高職焊接教學(xué)中關(guān)于焊接機(jī)器人焊縫跟蹤的研究

白利兵

【摘 要】隨著現(xiàn)代化加工技術(shù)對(duì)焊接人才的需求，機(jī)器人焊接課程被逐步引入到高職院校課程中；以高職院校焊接教學(xué)為研究背景，從技術(shù)角度對(duì)機(jī)器人焊縫跟蹤進(jìn)行研究，以期對(duì)高職院校焊接實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供一定的技術(shù)支持。

【關(guān)鍵詞】高職院校 焊接教學(xué) 焊縫跟蹤 機(jī)器人

【中圖分類號(hào)】 G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】0450-9889（2015）07C-0185-03

在焊接機(jī)器人的自動(dòng)控制中，要求機(jī)器人能認(rèn)別焊縫位置并沿著焊縫自動(dòng)規(guī)劃焊接軌跡。目前，大部分的焊接機(jī)器人的位置識(shí)別都是通過(guò)示教的方式完成，并人為提前精確地規(guī)劃好焊接的軌跡。然而，大型焊接件在人為規(guī)劃焊接軌跡時(shí)，由于焊件的特點(diǎn)，單純的示教軌跡識(shí)別無(wú)法完成大范圍和高精度的焊接。為此，在焊接實(shí)驗(yàn)教學(xué)中提供一種具有大范圍和高精度的可自動(dòng)跟蹤焊接機(jī)器人具有重要意義。

一、宏微雙驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

宏微雙驅(qū)動(dòng)焊件機(jī)器人系統(tǒng)由機(jī)器人本體、視覺(jué)采集模塊、控制系統(tǒng)和上位計(jì)算機(jī)組成，如圖1a）所示。機(jī)器人本體由宏機(jī)器人和微機(jī)器人組成，宏機(jī)器人由行程為600mm的兩個(gè)自由度組成，微機(jī)器人由行程為200mm的兩個(gè)自由度組成，四個(gè)關(guān)節(jié)均采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。宏機(jī)器人用于大范圍移動(dòng)，微機(jī)器人實(shí)現(xiàn)高精度調(diào)節(jié)。微機(jī)器人安裝于宏機(jī)器人末端，微機(jī)器人裝有焊槍和視覺(jué)傳感器模塊。視覺(jué)模塊由激光器、攝像頭、圖像采集卡等組成，如圖1 b）所示。

宏微雙驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制策略如圖2所示。主控制器根據(jù)期望的焊接軌跡與反饋的誤差大小判斷是啟動(dòng)宏動(dòng)單元還是微動(dòng)單元。宏動(dòng)單元在運(yùn)行前，通過(guò)多點(diǎn)示教完成焊縫的大體軌跡規(guī)劃，微動(dòng)單元與視覺(jué)傳感系統(tǒng)組成閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)焊縫的自動(dòng)跟蹤。

a） 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖 b） 視覺(jué)傳感器

圖1 宏微雙驅(qū)動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)

圖2 宏微雙驅(qū)動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

二、焊縫跟蹤

（一）宏機(jī)器人粗跟蹤規(guī)劃

由于機(jī)器人在控制的過(guò)程中，對(duì)于同一個(gè)目標(biāo)有多種姿態(tài)可以實(shí)現(xiàn)，不同的姿態(tài)形式影響機(jī)器人的整體性能。因此宏機(jī)器人在接到焊接任務(wù)后，首先通過(guò)視覺(jué)傳感器確認(rèn)焊槍和焊縫的位置，依據(jù)機(jī)器人焊槍運(yùn)動(dòng)連續(xù)和沖擊小的原則初步選擇一組合適到達(dá)的姿勢(shì)。接著采用基于笛卡爾坐標(biāo)關(guān)節(jié)空間的對(duì)軌跡規(guī)劃模式，對(duì)宏機(jī)器人的末端位姿進(jìn)行規(guī)劃。將焊縫的示教采樣點(diǎn)作為宏機(jī)器人軌跡規(guī)劃的參考點(diǎn)，對(duì)于簡(jiǎn)單的焊縫，示教點(diǎn)的間隔可以稍微大些，相應(yīng)的對(duì)于復(fù)雜的焊接任務(wù)，為了提高精度將示教點(diǎn)劃分得盡可能細(xì)，特別是在大轉(zhuǎn)角處，大突變的焊縫處。宏機(jī)器人粗跟蹤是精跟蹤的基礎(chǔ)，合理的粗跟蹤將大大減少后續(xù)精跟蹤的跟蹤速率和精度等級(jí)。

（二）微機(jī)器人精跟蹤閉環(huán)

微機(jī)器人串聯(lián)于宏機(jī)器人的末端，且處于其中間位置，隨著宏機(jī)器人一起運(yùn)動(dòng)，宏機(jī)器人在焊縫粗跟蹤的過(guò)程中結(jié)合軌跡規(guī)劃的效果，確保微機(jī)器人將處在焊縫中心附近。結(jié)合微機(jī)器人慣量小，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，采用PID算法完成焊縫圖像采集和焊槍位置閉環(huán)控制。其控制原理如圖3所示。

圖3 微機(jī)器人閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

由圖3可知，微機(jī)器人的動(dòng)作和目標(biāo)為使焊縫的實(shí)際軌跡點(diǎn)和焊槍的實(shí)際軌跡點(diǎn)的誤差在許可范圍內(nèi)，由圖形處理軟件給定當(dāng)前焊縫的理論位置和焊槍當(dāng)前的位置，通過(guò)PID控制器對(duì)微動(dòng)單元的速度和位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，驅(qū)動(dòng)微機(jī)器人進(jìn)行焊接工作，接著由視覺(jué)傳感器采集到焊槍的實(shí)際位置，反饋到下一次循環(huán)中。由于微機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是在宏機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)前提下，運(yùn)動(dòng)范圍小，所需調(diào)節(jié)小，因此通過(guò)PID調(diào)節(jié)可以很好滿足任務(wù)要求。

（三）宏微機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)

一般情況下，宏機(jī)器人和微機(jī)器人在焊縫自動(dòng)跟蹤時(shí)是單獨(dú)完成的。宏機(jī)器人通過(guò)三次多項(xiàng)式或高次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃，可以提高機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)將微機(jī)器人置于焊縫中間位置附近。但當(dāng)宏運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃受到機(jī)構(gòu)約束與焊縫的位置相差較大時(shí)，微機(jī)器人的視覺(jué)傳感器將失效，無(wú)法找到焊縫的位置。此時(shí)，應(yīng)將宏微雙驅(qū)動(dòng)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)遵循宏機(jī)器人運(yùn)動(dòng)為主，盡可能的多次小范圍調(diào)節(jié)，微機(jī)器人運(yùn)動(dòng)為輔，主要起著位置采集指導(dǎo)宏機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的作用。使微機(jī)器人回到焊縫中間位置附近。宏微機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)在焊接作業(yè)空間受限的場(chǎng)合使用的次數(shù)較多，所需焊接時(shí)間較長(zhǎng)，這時(shí)需要合理分配焊接精度和焊接效率。

三、實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

宏微雙驅(qū)動(dòng)焊接機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖4 a）所示，焊縫位置圖像獲取系統(tǒng)如圖4 b）所示。給出了折線焊縫和S形曲線焊縫示教建模和自動(dòng)跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

a）宏微雙驅(qū)動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī) b） 焊縫圖像采集點(diǎn)

圖4 宏微雙驅(qū)動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

焊縫的示教和建模如圖5所示，其中，“*”為焊縫曲線示教采集點(diǎn)，圖5 a）為折線焊縫曲線擬合圖形，圖5 b）為S形焊縫曲線擬合圖形。折線焊縫曲線擬合采用一階多項(xiàng)式擬合實(shí)現(xiàn)，S形焊縫曲線擬合采用三次多項(xiàng)式擬合實(shí)現(xiàn)，擬合結(jié)果與焊縫位置相近。

a） 折線焊縫建模

b） S形焊縫建模

圖5 焊縫建模

圖6為折線焊縫跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果，宏微雙驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的各關(guān)節(jié)采用直線插補(bǔ)，完成焊縫的自動(dòng)跟蹤；圖7為S形焊縫跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果，宏微雙驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的各關(guān)節(jié)采用三次多項(xiàng)式插補(bǔ)，完成焊縫的自動(dòng)跟蹤；圖6 a）和圖7 a）為宏機(jī)器人期望軌跡、微機(jī)器人精調(diào)曲線和焊槍實(shí)際軌跡。圖6 b）和圖7b）為誤差曲線。由實(shí)驗(yàn)誤差結(jié)果可知，采用具有宏微雙驅(qū)動(dòng)焊接機(jī)器人的誤差在±0.5mm范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度的焊縫自動(dòng)跟蹤。

a） 折線焊縫跟蹤實(shí)驗(yàn)圖

b） 折線焊縫跟蹤誤差曲線

圖6 折線焊縫實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（下轉(zhuǎn)第192頁(yè)）

（上接第186頁(yè)）

a） S形焊縫跟蹤實(shí)驗(yàn)圖

b） S形焊縫跟蹤誤差曲線

圖7 S形焊縫實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以高職院校焊接實(shí)驗(yàn)教學(xué)為背景，提出了一種基于運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的宏微雙驅(qū)動(dòng)焊接機(jī)器人焊縫自動(dòng)跟蹤方法。給出了焊縫建模的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)宏機(jī)器人在示教下進(jìn)行焊縫軌跡粗跟蹤，可實(shí)現(xiàn)大范圍焊縫跟蹤。通過(guò)激光視覺(jué)傳感器，實(shí)現(xiàn)微機(jī)器人與焊縫位置閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)、高精度焊縫自動(dòng)跟蹤。最后同時(shí)進(jìn)行折線和S形曲線焊縫實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證基于宏微雙驅(qū)動(dòng)焊縫自動(dòng)跟蹤方法的有效性。

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（責(zé)編 丁 夢(mèng)）