激光焊縫跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

趙大興，丁晟，肖迪，程兆

(湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北武漢430000)

0 前言

在小型車輛生產(chǎn)企業(yè)中，許多企業(yè)有著多品種、小批量、高要求、短工期等特點(diǎn)，工藝方法、工藝裝備或者信息化等都難以達(dá)到全智能化。由于小型車間生產(chǎn)線柔性不足、整體運(yùn)行效率不高等，當(dāng)前車輛的生產(chǎn)正在向智能化方向轉(zhuǎn)變，通過工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)各種位置的自動(dòng)焊接。而在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，工件往往會(huì)因?yàn)檠b夾誤差、工件熱變形等原因?qū)е滦枰附拥暮缚p偏離了預(yù)定軌道，因此，需要借助傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)焊縫，使焊槍精準(zhǔn)地沿著軌道前進(jìn)，保證焊接質(zhì)量的均勻一致。

對(duì)機(jī)器人焊接的研究主要有焊縫質(zhì)量控制、焊縫跟蹤、焊接傳感、焊接路徑規(guī)劃等[1]，而跟蹤精度與焊接過程中跟蹤的實(shí)時(shí)性則視為焊縫跟蹤系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)[2]。機(jī)器人進(jìn)行焊縫跟蹤的基礎(chǔ)是傳感技術(shù)，根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式分為電弧傳感、視覺傳感、激光傳感等。

電弧傳感是利用電弧自身的參數(shù)作為跟蹤信號(hào)，這種傳感技術(shù)并不需要其他附加設(shè)備，且電弧傳感的抗干擾能力極強(qiáng)。電弧傳感器檢測(cè)焊縫中心的原理是通過在焊接過程中焊接電流與焊接電壓隨著焊槍與工件之間距離的變化而變化這一特性來檢驗(yàn)焊縫中心的[3]。因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，且抗弧光、高溫的能力強(qiáng)，所以在焊縫跟蹤系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛[4]。LE等[5]使用電弧傳感器對(duì)焊縫跟蹤進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，他們對(duì)圓形以及直角和矩形的焊縫跟蹤算法進(jìn)行了大量研究，使機(jī)器人成功對(duì)不同空間下的焊縫進(jìn)行高精度的跟蹤。FABRY等[6]將電弧傳感與槽形光學(xué)測(cè)量應(yīng)用在一起，開發(fā)出一種用于自動(dòng)窄間隙熔化極氣體保護(hù)焊間隙寬度估計(jì)的電弧傳感器模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該模型對(duì)焊接過程中的各項(xiàng)焊接參數(shù)都有良好的估計(jì)能力。來鑫等人[7]提出將磁場(chǎng)控制電弧的技術(shù)應(yīng)用于焊縫跟蹤系統(tǒng)中，同時(shí)通過各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。洪波等人[8]對(duì)磁控電弧傳感器進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，使焊縫跟蹤系統(tǒng)在焊接過程中跟蹤的穩(wěn)定性以及跟蹤精度都有了提升。

視覺傳感器的光源是自然光，傳感器中的CCD相機(jī)能夠直觀地獲取焊縫的信息。視覺傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且操作方便，缺點(diǎn)是只能獲取二維的圖像信息[9]。PARK和MOON[10]基于視覺傳感技術(shù)設(shè)計(jì)了一套管道自動(dòng)焊接系統(tǒng)，提出一種移動(dòng)平均焊縫跟蹤算法，這套算法應(yīng)用于蓋焊道、根部焊道以及填充焊道，實(shí)驗(yàn)證明這套系統(tǒng)能夠有效縮減焊縫中心線與焊槍之間的偏差。郭吉昌等[11]設(shè)計(jì)了一款單目視覺傳感器，這種單目視覺傳感器能夠?qū)附悠驴诘慕孛娉叽纭⒑笜尭叨鹊冗M(jìn)行檢測(cè)，使其在應(yīng)對(duì)較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件時(shí)焊接的適應(yīng)能力很強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該傳感器的最大檢測(cè)誤差不超過2.1%。

激光視覺傳感器是基于三角測(cè)量原理來獲取焊縫的三維信息[12]，優(yōu)點(diǎn)是圖像處理過程簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)，缺點(diǎn)則是激光傳感器結(jié)構(gòu)相對(duì)于其他視覺傳感器要復(fù)雜許多，且會(huì)產(chǎn)生視覺超前誤差[13]。LAHDENOJA等[14]設(shè)計(jì)了一套激光視覺系統(tǒng)，這套系統(tǒng)中包含有視覺傳感器、圖像處理等模塊，可以對(duì)焊接過程進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控反饋以及對(duì)焊接完成后的焊接質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這套系統(tǒng)能夠有效對(duì)焊接接頭進(jìn)行視覺測(cè)量以及焊縫跟蹤。HOU等[12]提出一種基于激光視覺傳感系統(tǒng)的機(jī)器人熔化極氣體保護(hù)焊的焊接方法，并對(duì)V形坡口與角接焊縫進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種方法的控制精度滿足大多數(shù)機(jī)器人焊接情況下的應(yīng)用。李東潔等[15]提出一種基于激光視覺的焊縫檢測(cè)技術(shù)，有效縮短了傳感器在檢測(cè)焊縫時(shí)檢測(cè)特征點(diǎn)的時(shí)間，且同時(shí)擁有較高的檢測(cè)精度。

本文作者設(shè)計(jì)一套激光焊縫跟蹤系統(tǒng)，將激光傳感器搭載于ABB機(jī)器人上，校準(zhǔn)傳感器使其能識(shí)別到不同類型焊縫的跟蹤點(diǎn)，在焊接過程中傳感器識(shí)別到焊縫的特征點(diǎn)后與焊槍的位置進(jìn)行比對(duì)，隨后將糾偏信號(hào)反饋給機(jī)器人，使機(jī)器人完成對(duì)對(duì)接焊縫以及搭接焊縫的跟蹤處理。

1 激光焊縫跟蹤系統(tǒng)

焊縫跟蹤系統(tǒng)主要由焊接機(jī)器人、焊機(jī)、送絲機(jī)、傳感器、控制器、焊槍、氣瓶組成，在焊接作業(yè)中，傳感器會(huì)實(shí)時(shí)采集工件圖像，根據(jù)焊縫類型采用相關(guān)算法對(duì)圖像進(jìn)行處理，找到跟蹤點(diǎn)，隨后將實(shí)時(shí)位置偏差信號(hào)反饋給焊接機(jī)器人控制柜，機(jī)器人根據(jù)反饋信號(hào)即時(shí)調(diào)整自身姿態(tài)使焊槍的中心點(diǎn)始終與焊縫對(duì)齊，以實(shí)現(xiàn)焊縫的實(shí)時(shí)跟蹤。焊接工作站如圖1所示。

圖1 焊接工作站Fig.1 Welding workstation

激光視覺傳感器基于三角測(cè)量原理來獲取焊縫的三維信息。激光傳感器由激光二極管、CCD攝像機(jī)和聚光鏡組成，在跟蹤過程中，激光投射到工件表面形成一個(gè)激光條紋，CCD攝像機(jī)對(duì)其進(jìn)行圖像的采集以及處理，得知跟蹤點(diǎn)的位置。其基本過程如圖2所示。

圖2 激光視覺傳感器跟蹤過程Fig.2 Tracking process of laser vision sensor

此次研究的主要對(duì)象為對(duì)接焊縫以及搭接焊縫，傳感器裝載方式如圖3所示。兩塊板水平接在一起，形成對(duì)接焊縫，而對(duì)接焊縫通常會(huì)有一個(gè)間隙以及錯(cuò)位，傳感器在識(shí)別對(duì)接焊縫時(shí)會(huì)采集到6個(gè)點(diǎn)，所有識(shí)別點(diǎn)如圖4所示：點(diǎn)2和點(diǎn)5是圓邊開始的拐點(diǎn)。點(diǎn)3與點(diǎn)4之間的距離為間隙寬度。

圖3 傳感器裝夾位置Fig.3 Clamping position of sensor

圖4 對(duì)接焊縫斷點(diǎn)Fig.4 Breakpoints of butt-jointed seam

對(duì)接焊縫的跟蹤方式一共有4種，這4種方式主要是判定跟蹤點(diǎn)的方法不同，包括最低板、最高板、中間點(diǎn)、最低點(diǎn)。

(1)最低板。跟蹤點(diǎn)位于最低板的水平線上。跟蹤點(diǎn)是點(diǎn)3和4在最低板水平線上的垂直投影的中間點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 最低板跟蹤點(diǎn)位置Fig.5 Tracking point location on the lowest board

(2)最高板。跟蹤點(diǎn)位于最高板的水平線上。跟蹤點(diǎn)是點(diǎn)3和4在最高板水平線上的垂直投影的中間點(diǎn)，如圖6所示。

圖6 最高板跟蹤點(diǎn)位置Fig.6 Tracking point location on the highest board

(3)中點(diǎn)。跟蹤點(diǎn)是點(diǎn)3在最高板水平線上的垂直投影與點(diǎn)4在最低板水平線上的垂直投影連線的中間點(diǎn)，如圖7所示。

圖7 中間點(diǎn)跟蹤點(diǎn)位置Fig.7 Tracking location of the middle point

(4)最低點(diǎn)。跟蹤點(diǎn)是點(diǎn)3和點(diǎn)4之間的最低點(diǎn)。

搭接焊縫是由兩個(gè)重疊的直板組成，如圖8所示，其中跟蹤點(diǎn)為點(diǎn)2，在算法設(shè)置中搭接算法需要設(shè)定板厚才能確定跟蹤點(diǎn)的位置。

圖8 搭接板跟蹤點(diǎn)Fig.8 Tracking point of the lap jointed sheet

2 ABB焊接機(jī)器人配置

2.1 ABB機(jī)器人與傳感器通信

ABB機(jī)器人控制柜與傳感器控制柜通過廣域網(wǎng)口WAN口連接，連接完成后在ABB機(jī)器人控制面板中進(jìn)行配置，主題中選擇Communication→Transmission Protocol→Laser1，配置如表1所示。

表1 傳感器通信配置Tab.1 Communication configuration of sensor

2.2 ABB機(jī)器人坐標(biāo)系的建立

為提高焊接精度，采用三點(diǎn)法建立工件坐標(biāo)，工件坐標(biāo)為工作臺(tái)平面，將工件平面的x1、x2、y1標(biāo)定即可，從原點(diǎn)x1出發(fā)沿校準(zhǔn)板x軸方向移動(dòng)，設(shè)立x2，再由原點(diǎn)往y軸方向移動(dòng)設(shè)立點(diǎn)y1，工件坐標(biāo)名設(shè)立為wob,如圖9所示。

圖9 工件坐標(biāo)設(shè)定Fig.9 Workpiece coordinate setting

為了使機(jī)器人能夠識(shí)別焊槍的精準(zhǔn)位置，還要設(shè)立工具坐標(biāo)，工具坐標(biāo)的設(shè)立采用TCP和x、z法建立。在此法中，第一個(gè)點(diǎn)為垂直固定點(diǎn)，將焊槍位置擺正垂直落在點(diǎn)上，后面3個(gè)點(diǎn)的位置姿態(tài)盡量相差較大，點(diǎn)x為工具參考點(diǎn)沿著x軸方向直線運(yùn)動(dòng)，點(diǎn)z為工具參考點(diǎn)沿著上方呈直線運(yùn)動(dòng)，依此法建立工具坐標(biāo)，工具坐標(biāo)名設(shè)為tool。

2.3 ABB機(jī)器人焊機(jī)信號(hào)配置

焊機(jī)在控制面板中“Process→Arc Equipment→ARC1_EQUIP_T_ROB1”進(jìn)行配置，配置如表2所示。

表2 焊接配置Tab.2 Welding configuration

在系統(tǒng)“Arc Equipment Analogue Outputs”中配置模擬信號(hào)，如表3所示；數(shù)字信號(hào)主要用來控制起弧、送絲、送氣等，配置如表4所示。

表3 模擬信號(hào)配置Tab.3 Analog signal configuration

表4 數(shù)字信號(hào)配置Tab.4 Digital signal configuration

3 傳感器校準(zhǔn)

傳感器在使用前需要對(duì)其視場(chǎng)進(jìn)行校準(zhǔn)，傳感器與上位機(jī)的通信通過weldcom軟件完成。在weldcom中，新建任務(wù)，算法中選擇搭接焊縫，板厚設(shè)定為2 mm，最大間隙5 mm，厚度容差為15%，以此識(shí)別焊縫；在LTC中，進(jìn)入“Calibration setup”，按步驟設(shè)定至第3步，將傳感器激光設(shè)定在校準(zhǔn)板兩邊等寬大約1/4處的位置，使整個(gè)校準(zhǔn)板的間隙處于傳感器的視覺當(dāng)中，如圖10與圖11所示，校準(zhǔn)完成后如圖12所示。

圖10 LTC校準(zhǔn)設(shè)定示意Fig.10 Calibration setting of LTC

圖11 校準(zhǔn)設(shè)定Fig.11 Calibration setting

圖12 校準(zhǔn)完成Fig.12 Calibration finish

4 焊接實(shí)驗(yàn)

4.1 焊接系統(tǒng)設(shè)置

此次實(shí)驗(yàn)使用的工業(yè)機(jī)器人為ABB公司的irb1600型號(hào)機(jī)器人，傳感器為賽融POWECAM-SHR，焊機(jī)為福尼斯TPS5000。此次焊接的工件為對(duì)接板與搭接板，焊接工藝為雙脈沖焊接，焊絲的材質(zhì)為碳鋼，保護(hù)氣為82%Ar+18%CO2，焊機(jī)中的設(shè)定參數(shù)如表5所示。

表5 焊接參數(shù)Tab.5 Welding parameters

在ABB程序編寫前還要設(shè)立焊接的主要參數(shù)：Seam Data、Weld Data。Seam Data主要控制起弧以及收弧時(shí)焊槍中清吹氣的時(shí)間，以提高焊接的完整性。Seam data設(shè)定如表6所示。

表6 Seam data 參數(shù)值Tab.6 Seam data parameters

Weld Data控制機(jī)器人在焊接過程中焊接電流、焊接電壓、焊接速度等參數(shù)。Weld data參數(shù)設(shè)立如表7所示。

表7 Weld data參數(shù)值Tab.7 Weld data parameters

4.2 搭接直線焊縫跟蹤程序及結(jié)果

搭接焊縫的焊縫識(shí)別設(shè)定如圖13所示，設(shè)定板厚為2 mm，最大間隙5 mm，厚度容差為15%，板材位置為右在左上。

圖13 搭接焊縫跟蹤設(shè)定Fig.13 Tracking settings of lap-jointed seam

設(shè)立ABB焊接主程序，使其進(jìn)行搭接焊縫的直線焊接作業(yè)，其中track1函數(shù)在“joint_no:=”中選擇9來調(diào)用在weldcom中設(shè)定的任務(wù)焊接機(jī)器人的主程序如下：

PROC main()

MoveJ，tohome,v1000,fine,toolWobj:=wob;// MoveJ指令可快速使機(jī)器人移到焊接準(zhǔn)備點(diǎn)

MoveJ，zx1,v300,fine toolWobj:=wob;//使焊槍移動(dòng)至焊接開始點(diǎn)

ArcLstart,zx2,v300,seam1,weld1,fine,toolWobj:=wob rack:=track1;//開始直線焊接，track指令使焊縫系統(tǒng)啟動(dòng)

Arclend,zx3,v300,seam1,weld1,fine,toolWobj:=wob rack:=track1;//到達(dá)終點(diǎn)

MoveJ home1,v300,fine,toolWobj:=wob;//焊接完成后移動(dòng)至home點(diǎn)

ENDPROC

焊接作業(yè)完成后，焊縫表面如圖14所示，可以看到：接頭表面形成良好，同時(shí)表面的弧紋光滑，焊縫均勻平整。視覺統(tǒng)計(jì)數(shù)值與曲線分別如圖15與圖16所示。TY與TZ為跟蹤點(diǎn)，CAy與CAz為校準(zhǔn)參考點(diǎn)。由圖16可見：跟蹤點(diǎn)y軸(焊槍焊接方向)的偏差在0.2 mm內(nèi)。

圖14 搭接直線焊縫Fig.14 Lap-jointed seam

圖15 搭接直線焊接視覺統(tǒng)計(jì)Fig.15 Lap-jointed seam visual statistics

圖16 搭接直線焊接視覺統(tǒng)計(jì)曲線Fig.16 Lap-jointed seam visual statistics curves

4.3 對(duì)接圓弧焊縫跟蹤程序及結(jié)果

對(duì)接焊縫的跟蹤設(shè)定如圖17所示，其跟蹤點(diǎn)位置選擇中間點(diǎn)，最大間隙為10 mm，最大錯(cuò)位為2 mm，辨別閾值為40%。

圖17 對(duì)接焊縫跟蹤設(shè)定Fig.17 Tracking settings of butt-jointed seam

對(duì)接焊縫的圓弧作業(yè)ABB程序如下，其中track2函數(shù)在”joint_no:=”中選擇16來調(diào)用在weldcom中設(shè)定的任務(wù)：

PROC main()

MoveJ tohome,v1000,fine,toolWobj:=wob;

MoveJ zx1,v300,finetoolWobj:=wob;

ArcLstart,zx2,v300,seam1,weld1,fine,toolWobj:=wob rack:=track2;

ArcCend,zx3,v300,seam1,weld1,fine,toolWobj:=wob rack:=track2;

MoveJ home1,v300,fine,toolWobj:=wob;

ENDPROC

對(duì)接圓弧焊接作業(yè)完成后焊縫表面如圖18所示，接頭焊縫良好地蓋過了焊縫，接頭表面形成良好。其視覺統(tǒng)計(jì)數(shù)值與曲線分別如圖19和圖20所示，跟蹤點(diǎn)y軸移動(dòng)約3 mm，與焊縫y軸保持一致。

圖18 對(duì)接圓弧焊縫Fig.18 Butt-jointed arc seam

圖20 對(duì)接圓弧焊接視覺統(tǒng)計(jì)曲線Fig.20 Butt-jointed arc seam visual statistics curves

5 結(jié)論

使用自行設(shè)計(jì)的焊縫跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了搭接直線焊縫以及對(duì)接圓弧焊縫的跟蹤實(shí)驗(yàn)，該焊縫跟蹤控制系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了焊槍在焊接作業(yè)中的跟蹤控制，且該跟蹤系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能及糾偏性能良好，控制精度高，焊縫表面均勻平整，沒有裂紋、飛濺、氣孔的存在，焊縫外觀成型良好。對(duì)小型車間智能化生產(chǎn)具有重要意義。