基于电弧传感的窄坡口管道焊接焊缝跟踪技术研究

摘要

海底管道铺设全位置焊接机器人是深水管道铺设系统中重要的专用铺管设备，其稳定的工作性能及较高的焊接效率是决定铺管效率的第一因素。基于电弧传感的窄坡口管道焊接是实现海底管道铺设焊接自动化的关键技术，管道焊接采用窄坡口形式且属于全位置焊接，陡峭的坡口侧壁、小电流熔滴过渡及全位置焊接工艺参数的变化，增加了电弧传感焊缝跟踪方式的难度。
　　本文在充分调研国内外管道焊接机器人电弧传感技术研究现状的基础上，分析了窄坡口管道焊接电弧传感面临的技术难点，提出了海底管道铺设焊接机器人电弧传感技术的总体研究方案，明确了需要研究的关键技术。主要研究工作如下:
　　(1)以摆动电弧传感为切入点，搭建了一套具备数据采集、偏差计算和偏差调整功能的焊缝跟踪焊接试验系统，研究了焊枪摆动频率对电弧传感信号灵敏度的影响规律;通过研究不同侧壁距离下的溶滴特性，获得了焊丝稳定燃烧的最佳距离值及稳定的焊接电信号;
　　(2)研究了窄坡口电弧传感的机理，建立了不同熔滴过渡下的窄坡口电弧传感数值模型，该模型可实现3种熔滴过渡的转换。在数值模型的基础上加入了焊炬在坡口中的摆动模型，进行了不同摆频和摆宽条件下的焊接电信号波形仿真。
　　(3)针对熔滴过渡对电弧信号的影响，采用coif5小波进行电弧信号的滤波处理，可去除电弧传感信号中的噪声信号，获得了稳定的电弧偏差信号。
　　(4)通过分析熔化极气体保护焊接电弧信号，提出了区间积分偏差提取算法，采用了带死区的PID控制策略，编写了基于LabVIEW焊缝跟踪算法程序，获得了较好的稳定性。
　　以上研究成果为海底管道铺设焊接机器人智能化关键技术的研究奠定了基础，提升了国内海底管道铺设焊接机器人的研究水平。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 国内外管道焊缝跟踪技术研究现状

1．2．1 国外焊缝跟踪技术研究现状

1．2．2 国内焊缝跟踪技术研究现状

1．3 熔化极气体保护焊电弧传感数值模型

1．4 摆动电弧传感的原理

第二章 窄坡口摆动电弧传感数值仿真

2．1 电弧传感系统的简化

2．2 GMAW射流过渡模式模型

2．2．1 GMAW焊接电源数值模型

2．2．2 射流模式电弧数值模型

2．2．3 焊丝融化率数值模型

2．2．4 射流模式下的电流电压数值模型

2．3 GMAW球状过渡模式模型

2．3．1 球状过渡电弧数值模型

2．3．2 球状过渡电流电压数值模型

2．4 GMAW短路过渡数值模型建立

2．4．1 短路过渡电弧模型

2．4．2 短路模式电流电压数值整体模型

2．5 窄坡口熔化极电弧焊模型

2．5．1 窄坡口模型

2．5．2 窄坡口射流过渡模式模型

2．5．3 窄坡口短路过渡模式模型

2．6 仿真实验条件

第三章 窄坡口电弧传感特性试验研究

3．1 窄坡口焊接试验系统

3．1．1 窄坡口焊接试验装置

3．1．2 焊接电源

3．1．3 平台控制系统设计

3．1．4 信号采集系统

3．1．5 全位置变位机

3．1．6 试验材料

3．2 基于CAN-OPEN的试验平台控制程序

3．2．1 运动电机控制程序

3．2．2 摆动焊炬控制程序

3．2．3 电弧传感信号采集程序

3．2．4 起弧程序和断弧程序

3．3 最优摆频焊接试验

3．3．1 试验步骤

3．3．2 最优摆频实验结果

3．4 不同摆宽焊接试验

3．4．1 试验步骤

3．4．2 最优摆宽实验结果

3．5 不同位置焊接试验

3．5．1 试验步骤

3．5．2 试验结果

第四章 窄坡口焊缝跟踪试验

4．1 焊缝跟踪程序开发

4．1．1 数据采集程序

4．1．2 管道全位置焊接左右跟踪算法程序

4．2 焊缝跟踪试验步骤

4．3．焊缝跟踪试验结果

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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