摘 要

高炉冷却壁是高炉中常见的一种水冷件，通常被安装在高炉的炉体、炉膛、炉底等位置，其工作环境十分恶劣，不但长时间工作在高温中，而且时刻耐受炉渣的磨损、铁水的侵蚀和气流的冲刷，因此要求它必然具有高的热强度、抗热冲击、耐急冷急热性的综合性能。每个冷却壁上有8根冷却水管，与冷却壁本体相连接，在水管与冷却壁的连接工艺上，传统工艺采用手工电弧焊。为提升生产效率、降低工人劳动量、改良产品质量，拟采用机器人焊接工艺。

在针对高炉冷却壁的焊接加工中，焊缝多为空间三维焊缝，而现在投入使用的主流焊缝跟踪系统只能摄取待焊焊缝的二维图像，虽然通过三维还原的办法也能够还原出图像的三维数据，但其准确性和可靠度与即时焊缝跟踪的要求相去甚远，所以单单使用视觉传感方式不可能满足机器人在焊接加工过程中高度方向上持续监视的需要。因此在使用视觉传感对焊缝进行持续监视的同时有必要引入其他设备对焊接高度实施检测。

针对视觉传感通过后期处理仍无法还原准确的焊缝高度信息而无法实现焊缝跟踪的问题，提出采取激光扫描焊缝的方法来使系统对初始点进行自寻位，扫描可被分为粗扫描和细扫描两个阶段，这样在加快扫描速度的同时还能够提高定位精度，确保焊缝沿途的坐标在预估坐标的误差范围内。仿真实验的结果表明，使用这种方法可以高效地定位到焊接起始点。

同时在设计中加入电弧传感器对电弧电压信号进行准确收集，并且依据电弧电压与焊缝高度的关系，利用弧压特点来对焊缝高度实施监视，这为焊缝跟踪系统提供了“双保险”。

通过Solidworks建模和机器人系统机械结构运动的仿真和分析，结果表明，使用视觉传感与电弧传感相结合的方式，完全可以实现机器人焊接系统对焊缝的实时跟踪。

关键词：高炉冷却壁；焊接机器人；视觉传感；焊缝跟踪

Abstract

Blast furnace cooling wall is an important water-cooled cold lining which is installed in the blast furnace body , furnace bore , furnace belly or other parts. It is designed not only withstand high temperature, but also bear the charge of the wear, slag erosion and gas flow erosion so it is important to have a good thermal strength, heat resistance, anti-quenching and emergency heat with other comprehensive performance. There are eight cooling water pipes installed on each cooling wall and are connected with the cooling wall body, in the process of connecting water pipe and cooling wall. In order to improve the welding efficiency, reduce the labor intensity of workers, improve product quality, we decide to use robot to assist welding production.

In the actual welding process of blast furnace cooling wall, the welds are mostly three-dimensional. Most of the existing visual-sensing seam tracking methods can only obtain the two-dimensional image information of welds accurately, although they can be calculated by three-dimensional reconstruction method. The accuracy and reliability of the calculation cannot meet the requirements of real-time seam tracking welding. It is difficult to meet the requirement of automatic tracking control in the actual height of welding by only relying on the visual technology. So it is vital to add other methods at the same time for real-time tracking of the weld to track the height of real-time tracking control.

Aiming at the problem that the three-dimensional information of the initial point of welding cannot be obtained by the image processing, We decided to use the method of laser scanning to identify the initial point of positioning automatically. The experimental results showed that the method can locate the initial point of welding quickly and accurately and ensure the continuity of welding images.

At the same time, the arc voltage signal is effectively collected by the arc sensor , and the characteristics of the arc voltage signal are analyzed precisely. The arc voltage signal is used to control the height of welding. Experiments show that the arc length calculated from the relationship between arc voltage and arc length matches ideally with the actual arc length.

The simulation results show that the precision of laser vision combined with arc sensing can meet the requirements of real - time tracking control of robot welding by solidworks modeling and simulation of mechanical structure of robot system.

Key Words：Blast furnace cooling stave; Welding robot; Vision sensing; Seam tracking

目录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2焊接机器人研究 2

1.3焊缝跟踪传感器 4

1.3.1机械接触式焊缝跟踪传感器 4

1.3.2超声波式焊缝跟踪传感器 4

1.3.3电磁式焊缝跟踪传感器 4

1.3.4光电式焊缝跟踪传感器 5

1.3.5电弧式焊缝跟踪传感器 8

1.4课题研究内容 9

第2章 基于视觉引导与电弧传感的焊缝跟踪系统 10

2.1引言 10

2.2弧焊机器人焊接硬件系统 10

2.2.1隔离电路装置 12

2.2.2弧焊系统设备标定 13

第3章 视觉传感系统设计 14

3.1引言 14

3.2视觉传感系统设计 14

3.3视觉传感器的特点 15

第4章 电弧传感系统 17

4.1引言 17

4.2电弧传感系统设计 17

第5章 机器人运动分析 19

5.1引言 19

5.2 机器人位置与姿态的描述 19

5.2.1位置描述 19

5.2.2 姿态描述 19

5.2.3 坐标变换 20

5.3 机器人运动学逆问题 22

5.4 KUKA KR30HA机器人系统机械结构运动分析 27

5.4.1KUKA KR30HA机器人的位姿矩阵的计算 27

5.4.2姿态矩阵逆解 30

第6章 总结与展望 32

6.1总结 32

6.2展望 32

致 谢 34

参考文献 35

第1章 绪论

1.1引言

在当前时代，装备制造行业发展迅速，而作为机械加工中一种常用的工艺，焊接的作用也是与日俱增，在工程建设、水利水电、航空航天以及军事武器等行业，焊接仍发挥着不可替代的作用^[1-4]。同时，市场竞争的提升也对焊接技术的水准提出了更加严苛的要求：首先，焊接被使用在越来越多的行业，这使得焊接过程中对焊接质量、生产效率、工作环境的要求都更上一层楼。其次，现在绝大多数焊接加工仍然是工人手工电弧焊的形式，这使得焊接质量与工人的焊接经验直接挂钩，加工质量和效率难以得到稳定维持。而现如今装备制造业的面貌是：产品种类越来越多样，产品结构越来越复杂，越来越注重加工成品的质量与可靠性；行业内如此，在行业外，劳动力价格也是扶摇直上，单纯依赖工人经验的手工焊接越来越不适应现代生产加工的需要。为了适应制造业发展的脚步，发展替代手工焊接的机器人焊接也提上日程^[5]。

图1-1 焊接机器人 图1-2焊接机器人作业