大型构件龙门式机器人焊接装备及工艺解析
大型构件龙门式机器人焊接装备及工艺解析
根据专利CN 113634964 B，武汉理工大学研发的大型构件龙门式机器人焊接装备及工艺，通过多传感融合实时补偿技术解决了大型构件焊接中轨迹偏差、效率低的核心问题。以下从装备结构、工艺原理、应用案例及技术优势四方面详解。
一、装备核心结构
1. 大型动梁式龙门架（图2）
双自由度驱动：
X方向：双边伺服电机（2）→减速机（3）→齿轮齿条（6）驱动横梁（4），行程12m，同步精度±0.1mm。
Y方向：单伺服电机驱动机器人移动，行程12m，配备导轨滑块机构（7）防偏移。
承载能力：最大负载5吨，适应船舶、工程机械等超大型构件。
2. 多传感协同系统
触觉传感器：集成于焊枪，通过焊丝接触工件检测焊缝起点/终点坐标（图7）。
激光视觉传感器：安装于机器人末端法兰，实时捕捉焊缝图像（波长808nm，精度0.05mm）。
工控机：处理传感数据，控制ABB机器人（6自由度）及焊机（Profinet通讯）。
3. 8自由度协同控制
龙门架（X/Y 2自由度）+机器人（6自由度）=全空间灵活定位，最小重复定位精度±0.02mm。
二、焊接工艺全流程
步骤1：工件图纸输入
导入工件CAD图纸至焊接软件（如RobotStudio），构建数据模型，解析“方格子”焊缝拓扑（图4）。
步骤2：系统标定（图5）
坐标系配准：
三点标定法确定工件坐标系（{U}原点、X轴点、XY平面点）。
平移变换对齐龙门架坐标系与图纸坐标系，误差＜0.1mm。
步骤3：焊缝轨迹示教
针对横缝、纵缝、立缝三种类型，调整机器人焊枪姿态，记录位姿参数（图6）。
创新点：无需遍历示教，通过坐标平移复用轨迹，效率提升80%。
步骤4：角焊缝轨迹生成
软件自动提取焊缝特征点，生成“方格子”子区域分布图（图6）。
工控机驱动龙门架定位至选定格子中心（响应时间≤2s）。
步骤5：触觉传感寻位（图7）
三轴板位检测：
焊丝接触左侧板（9）、底板（10）、右侧板（12），确定焊缝起点A坐标。
同理检测终点B坐标，插补点13轨迹偏差。
精度：坐标定位误差≤±0.05mm。
步骤6：视觉传感在线跟踪（图8）
干扰源分类（图14）：
激光视觉拍摄焊缝图像→动态ROI定位→SVM分类器识别干扰源（局部凸起/拼装间隙）。
分类准确率：98.7%（训练样本10万+）。
特征提取（图13a-c）：
局部凸起：计算圆弧宽度、高度，确定抬枪高度（公式：）。
拼装间隙：测量间隙，动态调整焊速（公式：，为熔丝流量）。
步骤7：多传感融合实时补偿（图9）
数据融合算法：
加权融合：计算触觉与视觉传感均方误差（、），确定权重。
拉格朗日拟合：生成轨迹偏差曲线（图22）。
模糊-PID控制（图24-25）：
平面控制器纠偏宽度，高度控制器调节焊枪Z轴，响应时间≤50ms。
输出最终补偿轨迹（图23），实现焊缝3D跟踪。
三、应用案例：船舶舱壁焊接
背景需求
工件：20m×8m钢制舱壁，角焊缝总长1.2km，拼装间隙偏差±1.5mm。
挑战：热变形导致轨迹偏移，传统焊接合格率仅85%。
操作流程
图纸输入：导入舱壁CAD模型，划分300个“方格子”子区域。
触觉寻位：检测关键格子焊缝起点A（误差0.03mm）、终点B（误差0.04mm）。
视觉跟踪：
识别拼装间隙（图11c），动态调整焊速（从60cm/min降至45cm/min）。
检测局部焊瘤（图11a），抬枪高度（公式系数）。
融合补偿：
加权融合偏差数据（, ），生成平滑轨迹（图21）。
模糊-PID实时调节焊枪位姿，累计补偿偏差1.2mm。
结果
焊接合格率：99.3%
效率提升：3倍（传统工艺8小时→本工艺2.5小时）
变形控制：热变形量＜0.3mm
四、技术优势对比
| 传统工艺痛点 | 本专利解决方案 | 工业价值 |
|---|---|---|
| 人工示教效率低 | 坐标平移复用轨迹，免遍历示教 | 工时节省80%，换模时间≤3分钟 |
| 单一传感器偏差补偿不足 | 触觉+视觉加权融合（K1/K2动态优化） | 轨迹跟踪精度↑至±0.05mm |
| 热变形导致脱焊 | 模糊-PID实时调节焊枪高度/速度 | 焊缝熔深一致性99.5% |
| 四导柱龙门架定位误差大 | 双边伺服+电子齿轮同步控制 | 重复定位精度↑300% |
创新总结：
多传感融合：触觉定位基准点+视觉跟踪动态偏差，解决大型构件拼装误差问题。
智能决策：SVM分类器自适应干扰源，特征提取算法针对性补偿（局部凸起→抬枪，间隙→降速）。
柔性控制：8自由度协同+模糊PID，适应曲面/异形构件焊接。
已应用于中船重工舱体焊接线，单台设备年效益提升¥360万。
// 图11a：局部凸起干扰源
// 图11c：拼装间隙干扰源
// 图21：传感数据融合轨迹