基于焊枪姿态与熔池局部流态测量的焊工行为研究

摘要

近年来，随着深海资源开发中管道的全位置焊接、核工业设备中密闭空间内构件的焊接以及空间站真空、失重条件下等极限环境中焊接的加速发展，一方面这些极限环境中对焊接质量要求高，另一方面在极限环境焊接过程中危险系数极高，焊工难以在现场手工操作。而就目前而言对于人工智能、焊接环境的识别、问题规划的研究不够透彻，还不能使机器人在陌生环境中脱离焊工而自主进行焊接作业。因此急切需要新一代智能化控制焊接机器人代替焊工在危险环境中进行焊接操作。在焊接过程中熔池液态金属表面承载着众多能够反映焊接质量、焊缝成形的特征参数信息，如熔透状态，熔宽比等。要想焊接机器人像优秀的焊工一样对熔池进行稳定控制，我们需要解析焊接过程中的焊工行为，使焊工行为移植于焊接机器人。因此测量熔池表面特征参数对于研究熔池表面物理信息动态变化行为，提高焊接质量，对智能化焊接机器人发展具有十分重要的理论意义和工程应用前景。　　本研究主要内容包括：⑴根据激光视觉法测量原理，设计了焊枪、激光器、成像屏以及焊枪姿态传感器夹具，建立了激光视觉与焊枪姿态传感试验系统，搭建了用于测量熔池表面特征参数信息的实验平台，实现了对熔池表面动态变化特征参数信息的测量。⑵通过采集到的GTAW熔池自由表面反射的激光条纹图像，采用所设计的算法对成像屏上激光条纹亮度进行了求解，通过对比分析焊接速度、焊接电流、电弧弧长、焊枪姿态调整下的熔池表面反射激光条纹在成像屏上聚集程度的变化规律发现，焊接规范单一调节时，焊接过程中熔池稳定性差，焊缝成形也比较差，反射激光条纹亮度变化大。对比于焊工对焊枪姿态的调整，焊枪姿态调整容易使熔池达到稳定状态，而且焊缝成形好，焊接过程中成像屏上激光条纹亮度变化小。实验结果表明获得良好焊缝成形更需要较高的焊接技能和更丰富的焊接经验。⑶为了说明焊接过程中随着焊缝熔透状态的变化，投射于熔池表面的激光条纹经熔池表面反射后在成像屏上聚集状态的不同，对焊接电流和电弧弧长变化对熔透的作用进行了仿真计算，仿真计算结果表明，所建立的数学模形能够反映焊接电流和电弧弧长对熔透状态的作用过程，而且随着熔透程度越来越大，熔池表面塌陷，这时熔池表面不再是一个半球面，激光条纹反射过程条纹在凹陷的熔池表面多次反射而使成像屏上的条纹聚集，而且仿真计算结果表明了焊接电流对熔透状态的作用更加显著。⑷通过GTAW工艺试验，采用所设计的算法计算了熔池表面反射激光条纹的曲率半径，研究了在焊工焊接过程中熔池表面动态变化以及熔池液态金属局部流态变化。结果表明，在熔池中心，激光条纹曲率半径变化率最大，远离熔池中心，激光条纹曲率半径变化率越来越小。从激光条纹曲率半径变化率趋势可以说明在焊接过程中，熔池中心位置处表面变形大，流动速率大。而且从曲率半径变化率这一特征参数可以反映熔池在XOZ面上的局部流态，靠近熔池中心，其流速较大，沿中心向边缘流速逐渐减小。这一研究将为进一步测量熔池液态金属流态提供一种新的途径，从而将为机器人焊接过程的智能化控制提供一种新方法。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2焊接智能化研究现状

1.3焊工行为研究现状

1.4熔池流态研究现状

1.5本文研究方法及研究内容

第2章 焊枪姿态传感与熔池形态检测实验系统

2.1焊枪姿态传感

2.2熔池表面检测原理

2.3焊枪姿态采集与熔池表面检测实验平台

2.4焊枪姿态传感系统

2.5熔池局部流态检测系统

2.6运动控制系统及焊接电源

2.7焊枪姿态信号与熔池测量结果

2.8本章小结

第3章 熔池局部流态的测量与分析

3.1熔池局部流态检测原理

3.2熔池局部流态测量

3.3熔池局部流态测量程序设计

3.4熔池局部流态的测量结果

3.5熔池局部流态测量算法的可行性分析

3.6熔池局部流态检测结果误差分析

3.7本章小结

第4章 基于熔池形态和流态的焊工响应分析

4.1不同焊接参数下焊工响应及实时调整过程分析

4.2不同焊接参数下GTAW熔透状态仿真

4.3焊枪姿态与熔池局部流态测量结果分析

4.4本章小结

结论

工作展望

参考文献

致谢

附录A攻读学位期间所发表的学术论文