Railon profilointi paineastioiden robotisoidussa hitsauksessa

Abstract

Robotisoidun kaarihitsauksen kysyntä kasvaa tekniikan kehittyessä ja ammattihitsaajien vähentyessä maailmalla. Kaarihitsausprosessin luonteen takia prosessin automatisoinnissa on ollut omat haasteensa. Pemamek on kehittänyt paineastioiden yhteiden hitsaukseen robottisovelluksen, joka hyödyntää railon profilointia. Profiloinnin avulla saadaan tietoon railon tarkka paikka ja muoto, joita käytetään hyödyksi hitsausratojen luomiseen ja adaptiiviseen hitsaukseen. Paineastioissa yhteen laippa tulee joissain tilanteissa nykyisen 2D-laseranturin näköalueen eteen, joka estää railon profiloimisen. Tutkielmassa paneudutaan tähän ongelmaan, yrittäen löytää vaihtoehtoinen anturi railon profilointiin erilaisten mittausmenetelmien ja anturivalmistajien joukosta. Työtä on lähdetty toteuttamaan projektimuotoisesti. Työn alussa käsitellään hitsausautomaatiota sekä määritellään ongelmaa ja prosessia tarkemmin. Tämän jälkeen käsitellään robotin koordinaatistoja ja niiden välisiä siirtomatriiseja. Ongelmaa lähdetään purkamaan valitsemalla ensiksi mittausmenetelmä, joka täyttää ongelman asettamat vaatimukset parhaiten. Teoriaan pohjautuen 2D-laserskannaus valittiin parhaaksi mittausmenetelmäksi. 2D-laserantureista valitaan paras anturi, joka täyttää 2D-laserskannaukselle asetetut vaatimukset. Wenglorin MLSL1x3 laseranturi oli ainoa, joka pääsi työn alussa asetettuihin tila- ja näköaluevaatimuksiin. Työn lopussa Wenglorin MLSL123 anturi integroidaan robottisolussa toimivaan WeldControl Scan -ohjelmistoon. Käyttöönotossa anturi kalibroidaan ja määritellään siirtomatriisit anturin eri koordinaatistojen välille. Robotin, anturin ja tietokoneen välille rakennetaan täysin uusi kommunikointi datan siirtämiseen. Uusi kommunikointi mahdollistaa pistepilven lataamisen tietokoneelle pelkkien railon kulmapisteiden sijaan. Anturilla suoritetaan mittaukset, kun anturin on todettu toimivan robottisolussa halutulla tavalla. Mittauksissa MLSL123 anturilta saatua dataa verrataan käsin mitattuun dataan sekä vanhalla i-CUBE laseranturilla mitattuun dataan. Tuloksista huomataan, että anturi täyttää tarkkuusvaatimukset ollessaan i-CUBE anturia tarkempi. Uudella anturilla hajontaa eri mittauskertojen välillä syntyy vähemmän kuin vanhalla anturilla. Anturivalmistajat kehittävät koko ajan uutta teknologiaa railon profilointiin, joka tekee niistä tarkempia ja toimintavarmempia. Tutkielma luo pohjan uusien profilointiantureiden vaatimuksille ja käyttöönotolle, joka tulevaisuudessa helpottaa anturin valintaa ja käyttöönottoa. Tämän kaltaisten antureiden hyödyntäminen robotisoidussa hitsauksessa luo kilpailuetua yritykselle, jonka vuoksi antureiden kehityksestä ei saa jäädä jälkeen.

Demand for robotized arc welding is increasing due to advancing technology and decreasing number of professional welders. Because of the nature of the welding process, there has been challenges in the automatization of the process. Pemamek company has developed robotic welding process for pressure vessel’s nozzle welding which utilizes a 2D laser sensor for groove profiling. With groove profiling, it is possible to get exact position and shape of the groove which are used for robot path planning and adaptive welding. In some cases, the flange of the nozzle blocks the field of view of the 2D laser sensor preventing groove profiling. Thesis addresses to this problem. For solving the problem, a new sensor needs to be found among different measuring methods and different sensor manufacturers. Thesis has been done as a project-oriented way. In chapters 2 and 3, theory of welding automation, nozzle welding process and the thesis problem definition is introduced. In chapter 4, robot coordinate systems and basics of calculating transformations between robot’s coordinate frames is introduced. In chapters 5, 6 and 7 the problem is broken into parts in a hierarchical way from system level to function levels as follows. Problem solving begins with theoretical comparison between different groove profiling methods. Different methods are investigated and 2D laser scanning is chosen based on the set criteria. After the method has been selected, several 2D laser scanners are compared and it was found that only Wenglor’s MLSL1x3 laser sensor comply with all the requirements. At the end of thesis, the chosen sensor is attached and implemented to work in a robot cell with WeldControl Scan software. Implementation part consist of calculating transformation matrices between sensor’s coordinate frames and building new communication between the sensor, PC and the robot. New communication provides possibility to download point cloud to PC instead of importing only groove’s corner points. After implementation, accuracy measurements have been done for the new sensor and data is compared between measured values with an old i-CUBE sensor and hand measured values. From graphs can be seen that the new sensor is more accurate than the old one and there is not as much variation between measurements as the old i-CUBE sensor had. Profiling sensor manufacturers are developing new sensors which are more and more accurate and reliable. This thesis gives basics for the requirements of profiling sensors and what must be considered when implementing new profiling systems, so in the future it will be easier. This kind of profiling sensors in robotic welding makes competitive advantage for the company and that is why the developing process must continue in the future.