基于激光位移传感器的大梁自动焊偏差识别
基于激光位移传感器的大梁自动焊偏差识别
作者:尹力;洪波;李湘文;李毅;
大梁作为一种焊接结构件,广泛应用于集装箱、铁路机车、起重机械等行业,常见为工字梁、H形梁、箱型梁等结构. 由于产品规格各异,大梁种类较多,工件装夹精度不高,并且尺寸较大的主梁一般做成上拱形结构,整个跨度的四条纵向角焊缝呈抛物线形状,焊接过程中必须识别焊缝偏差,并调整焊枪的位置,以获得质量优良的焊缝. 目前,大梁焊接处于半手动半自动焊接状态,因此,进行大梁自动焊偏差识别研究,对实现自动化焊接生产意义重大.激光位移传感器具有非接触、测量速度快、精度高等优点,在测量和控制领域应用广泛,也可用于焊缝检测和焊枪姿态控制. 文中提出一种基于激光测距传感器的大梁自动焊偏差识别方法,利用弧长特征谐波,提出大梁焊缝偏差解算方法,消除了坡口角度、工件偏转等因素的干扰,对坡口间隙和定位焊缝具有良好的抗干扰能力.
1 大梁自动焊
大梁自动焊生产线结构包括焊接小车、十字滑架、激光位移传感器、焊枪等. 焊接小车安装在齿条滑轨上,沿大梁焊缝方向运动,传感器和焊枪安装在十字滑架上,且传感器前置焊枪. 大梁由卡盘夹持固定在变位机上,先对大梁底部的两条纵缝进行焊接,再翻转工件完成另外两条纵缝焊接.
大梁的结构和质量较大,且具有一定跨度,一般采用半自动化的装夹方式,工件装夹精度不高,大梁容易发生偏移和扭转,识别焊缝偏差成为实现大梁自动焊重要前提. 并且大梁下料加工或装配过程中产生的坡口间隙和定位焊缝往往导致焊缝偏差难以识别或识别结果不准确,是一个亟待解决的问题.
2 大梁焊缝偏差识别
2.1 大梁焊缝坡口弧长模型
大梁焊缝坡口以垂直于焊缝方向的平面yOz 为大梁焊缝坡口截面,Oy 坐标轴与水平面呈45°. 大梁偏移导致焊缝坡口截面由yOz 坐标系平移至y′O′z′坐标系,由于装夹或挠度等因素的影响,也可能产生一定角度θ 的扭转.采用线阵激光位移传感器,以传感器测量宽度范围b 内坡口区域位移作为大梁焊缝坡口弧长信号,以z 方向(最右侧)为测量起点,沿宽度方向从右往左扫描至最左侧,当大梁焊缝发生图左偏时,在1 个测量宽度b(对应半个周期T/2)内实际测量的大梁焊缝坡口弧长.
2.2 大梁焊缝偏差解算方法
为了从弧长信号中获取焊缝偏差,在特征谐波检测法基础上,利用各谐波分量之间线性空间关系,提出大梁焊缝偏差解算方法.
2.3 仿真分析
大梁焊缝坡口形态与空间位置决定了激光位移传感器输出信号,即决定了大梁焊缝坡口弧长信号. 为了清楚认识各因素对弧长信号的影响作用,根据前面理论分析, 通过Matlab 仿真分析了α,θ 和Δz/r 对弧长特征谐波幅值a1,a2,a3 和焊缝偏差因子λ 的影响。仿真结果表明,坡口角度α 影响特征谐波an的幅值大小,而不影响an 随Δz/r 变化的趋势. 工件偏转角θ 导致奇次谐波幅值a1 和a3 曲线上下偏移,尤其a1 曲线偏移严重,θ对偶次谐波a2 曲线影响较小且曲线无偏移. 可以看出,传统特征谐波检测法易受到坡口角度和工件偏转等非偏差因素的干扰,造成焊缝偏差检测结果难以确定. 理论分析和仿真结果表明,焊缝偏差因子λ 不受坡口角度和工件偏转干扰,只与偏差Δz/r 保持线性关系,因此,λ 可作为焊缝偏差检测指标.
3 试验结果与分析
为了检验文中所提出大梁自动焊偏差识别方法的焊缝偏差检测性能,采用线阵激光位移传感器对某集装箱大梁纵缝进行不同条件下的焊缝偏差识别试验,分析坡口间隙、定位焊缝、工件的表面状态和电弧距离对焊缝偏差识别影响.
3.1 坡口间隙对偏差识别的影响
大梁在下料加工或装配过程中,由于精度不够,造成腹板和翼板之间存在一定尺寸的间隙d,不同类型产品,坡口间隙容许误差范围也不尽相同,通过试验测量了间隙d=0,1,2,3,4,5 mm 时大梁焊缝坡口弧长h(t),如图6 中细实线所示. 当腹板和翼板之间存在间隙时,弧长h(t) 在腹板间隙处发生突变,间隙尺寸越大,弧长突变幅度也越大.粗虚线为通过焊缝偏差解算方法得到的弧长信号,可以看出,坡口间隙导致解算信号与实测信号产生偏离,间隙越大,偏离越严重. 为了评价坡口间隙对大梁焊缝偏差识别的影响,通过试验研究了不同间隙尺寸下的横向偏差识别误差和纵向偏差识别误差可以看出,当坡口间隙尺寸d≤3 mm时,焊缝偏差识别误差很小,当d>3 mm 时,识别误差有所增加,其中横向误差eΔz 增加较快. 一般大梁焊缝的间隙容许误差范围为5 mm,此时横向误差eΔz 为0.5~0.6 mm,满足大多数产品大梁自动焊的焊接工艺要求.
3.2 定位焊缝对偏差识别的影响
在大梁进行焊接前,需要将腹板和翼板按要求进行装配,然后用定位焊进行固定或定位. 定位焊点或短焊缝的存在,将对大梁焊缝偏差识别产生影响. 通过试验测量了定位焊缝焊脚k =5,6,7,8,9,10 mm 时大梁焊缝坡口弧长h(t),定位焊缝使弧长h(t) 失去了原来的坡口特征,焊脚尺寸k 越大,h(t) 信号畸变越严重. 在图7中,粗虚线为通过焊缝偏差解耦算法得到的弧长信号,可以看出,焊脚k 越大,解算信号与实测信号之间偏离越严重.通过试验研究,焊脚k 对焊缝偏差识别误差的影响可以看出,当焊脚尺寸k≤7 mm,焊缝偏差识别误差较小,当k>7 mm,识别误差逐渐增加,其中纵向误差eΔy 增加较快. 一般大梁定位焊缝的焊脚尺寸都比较小,焊脚k 小于7 mm,焊缝偏差识别误差满足大梁自动焊的焊接工艺要求.
3.3 工件表面状态对偏差识别的影响
大梁的腹板和翼板在装配和焊接前,需要经过除锈和涂装处理. 采用喷射除锈要求达到Sa2 级或Sa2.5 级,采用手工处理一般要求为St2 级,焊前涂装根据需要涂上灰色或铁红色防锈漆. 通过试验分析,不同表面状态对偏差识别的影响可以看出,大梁腹板和翼板表面状态对焊缝偏差识别的影响很小,当工件表面打磨或抛光产生较为明显镜面反射,破坏激光位移传感器输出信号,导致焊缝偏差无法识别.3.4 电弧距离对偏差识别的影响由于电弧光谱涵盖激光位移传感器工作频段,为了降低弧光干扰,在大梁自动焊过程中,需要激光位移传感器前置于焊枪,一般要求在保证偏差识别准确性前提下,适当减少前置距离. 通过试验研究,电弧距离对偏差识别的影响表明,电弧距离太近,导致激光传感器输出信号发生紊乱,无法应用于焊缝偏差识别;增加电弧距离,传感器输出信号紊乱程度降低,焊缝偏差识别率提高;当电弧距离达到150 mm,可以避免电弧弧光的干扰.
4 结 论
(1) 提出了一种基于激光位移传感器的大梁自动焊偏差识别方法,建立了基于激光位移传感器的大梁焊缝坡口弧长模型,提出了大梁焊缝偏差解算方法,仿真结果表明,其偏差识别结果优于传统特征谐波检测法,具有识别精度高,抗干扰能力强的优点.
(2) 对大梁焊缝坡口间隙进行偏差识别试验和对大梁定位焊缝的偏差识别试验.结果表明,提出的偏差识别方法对大梁加工及装配具有良好的容错能力,为大梁自动焊偏差识别提供了一种新的思路.
(3) 工件表面状态的偏差识别试验表明,激光位移传感器适用于大多数大梁产品焊缝偏差识别,通过试验得到传感器工作条件,为激光位移传感器在大梁自动焊中的应用提供实践参考.
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