基于焊接经验的焊工与熔池交互行为的研究

摘要

目前，即使是世界上最为先进的焊接机器人也远远达不到一个初级焊工对焊接熔池流态和缺陷的控制能力，熟练焊工通过焊接经验和技能能够很好的解决熔池形貌及流态控制问题，并有效控制焊接缺陷的产生。由于焊接生产劳动条件差、强度大并且焊工的培训成本高、培训周期长，使得近年来合格焊工越来越成为稀缺的人力资源，导致制造业对新一代智能焊接机器人的需求日益迫切。解析熟练焊工的焊接经验和技能无疑对提高焊接机器人的智能化水平，缩短焊工的培训周期，降低焊工培训的成本具有重要的意义。文中采用MPU6050姿态传感器，结合激光视觉传感技术，搭建了以焊枪姿态与熔池形貌特征耦合关系为对象的试验采集系统，并对不同焊工焊接过程中的焊接行为进行了分析，具体如下：
　　1.采用姿态传感原理，结合视觉熔池传感技术，搭建了焊枪姿态与熔池形貌传感试验系统，通过LabVIEW软件开发设计了一套姿态数据采集与处理程序，结合Pro/E软件开发的焊枪模型，实现了焊枪三维姿态的真实再现。
　　2.通过静动加速度试验，验证了姿态传感器测量加速度时运动加速度对重力加速度的影响。通过初步焊接试验分析表明，焊接过程中焊工对焊枪姿态的调整过程中存在的加速度相对于重力加速度可以忽略不计。
　　3.通过机器人标定试验及空间几何关系分析，得到姿态角度测量的精度为0.01°，焊枪姿态传感过程中：焊枪倾斜角β与γ和的均方根误差为C=0.0196°，焊枪倾斜角β与α和的均方根误差为C=0.0317°，焊枪倾斜角α与γ和的均方根误差为C=0.1058°，满足焊接过程中姿态测量的需求。
　　4.通过设计搭建的焊工经验和技能采集试验平台，采集了不同焊工焊接过程中的焊接行为，结果表明，熟练焊工焊接过程中，焊枪姿态调节比较平稳，焊枪突变较少，新手焊工焊接过程中姿态稳定性较差，波动较大。熟练焊工能够捕捉到熔池形貌的变化，并能够通过调节焊枪姿态维持熔池的最佳形貌状态；新手焊工捕捉能力较弱，对焊枪姿态的调整比较单一。通过激光条纹图像的变化，表明熟练焊工焊接时熔池表面稳定，流态稳定平缓，焊缝成型后平整光滑，宽度均匀一致，没有焊接成型缺陷。新手焊工焊接过程中熔池形貌波动较大，流态湍急紊乱，焊缝成型后有塌陷，宽度余高不均等焊接成型缺陷。