关键字：货车油箱；焊接机器人；激光传感；工作站

Based on visual tracking of truck tank welding robot workstation design

                              Wang Pengjie¹       Zheng Weigang²

（1 School of energy and power engineering, Wuhan University of Technology，Wuhan Hubei,430063,China。2 Engineering Training Center Wuhan University of Technology，Wuhan Hubei，430063，China)

Abstract: According to the welding characteristics of tank truck and the welding characteristics of Fronius welding robot, we design a new type of fuel tank welding robot workstation in the method of MIG welding, focusing on welding robot workstation structure to design a new type, double location with double welding robot welding structure, and configure the most advanced laser welding seam tracking system, greatly improving the production efficiency. Welding workstation technology experimental research show that the quality of aluminum alloy fuel tank which is producted by double welding robot double position welding robot workstation can meet the requirements. And the yield strength, tensile strength, hardness and elongation rate of the weld seam in the mechanical test is in line with the requirements . So it has a certain market application prospect.

Key words: Tank truck; The welding robot; The laser sensor; The workstation

0 前言

    重型货车的油箱一般采用铝合金制成，油箱的截面为带圆角的方形，箱体部件为两个端盖和筒体，分别冲压和焊接成形，主要焊缝包括直缝和两端的环缝。建造焊接机器人工作站，进行自动化焊接生产，可以大幅提高焊接质量和生产效率^[1]-[3]。由于铝合金材料的厚度，表面氧化膜和电弧特性，采用传统的接触寻位和电弧跟踪容易出现焊偏，烧穿及撞枪等问题，造成产品的报废，因此，需采用目前最先进和最具发展前景的激光焊缝跟踪技术。

1基于视觉传感器的焊接机器人工作站整体设计

铝合金油箱机器人焊接系统由两台Fronius焊接机器人、头尾式焊接变位机、MIG双脉冲焊接电源、激光跟踪系统、机器人控制柜等组成，如图1所示，为提高效率，系统采用双机器人双工位结构，焊缝激光跟踪技术实现了机器人自动焊缝寻位，激光束扫描焊缝位置，随焊缝变化调整焊枪位置及高度，取代了人工对焊枪的调整，真正实现无人值守自动焊接，Touch Sensor通过触头确定工件位置，系统从而计算出焊缝的位置，实现了对油箱加油口、放油口等装配误差较大的工件的自动焊接。

                      图1 油箱焊接机器人工作站整体模拟图

                Figure 1  tank welding robot workstation simulation figure as a whole

2工作站关键组成部分设计

 2.1  双Fronius焊机

    为尽可能提高生产效率，系统采用双Fronius机器人同时焊接两端环缝的方案，旋转变位机旋转一周，两条环缝同步进行焊接，整个工作站设置两个工位，一个工位进行焊接时，另一个工位用于装卸工件，两个机器人侧挂方式安装在带有1轴导轨的固定龙门架上，可以左右移动在两个工位上焊接。

Fronius焊机大部份功能由软件控制，减少了40％的电子元件数量，外置送丝机重量为15Kg，移动方便，同加长中间连线配合，可焊接30米范围内的工件。焊机逆变频率高达100KHz远高于同类逆变焊机，输出规范平稳，电弧稳定，并且其可以调节电弧推力大小，进行全方位的焊接工作，焊机内存80组焊接专家系统，实现一元化调节，焊接时只需输入工件板厚极大地降低工人素质要求，也方便了工人操作。Fronius焊机如图2所示。



                        图2 Fronius焊机

                                   Figure 2  Fronius welder

2.2双头尾架式旋转变位机

变位机采用头尾架式的旋转变位机，工作台采用电动回转，可调四爪卡盘与工作台连成一整体，支撑托架与主机相互独立，可作水平位移的手动调节，尾架可以左右移动，适应长短不同的油箱焊接需求，只要调节夹具与尾架位置，即可满足不同型号尺寸的油箱焊接，旋转变位机的作用，一是使得机器人带着焊枪可以方便地一次焊完一周的焊缝，二是保证焊枪能够在任何时刻都保持最佳的平焊位置。同样，系统配置两台变位机，用在两个工位，一个在焊接时变位旋转，另一个同时进行工件装卸。头尾架式旋转变位机如图3所示。

图3头尾架式旋转变位机

                 Figure 3  Head to tail frame rotation displacement machine

3 工作站关键技术及其系统设计

 3.1激光焊缝跟踪技术原理

   激光焊缝跟踪技术是油箱焊接工作站的关键技术，如图4所示，激光焊缝跟踪系统的基本原理是通过测量反射光束与CCD主光轴的夹角，结合CCD与扫描镜面的距离、已知的透射光束与扫描镜面的夹角等数据，得到每一束激光在工件表面投射点与CCD镜面的距离，激光经反射后投到焊缝表面，再经反射后被CCD摄像头接受，从而得到焊缝端面剖面图^[4][5]。

  图4 激光传感器结构示意图                     图5 Power-Trac激光焊缝跟踪系统

 Figure 4 laser sensor structure diagram          Figure 5 Power - Trac laser welding seam tracking system

3.2激光焊缝跟踪系统设计

   由于油箱的铝合金材料表面非常光亮，具有很强的反光特性，一般的电弧传感器在电弧环境下难以实现对光亮铝合金接头的精确测量^[6]，焊接时必须实现对变位机的转动和机器人焊枪轨迹的精确控制，保证焊接位置为平焊位置，保障焊接质量，此外，四个拐角位置的焊缝曲率半径较小，激光传感器需要有较大的市场范围和足够的前视距离以保证拐角位置的准确测量与跟踪^[7]，因此，采用SERVO-ROBOT公司最新型的Power-Trac激光焊缝跟踪系统如图5所示，其具有强大的焊接中焊缝搜索定位、焊缝跟踪和自适应控制能力，能够在光亮的铝合金表面获得清晰的激光条纹图像。

 4焊接工作站工艺实验探究

   为探究焊接工作站的工艺优良性，笔者在工厂进行了焊接实地探究，如图6所示， 启动焊接后，两台机器人同时从初始位置接近焊缝，用激光传感器搜索焊缝，找到焊缝后，将焊枪移动到焊接起始位置，启动焊缝跟踪，起弧同时驱动变位机带动工件旋转，焊接一周后，激光视觉系统检测到起弧点，自动重叠焊接一段距离后熄弧，然后到另一工位重复此过程。

                           图6 油箱焊接实物图

Figure 6 tank welding material object graph

   焊接工作站的工艺参数如表1所示，油箱常用材料为5052-H112,其力学性能如表2所示。

表1 焊接工艺参数

Tab.1 welding parameter

   焊接后焊缝力学性能如表3所示，通过对比5052-H112的力学性能参数可知，焊接工作站焊接完成的试件强度合格，硬度合格，延伸率≥12%，合格。

                         表2 5052-H112力学性能参数

Tab.2 mechanical properties parameters of 5052-H112

表3 焊缝力学性能试验参数

Tab.3 mechanical properties experimental parameters of butt welded

5结语

   文中对铝合金油箱焊接工作站进行了新型设计并对其焊件进行了探究，利用双Fronius焊机的工作站，采用可移动的头尾架式旋转变位机，能够实现各种不同尺寸的油箱焊接工作，先进的激光焊缝跟踪系统保证了焊接质量，降低了工人的工作强度，提高了焊接效率，具有一定的市场推广价值。

 参考文献

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[3] 杜杰伟，虞然，郑卫刚 桁架结构焊接机器人工作站设计与研究[J]. 热加工工艺，2014（15）：202-204

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[5] 王鹏洁，郑卫刚，有轨道全位置智能焊接机器人的研究及应用[J].起重运输机械，2015（4）：20-22

[6] 何天刚，吴南君，张龙华，带激光跟踪的焊接机器人系统在铝合金油箱焊接中的应用[J]. 电焊机，2009（04）：71-75

[7] 张宇，基于CCD视觉传感的焊缝跟踪技术的研究[D],硕士论文，上海交通大学，2007.