基于精密線激光傳感器的中厚板坡口測量技術(shù)研究

柯曉龍，劉林濤，曹林攀，陳沼欣

（1.廈門理工學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廈門 361024；2.廈門大學(xué) 物理與機(jī)電工程學(xué)院，廈門 361005；3.廈門思爾特機(jī)器人系統(tǒng)有限公司，廈門 361023）

0 引言

隨著焊接技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)中的不斷發(fā)展，焊接機(jī)器人已經(jīng)在工業(yè)焊接方面，尤其是中厚板焊接領(lǐng)域，扮演著越來越重要的角色。而中厚板坡口的識別與測量是焊接機(jī)器人實(shí)現(xiàn)中厚板焊接件多層多道自動焊接的重要工序之一[1～3]。

目前，中厚板坡口測量主要有坡口尋位測量、激光視覺掃描等方式。其中，坡口尋位測量是利用焊接機(jī)器人的尋位模塊，利用通低壓電的焊絲和坡口接觸時(shí)形成的電流來識別坡口位置[4]。該檢測方式的優(yōu)點(diǎn)是不需要附加傳感器，缺點(diǎn)主要體現(xiàn)為檢測效率較低，坡口拐點(diǎn)位置需要通過肉眼識別，因此隨機(jī)誤差較大。而激光視覺掃描則利用激光視覺傳感器獲取坡口圖像，并對圖像特征識別處理，以獲得坡口參數(shù)信息。如天津大學(xué)的趙相賓教授等人[5]采用視覺焊縫跟蹤實(shí)時(shí)圖像處理方法進(jìn)行坡口掃描，并利用斜率分析法完成坡口拐點(diǎn)特征的提取。該方法較為簡單方便，但對坡口圖形曲線的連續(xù)性和光滑性要求較高，工件毛刺或奇異點(diǎn)的出現(xiàn)會影響坡口拐點(diǎn)的判斷。南昌大學(xué)的劉蘇宜等人[6]利用激光視覺機(jī)器人跟蹤V型坡口，并采用曲率極值的角點(diǎn)檢測法提取坡口中心點(diǎn)坐標(biāo)，較為簡單實(shí)用，但同樣存在著未知干擾點(diǎn)可能導(dǎo)致拐點(diǎn)誤判的風(fēng)險(xiǎn)。

為此，本文采用精密線激光位移傳感器完成坡口二維掃描，基于最小二乘原理進(jìn)行坡口特征直線擬合，并采用最小距離法建立坡口拐點(diǎn)識別算法，進(jìn)而搭建中厚板坡口測量的軟硬件平臺，以獲取較為穩(wěn)定可靠的坡口識別策略。

1 線激光傳感器測量方式

出于坡口掃描便捷性和通用性的需要，本文的中厚板坡口測量采用線激光位移傳感器掃描的方式來實(shí)現(xiàn)。綜合考慮測量距離、測量高度、測量寬度和測量精度等測量參數(shù)，最終選用的線激光傳感器為日本KEYENCE(基恩士)公司的型號為LJ-G200的精密2D線激光位移傳感器。該激光傳感器可實(shí)現(xiàn)X方向及Z方向的精確表面輪廓測量，Z軸方向測量高度可達(dá)到200±48mm，X軸測量寬度為近端51mm/遠(yuǎn)端73mm，取樣頻率為3.8ms，測量再現(xiàn)性為Z軸(高度)2μm/X軸(寬度)20μm。

該線激光傳感器采用2D三角測量法原理實(shí)現(xiàn)中厚板坡口輪廓測量。其測量方式如圖1所示，線激光傳感器的半導(dǎo)體激光頭通過柱面物鏡，將激光光束擴(kuò)大為條狀光束，并在測量工件上產(chǎn)生漫反射。反射光被傳感器接收端的E3-CMOS接收，以此測量出坡口的輪廓曲線。

圖1 線激光傳感器的坡口測量示意圖

圖2為本文所搭建的線激光傳感器測量裝置實(shí)物圖。LJ-G200線激光傳感器的傳感頭安裝在ABB IRB4600六軸焊接機(jī)器人的末端關(guān)節(jié)上；在中厚板工件上選擇若干個(gè)需要測量的坡口截面，將傳感頭移動到坡口截面上方的合適位置，完成坡口輪廓的掃描采樣。采樣數(shù)據(jù)信號經(jīng)過線激光控制器進(jìn)行信號分析處理，轉(zhuǎn)換為位移數(shù)據(jù)，并通過USB接口傳給上位機(jī)；最后，利用自主開發(fā)的坡口測量軟件，對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合運(yùn)算，從而完成坡口參數(shù)的自動測量。

圖2 裝載線激光傳感器的焊接機(jī)器人坡口測量方式

2 坡口拐點(diǎn)識別算法

常見的坡口拐點(diǎn)識別，如斜率分析法、曲率極值檢測法，是通過尋找斜率或曲率極值的方式來獲得。然而，由于焊接工件較為粗糙表面和毛刺的存在，使得可能的不確定干擾項(xiàng)較多，因此采用斜率或極值算法容易導(dǎo)致尋找到的目標(biāo)點(diǎn)與實(shí)際坡口拐點(diǎn)之間產(chǎn)生不確定誤差，甚至可能導(dǎo)致較大測量誤差的存在。

另外，考慮到坡口拐點(diǎn)實(shí)際上就是坡口各分段直線的交點(diǎn)，本文采用交點(diǎn)求解法的方式來代替斜率分析法或曲率極值檢測法，以獲取更為收斂穩(wěn)定的坡口拐點(diǎn)區(qū)域。即先利用最小二乘法擬合出坡口各段直線，并求解直線交點(diǎn)以得到坡口拐點(diǎn)的大致位置，再根據(jù)最小距離法獲取最終的拐點(diǎn)坐標(biāo)。

如圖3所示，以V型坡口的左拐點(diǎn)為例，該坡口拐點(diǎn)識別方法主要包括以下步驟：

圖3 坡口識別算法流程圖 (以V型坡口左側(cè)拐點(diǎn)A為例)

1）通過上位機(jī)與線激光控制器之間的USB通訊接口，讀取線激光位移傳感器測量得到的坡口截面數(shù)據(jù)，即坡口測量曲線。

2）根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣，將坡口測量曲線旋轉(zhuǎn)到水平位置。假設(shè)旋轉(zhuǎn)前的位置坐標(biāo)為P(x，y)，繞點(diǎn)O(x0，y0)旋轉(zhuǎn)角度θ，旋轉(zhuǎn)后的位置坐標(biāo)為P′(x′，y′)。假設(shè)平移(-x0，-y0)、繞原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角度θ、平移(x0，y0)分別對應(yīng)的變換矩陣R1、R2和R3，則有：

由于繞點(diǎn)O(x0，y0)旋轉(zhuǎn)角度θ，可以看成先平移(-x0，-y0)，再繞原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角度θ，最后反向平移(x0，y0)，因此其對應(yīng)的綜合旋轉(zhuǎn)變換矩陣R為：

3）對坡口測量數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括剔除測量數(shù)據(jù)中的奇異項(xiàng)，并進(jìn)行平滑處理等。然后，取坡口拐點(diǎn)A左側(cè)的一段數(shù)據(jù)點(diǎn)，進(jìn)行最小二乘直線擬合。假設(shè)擬合方程為y=ax+b。那么，相應(yīng)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：

式(3)中，n為擬合的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，(xi，yi)為待擬合的數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)。(a，b)為優(yōu)化目標(biāo)的直線方程系數(shù)。

同樣的，也可以求得坡口拐點(diǎn)A右側(cè)直線的最小二乘直線擬合方程y=cx+d。

4）求得擬合直線y=ax+b和y=cx+d的交點(diǎn)A'(x''，y'')。然后，求得距離與點(diǎn)A'距離最近的點(diǎn)P(xi，yi)。點(diǎn)P可根據(jù)兩點(diǎn)距離方程來求解。其目標(biāo)函數(shù)為：

f(i)的極小值對應(yīng)的點(diǎn)P(xi，yi)為測量輪廓上所求的最近點(diǎn)，即拐點(diǎn)A必然在P點(diǎn)附近。

5）根據(jù)點(diǎn)P(xi，yi)左右兩側(cè)的的斜率k1和k2，判斷該點(diǎn)是否為實(shí)際的拐點(diǎn)A。如果不是，則繼續(xù)往邊上尋找。

完成坡口拐點(diǎn)識別后，利用求解得到的拐點(diǎn)坐標(biāo)，可以進(jìn)一步計(jì)算出相應(yīng)的坡口參數(shù)。

3 坡口測量的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)坡口測量的功能要求，本文基于Delphi7.0編程開發(fā)軟件，自主開發(fā)了一套中厚板坡口測量系統(tǒng)軟件，以實(shí)現(xiàn)線激光數(shù)據(jù)采集與讀取、坡口拐點(diǎn)識別與坡口參數(shù)計(jì)算。圖4為本文所開發(fā)的坡口測量軟件，該軟件主要由兩部分組成：

圖4 坡口測量的軟件界面

1）線激光測量模塊。利用USB通訊方式，調(diào)用基恩士LJ-G200線激光傳感器的LJIF.dll動態(tài)鏈接庫，并訪問傳感器內(nèi)部函數(shù)，以此實(shí)現(xiàn)坡口測量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)讀取。

2）坡口識別與參數(shù)計(jì)算模塊。采用Delphi和MATLAB混合編程技術(shù)[7]，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的界面開發(fā)和數(shù)值運(yùn)算處理。通過MATLAB軟件完成坡口識別算法和坡口參數(shù)求解，然后封裝成COM組件給Delphi調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)兩者的接口通訊。

4 坡口測量實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證坡口識別算法的有效性和可靠性，本文設(shè)計(jì)并進(jìn)行了相關(guān)的坡口測量實(shí)驗(yàn)。主要實(shí)驗(yàn)步驟包括：1）加工了兩組不同坡口規(guī)格的中厚板工件；2）采用LJ-G200線激光位移傳感器完成坡口測量，并標(biāo)記出所測量的坡口截面位置；3）利用電火花線切割機(jī)床，沿標(biāo)記位置切割工件，并利用影像測量儀完成坡口二次測量；4）對比線激光測量與影像測量儀測量結(jié)果，以此驗(yàn)證算法的可靠性。

圖5為線激光傳感器測量與影像測量儀測量實(shí)物圖。其中，影像測量儀采用蘇州天準(zhǔn)公司的型號為VMC322的影像儀，測量精度為(2.2+L/200)μm，可以滿足測量精度要求。

圖5 坡口測量的實(shí)物圖

圖6為兩種不同測量方式的坡口測量數(shù)據(jù)分析對比。圖6(a)為利用本文的坡口拐點(diǎn)識別算法求解獲得的坡口參數(shù)。其中，紅色線為旋轉(zhuǎn)前的原始測量曲線，藍(lán)色線為旋轉(zhuǎn)后的測量曲線，黃色線為擬合直線，綠色點(diǎn)表示識別得到的坡口拐點(diǎn)特征點(diǎn)。圖6(b)為利用影像測量儀得到的坡口提取測量數(shù)據(jù)。

圖6 坡口測量數(shù)據(jù)分析

通過兩種不同坡口規(guī)格工件的測量實(shí)驗(yàn)，獲得線激光測量與影像儀測量的對比數(shù)據(jù)如表1和表2所示。可以看出，測量誤差基本在0.002mm～0.18mm之間?？紤]到實(shí)際坡口毛刺和坡口加工誤差的存在，以及線切割位置與線激光測量截面一致性誤差等原因，這樣的識別精度已經(jīng)足以滿足中厚板多層多道軌跡規(guī)劃的需要。因此，可以判斷該坡口識別算法滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 工件1：線激光測量與影像儀測量的數(shù)據(jù)對比(mm)

表2 工件2：線激光測量與影像測量的數(shù)據(jù)對比(mm)

5 結(jié)束語

本文搭建了中厚板坡口檢測平臺，利用線激光位移傳感器對工件進(jìn)行坡口掃描與數(shù)據(jù)采集，并采用最小二乘直線擬合和最小距離法，完成坡口拐點(diǎn)特征識別與測量。然后采用Delphi和MATLAB混合編程方式，開發(fā)了相應(yīng)的坡口測量軟件。與影像測量儀的對比驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明，該測量方法可以獲得較高的坡口識別精度，可以滿足實(shí)際的中厚板多層多道軌跡規(guī)劃要求。

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