决定整个系统跟踪精度的首要因素。最近十年来，焊缝跟踪技术的研究、应用得到了飞速的发展，尤其是焊缝传感技术己从简单的机械接触、电磁感应转变为信息量更大、精确度更高的电弧传感、光电（视觉）传感等方式，同时计算机信息处理也成为必不可少的辅助手段。焊缝跟踪的传感器的分类如图1-2所示。按其作原