SISTEM SENZORIAL CU SCANARE LASER PENTRU GĂSIREA ŞI URMĂRIREA ROSTURILOR DE SUDARE

February 23, 2010

Descriere sistem

În scopul informării sistemului  de comandă al robotului industrial (RI) asupra stării şi modificărilor din mediul ambiant sau tehnologic sunt necesare dispozitive de captare a informaţiilor şi de conversie a acestora în semnale electrice. Informaţiile necesare RI pentru sudare reprezintă fie mărimi geometrice, fie parametrii care definesc procesul. Dispozitivele se numesc în consecinţă senzori respectiv traductoare [1], [2].

Figura 1 - Principiul triangulaţiei

Figura 1 - Principiul triangulaţiei

La baza elaborării sistemelor robotizate adaptive pentru sudare stau numeroase principii fizice şi se cunosc multe tipuri de traductoare şi senzori folosiţi în acest scop [1], [2]. Ca tendinţă predominantă se remarcă o netă îmbunătăţire a calităţii sudurilor pe baza corectării traiectoriei RI în urma observării optice şi mai ales, pe baza ajustării parametrilor procesului în urma prelucrării semnalelor de la senzorul optic [3].

În funcţie de modul de iluminare activă cu laser, modul de măsurare şi felul senzorului de imagini, se cunosc în prezent  trei categorii de senzori optici cu laser [6]: mono-, bi- şi tridimensionali. Senzorii care măsoară monodimensional (punctiform, prin citirea semnalului reflectat de o piesă iluminată prin baleiere cu un fascicul laser), pot genera un semnal reprezentând o distanţă, calculată prin triangulaţie. Prin proiectarea uneia sau a mai multor raze laser pe rostul în care se sudează, se poate obţine pe ecranul aparatului video o imagine bi- sau tridimensională, de bună calitate, a formei geometrice a rostului. Adaptarea la diferitele domenii de măsurare se poate obţine printr-o alegere judicioasă a imaginii optice.

Măsurarea are loc în faţa capului de sudare

Figura 2 - Diagrama camerei de senzori

Figura 2 - Diagrama camerei de senzori

Se utilizează un laser heliu-neon cu o lungime de undă de la 632 Angström, care nu interferează cu lungimile de undă  ale arcului.

Distanţa dintre senzor şi piesa de lucru este determinată de reflecţia difuzată de raza laser la componentă. Raza reflectată este direcţionată la un detector (o cameră CCD), care furnizează înălţimea măsurată (figura 1).

Frecvenţa de oscilaţie a fasciculului laser este 5 sau 10 / secundă, perpendicular pe cusătura sudurii. Prin mişcarea fasciculului – urmărită de camera CCD fixată – se formează o imagine bidimensională a rostului sudurii (figura 2).

Camera şi pistolul de sudare se mişcă de-a lungul  rostului de sudare. Cu ajutorul acestei mişcări se calculează distanţa dintre senzor şi peretele rostului, profilul, lăţimea şi adâncimea secţiunii cusăturii, vezi figura 3 [5].

În timpul acestui proces, senzorul transmite robotului corecţiile mişcării şi datele calculate. Această transmisie se realizează cu o interfaţă serială RS232 prin protocolul DUST/FAST.

Cu ajutorul acestor date robotul (sistemul de comandă) calculează corecţiile traseului

Figura 3 - Configurarea geometrică a piesei de lucru şi a senzorului „look-ahead” („dispunere tandem”)

Figura 3 - Configurarea geometrică a piesei de lucru şi a senzorului „look-ahead” („dispunere tandem”)

cusăturii şi optimizează procesul de sudare, realizând astfel ghidarea continuă a pistolului de sudare şi controlul  procesului de sudare (în timp real / on line).

Pe lângă traseul şi profilul cusăturii, senzorul poate determina şi începutul, respectiv sfârşitul cusăturii.

Pentru forme particularizate ale cusăturii, sistemul de senzori foloseşte Meniuri – Program (aşa numitele Templates), în care sunt înmagazinate criteriile interpretative a informaţiilor punctului măsurat prin linia de scanare.

Mai mult, în aceste meniuri sunt înmagazinate date precum: deschiderea rostului, toleranţa maximă, distanţa dintre capul de sudare şi senzor etc.

Aceste meniuri există pentru următoarele forme de îmbinări :

  • Suduri cap la cap:
    • cu rost în I;
    • cu rost în V;
    • cu rost în Y;
    • cu rost în U;
  • Suduri în colţ
    • tip ţeavă – flanşă;
    • cu margini suprapuse;
  • Încărcare prin sudare

Strategii adecvate ale programului fac posibilă sudarea multistrat.

Noutăţi tehnice ale sistemului de senzori-laser Cloos Seam Explorer (generaţia a treia)

Figura 4 - Diagrama bloc a Sistemului de senzori Cloos Seam Explorer (CSE)

Figura 4 - Diagrama bloc a Sistemului de senzori Cloos Seam Explorer (CSE)

Printre aceste noutăţi tehnice se pot enumera:

  • Schimbarea unghiului poziţiei pistolului în timp ce acesta parcurge traseul sudurii, la sudarea componentelor complexe;
  • Schimbarea direcţiei traseului de sudare; profilul cusăturii care urmează, poate fi determinat prin intermediul punctelor intermediare;
  • Se pot realiza optimizări ale procesului de sudare prin schimbarea vitezei şi / sau avansului sârmei, amplitudinea oscilaţiei în timpul realizării cusăturii dependent de lăţimea rostului, lăţimea cusăturii şi secţiunea rostului de sudare;
  • Asigurarea funcţiilor senzorului chiar şi pentru piese de lucru care sunt urmărite de dispozitivul de poziţionare extern liber programabil a pieselor de lucru;
  • Modificarea profilului rostului de sudare în timpul sudării, prin folosirea meniului pentru traversarea secţiunii cusăturii (Template);
  • Oscilaţie adaptivă a capului de sudare în funcţie de lăţimea cusăturii;
  • Recunoaşterea începutului rostului şi sfârşitului cusăturii;
  • Recunoaşterea ţintei;
  • Verificarea toleranţelor componentelor;
  • Trecerea mai departe după întrerupere, dată de rularea programelor „Stop” sau „Emergency-stop”;
  • Capacitatea pre-scanării (aceasta este necesar în cazul întâlnirii obstacolelor, când este necesară schimbarea poziţiei senzorului faţă de capul de sudare);
  • Posibilitatea modificării vitezei de sudare în timpul efectuării fazei de testare;
  • Posibilitatea sudării multistrat la sudarea în colţ şi sudarea cap la cap cu rost în V, prin urmărirea senzorului cu ajutorul unui meniu;
  • Este uşor de operat integrarea tehnologiei senzoriale în sistemul de comandă al robotului.

În figura 4 este prezentată diagrama bloc a sistemului de senzori Seam Explorer

Date tehnice

Figura 6 - Senzor amplasat pe flanşa robotului

Figura 6 - Senzor amplasat pe flanşa robotului

Numărul scanărilor pe secundă: programabil între 5 şi 10. Câmpul vizual al camerei şi unghiul de scanare sunt prezentate în figura 5;

Unghiul de scanare este programabil la următoarele valori: 10, 14, 20, 30 şi 40 grade; în practică cel mai frecvent sunt folosite unghiurile de 20-30 grade

Norme de comunicaţii:

  • IEEE- 488 care transmite datele de măsurare şi recunoaştere;
  • RS-232 care transmite atât datele de măsurare şi recunoaştere, cât şi datele pentru corectarea traseului cusăturii;

Temperaturi ale mediului:

  • pentru operare:                          0 … 50 °C
  • pentru depozitare :                 -25 … 55 °C

Umiditate:

  • fără condens

Pentru răcirea camerei este necesar circa 1 litru lichid de răcire pe minut, la o temperatură de 30  +/- 10 °C, furnizat la o presiune de max. 300 kPa (3 bar).

Gazul utilizat pentru protecţia ferestrei optice poate fi: aer uscat, CO2, Argon sau gazul utilizat la sudare, la un debit de aprox. 7 litri / minut.

Mai mult, sistemul de senzori Seam Explorer:

–           este proiectat şi testat pe baza cerinţelor de mediu  IEC 68;

–           garantează operarea sigură la curenţi de sudare de până la 1100 A;

–           respectă instrucţiunile de securitate VS-Laser 21 CFR 1040.10 şi -11, clasa II;

–           are dispozitive interne pentru autotestare şi diagnoză, care permit afişarea modulelor defecte; în acest fel, modulele se pot înlocui fără a scoate aparatul din poziţia de funcţionare.

Bibliografie

[1] Dilthey, U., Roosen, S.: Einsatz eines Expertensystems zur Online-Prozeßoptimierung beim MAG-Schweißen, 2. Sondertagung Schweißtechnische Software in der Praxis 17. – 19.4.1996 Graz / Österreich. În: “Proc. Inst. für Schweißtechnische Fertigung”, 1996, vol. 6, pp. 52–59

[2] Joni, N., Kunz, K.: Consideraţii privind proiectarea îmbinărilor în cazul sudării robotizate, În “Sudura” , 2 / 2002, pp. 42-50

[3] Hartley, J.: Yaonacha installs welding robots, In ″Engineer″, 1982, 255, No.6592/3, pag.11.

[4] Platz, J.: Double wire technology increases speed when MAG welding, În: “Maschinemarkt”,  41/1995, pp. 44-46, Vogel Verlag, Würzburg

[5] *** : Seampilot – Laser Sensor System for CLOOS robots ROMAT, Technical description; Courtesy of Carl Cloos Company, Haiger, 2003

[6] Joni, N.: Soluţii moderne privind implementarea roboţilor industriali pentru sudarea MIG/MAG şi pentru procesele de tăiere, Teză de doctorat, Universitatea „Transilvania” Braşov, 2003, 118 pag.

Comments are closed.