High-brilliance laser beam welding (LBW) is a joining technology known for its quality and speed, and can weld thick materials with high irradiance and reduced heat inputs. On the other hand though, the sharp laser tools (often in the range of 0.1 mm - 0.5 mm) require as small errors both in joint preparation and in weld execution, and the process is little tolerant to imperfect fit-up conditions (gaps) and inaccurate laser tool positioning. The combination with anthropomorphic arms is common in industrial practice but the low accuracy of such manipulators has restrained applications to simple weld geometries, not exploiting their dexterity, i.e. their attitude to follow com- plex trajectories in space. Seam-trackers have been proposed as systems to absorb positioning errors with online compensations of robot motion but have similarly fallen short on weld path complexity, focussing mainly on linear joints on planar workpieces. Moreover, the susceptibility to gaps has confined LBW mainly to appli- cations of hard automation with dedicated fixtures whereas small-batch production and simpler fixtures have been long deemed less feasible. Dynamic beam-shaping (wobbling) can be used to relax both issues: with an online control of laser-material interaction, better gap-bridging is possible; moreover, thanks to the wider virtual spots, the accuracy required to the positioning is also relaxed. A combination of these two techniques (seam-tracking and wobbling), although desirable, has not been implemented in research nor industry in a detailed way. The current work, therefore, discusses the design and implementation of an in- tegrated control system that combines the two techniques for enhanced process flexibility. At the basis of this work lies a robotic LBW cell with dynamic beam- shaping capability. A dedicated coaxial vision system and a custom machine vision algorithm for robust seam detection compose its sensing. On top of it, a double control system for simultaneous seam-tracking and gap-bridging is implemented. The increased adaptability of the system is successfully assessed on curved trajec- tories with variable gaps and its application to an industrial case of structural beam welding is finally discussed.
La saldatura laser con fasci ad alta brillanza è una tecnologia nota per qualità e velocità. D’altra parte, fasci cosı̀ concentrati (con diametri nell’ordine di 0.1 mm - 0.5 mm) richiedono errori altrettanto contenuti sia nella preparazione del giunto da saldare che nell’esecuzione della saldatura, ed il processo è particolarmente sen- sibile ad imperfezioni nell’accostamento (luci) o inaccuratezze nel posizionamento del fascio. La combinazione con bracci antropomorfi è pratica industriale invalsa ma l’ in- sufficiente accuratezza di tali manipolatori ne ha limitato l’applicazione a geometrie di saldatura semplici, senza sfruttare la loro destrezza, cioè la capacità di descrivere traiettorie complesse nello spazio. Sistemi di inseguimento del giunto sono stati proposti per assorbire gli errori di posizionamento con correzioni online ma si sono concentrati su percorsi di saldatura semplici, cioè principalmente tratti lineari su oggetti piani. Inoltre, la sensibilità alle luci ha confinato la saldatura laser ad ap- plicazioni di elevata automazione e all’uso di fissaggi dedicati mentre la produzione di piccoli lotti e l’uso di fissaggi semplici è stata a lungo considerata meno agibile. Il beam-shaping dinamico (wobbling) può essere utilizzato per rilassare entrambi i problemi: un controllo online dell’interazione tra laser e materiale, infatti, perme- tte una migliore chiusura delle luci; inoltre un’area di interazione più larga richiede minore accuratezza nel posizionamento del fascio. Una combinazione di tali tech- nologie - inseguimento del giunto e oscillazione del fascio - non è stata implementata nella ricerca scientifica né nell’industria in maniera soddisfacente. Questo lavoro dunque discute la progettazione ed implementazione di un sistema di controllo integrato che combina le due tecniche per una maggiore tolleranza di processo. Alla base del lavoro è la cella robotizzata per la saldatura laser con beam- shaping dinamico. Un sistema ottico dedicato è realizzato per la visione coassiale del giunto; un algoritmo di visione artificiale permette invece la localizzazione robusta del giunto e la stima della larghezza di luce. Infine, un controllo visivo permette l’inseguimento del giunto e la chiusura automatica di luci in contemporanea. La adattività del sistema è verificata su saldature curve con luci variabili, producendo risultati eccellenti. La sua applicabilità in ambito industriale è saggiata su di un caso studio fornito dai partner della ricerca con esiti incoraggianti.
Adaptive robotic laser beam welding : online visual correction of robot trajectory and control of wobbling for seam tracking and gap bridging
BOLDRIN, DAVIDE MARIA
2021/2022
Abstract
High-brilliance laser beam welding (LBW) is a joining technology known for its quality and speed, and can weld thick materials with high irradiance and reduced heat inputs. On the other hand though, the sharp laser tools (often in the range of 0.1 mm - 0.5 mm) require as small errors both in joint preparation and in weld execution, and the process is little tolerant to imperfect fit-up conditions (gaps) and inaccurate laser tool positioning. The combination with anthropomorphic arms is common in industrial practice but the low accuracy of such manipulators has restrained applications to simple weld geometries, not exploiting their dexterity, i.e. their attitude to follow com- plex trajectories in space. Seam-trackers have been proposed as systems to absorb positioning errors with online compensations of robot motion but have similarly fallen short on weld path complexity, focussing mainly on linear joints on planar workpieces. Moreover, the susceptibility to gaps has confined LBW mainly to appli- cations of hard automation with dedicated fixtures whereas small-batch production and simpler fixtures have been long deemed less feasible. Dynamic beam-shaping (wobbling) can be used to relax both issues: with an online control of laser-material interaction, better gap-bridging is possible; moreover, thanks to the wider virtual spots, the accuracy required to the positioning is also relaxed. A combination of these two techniques (seam-tracking and wobbling), although desirable, has not been implemented in research nor industry in a detailed way. The current work, therefore, discusses the design and implementation of an in- tegrated control system that combines the two techniques for enhanced process flexibility. At the basis of this work lies a robotic LBW cell with dynamic beam- shaping capability. A dedicated coaxial vision system and a custom machine vision algorithm for robust seam detection compose its sensing. On top of it, a double control system for simultaneous seam-tracking and gap-bridging is implemented. The increased adaptability of the system is successfully assessed on curved trajec- tories with variable gaps and its application to an industrial case of structural beam welding is finally discussed.| File | Dimensione | Formato | |
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