【摘 要】
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管板式换热器、冷凝器、蒸汽发生器等压力容器是实现热交换的主要工业产品,其在石油化工、核电船舶、冶金军工等众多关乎国计民生的行业起到重要作用。由于需要密封、承压和介质流动,压力容器对焊接质量要求很高,然而,国内压力容器的加工制造存在劳动强度大、生产效率低、焊接质量低等问题。尤其的,管板式换热器的管子接头全为环形焊缝,群缝密集、热变形大,机器人焊接面临诸多困难。例如,现有机器人示教方法需逐个遍历群缝,
【基金项目】
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国家自然科学基金青年科学基金项目:光谱传感器和视觉传感器相融合的微细拼缝测量机理研究,编号:51805190; 企业横向课题:基于机器视觉的管板焊接机器人的研制,合作单位:制造装备数字化国家工程研究中心、武汉星光石油化工设备有限公司、湖北长江石化设备有限公司
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管板式换热器、冷凝器、蒸汽发生器等压力容器是实现热交换的主要工业产品,其在石油化工、核电船舶、冶金军工等众多关乎国计民生的行业起到重要作用。由于需要密封、承压和介质流动,压力容器对焊接质量要求很高,然而,国内压力容器的加工制造存在劳动强度大、生产效率低、焊接质量低等问题。尤其的,管板式换热器的管子接头全为环形焊缝,群缝密集、热变形大,机器人焊接面临诸多困难。例如,现有机器人示教方法需逐个遍历群缝,常规模板匹配的视觉寻位方法难以鲁棒定位环缝中心,管板焊接轴向热变形在线检测与补偿方法亟待填补,环缝直流脉冲电弧焊接的弧长控制是一种多变量耦合的复杂动态过程。因此,本文围绕大规模管板环缝机器人焊接的检测寻位与跟踪控制等关键技术开展相关研究,包括以下几个方面:针对机器人“示教-再现”难以适应大规模管板环缝的加工制造,研究人机交互下机器人自主定位方法。分析大规模管板环缝全位置焊接的特点,构建轨道式管板焊接机器人系统;提出一种基于物像几何关系的视觉辅助手眼标定方法,计算焊枪与相机相对位置;研究基于二维特征信息解析的坐标转换方法,建立管板的图纸坐标系和机器人坐标系之间的矩阵关系,实现任意1个管子的图纸坐标均可转换为机器人坐标;结合开发的管板焊接专用软件,实现仅需完成焊接机器人系统标定,避免对群缝遍历示教的目的。考虑常规模板匹配方法对大规模环缝匹配率不稳定的问题,研究基于掩模共生的管板环缝视觉寻位方法。提出一种双峰极值区间的大津二值化算法,将管板环缝的前景图像和背景图像准确分离,并结合连通域最小外接矩形标记算法定位前景图像;建立掩模共生竞争准则,为各个环缝图像自动生成模板,避免固定模板匹配所有对象;提出一种高斯搜索的掩模邻域模板匹配算法,在保留精度的条件下快速完成匹配。结果表明,本文方法匹配速度比NCC（归一化互相关）方法快一倍,鲁棒性更高,为基于位置的环缝中心视觉寻位提供可靠的坐标信息。针对管板焊接轴向热变形致使环缝焊接高度寻位困难的问题,研究激光视觉在线检测与补偿方法。根据十字激光三角测量原理,分析十字激光交点与管板轴向热变形的移动规律;提出一种基于十字激光图像的条纹质心处理算法,计算十字激光交点坐标;结合最小二乘回归分析法,拟合轴向热变形与的十字激光交点坐标映射关系,确定管板焊接轴向热变形在线检测数学模型;提出基于热变形差值的环缝焊接高度寻位方法,确保初始焊接高度的一致;试验研究轴向热变形的静态检测误差、动态检测误差和补偿误差,满足管板焊接的寻位精度要求。考虑多变量耦合作用下环缝全位置焊接弧长波动较大的问题,研究环缝焊接实时弧压模糊控制方法。以双因素双水平方法分析钨极与环缝的相对位置关系,设计弧压模糊控制方法实时调节环缝焊接高度的思路;提出一种基于脉冲方波的实时弧压跟踪算法,实现脉冲峰值阶段计算弧压、脉冲基值阶段调整弧长;建立一种Mamdani型二维三段模糊控制的基本结构,以弧压误差及其变化率作为模糊规则输入,进给步长作为模糊规则输出,控制对象隶属三段不同的弧压区间,实现无需模型信息的鲁棒控制。以管板焊接机器人为试验平台,实现环缝匹配率试验,本文提出的快速匹配方法焊前和焊后匹配率均在0.9以上;完成视觉寻位精度试验,机器人对环缝的寻位偏差在0.21～0.35 mm;验证轴向热变形检测试验,揭示管板轴向热变形迫使管板呈现“内凹”形状的原因,阐明各行环缝的管板呈现“V型抛物线”的原理;开展弧压跟踪试验,揭示弧压曲线存在“偏心”特征的原因,将测试环缝的弧压波动从1.84 V降低到1.15V,避免环缝附着在管壁,抑制焊缝填充不完全等焊接缺陷的产生。本文的相关研究为管板焊接机器人准确检测寻位环缝,调节焊接弧长,为大规模管板环缝的优质焊接发挥重要作用。
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