工厂自动化

基于视觉的系统确保精密的管道焊接 

基于视觉的追踪系统已经部署在海上风电产业中,以确保单支座制造中焊缝的完整性。

文/Bob Beattie,Jonathan Moore; Meta Vision Systems公司 

埋弧焊(SAW)技术最早于1935年获得专利,目前仍然广泛应用于重工业领域,因为它为焊接厚材料提供了高沉积速率和良好的焊接质量。例如,它非常适合于制造大圆筒结构所需要的纵向和圆周焊接。

SAW焊接技术的一项较新的用途是用于制造厚管,即人们所熟知的用于海上风力产业的单支座。制造完成后,长度可以达100 m的长管状结构,通过打桩穿过粘土层打入海底。之后,过渡件安装在单支座顶部,成为涡轮机塔架,涡轮上部构造的其余部分通过螺栓与其固定。


图:图中所示为英格兰东北部海岸在建的海上风力发电场,需要制造大量的单支座,为风塔提供支撑。

位于荷兰的Sif Group所采用的单支座制造工艺,是由较小的4 m长、被称作罐体的圆柱状部件组成的。每个罐体是通过将厚达120 mm的大矩形板滚成柱状而制成的。然后利用自动焊接系统将矩形板的内侧斜边沿纵向焊接在一起。罐体随后被旋转180°,矩形板的外部边缘先被碾磨,随后也被自动焊接。

 

然后组装完整的单支座,完整的支座是在被称为“鳄鱼”的机器上,通过内部圆周焊接工艺每次焊接一个罐体制作而成的。“鳄鱼”同时实施液压夹紧和焊接,以确保罐体正确对齐。最后,对已组装的单支座的外圆周接缝进行焊接,以完成整个过程(见图1)。


 

图1:单个单支座是由较小的4 m长、被称作罐体的柱状部件组成的,这些罐体是通过将厚的矩形板滚成柱状而制成的。成品罐体被逐个内部焊接在一起,随后,已完成的单支座部分的外圆周被焊接在一起。

Sif Group在单支座制造中所使用的SAW技术,包括连续送进焊丝电极和待焊接在一起的两个表面之间的电弧形成。焊接过程是通过电弧熔化表面和焊丝而形成的。焊接过程中,在焊接物表面沉积一层粉状钎料,用于将熔融材料与大气隔离,并向焊接熔池添加合金元素。

理想情况下,焊接的路径将是完全可重复的,罐体上两块待焊接钢板边缘斜面的角度将是相同的,且连接部分将完美对齐。在这样的情况下,沿着每个圆柱罐体长度方向的焊接位置和焊接量将是完全相同的。然而,实际上并不是这种情况,由于焊接的位置取决于许多因素;板斜面的角度可能会改变,连接部分可能会稍微错位。

焊缝成像

由于焊接形状和位置的这些变化,每台自动焊接机器能够在焊接时自动适应焊缝处变化的几何特性,这一点非常重要。为了使各种内部和外部纵向和圆周机器能够做到这一点,英国Meta Vision Systems公司(成立于1984年,由牛津大学的一项研究项目孵化而成)已经专门针对该应用开发出了一种基于视觉的系统。

该系统使用定制的数字激光扫描仪(DLS),该扫描仪直接安装在焊接头上,借助扫描激光点以利用距离数据采集中广为人知的三角原理。与更为传统的激光条纹传感器相比,扫描点型的激光传感器在大型焊接连接方面具有重要优势,因为它提供非常好的图像质量,甚至是深的、陡峭的焊接连接,并且不受表面条件的干扰。

 

在使用中,传感器发出的激光光斑,沿着在一定距离之外待焊接的钢部件进行扫描,该距离通常为100~300 mm,位于焊接炬之前,就在浸没焊弧的粉状钎料的前面。为了做到这一点,激光器的光束被投影到检流计上,检流计横跨待焊接部件的表面进行扫描。连接部分的反射光随后被同一个检流计解扫描,并通过透镜聚焦到传感器内部的加拿大Teledyne DALSA公司(www.teledynedalsa.com)的2048像素线CCD成像器上(见图2)。


 

图2:Meta Vision Systems公司生产的数字激光扫描仪(DLS)安装在内部焊接仪器的臂上。激光光斑在距离焊接炬几厘米前的位置处,沿着待焊接部件的钢部分进行扫描,以避开浸没焊弧的钎料。连接处的反射随后通过透镜,聚焦到传感器内部的2048像素线CCD成像器上。

焊接表面与传感器之间的距离,决定了反射光在成像器上形成光点的位置。因此,通过检测传感器上成像光点的位置,以及激光和传感器之间的角度,就可以为扫描过程中的每个点计算连接表面与传感器之间的距离。

数据处理

 

从CCD成像器获得的数据,在DLS内部由altera公司(www.altera.com)的Cyclone FPGA和德州仪器公司(www.ti.com)的TMS320 DSP一同处理,将通过CCD捕获的原始图像数据转换成焊接连接表面的二维轮廓图。然后,这些数据通过以太网接口传输到PC(见图3)。


 

3:来自传感器的数据,在DLS内部通过专用的FPGA和DSP处理,将成像器捕获的原始位置数据转换成焊接连接表面的二维轮廓图,然后这些数据通过以太网接口传输到PC。

当表面特定点的散射激光被聚焦到CCD上时,产生模拟电压序列,代表传感器上每个像素的激光分布。每个激光光斑有效地在成像器上形成高斯状轮廓,必须在给定的时间内通过该分布确定峰值强度,以确保传感器能够精确地测量与表面的距离。 

为了实现这个目标,CCD采集的模拟数据被转换为数字比特流,并通过FPGA实时处理,FPGA对数据进行过滤,以确定成像器上激光点的中心。当检流计沿着整个待焊接的表面进行激光扫描时,对传感器产生的每组模拟电压执行该处理过程。 

已经确定成像器上每个点的中心后,该数据随后由DSP进行排序,以产生表面的二维轮廓。为了实现这个目的,DSP从FPGA获取极坐标数据,并使用变换矩阵将该数据转换成直角坐标数据,代表了垂直和水平点轮廓。然而,由于此时数据还是未校准的高度数据,DSP还需要从数学上将数据转换成真实的坐标。这是通过先前系统校准期间得到的数学矩阵对数据进行转换而实现的。

通过DLS来计算焊接连接处的二维轮廓,然后该数据就可以在DSP控制下,可靠地通过以太网连接传输到工业PC,以供进一步处理,即使传感器安装在具有电噪声的SAW环境下。

自动控制

采用Meta Vision Systems公司专门开发的软件,在PC上对来自传感器的轮廓数据进行处理,以便控制自动焊接头的操作,通常采用瑞典Esab公司或美国Lincoln Electric公司的串联或三头SAW头,并通过该软件驱动触摸屏界面,使得操作人员能够进行可视化操作,并控制焊接过程。

鉴于用于制造罐体的钢板厚度,不可能一次将钢板的斜面边缘完全焊接在一起。相反,机器人焊接机对待焊接的部分进行多次焊接,该工艺即为人们熟知的多道焊,在多次焊接来回的每个过程中形成一条焊缝。

为了使得焊接系统能够在第一道中,在连接的底部深处精确地形成焊缝,即所谓的根焊,以及在进一步的填充道中形成接下来的焊缝,PC端识别焊缝真实区域轮廓的关键点,并随着扫描仪相对焊缝移动测量位置。PC端软件还可以计算关键参数,如连接的横截面面积。

一旦这些特征已被确定,就分析数据以确定焊丝需要放置在焊缝的哪个位置,以便形成有效的焊接。为了实现这个目的,PC端软件计算出到被扫描焊缝处的点时,焊接头需要遵循的轨迹。轨迹数据被传输到美国Allen-Bradley公司的CompactLogix PLC中,该PLC与两个用于支撑和移动焊接头的线性伺服滑块通讯,以在焊接过程中移动到最优化的水平和垂直位置。

Meta公司的重型和超重型线性滑块设计使用坚固的钢制框架,其内的安装台安装在两个平行导轨上的四个线性轴承上,由带有循环滚珠轴承螺母的精密滚珠丝杠驱动。采用日本Yaskawa Electric公司生产的带有集成高分辨率编码器的交流伺服马达,通过日本Shimpo公司生产的减速齿轮箱,驱动滚珠丝杠实现运动。

除了计算需要放置焊丝的目标位置,PC端软件根据对体数据的分析,计算接缝中将需要沉积多少材料。通过此分析,指导PLC调节消耗电极焊丝经由伺服马达送入连接处的速率,以及焊接头沿接缝移动的速度。这种类型的“自适应填充”也被证明对其他应用非常有用,如焊接抗震梁,焊接时有意急剧变化连接处体积以获得最终的梁特性。

 

基于Windows的触摸屏界面在PC上运行,使得操作人员能够观察连接处的轮廓,并且在多道焊过程中监视系统的有效性。要做到这一点,在屏幕上显示机器人正在焊接的接缝轮廓,接缝的关键数值特征(如它的高度和宽度),以及后续操作中应当形成的焊缝轮廓(见图4)。


 

图4:基于Windows的触摸屏界面,使得操作人员能够在焊接前事先分析连接处的轮廓,并在多道焊接过程中监视系统的有效性。

 

在过去的十年中,Meta Vision Systems公司生产的几种控制系统已经部署在Sif Group中,用于控制和优化单支座制造过程中的焊接工艺。如今,该公司正在部署这样的系统,为Project Gemini项目建造单支座,该项目是位于荷兰北海的一座新的600 MW海上风电场。这些单支座的长度将为65 m、底部直径为7 m、重达850吨。风电场的建设将于明年启动,预计该风电场将于2017年夏天投入运行。