基于磁控旋转电弧堆焊的曲面重建与自动化控制

发布时间：2020-03-25 11:06

【摘要】：堆焊应用于零件表面的修复以及工件表面的防锈、增强硬度和耐磨性等已经有半个世纪的历史,但是目前主要还停留于手工焊接和半自动化焊接的阶段。尽管各大经济体已经进入工业化时代、甚至后工业化时代,但是对于堆焊自动化、智能化和柔性化的实现还有很长的路要走。纠其原因,主要在于焊接是个复杂多变的过程,许多工件需要精确的夹具,相对于用机器人实现焊接人工焊接成本更加低廉。因此,有必要对如何提高焊接自动化程度又能减少生产成本的堆焊焊接方法进行深入研究。本文根据前人对自动化焊接的研究成果,结合实际堆焊时遇到的困难,提出一种基于磁控旋转电弧堆焊的曲面重建与LabVIEW自动化控制的方法,用于实现堆焊焊道的自动排布与焊接过程对焊缝偏差的实时识别及焊枪位姿的自动调整。具体研究内容如下:(1)首先设计了一种机械式旋转电弧传感器应用于焊接,试验表明机械式传感器不仅造价昂贵,焊接效果与期待的相差太远。因此提出了采用磁控式旋转电弧传感器,并对磁极间磁场分布做了COMSOL仿真分析,根据堆焊的特点设计了一种简单实用的磁控旋转电弧传感器。(2)通过分析LabVIEW作为上位机与实现CO_2气保焊自动焊接的特点,分别利用LabVIEW与信号采集卡和运动控制卡,设计了用于霍尔信号的采集程序和用于焊接过程的自动控制程序,实现了霍尔信号的实时采集和对电机等硬件的准确控制。(3)通过对磁控旋转电弧焊接时其焊抢位姿变化及所在焊缝位姿变化进行分析,建立了电弧采样点云坐标关系的数学模型,通过提取特征点、拟合特征线的方法来识别焊缝偏差,最后与Loop三角细分算法结合,提出了一种基于磁控旋转电弧采样点的加权渐进插值Loop细分算法进行曲面重建,以实现焊缝偏差识别与焊枪姿态调整。(4)通过自建试验平台,将LabVIEW与焊接自动化结合并根据自由曲面重建算法在搭建的堆焊试验平台上进行实际验证,结果表明上述方法可行,准确识别了焊缝焊道偏差,精确调整了焊枪姿态,实现了堆焊的自动化焊接。
【图文】：

空间形状,轮船,自由曲面,螺旋桨

焊接作为一种特殊的连接技术，在当代科技快速发展下也在与时俱进，比如利用激光进行熔焊以及依靠激光的稳定性作为焊接机器的视觉，把数控机床与焊接传感器想连接，，另外把信息处理技术、运动控制技术等融入焊接智能化中。这些前沿的高新技术为焊接创造附加价值的同时也对焊接提出了更高的要求[1]，高效化、智能化、柔性化和信息化是今后焊接发展的主流方向。随着我国制造业的质量和占世界制造业的比重进一步的提升，我国在 2019 年以前，在核电、船舶、重型机械设备、石油化工等行业对焊接都有迫切的需求。这代表着我国工业对焊接结构的需求将大幅度增加，而对其所涉及的制造技术也会提出更高的要求。自动化焊接技术将会在其扮演越来越重要的角色。在焊接过程中，会遇到许多焊缝是不规则，或者是任意形状的。如飞机的表面，火车的弯凹处，螺旋桨叶片等等，这些可以统称为自由曲面。自由曲面是工程中复杂而又不可或缺的，由于其丰富的表现力，独有的力学性能及特有的功能用途，在航空、水力发电、机械制造等领域有广阔的应用。但是，其复杂的空间形状难以实现自动化修复，同时其表面一般深凹，所以需采用堆焊对曲面进行多层修复，另一方面，因为自由曲面无法用解析函数精确表达，让焊缝跟踪的实现变得更加困难。

空间形状,压路机,滚筒

焊接作为一种特殊的连接技术，在当代科技快速发展下也在与时俱进，比如利用激光进行熔焊以及依靠激光的稳定性作为焊接机器的视觉，把数控机床与焊接传感器想连接，另外把信息处理技术、运动控制技术等融入焊接智能化中。这些前沿的高新技术为焊接创造附加价值的同时也对焊接提出了更高的要求[1]，高效化、智能化、柔性化和信息化是今后焊接发展的主流方向。随着我国制造业的质量和占世界制造业的比重进一步的提升，我国在 2019 年以前，在核电、船舶、重型机械设备、石油化工等行业对焊接都有迫切的需求。这代表着我国工业对焊接结构的需求将大幅度增加，而对其所涉及的制造技术也会提出更高的要求。自动化焊接技术将会在其扮演越来越重要的角色。在焊接过程中，会遇到许多焊缝是不规则，或者是任意形状的。如飞机的表面，火车的弯凹处，螺旋桨叶片等等，这些可以统称为自由曲面。自由曲面是工程中复杂而又不可或缺的，由于其丰富的表现力，独有的力学性能及特有的功能用途，在航空、水力发电、机械制造等领域有广阔的应用。但是，其复杂的空间形状难以实现自动化修复，同时其表面一般深凹，所以需采用堆焊对曲面进行多层修复，另一方面，因为自由曲面无法用解析函数精确表达，让焊缝跟踪的实现变得更加困难。
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP273;TG455

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