基于视觉管道环焊机器人焊接自动化措施的研究

河北工业大学硕士学位论文基于视觉管道环焊机器人焊接自动化措施的研究姓名：刘松淼申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化指导教师：岳宏20071001基于视觉管道环焊机器人焊接自动化措施的研究摘要随着我国国民经济的迅速发展和社会技术的进步，石油和天然气的需求量日趋增长，全力建设油、气输送的基础设施已迫在眉睫，提高长输管道焊接技术的水平受到各领域研究人员的极大关注。但是，长期以来管道焊接的自动化水平一直很低。其中采用的设备大部分都是进口设备，国内急需建设配套的长距离、大口径、高压、高耐蚀性、厚壁的天然气管道，天然气输送管网，水电站的压力管道和隧道工程所需的大直径管道环焊机器人。从目前国内外的研究状况可以看出，国外的焊接机器人技术已在工程领域获得了运用，但是造价极其昂贵。由于国内施工现场的管道焊接技术落后，施工速度低及人为因素的干扰，严重制约了油、气输送管道建设的发展速度，因此，开发具有自主知识产权的基于视觉控制管道环焊机器人，势在必行。本课题中的“基于视觉管道环焊机器人”是在移动机器人的基础上，配用相应的传感器及控制系统，从而能够实现管道外圆周自动焊接的一种自动化装置。研究与开发其焊接自动化工艺措施是实现其走向实用化的关键技术，本课题以此为出发点来进行深入的研究。本文对管线钢的焊接性进行了分析；根据弧焊机器人的特点分析了焊接电弧的静特性和焊接电源的外特性，提出了管道环焊机器人焊接电源的配置，并进行了实验。分析和研究了多层焊的填充策略、下向焊工艺，规划了焊枪的运动；分析了（视觉）结构光的焊缝轨迹的生成等。利用管道环焊机器人进行了管线钢的焊接，给出了焊接工艺参数；并就不同坡口形式对焊接质量的影响进行了实验研究；对焊枪的摆动参数进行了分析与探讨。实验结果证明该设备性能稳定、可靠，完全能满足管线钢的焊接要求。就管道环焊机器人焊接电源、机器人本体、计算机的配置问题进行了分析与研究，提出了一种适应于大型管道环型焊接机器人焊接电源的智能控制系统。关键词：管道环焊机器人，多层焊，下向焊，智能控制iSTUDYONWELDINGAUTOMATIONINTHEPIPELINECIRCUM-WELDINGROBOTBASEDONVISIONABSTRACTWiththequickdevelopmentofnationaleconomyandtheprogressofsocialtechniqueinourcountry,theneedofoilandnaturalgasbecomemoreandmore.Itisveryurgencytobuildthebasedeviceofoilandnatural.Itisnoticedbytheresearchworkertoincreasetheweldingtechniqueoflongdistancepipeline.However,automationofthepipelineweldingisstillverylow.Amongthemalargepartisimport.toestablishalargediameterpipelineweldingrobotisverynecessaryforlongdistance,largediameter,highpressure,highstainless,thick-wallednaturalpipeline.Tounderstandfromtheresearchofdomesticandforeign,Theweldingrobottechniquehavebeenapplicationinengineeringfieldintheforeigncountry.But,itisveryexpensive.Itseriouslyrestrictthedevelopmentspeedofoilandnaturalgasdeliveringpipelineduetofallbehind,lowspeedandtheinterfereofhumanelement.So,itisverynecessarytodeveloppipelinecircum-weldingrobotbasedonvisioncontrolandwithautonomousknowledgepropertyright.Pipe-linecircumweldingrobotbasedonvisioninthissubjectisbasedonmovingrobotandlayoutsensoraswellascontrolsystem.Itisanautomationdevicethatenabletorealizepipelineoutercircumwelding.Tostudy&developitsweldingautomationprojectisacriticaltechnology.Thissubjectisbasedonit.Thispaperanalysestheweldabilityofpipeline.Accordingtothecharacteristicofarcweldingrobot,analysingthestaticcharacteristicofweldingarcandExternalcharacteristicofweldingpower,presentingthestructureofweldingpower,whichisexamined.Italsoanalysesandstudythefillermethodofmulti-layerwelding,downiiwelding,planningthemovementofblowtorch,thetracegeneratingof(vision)structurelightandsoon.Weuseweldingrobottoweldpipeline,givingtheweldingparameter.Ittrialandstudydeferentgrooveshapeofpipelinetoverifytheeffectstotheweldingquality.Atthemeantime,analysingandsearchingtheswingmotionparemeterofblowtorch.Afterweldingexperiment,thesetofweldingdeviceisverysteadyandcredibility,whichisabletofulfilpipe-lineweldingrequirements.Itisthoughtfulaccordingtoweldingpower,robotmainbody,thelayoutofcomputerofpipe-linecircumweldingrobottoanalysisandresearch.Asystemofintelligencecontrolispresentedforadaptinglarge-scalepipelinecircum-weldingrobot.KEYWORDS：pipelinecircum-welding,multilayer-welding,down-welding,intelligencecontroliii原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：日期：导师签名：日期：河北工业大学硕士学位论文1第一章综述§1-1研究现状1-1-1管道焊接技术研究现状随着我国国民经济的迅速发展和社会技术的进步，石油和天然气的需求量日趋增长，全力建设油、气输送的基础设施已迫在眉睫，提高长输管道焊接技术的水平受到各领域研究人员的极大关注。1．国内管道焊接技术现状20世纪70年代及以前，管道建设中通常以传统手工焊接方法进行施工，该焊接方法由于焊接速度慢、焊接质量低已不再适宜在管道建设中应用。20世纪80年代初，管道局引进了美欧的手工下向焊工艺，并逐步推广到大部分施工企业，管道的焊接质量上了一台阶。当时焊缝口统计质量，X射线检测一次合格率达95%以上。该焊接方法已取代了传统的手工焊接方法。20世纪90年代初，管道局从美国引进了自保护半自动焊设备和工艺。经过培训，将该工艺于1995年首次在突尼斯工程中应用，特别在以后的库鄯线、鄯乌线、苏丹工程及涩宁兰、兰成渝等管道工程中成为主要的焊接方法。此种工艺方法的焊接合格率，按焊缝口统计可以达到95%以上。其优点是连续送丝、不用气体保护、抗风性能较强（可在4、5级风以下进行野外施工）、焊工操作简便等。其缺点首先是不能进行根焊，需要采用其他的焊接方法进行根焊。目前美国两家焊材厂家生产的焊丝都不能实现根焊焊接，林肯公司原推出的nr-204因工艺不过关，厂家建议改用下向焊完成根焊。其次是缺陷集中在夹渣上。另外，操作不当时盖面易出气孔。自保护半自动焊焊材主要依靠进口。管道局从1994年开始试验以来，一直没有取得成功。据了解，国内有几家焊材研究机构进行了研制，至今未见正式产品问世。1993年，管道二公司在轮南～库尔勒输油管道上首次应用双联管焊接方法。双联管焊接方法在以后的陕京输气管道、苏丹管道工程中部分采用，收到了较好的效果。为该焊接方法的推广积累了丰富的经验。早在20世纪60年代，国际上就开始在管道工程中应用自动焊技术，自动焊技术适用于大口径、大壁厚管道，实施大机组流水作业，焊接质量稳定，操作简便，焊缝外观成型美观。自动焊技术在国内大规模应用是在西气东输管道工程中。在西气东输工程中，管道二公司引进了noreast公司自动焊机aw97-1；石油天然气管道科学研究院承担管道局“九五”科研课题——全位置自动外焊机，该项目获中国石油天然气集团公司科研二等奖、中国石油天然气管道局科研一等奖。这两种焊机已应用到西气东输工程上。其它油建单位也引进了国外焊基于视觉管道环焊机器人焊接自动化措施的研究2机，作了工程前的一系列准备工作。目前采用的根焊方法主要有五种，一是内焊机，二是外焊机，三是stt根焊，四是外焊内衬强制成型，五是手工根焊。为了解决根焊问题，管道局从noreast公司购买三套管道内焊机，其型号为aw40-42，已在西气东输试验段上进行了应用。内焊机具有焊接速度快（对于直径1016毫米管径，根焊时间为lmin）和内焊道成型美观的优点，但由于设备结构复杂，在管道施工过程中设备故障较多，设备需要配备备件和高技术水平的维修人员。1997年，从林肯公司引进了stt焊接设备和技术，首先在苏丹工程双联管焊接上应用，此次西气东输也作为一种备用方法。相对其他焊接方法，stt焊接设备的根焊效果表明，此方法具有焊接速度快、焊道光滑、不易出缺陷的优点，但其要求焊接接头对口的质量较高，受风的影响较大。这样看来，传统或下向焊方法手工焊根焊，也不失为一种工艺。由于根焊后往往需要手工操作进行清根，清根后的焊道不规则，自动焊热焊、填充容易出现缺陷，主要是夹渣和未熔合。pwt-nrt外焊根焊成型焊接设备为意大利pwt公司研