[01155154]视觉辅助机器人变位机多工位焊接关键技术研发与应用

1、课题来源及背景 我国虽然是世界上的焊接大国,但并不是焊接强国,焊接工业的自动化、智能化方面和发达国家相比差距还很大。汽车制造业是广西区的支柱产业,在我区的汽车制造及零部件加工产业中,大多数零部件都是焊接件,研究如何提高焊接件的焊接质量是非常有实际意义的。基于此,2011年,桂财教〔2011〕 107号文件下达了广西科学研究与技术开发计划项目“视觉辅助机器人变位机多工位焊接关键技术研发与应用”,广西壮族自治区科学技术厅与桂林航天工业学院、万向钱潮（桂林）汽车底盘有限公司及广西壮族自治区教育厅,根据有关法律、法规及广西科学科学研究与技术开发计划项目管理和科技经费管理的有关规定,订立了合同,合同编号：桂科攻11107022-17。 2、技术原理及性能指标 通过运用空间机构学、运动学、机器视觉等理论技术,分析研究空间焊缝焊接过程中弧焊机器人、变位机之间的关系描述,解决焊接过程中机器人和变位机系统的自由度解耦和运动分解,实现机器人变位机协调工作。将机器视觉与机器人变位机工作站融为一体,运用实时熔池跟踪系统对短路焊接熔池进行实时跟踪显示,获得焊缝外观平滑、美观的焊件,保证焊接质量和外观质量的要求。 性能指标： （1）工作对象尺寸：1500mm×1500mm×1000mm （2）重复位置精度：±0.1mm （3）焊接电流：30 - 350（A） （4）焊接速度：1 -24975px/min 。 3、技术的创造性与先进性 （1）运用空间机构学理论建立机器人和变位机协调运动模型,解决冗余自由度的速度协调问题,使得机器人变位机工作站的焊接质量得到有效的保证。 （2）运用机器视觉对CO2短路焊接熔池进行实时跟踪显示,使得视觉跟踪系统与机器人变位机工作站融为一体,保证焊接质量和外观质量的要求,提高了焊接的质量水平和智能化水平。 （3）在分析了短路过渡发生的随机性与普通CCD摄像机固定曝光时序之间矛盾基础上,设计了解决这一矛盾的视觉系统硬件检测控制电路——“电弧焊接监控系统高速相机电流触发控制电路”,成功获得短路过渡熔池图像。该控制电路已于2014年7月获得国家发明专利,专利号ZL 201210066203.1。运用机器人学的微分运动理论通过对前后两个时刻采集到的图像进行“相与”运算以获取熔池的公共区域从而进一步去除飞溅和弧光干扰,通过阈值分割将熔池与背景分离,快速、准确地获得清晰的熔池实时图像。 （4）CO2短路焊接熔池跟踪系统的研究。使用机器视觉建立视觉传感系统, 系统采用被动式的成像光源,利用熔池自身辐射光和反射的弧光作为光源,根据CO2短路焊接的电流规律设计触发器控制CCD相机在短路过渡的阶段曝光,从而 获取飞溅和噪声干扰小的熔池图像,并将前后两个时刻的图像相与从而进一步剔除飞溅和弧光干扰。利用VC++开发了CO2短路焊接熔池跟踪系统,能够实时显示清晰的熔池图像,并保存和显示相关的图像及视频信息。 根据桂林国际联机情报检索服务中心出具的科技查新报告（报告编号：201345081）,国内外已见有焊接机器人与变位机协调运动研究的文献报道,但未见有运用机器视觉对CO2短路焊接熔池进行实时跟踪显示,使得视觉跟踪系统与机器人变位机工作站融为一体的文献报道;未见有CO2短路焊接熔池跟踪系统研究的文献报道;未见有综合上述技术的机器人变位机多工位焊接工作站开发关键共性技术研究与示范的文献报道。 4、技术的成熟程度,适用范围和安全性 本项目进行了视觉辅助机器人变位机多工位焊接关键技术的研发与应用,运用空间机构学理论建立机器人和变位机协调运动模型,设计了视觉系统硬件检测控制电路,使用机器视觉建立视觉传感系统,利用VC++开发了CO2短路焊接熔池跟踪系统,运用机器视觉对CO2短路焊接熔池进行实时跟踪显示,使得视觉跟踪系统与机器人变位机工作站融为一体,保证焊接质量和外观质量的要求;并建立了示范基地,并对研究成果进行了验证和应用。从验证和应用情况来看,技术稳定成熟,取得了良好的经济效益。 焊接工艺在国内外的制造业中被广泛使用,例如：汽车制造和汽车零部件的加工、真空器件的研制、集成电路及半导体器件的封装、轧钢卷材的连接等等,应用领域极其广阔。本项目的研究主要应用领域集中于汽车制造和汽车零部件加工方面,能够有效提高焊接质量及产品质量。 从目前的应用情况来看,系统性能优良、运行稳定,已经取得了明显的经济效益,安全可靠性高。 5、应用情况及存在的问题 该项目的成果已经应用于万向钱潮（桂林）汽车底盘部件有限公司的汽车部件产品CN100摆臂2012年度的产生过程当中。通过该成果的应用,该汽车部件的生产效率和生产质量得到了大幅提升,在2012年共生产CN100摆臂707398件,获得销售收入3816.6952万元,获取利润243.661万元,上交税金648.8381万元,取得了良好的经济效益。在N300摆臂2012年度生产过程中,部分应用了该项目成果,生产质量从而得到了稳定,销售额取得突破,共生产202660件,获得销售收入429.0312万元,上交税金126.0764万元,摆脱了该部件生产亏损状态,获取利润7.317万元。 下一步将研究焊接过程的远程监控,拓宽应用领域,实现更大的经济效益。