基于焊槍姿態(tài)與熔池局部流態(tài)測量的焊工行為研究.pdf

1、近年來，隨著深海資源開發(fā)中管道的全位置焊接、核工業(yè)設備中密閉空間內構件的焊接以及空間站真空、失重條件下等極限環(huán)境中焊接的加速發(fā)展，一方面這些極限環(huán)境中對焊接質量要求高，另一方面在極限環(huán)境焊接過程中危險系數(shù)極高，焊工難以在現(xiàn)場手工操作。而就目前而言對于人工智能、焊接環(huán)境的識別、問題規(guī)劃的研究不夠透徹，還不能使機器人在陌生環(huán)境中脫離焊工而自主進行焊接作業(yè)。因此急切需要新一代智能化控制焊接機器人代替焊工在危險環(huán)境中進行焊接操作。在焊接過程中熔

2、池液態(tài)金屬表面承載著眾多能夠反映焊接質量、焊縫成形的特征參數(shù)信息，如熔透狀態(tài)，熔寬比等。要想焊接機器人像優(yōu)秀的焊工一樣對熔池進行穩(wěn)定控制，我們需要解析焊接過程中的焊工行為，使焊工行為移植于焊接機器人。因此測量熔池表面特征參數(shù)對于研究熔池表面物理信息動態(tài)變化行為，提高焊接質量，對智能化焊接機器人發(fā)展具有十分重要的理論意義和工程應用前景。
　　本研究主要內容包括：⑴根據(jù)激光視覺法測量原理，設計了焊槍、激光器、成像屏以及焊槍姿態(tài)傳感器夾

3、具，建立了激光視覺與焊槍姿態(tài)傳感試驗系統(tǒng)，搭建了用于測量熔池表面特征參數(shù)信息的實驗平臺，實現(xiàn)了對熔池表面動態(tài)變化特征參數(shù)信息的測量。⑵通過采集到的GTAW熔池自由表面反射的激光條紋圖像，采用所設計的算法對成像屏上激光條紋亮度進行了求解，通過對比分析焊接速度、焊接電流、電弧弧長、焊槍姿態(tài)調整下的熔池表面反射激光條紋在成像屏上聚集程度的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，焊接規(guī)范單一調節(jié)時，焊接過程中熔池穩(wěn)定性差，焊縫成形也比較差，反射激光條紋亮度變化大。對比于

4、焊工對焊槍姿態(tài)的調整，焊槍姿態(tài)調整容易使熔池達到穩(wěn)定狀態(tài)，而且焊縫成形好，焊接過程中成像屏上激光條紋亮度變化小。實驗結果表明獲得良好焊縫成形更需要較高的焊接技能和更豐富的焊接經(jīng)驗。⑶為了說明焊接過程中隨著焊縫熔透狀態(tài)的變化，投射于熔池表面的激光條紋經(jīng)熔池表面反射后在成像屏上聚集狀態(tài)的不同，對焊接電流和電弧弧長變化對熔透的作用進行了仿真計算，仿真計算結果表明，所建立的數(shù)學模形能夠反映焊接電流和電弧弧長對熔透狀態(tài)的作用過程，而且隨著熔透程度

5、越來越大，熔池表面塌陷，這時熔池表面不再是一個半球面，激光條紋反射過程條紋在凹陷的熔池表面多次反射而使成像屏上的條紋聚集，而且仿真計算結果表明了焊接電流對熔透狀態(tài)的作用更加顯著。⑷通過GTAW工藝試驗，采用所設計的算法計算了熔池表面反射激光條紋的曲率半徑，研究了在焊工焊接過程中熔池表面動態(tài)變化以及熔池液態(tài)金屬局部流態(tài)變化。結果表明，在熔池中心，激光條紋曲率半徑變化率最大，遠離熔池中心，激光條紋曲率半徑變化率越來越小。從激光條紋曲率半徑變