雷塞控制器下的自動焊接系統(tǒng)及優(yōu)化控制研究

張曉芳

(蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學院電子信息學院，江蘇 太倉 215411)

0 引言

焊接技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、能源、交通、電氣工程等各個領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟發(fā)展中具有重要地位。隨著智能制造的提出和發(fā)展，對焊接自動化提出了更高的要求。基于傳感技術(shù)的焊接跟蹤系統(tǒng)應(yīng)運而生。一般的焊接跟蹤系統(tǒng)主要由傳感機構(gòu)、信息處理單元和跟蹤裝置三部分組成?；趫D像處理技術(shù)的視覺傳感器是近年來的發(fā)展趨勢[1-3]，主要由激光位置傳感器和工業(yè)相機進行圖像采集。

德國Mel公司推出的M2DW和M2W-iLAN自動焊接跟蹤系統(tǒng)通過激光位置傳感器獲得焊縫掃描線，可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)控制焊槍至精確的曲面等高線進行焊接。美國的Worthington Industries、加拿大的Servo-robot等公司也研發(fā)了一系列激光跟蹤焊接系統(tǒng)，定位精度較高、跟蹤效果較好[4]。

在國內(nèi)，上海交通大學、清華大學等高校致力工業(yè)相機圖像采集系統(tǒng)算法研究，把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制應(yīng)用到焊縫跟蹤跟蹤系統(tǒng)中，主要通過對采集到的圖像進行算法研究(閾值法、二值法、中值濾波法、邊緣檢測法、圖像銳化和圖像平滑處理)獲取最優(yōu)途徑[5]。孫軍華[6]提出采用最近點迭代算法，實時性高，但噪聲干擾時會降低測量精度； 楊強[7]提出采用遺傳算法，但算法復雜度高，還需配備上位機，實時性差； Zheng L[8]、譚周文[9]提出了基于最小二乘的輪廓匹配算法，實時性高，但由于受光源等的影響，在工件側(cè)面采集信號時會出現(xiàn)分離群點，算法誤差比較大。

1 自動焊接跟蹤硬件系統(tǒng)

自動焊接跟蹤硬件系統(tǒng)系統(tǒng)由控制器、激光位置傳感器、觸摸屏、2個伺服控制器、2個伺服電機、2個步進控制器、2個步進電機組成，為4軸焊接跟蹤系統(tǒng)?？刂破鞑捎美兹鸖MC606運動控制器。該智能控制器是2014年開發(fā)的新型運動控制器，既有邏輯控制功能，又有位置控制和軌跡控制功能，最多可控制6軸運動。在編程語言方面，有梯形圖、功能塊圖、順序功能流程圖；另有結(jié)構(gòu)化文本語言、文本類高級語言，可用于優(yōu)化算法處理。通過測試,發(fā)現(xiàn)激光位置傳感器采集到的一些輪廓數(shù)據(jù)有問題，因此需要對數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理，選用具有一定算法功能的控制器。

雷塞控制器的編程語言中有文本類高級語言，不需要再專設(shè)上位機進行算法優(yōu)化，確保了數(shù)據(jù)優(yōu)化的時效性。此外，相比西門子運動控制器等品牌，雷塞6軸控制器在價格上具有很大的優(yōu)勢，特別適用于非標自動焊接跟蹤系統(tǒng)的開發(fā)。激光位置傳感器主要用于掃描焊接工件的外輪廓，采用具有高度穩(wěn)定性的基恩士激光傳感器。傳感器主機單元是IL-1000，傳感頭是IL300。其測量范圍是160～450 mm，實現(xiàn)了低成本和高性能。激光位置傳感器將采集到的數(shù)據(jù)通過模擬量模塊送至控制器。此處模擬量模塊選用的是與雷塞控制器匹配的雷塞EM06AX-E1，4路模擬量輸入、2路模擬量輸出，滿足系統(tǒng)要求。伺服控制器采用的是雷塞L5-750Z、L5-400Z，便于塞雷控制器對其控制。兩款型號僅是功率不同，由現(xiàn)場驅(qū)動能力選定。其中：橫行軸采用750 W伺服控制系統(tǒng)L5-750Z，1∶10行星減速器通過皮帶傳動，配套的伺服電機為ACM8008M2H-61-D-SS；主臂軸采用400 W伺服控制系統(tǒng)L5-400Z，1∶5絲桿滑臺傳動，配套的伺服電機為ACM6004L2H-60-D-SS。步進控制器為雷塞的DMA882S、DM542S，兩者僅是驅(qū)動能力和細分的不同。DMA882S用于驅(qū)動能力、位置精度要求更高的軸，此處為步進控制器1，采用轉(zhuǎn)動慣量更大的86系列步進電機，用于控制其焊槍升降運動；步進控制器2采用DM542S，步進電機2采用57系列，用于控制焊槍旋轉(zhuǎn)角度。觸摸屏采用威綸通TK6070IP，經(jīng)濟型，滿足人機交互。

硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖Fig.1 Diagram of hardware system

2 自動焊接跟蹤優(yōu)化控制算法

系統(tǒng)通過激光位置傳感器獲得焊縫點數(shù)據(jù)，通過模擬量模塊送至雷塞控制器?？刂破魍ㄟ^優(yōu)化算法修正焊縫點數(shù)據(jù)，形成與工件匹配度高的焊縫曲線。對于激光傳感器獲取的焊縫輪廓曲線，數(shù)據(jù)優(yōu)化子程序流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)優(yōu)化子程序流程圖Fig.2 Flowchart of data optimization subprogram

2.1 差分法

根據(jù)焊接工件的特性，經(jīng)過試測發(fā)現(xiàn)，掃描U型工件時，由平面進入側(cè)面，或者由側(cè)面進入平面處突變時的拐彎點數(shù)據(jù)出錯概率為90%。這是由于工件表面反光及光源拐點處理產(chǎn)生的問題，因此要對這些數(shù)據(jù)進行修正。焊槍和激光傳感器由同一運動平臺控制，間距為50 cm。隨著焊槍的移動，激光傳感器也隨之移動，可不斷掃描下一位置。每次將掃描的點送至雷塞運動控制器進行處理，生成新的焊縫點，控制焊槍進行焊接，實現(xiàn)邊掃描邊焊接。采用基恩士IL-1000、IL-300，經(jīng)過試測，每次可掃描若干個工件(產(chǎn)生N個點)。若下一次掃描從(N+1)點的位置開始，不能排除每段的開始和結(jié)束處有錯誤數(shù)據(jù)；若將錯誤數(shù)據(jù)參與優(yōu)化計算，拐點的分離群點將影響整個計算結(jié)果。因此，每段開始參與優(yōu)化的數(shù)據(jù)必須是非分離群點或者已經(jīng)過優(yōu)化的數(shù)據(jù)。算法先通過差分排查選出有問題的掃描點，再進行擬合。

2.2 分段疊加

假設(shè)一次掃描的數(shù)據(jù)有N個，掃描一個工件產(chǎn)生的點數(shù)為C個，確定有效點數(shù)為A(C

若某次掃描后獲得的B個起始數(shù)據(jù)有問題，將這些數(shù)據(jù)作為待優(yōu)化的處理數(shù)據(jù)，所得結(jié)果有很大偏差。采用上一段已經(jīng)過優(yōu)化后的(kA+1)開始的B個數(shù)據(jù)作為正確數(shù)據(jù)，替換本次掃描的B個起始數(shù)據(jù)，并將正確數(shù)據(jù)與本次掃描后獲得的(N-B)個數(shù)據(jù)一起作為待處理的數(shù)據(jù)進行優(yōu)化。上一段結(jié)尾處可能會遇到分離群點。為避免優(yōu)化數(shù)據(jù)出錯，疊加時未采用上段(kA+1)開始至(k-1)A+N處所有數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，而只采用了上段從(kA+1)開始優(yōu)化的B個數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)分段疊加方法如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)分段疊加方法Fig.3 Method of partition-and-accumulate

2.3 局部最小二乘法

對疊加形成的新數(shù)據(jù)進行優(yōu)化。對于小型非標焊接系統(tǒng)，為了提升實時處理速度，直接采用雷塞控制器進行處理，確保了實時性和正確性，并且充分利用了其性能。采用多項式的奇函數(shù)進行最小二乘法擬合優(yōu)化?？紤]到雷塞控制器的計算性能，基于多項式的最小二次乘法擬合為：

y=a0+a1x+a2x2+a3x3

(1)

從錯誤數(shù)據(jù)段往前、往后延伸幾個數(shù)據(jù)(確保是穩(wěn)定的正確數(shù)據(jù))，來擬合最小二乘法相關(guān)因子。

即:

(2)

(3)

(4)

由此可得a0、a1、a2、a3的數(shù)值。

若從(xi+1,yi+1)開始連續(xù)有若干個分離群點，則由xi+1通過式(1)計算獲得yi+1，其他有問題的點依次類推，即擬合了正確的曲線。

擬合了正確曲線后，控制器即可控制焊槍調(diào)整至正確位置進行焊接。移動相應(yīng)位置后，激光位置傳感器再同時進行位置掃描，實現(xiàn)了邊掃描、邊優(yōu)化、邊焊接。

3 以U型工件為例的優(yōu)化實例

3.1 焊接要求

U型單元鐵板需要進行焊接組裝為集裝箱貨車車廂。其工件為一系列U型單元。每個U型單元為20～30 cm不等，需要控制焊槍進行正確焊接。

3.2 局部最小二乘法構(gòu)建曲線

利用差分法排除分離群點，采用分段疊加遴選有效點，并對疊加形成的新數(shù)據(jù)進行優(yōu)化。本系統(tǒng)直接采用雷塞控制器進行數(shù)據(jù)處理，擬合曲線為最小二次乘法y=a0+a1x+a2x2+a3x3。通過式(4)，結(jié)合穩(wěn)定的正確數(shù)據(jù)來擬合最小二乘法相關(guān)因子。對于分離群點，采用式(1)、式(4)計算，得到正確數(shù)據(jù)。

3.3 仿真結(jié)果

激光傳感器掃描工件外輪廓時，X軸每移動1 mm，激光傳感器掃描獲得工件Y軸高度，工件高度數(shù)值如下(單位dm)：3.03,3.05,…,3.12。為了更有利于差分篩選，通過轉(zhuǎn)換后將數(shù)值放大，此處選取300倍。一次可掃描采集400個數(shù)據(jù)，限于篇幅，選取其中一部分數(shù)據(jù)進行分析處理。一組數(shù)據(jù)中第Y]K×A+i]開始的23個數(shù)據(jù)為{91 000,90 700,90 700,90 400,89 600,88 500,87 600,86 000,90 200,94 100,79 200,95 800,78 400,97 700,98 300,66 600,64 700,64 100,63 800,63 600,63 600,63 300,63 300}

通過差值法，第Y]K×A+i+8]開始為分離群點。這是由于工件下降沿折角處反光引起激光傳感器數(shù)據(jù)采集誤差。待處理數(shù)據(jù)組的左邊界為]K×A+i+8]。由于工件右折角寬度不超過3 cm，因此從此數(shù)據(jù)開始往后延伸30個數(shù)據(jù)進行差值計算，即計算第Y]K×A+i+37]與Y]K×A+i+38]數(shù)據(jù)差值，并依次往前逆向計算差值，例如第Y]K×A+i+36]與Y]K×A+i+37]差值，最終獲得問題數(shù)據(jù)組的右邊界。此處為Y]K×A+i+14]與Y]K×A+i+15]差值過大，問題數(shù)據(jù)組右邊界為]K×A+i+14]。待優(yōu)化數(shù)組為]K×A+i+8]至]K×A+i+14]共計7組數(shù)據(jù)。將X]K×A+i+6]、Y]K×A+i+6]，X]K×A+i+7]、Y]K×A+i+7]，X]K×A+i+15]、Y]K×A+i+15]，X]K×A+i+16]、Y]K×A+i+16]這四組數(shù)據(jù)代入式(4)，獲得a0、a1、a2、a3的值，構(gòu)建局部最小二乘法曲線。通過擬合的最小二乘法曲線獲得Y]K×A+i+8]至Y]K×A+i+14]數(shù)據(jù)為{84 950,82 910,79 085，77 000,73 875,71 050,68 025}。

一輪掃描結(jié)束后，激光傳感器進行下一輪位置掃描。為確保有效銜接，下一輪掃描與上一輪掃描有冗余度。此處選擇為30個重復數(shù)據(jù)。第Y]K×A+i+8]位于下一輪掃描開始的起始端。為確保優(yōu)化算法的有效性，起始端數(shù)據(jù)必須正確無誤。因此，此輪掃描分段疊加開始的B個數(shù)據(jù)(經(jīng)過試驗，B選取為10)必須無分離群點。如數(shù)據(jù)正常，直接將掃描到的初始數(shù)據(jù)進行優(yōu)化計算即可。但此處]K×A+i+8]數(shù)據(jù)有問題，必須采用經(jīng)過上輪優(yōu)化后的正確數(shù)據(jù)，為{91 000,90 700,90 700,90 400,89 600,88 500,87 600,86 000,84 950,82 910}替換原起始端10個數(shù)據(jù)，其余數(shù)據(jù)不變。由這些數(shù)據(jù)構(gòu)成此輪待優(yōu)化數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理。 以下為在雷塞控制上直接經(jīng)過激光位置傳感器獲得的工件輪廓圖和經(jīng)過優(yōu)化后的工件輪廓圖。

工件輪廓圖如圖4所示。

圖4 工件輪廓圖Fig.4 Workpiece outline

經(jīng)過以上激光掃描傳感器采集信號，采用優(yōu)化算法進行曲線擬合，直接通過雷塞SMC606運動控制器獲得工件數(shù)據(jù)和曲線圖，可有效引導焊槍至正確位置。

4 結(jié)論

本文構(gòu)建了一套基于雷塞控制器的焊接自動跟蹤系統(tǒng)，完成器件選型和硬件系統(tǒng)的設(shè)計。在硬件設(shè)計方面，通用性強，可根據(jù)控制要求進行必要的移植，大大減少了生產(chǎn)成本和投產(chǎn)周期，滿足經(jīng)濟性和準確性的要求。在軟件設(shè)計方面，對激光位置傳感器獲得的焊縫掃描線進行優(yōu)化，在雷塞SMC606運動控制器上利用差分法排除分離群點，采用分段疊加、遴選有效點、局部最小二乘法擬合掃描線，直接實現(xiàn)對焊槍位置的引導。整套系統(tǒng)并未配備上位機，在滿足準確性的要求下提升了實時性。