自动焊焊缝追踪精度提升方法论述

刘旭 王迪 滕海柱 岳彩月 罗添元 赵智堂

中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130000

摘要：焊接自动化具有提高生产效率，优化产品质量，改善劳动条件等优点而被企业广泛应用。其核心技术就是通过激光焊缝追踪装置对焊接坡口进行追踪，建立闭环反馈系统。在激光追踪装置识别坡口路径时，由于外界环境干扰导致焊接轨迹出现跑偏情况产生。本文针对车间现场实际生产的情况，通过创新方法理论手段对该问题进行原因分析、求解并提出可行性意见，从合理化、经济化、适用性的角度来解决该问题的产生。

关键词：焊接自动化 激光追踪装置 焊接轨迹

随着智能制造浪潮的兴起，老牌制造企业也逐渐开始从原始机械到智能机械进行过渡。焊接自动化是焊接生产的“智能”体现，也是保证焊接质量、提高作业效率的重要手段。焊接自动化主要装置就是利用焊缝追踪系统对焊缝路径进行实施规划，从而完成焊接工作，该系统一般有传感器、控制器和执行机构三大部分组成。根据传感器进行分类可以分为接触式传感器焊缝追踪装置和非接触式传感器焊缝追踪装置。接触式传感器结构简单，成本低，但其灵敏度不高，扫描范围小，与工件接触的接头容易受到磨损。非接触式传感器焊缝追踪装置可分为电磁感应式传感器焊缝追踪装置、视觉传感器焊缝追踪装置、电弧传感器焊缝追踪装置等，它们具有自动化匹配程度高、灵敏度好等特点。

一个优秀的焊缝追踪装置，它应该具有以下特点：传感器灵敏，系统具有实时性；控制器功能强，成本低，能进行多自由度运动控制；执行机构结构简单，轻便运动灵活。

一、激光焊缝跟踪原理

激光焊缝跟踪研究开始于20世界80年代初。1985年保加利亚的D.Lakov提出了用模糊模型来描述弧焊过程的不确定性，同时利用激光传感器用模糊控制推理对示教机器人的运动进行预测和控制，进而实现焊缝追踪。1989年日本的S.Mursaami利用电弧传感弧焊机器人焊缝跟踪的模糊控制，该控制系统根据焊枪的振幅位置同焊丝与工件的距离关系判断焊点的水平和垂直位移，并在强烈的弧光、高温、烟尘的条件下，利用模糊滤波器和模糊控制器来设计焊缝跟踪控制系统，取得了较好效果。从此自动焊焊缝追踪装置逐渐应用至工业生产当中。

激光焊缝跟踪传感器采用激光三角反射式原理，即激光束被达成一条激光线投射到焊接坡口表面从而产生反射，反射光透过高质量光学习通，被投射到成像矩阵上，经过计算得到传感器到被测表面的距离（Z轴）和沿着激光线的位置信息（X轴）。通过移动激光发射装置，在焊缝坡口处得到较多组三维测量值，进而拟合成一条焊接路径。当然，不同的剖口形式所提供的特征点也有所不同，进而来确定剖口焊接形式。以Y型坡口焊缝为例，其剖口形式及激光跟踪点如图1所示。

图1 V型剖口焊缝激光跟踪点

Y型剖口焊缝主要通过识别特征点来判断剖口的相关位置。通过采集剖口面A点、C点及连线中点B，钝边中点D和剖口根部E，从而计算出相应的施焊位置。

二、MIG双丝龙门自动焊装置

MIG双丝龙门自动焊机由于焊接自动化程度高、焊缝成型质量高等优势在轨道客车制造行业中具有非常广泛的应用。中车长客股份有限公司在数年前开始引进IGM设备，利用自动焊设备缩短生产周期，降低工人劳动强度。龙门装置可通过地面轨道在型材长度方向上进行前后移动，机械臂可通过龙门装置轨道在型材宽度方向进行左右移动，利用操作装置即可定位焊枪位置及激光追踪装置。激光追踪装置可探测反馈光信号追踪焊接坡口路径，设备通过计算检测焊缝与焊枪的偏差，由机械手实时纠正偏差，精确引导焊枪自动焊接，进而完成型材间的焊接工作。该设备目前主要应用在高铁和城铁的地板、中顶板和车顶的自动焊工作中。其现场设备图如图2所示。

图2 MIG双丝龙门自动焊机

1-轨道 2-龙门装置 3-机械臂 4-焊缝跟踪传感器

5-焊机 6-保护气系统 7-送丝机构

现阶段，由于人员、现场与自动化匹配程度较低，即车间环境及人员配置与设备不匹配等多种原因，焊接过程中经常出现焊缝偏离正确位置。出现此类情况不仅需要浪费人力、工时进行返修，如果操作者返修不到位或出现多次返修情况，极易出现质量问题或产品报废。

通过对现场焊接跑偏案例的相关调研，发现焊缝跑偏问题极易出现在以下几种情况下：

（1）坡口内段焊点会影响激光反馈信号的方向性。

长大型材在焊接前需要增加段焊来控制型材变形，而激光追踪装置在段焊点处极易出现偏离正确坡口轨迹的问题。现场焊接过程中跑偏问题多出现在段焊点位置。虽然操作过程中需要将段焊点位置进行抛沟处理，但人工抛沟形状的不确定性可能会导致传感器接收到错误的信号。

（2）焊接过程中焊渣飞溅、烟尘会影响激光反馈信号的稳定性。

焊接过程中产生的焊渣飞溅及烟尘是必须存在的，但这些也是制约光信号稳定性的主要因素。所以要消除这些因素的影响，只能通过提升传感器的抗干扰能力，才能从根本上提升焊缝追踪精度。

（3）外界光照、焊接弧光会影响激光反馈信号的强度。

车间生产是三班制作业，外界光照环境随着时间变化而变化。当车间实际的焊接过程中光照越强时，对激光追踪系统精度的影响越大。另外，在焊接过程中会伴随气体导电产生的弧光，同样会对激光追踪精度产生较大程度的影响。

3. 总结

先进制造技术的不断发展，自动化、智能化的焊缝跟踪装置将会取代人工焊接，适用于多种不同形式焊缝和不同复杂环境焊缝。目前国内在长直缝及环缝焊接的焊缝追踪技术与国外相差不大，但其他形式的焊缝自动化焊接质量仍然有差距。提升自动焊设备水平，根本上还是要从自动追踪系统的抗干扰能力及算法上不断优化，如进行响应时间调整控制，有效识别和过滤无效障碍；提升内置视觉传感器拍摄及检测速度，实时监控焊缝焊接水平；增加防尘设计及耐高温性，有效过滤焊接烟尘等干扰；算法中不断优化纠错程序，实现焊枪的精确引导。

参考文献

[1] 杨永波.采用龙门自动焊机焊接铝合金车体部件[J].机械制造文摘，2010(4):39-40

[2] 吕金波.工程机械焊接技术发展趋势[J].金属加工:热加工，2013(20):27-29