基于激光位移傳感器的角焊縫位姿檢測(cè)

洪 波 尹 力 李 毅 李湘文

1.湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湘潭,4111052.焊接機(jī)器人與應(yīng)用技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湘潭,411105

基于激光位移傳感器的角焊縫位姿檢測(cè)

洪 波1,2尹 力1,2李 毅1,2李湘文1,2

1.湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湘潭,4111052.焊接機(jī)器人與應(yīng)用技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湘潭,411105

針對(duì)工字梁、箱梁等焊接結(jié)構(gòu)自動(dòng)化生產(chǎn)中工件偏移和偏轉(zhuǎn)問題，提出了一種基于激光位移傳感器的角焊縫位姿檢測(cè)方法。建立了角焊縫位姿的弧長模型，分析了角焊縫位姿對(duì)弧長的影響規(guī)律;基于傅里葉分析，提出了角焊縫位姿解耦算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)角焊縫橫向偏差、縱向偏差、坡口角度和工件偏轉(zhuǎn)角度的檢測(cè)；通過對(duì)存在坡口間隙和定位焊縫的角焊縫進(jìn)行位姿檢測(cè)試驗(yàn)。結(jié)果表明，所提出方法具有檢測(cè)誤差小、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在焊接自動(dòng)化生產(chǎn)中具有良好的應(yīng)用前景。

激光位移傳感器；角焊縫；位姿檢測(cè)；坡口間隙；定位焊縫

0 引言

在焊接結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)過程中，由于下料和裝配誤差等原因，工件的位置和姿態(tài)會(huì)發(fā)生變化[1]。特別對(duì)于工字梁、箱梁等大型結(jié)構(gòu)，因工件質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)跨度大，故多采用半自動(dòng)裝夾方式，使得焊縫容易發(fā)生偏移和偏轉(zhuǎn)。由此，需要在焊前進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)，通過檢測(cè)結(jié)果修正焊接規(guī)范和焊槍姿態(tài)，從而保證焊接質(zhì)量[2]。

焊縫坡口檢測(cè)中，電弧傳感器和激光傳感器的應(yīng)用較為廣泛。電弧傳感研究方面，范宇等[3]研究了基于旋轉(zhuǎn)電弧立焊裝置設(shè)計(jì)與軌跡規(guī)劃，所設(shè)計(jì)裝置能夠平衡地完成豎直焊縫的焊接與成形；樂健等[4]研究了基于機(jī)器人旋轉(zhuǎn)電弧傳感器跟蹤仰焊焊縫，實(shí)現(xiàn)了仰焊焊縫終點(diǎn)和通過流水孔的精確識(shí)別；毛志偉等[5]分析了電弧傳感焊炬空間姿態(tài)及工件坡口夾角對(duì)焊炬高度變化的影響，但電弧傳感焊炬空間姿態(tài)信息之間相互影響，使得姿態(tài)信息解耦困難。激光傳感研究方面，激光視覺傳感是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，石玗等[2]采用激光線光源進(jìn)行焊接坡口間隙視覺檢測(cè)；石永華等[6]通過雙目視覺測(cè)量和圖像處理進(jìn)行波紋板角焊縫的角點(diǎn)檢測(cè)；顧帆等[7]研究了基于激光視覺多層多道焊接坡口特征點(diǎn)提取方法；激光視覺由于其非接觸、信息量大等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，但是基于視覺傳感的圖像處理復(fù)雜，降低了實(shí)時(shí)性[8]。

激光位移傳感器具有測(cè)量精度高、測(cè)量速度快、數(shù)據(jù)處理簡便等優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)量和控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[9]，也可用于焊縫檢測(cè)和焊槍姿態(tài)調(diào)整[1,8,10]。本文提出一種基于激光位移傳感器的角焊縫位姿檢測(cè)方法，建立了角焊縫位姿的弧長模型；基于傅里葉分析，提出了角焊縫位姿計(jì)算方法。

1 角焊縫位姿模型

1.1 角焊縫位姿的弧長模型

以工字梁結(jié)構(gòu)為例，圖1為典型角焊縫位姿示意圖。以垂直于焊縫方向的平面oyz為焊縫坡口截面，坐標(biāo)軸oy與水平面呈45°。由于裝配誤差，導(dǎo)致焊縫截面由坐標(biāo)系oyz平移至坐標(biāo)系o′y′z′，同時(shí)也導(dǎo)致焊接工件有一定角度(θ)的偏轉(zhuǎn)。

圖1 角焊縫位姿示意圖Fig.1 Schematic diagram of fillet weld pose

采用線陣激光位移傳感器,以傳感范圍b內(nèi)的角焊縫坡口區(qū)域的位移作為弧長信號(hào)，設(shè)線陣激光位移傳感器的測(cè)量寬度為b，以z方向(最右側(cè))為測(cè)量起點(diǎn)，沿寬度方向從右往左掃描至最左側(cè)。根據(jù)角焊縫位姿特征，建立角焊縫弧長h(t)數(shù)學(xué)模型如下：

(1)

r=b/2v=2b/T

(2)

式中，r為掃描半徑；v為掃描速度；T為掃描周期;HC為傳感器至坡口中心的縱向距離;Δz、Δy分別為角焊縫橫向和縱向偏差；B1、C1分別為底板平面法向量n1和n2的分量；B2、C2分別為立板平面法向量n1和n2的分量；α為角焊縫坡口角度。

1.2 角焊縫位姿的弧長仿真

根據(jù)式(1)和式(2)，建立角焊縫位姿的弧長仿真模型，分析位姿對(duì)弧長h(t)的影響規(guī)律。當(dāng)改變?chǔ)、Δy、α、θ中單個(gè)參數(shù)而其他參數(shù)保持不變時(shí)，對(duì)弧長h(t)的影響如圖2所示。

(a)Δz對(duì)h(t)的影響

(b)Δy對(duì)h(t)的影響

(c)α對(duì)h(t)的影響

(d)θ對(duì)h(t)的影響圖2 角焊縫位姿對(duì)弧長的影響Fig.2 The influence offillet weld pose on groove depth

由圖2可以看出，當(dāng)角焊縫沒有位姿偏差時(shí)，弧長波形沿橫坐標(biāo)軸T/4處對(duì)稱分布；橫向偏差Δz使弧長波形左右移動(dòng)，并且使波形不再沿T/4處對(duì)稱分布；縱向偏差Δy使弧長波形上下移動(dòng)，不影響弧長波形形態(tài)；坡口角度α影響弧長波形變化幅度，α越小，弧長的變化幅度越大；偏轉(zhuǎn)角度θ破壞弧長波形在T/4處的對(duì)稱分布，使弧長波形在T/4左右兩側(cè)呈現(xiàn)相反的變化規(guī)律。

因此，角焊縫位姿的變化將給弧長帶來更加復(fù)雜的變化，一方面影響角焊縫的焊接質(zhì)量，另一方面給角焊縫位姿的檢測(cè)和解耦帶來困難。

2 角焊縫位姿檢測(cè)方法

從前面分析可知，角焊縫位姿變化導(dǎo)致時(shí)域弧長波形變化，從時(shí)域信號(hào)中尋找反映焊縫位姿的特征量，用來確定焊縫位姿是一種困難的方法，因而可以采用變換域方法。當(dāng)選擇的變量空間是正交線性空間時(shí)，變換誤差小，變換求解簡單，傅里葉變換不僅滿足要求，而且具有明確的物理意義[11]。

2.1 角焊縫橫向偏差檢測(cè)

首先，對(duì)角焊縫弧長信號(hào)h(t)作傅里葉變換，計(jì)算特征諧波幅值an(n=1,2,3,…)，其計(jì)算方程如下：

(3)

式中，n為諧波次數(shù)；ω為傳感掃描角頻率。

根據(jù)式(3)，并利用變換空間各諧波分量之間線性空間關(guān)系，得到橫向偏差Δz計(jì)算方程如下：

(4)

2.2 角焊縫坡口角度和偏轉(zhuǎn)角度檢測(cè)

根據(jù)式(2)可知，坡口角度α和偏轉(zhuǎn)角度θ隱含在底板和立板平面法向量n1和n2中，耦合在一起共同影響角焊縫弧長h(t)，給位姿檢測(cè)帶來困難，必須對(duì)兩者進(jìn)行解耦，才能進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)式(3)，可得法向量n1和n2的解耦方程如下：

(5)

聯(lián)立式(2)和式(5)，即可檢測(cè)出角焊縫的坡口角度α和偏轉(zhuǎn)角度θ。

2.3 角焊縫縱向偏差檢測(cè)

根據(jù)角焊縫橫向偏差Δz、坡口角度α和偏轉(zhuǎn)角度θ的檢測(cè)結(jié)果，可以建立角焊縫無縱向偏差Δy時(shí)的弧長H(t)模型如下：

(6)

由此，焊縫縱向偏差Δy的計(jì)算方程為

(7)

3 試驗(yàn)分析

為了檢驗(yàn)本文所提出的角焊縫位姿檢測(cè)方法的可行性，采用線陣激光位移傳感器對(duì)某集裝箱箱梁角焊縫進(jìn)行不同條件下的位姿檢測(cè)試驗(yàn)，并分析坡口間隙、定位焊縫對(duì)位姿檢測(cè)誤差的影響。本文所用線陣激光位移傳感器的主要參數(shù)如表1所示。

表1 激光位移傳感器主要參數(shù)Tab.1 Major parameters of laser displacement sensor

3.1 坡口間隙對(duì)位姿檢測(cè)的影響

角焊縫焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)過程中，由于下料加工精度或裝配精度不夠，容易造成立板和底板之間產(chǎn)生一定尺寸的間隙，這將對(duì)焊縫偏差檢測(cè)結(jié)果和自動(dòng)化焊接質(zhì)量帶來不利影響。本文試驗(yàn)測(cè)量了角焊縫坡口間隙d=2,3,4,5 mm時(shí)的弧長h(t)，如圖3中實(shí)線所示。由圖3可以看出，實(shí)際弧長h(t)波形在間隙處發(fā)生急劇變化，且間隙尺寸越大，弧長突變幅度也越大。

圖3 不同間隙尺寸下的角焊縫坡口弧長Fig.3 The groove depth in different root gap

圖3所示的虛線為通過角焊縫位姿檢測(cè)方法建立的模擬弧長H(t)。由圖3可以看出，模擬弧長H(t)較好地反映了實(shí)際弧長h(t)的角焊縫坡口位姿特征，并且，對(duì)坡口間隙導(dǎo)致的弧長波形突變具有良好的抗干擾能力。由于坡口間隙的存在，模擬信號(hào)與實(shí)測(cè)信號(hào)產(chǎn)生了一定程度的偏離，故為了評(píng)價(jià)坡口間隙對(duì)角焊縫位姿檢測(cè)結(jié)果的影響，分析了不同間隙尺寸下的位姿檢測(cè)誤差，結(jié)果如表2所示。

表2 不同間隙尺寸下的位姿檢測(cè)誤差Tab.2 Pose detection error in different root gap

從表2可以看出，坡口間隙主要影響角焊縫橫向偏差的檢測(cè)，當(dāng)間隙尺寸d≤3 mm時(shí)，位姿檢測(cè)誤差很小;當(dāng)d>3 mm時(shí)，位姿檢測(cè)誤差有所增加，橫向誤差eΔz增大較快，縱向誤差eΔy、坡口角誤差eα、偏轉(zhuǎn)角誤差eθ變化均不大。在實(shí)際焊接生產(chǎn)中，一般角焊縫的間隙容許誤差為5 mm，由表2的位姿檢測(cè)結(jié)果可知，本文提出的方法滿足大多數(shù)角焊縫結(jié)構(gòu)的自動(dòng)焊工藝要求。

3.2 定位焊縫對(duì)位姿檢測(cè)的影響

對(duì)角焊縫焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)化焊接前，需要將立板和底板按照要求進(jìn)行裝配，然后用定位焊進(jìn)行固定或定位，定位焊點(diǎn)或焊縫的存在對(duì)位姿檢測(cè)將產(chǎn)生不利影響。本文試驗(yàn)測(cè)量了定位焊縫焊腳尺寸k=5,6,7,8 mm時(shí)的實(shí)際弧長h(t)，如圖4中實(shí)線所示。由圖4可以看出，定位焊縫使實(shí)際弧長h(t)波形發(fā)生畸變，焊腳尺寸越大，畸變的區(qū)域和程度越大，甚至使實(shí)際弧長h(t)失去了原來的坡口特征。

圖4 不同焊腳尺寸下的角焊縫坡口弧長Fig.4 The groove depth in different leg length

圖4所示的虛線為通過角焊縫位姿檢測(cè)方法建立的模擬弧長H(t)。由圖4可以看出，模擬弧長H(t)能夠較好地反映出實(shí)際弧長h(t)的角焊縫坡口位姿特征，但隨著定位焊縫焊腳尺寸的增大，模擬信號(hào)與實(shí)測(cè)信號(hào)的偏離程度增大。通過試驗(yàn)分析，定位焊縫對(duì)角焊縫位姿檢測(cè)結(jié)果的影響如表3所示。

表3 不同焊腳尺寸下的位姿檢測(cè)誤差Tab.3 The pose detection error in different leg length

由表3可以看出，定位焊縫主要影響角焊縫縱向偏差的檢測(cè)，當(dāng)焊腳尺寸k≤7 mm時(shí)，角焊縫位姿檢測(cè)誤差較小；當(dāng)k>7 mm時(shí)，位姿檢測(cè)誤差增大，其中縱向誤差eΔy增加較快，其次為橫向誤差eΔz和坡口角誤差eα，偏轉(zhuǎn)角誤差eθ很小。在角焊縫焊接結(jié)構(gòu)自動(dòng)化生產(chǎn)中，為了保證焊縫質(zhì)量的均勻穩(wěn)定，定位焊縫的焊腳尺寸一般都比較小，故焊腳尺寸k應(yīng)小于7 mm，本文方法滿足大多數(shù)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)焊工藝要求。

4 結(jié)論

(1)建立了基于激光位移傳感器的角焊縫位姿弧長模型，并提出了角焊縫位姿解耦算法，為角焊縫焊接結(jié)構(gòu)位姿檢測(cè)提供理論依據(jù)。

(2)坡口間隙對(duì)角焊縫橫向偏差檢測(cè)的影響較大，而定位焊縫對(duì)角焊縫縱向偏差、橫向偏差、坡口角檢測(cè)均有較大影響。若考慮具體焊縫結(jié)構(gòu)的實(shí)際焊接工藝要求，焊接工件的裝配間隙誤差應(yīng)控制在5 mm以內(nèi)，定位焊縫焊腳尺寸應(yīng)控制在7 mm以內(nèi)，提高焊件的裝配精度和降低定位焊縫尺寸可以極大地降低角焊縫的位姿檢測(cè)誤差。

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PoseDetectionofFilletWeldsBasedonLaserDisplacementSensor

HONG Bo1,2YIN Li1,2LI Yi1,2LI Xiangwen1,2

1.College of Mechanical Engineering, Xiangtan University,Xiangtan,Hunan,411105 2.Key Laboratory of Welding Robot and Application Technology of Hunan Province,Xiangtan,Hunan,411105

To solve workpiece offset and deflection problems of welded I-beam and box beam structures in automation production, a pose detection method of fillet welds was proposed based on laser displacement sensors. An arc length model of fillet welds was established, the effects of weld poses on arc length were analyzed. Based on Fourier analysis, a decoupling algorithm was put forward for pose detection, which realized the detections of lateral deviations, longitudinal deviations, groove angles and deflection angles of fillet welds. The pose experiments on the fillet welds with root gaps and tack welds were detected. The results show that the method has small detection error and good anti-interference capability, which has good application prospects in welding automation productions.

laser displacement sensor; fillet weld; pose detection; root gap; tack weld

2016-12-17

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51575468，51405414)；湖南省自然科學(xué)省市聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(2015JJ5013)；湖南省科技廳重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015GK3122)

TG409

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.24.018

(編輯胡佳慧)

洪波，男，1960年生。湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授。主要研究方向?yàn)楹附訖C(jī)器人和自動(dòng)化、焊接工藝及裝備。發(fā)表論文70余篇。E-mail：hongbo@xtu.edu.cn。尹力，男，1982年生。湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師。李毅，男，1975年生。湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授。李湘文，男，1982年生。湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授。