基于激光測距的船體分段焊縫自主尋位

劉 源, 劉 芳, 馬宏波, 林 濤,3, 朱振友

(1.上海理工大學 材料科學與工程學院,上海 200093; 2.江蘇北人機器人系統(tǒng)股份有限公司,蘇州 215021;3.上海交通大學 材料科學與工程學院,上海 200240)

基于激光測距的船體分段焊縫自主尋位

劉 源1, 劉 芳1, 馬宏波2, 林 濤2,3, 朱振友2

(1.上海理工大學 材料科學與工程學院,上海 200093; 2.江蘇北人機器人系統(tǒng)股份有限公司,蘇州 215021;3.上海交通大學 材料科學與工程學院,上海 200240)

采用激光測距傳感器掃描船體格子間型結(jié)構(gòu)件工件的各個側(cè)面,得到特征點,經(jīng)算法處理生成離線機器人程序.基于該焊縫尋位方法,將柔性化的焊縫尋位技術(shù)集成于機器人平臺載體,并利用C#語言開發(fā)了一套可用于格子間型件焊縫尋位的軟硬件系統(tǒng).該系統(tǒng)能精確地實現(xiàn)焊縫軌跡的自主尋位,系統(tǒng)精度為0.4 mm,重定位精度為0.16 mm.實現(xiàn)了格子間型件非接觸式快速尋找焊縫的功能,大大縮短了焊縫尋位時間.

柔性化焊接; 焊縫尋位; 激光測距; 船體分段

目前,高度柔性化和自動化的船舶焊接系統(tǒng)在提高造船的質(zhì)量、效率以及降低產(chǎn)品制造周期和成本方面具有重要的作用[1].在船體分段焊接過程中,大型船體內(nèi)底分布著的縱桁和肋板組成了大量的格子間型結(jié)構(gòu),這些分段的格子間型結(jié)構(gòu)的底板與側(cè)板主要靠焊接的方式實現(xiàn)連接,如圖1所示,單獨的格子間型結(jié)構(gòu)件分別包含4個平角和4個立角的焊縫[2].由于實際情況需要或裝配差異以及不確定因素等原因,船底的格子間型雖然形狀相似,尺寸大小卻不盡相同.而目前市面上大多數(shù)自動化設(shè)備均是針對單一尺寸的標準產(chǎn)品[3-5],焊接系統(tǒng)柔性化較低,針對這種形狀大致相同但尺寸不一的結(jié)構(gòu)件,大多數(shù)自動化設(shè)備都難以實現(xiàn)自動焊接.

圖1 船體格子間型結(jié)構(gòu)焊縫

針對這種尺寸差異較大的格子間型結(jié)構(gòu)的焊縫尋位,目前部分船廠采用接觸式傳感焊接方法.它是將帶有電壓的焊絲向工件移動,當焊絲和工件接觸時,焊絲和工件間的電位差變?yōu)榱?通過程序計算出實際位置,從而獲得焊縫軌跡[6].但是,這種方法的機器人焊接系統(tǒng)柔順性比較差,當焊接下一個尺寸差異較大的格子間型結(jié)構(gòu)時,初始焊位獲取的周期較長,導致焊接效率降低.同時,文獻[7]也提出了一種通過離線編程從格子間型結(jié)構(gòu)件的數(shù)模中提取出焊縫軌跡,經(jīng)軟件處理生成焊縫軌跡,從而實現(xiàn)焊縫自主尋位的方法,但此方法獲得的軌跡誤差較大,有一定的局限性.

本文將柔性化焊接機器人技術(shù)集成于機器人平臺載體,借助激光測距傳感器與采集卡等外部設(shè)備,對格子間型結(jié)構(gòu)側(cè)壁進行掃描,提取特征點,通過工控機的算法處理后生成工件焊縫軌跡,從而達到焊接系統(tǒng)的高度柔性化,實現(xiàn)對格子間型結(jié)構(gòu)件自動化焊接的目的.

1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖2(a)為設(shè)計的機器人系統(tǒng),該系統(tǒng)主要包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分.其中,硬件系統(tǒng)主要包括ABB六軸機器人及其控制柜、基恩士激光測距傳感器、研華1710采集卡以及工控機等;圖2(b)的軟件界面是利用C#語言和ABB機器人SDK工具所開發(fā)的人機交互界面,該軟件界面能應用于機器人掃描過程和焊接過程的控制,機器人掃描結(jié)束后將自動生成離線的焊縫軌跡程序,并自動導入機器人控制系統(tǒng).

圖2 機器人焊接系統(tǒng)

利用固定支架將激光傳感器和焊槍固定在機器人末端,通過研華采集卡將激光測距傳感器采集的數(shù)據(jù)傳遞給工控機,機器人與工控機之間采用以太網(wǎng)進行通訊.系統(tǒng)工作時,機器人運動到初始掃描位置,激光光線射在格子間型結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上,激光器將采集到的模擬量通過采集卡傳給工控機,同時,機器人獲取機器人末端實時位置的坐標值.如此,工件的每個側(cè)壁均掃描兩次,工控機上的軟件系統(tǒng)將激光器測量數(shù)據(jù)與機器人采集的坐標數(shù)據(jù)進行處理,得到焊縫軌跡后自動生成離線的機器人程序.機器人系統(tǒng)工作流程如圖3所示.本文所用到的激光測距傳感器是基恩士IL-300,激光器光線的線性度為±0.25%,輸出電壓范圍為-5～5 V,通過線性回歸將模擬量電壓值轉(zhuǎn)換成距離值.

圖3 系統(tǒng)運行框架圖

由于船體的格子間型結(jié)構(gòu)件的側(cè)板和底板大多是厚度為10～32 mm的鋼板,板間的接縫直線度良好.利用機器人指令Movel對焊縫軌跡進行編程,焊接速度和轉(zhuǎn)角半徑可根據(jù)焊接經(jīng)驗設(shè)定,只需獲得機器人焊接時的起弧位置和收弧位置.對于4條平角焊縫,焊縫軌跡呈四邊形,獲得4個底角坐標即得到各條平角焊縫的軌跡;對于4條立角焊縫,獲得4個底角的坐標值和側(cè)板的高度即可獲得各焊縫的軌跡,側(cè)板的高度需手動輸入.

2 激光器坐標系的標定

在工控機處理數(shù)據(jù)的過程中,由于需要將激光器采集的距離值與機器人獲取的坐標值進行計算,就必須要確定激光器坐標系與機器人末端坐標系的位置和旋轉(zhuǎn)關(guān)系[8]，這樣才能根據(jù)機器人末端相對于機器人的基坐標系的坐標向量,得到激光器坐標系相對于焊槍坐標系的相對關(guān)系.這里將激光發(fā)射光束視為末端工具,而光束上距離激光平面為300 mm的點則視為TCP(tool center point),采用六點法對其進行標定[9].其中,采用特別設(shè)計的激光器安裝支架,使激光器的發(fā)射光束與法蘭盤坐標系y軸平行.

激光器位置標定過程如下:首先在桌面上固定一標準球,在球面上做一個標記點,然后示教機器人采用4種不同的姿態(tài),盡可能使4種姿態(tài)的差異更大;同時,在調(diào)整的過程中使激光光束直射球面上的同一標記點,且各姿態(tài)下的激光測距都為300 mm.圖4為機器人基坐標系CB、機器人末端坐標系CT和激光器TCP坐標系CL之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系.可以建立如下的關(guān)系:

(1)

其中

對于不同的位姿,X始終保持不變.對于同一臺機器人,無論對應機器人哪個位姿,矩陣B均可由機器人讀出.根據(jù)4個不同的位姿,得出不同的變矩B,采用線性最小二乘法求算出[PxPyPz1]T.

圖4 各坐標系間的轉(zhuǎn)換

激光器的位置是激光器坐標系在空間中相對于機器人末端坐標系偏移的位置,而激光器的姿態(tài)是其相對于機器人末端的旋轉(zhuǎn)關(guān)系,需要進一步確定.將激光器固定,使激光發(fā)射光束與法蘭盤y軸平行,即確定了激光器坐標系的一個坐標軸的方向;而坐標系的另外2個坐標軸的方向并未確定,理論上繞激光器坐標y軸任意旋轉(zhuǎn)的坐標系方向均可以成為激光器姿態(tài)標定的解;若不對姿態(tài)進行標定,則會出現(xiàn)無數(shù)組解.文獻[10]提供了一種借助于外界輔助裝置對激光器的姿態(tài)進行標定的方法,但是,輔助裝置的引入會增加標定的誤差,對于本文精度要求較高的系統(tǒng)并不適用.本文采用的方法是將激光器坐標系與機器人末端的坐標方向默認一致,在ABB機器人控制器里定義激光器坐標系的方向與法蘭盤一致,可以認為激光器坐標系是機器人末端坐標系平移后的結(jié)果.按照上述過程就得到了激光器坐標系相對于法蘭盤的姿態(tài).

3 試驗與分析

本文所開發(fā)的機器人系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計思路,利用激光測距傳感器進行測距,采取樣點,通過編寫的程序進行計算,得出焊縫軌跡,實現(xiàn)了整個系統(tǒng)按照其功能進行轉(zhuǎn)換與調(diào)節(jié).基于位移激光測距尋找焊縫軌跡的精度取決于激光器測量、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及標定結(jié)果等,不可控的影響因素較多,所以,對系統(tǒng)掃描計算得到的軌跡的準確性需要進一步分析.

格子間型結(jié)構(gòu)平角焊縫主要是由其4個底角坐標構(gòu)成的直線軌跡,而立角焊縫軌跡也是在4個底角坐標基礎(chǔ)上得到的直線軌跡.所以,通過系統(tǒng)掃描計算得到的4個底角坐標的精度在焊縫軌跡重現(xiàn)的過程中至關(guān)重要.文獻[11]提出,在進行系統(tǒng)精度分析時,重復性是系統(tǒng)至關(guān)重要的誤差指標.

系統(tǒng)的重復性是指機器人系統(tǒng)在不改變?nèi)魏螚l件下,按照同一方法步驟,再次達到同一軌跡位置的能力[12].本系統(tǒng)的重復性分析需要對檢測出的焊縫軌跡底角坐標的一致性進行分析比較.在不改變系統(tǒng)部件和試驗條件下,用同一步驟針對同一個格子間型結(jié)構(gòu)掃描計算,利用4個底角坐標值對軌跡進行描述.由于裝配、機器人重復定位、激光測量等誤差原因,造成了4個底角坐標的精度并不完全相同.通過50次重復掃描試驗得到4組坐標值,被掃描工件如圖2(a)所示,一個底角對應1×50個坐標值,將各坐標值與人工測量值進行對比,得到各誤差值,將各坐標的誤差取均值,得到如圖5所示的各底角的精度.精度最高的是第2個底角,為0.335 8 mm;精度最低的是第3個底角,為0.397 8 mm.船體分段焊接大多都是厚板角焊縫焊接,精度在0.5 mm范圍內(nèi)的焊縫軌跡均可較好地滿足焊接要求.

為了進一步準確地表示出系統(tǒng)的重復性指標,針對單獨一個坐標的重復性進行估算,運用標準差分析模型對系統(tǒng)精度的不確定度進行分析[13].采用Bessel公式來建立典型系統(tǒng)重復性分析的標準差模型.

圖5 4個底角坐標精度

(2)

再利用極差值來反映每組底角坐標之間的最大差距,結(jié)果如表1所示.從極差可以看出各組坐標值的差距較小,在0.16mm內(nèi).同時,各組底角坐標的方差較小,收斂性好,系統(tǒng)的重復性很好.

表1 各底角的重復性

4 結(jié) 論

a. 搭建了格子間型結(jié)構(gòu)工件的焊縫尋位系統(tǒng),即利用激光測距傳感器配合機器人、采集卡、工控軟件系統(tǒng)獲得工件特征點信息,自動生成機器人可識別焊位軌跡.

b. 采用改進的TCP標定方法對激光測距傳感器進行標定,使激光傳感器得到的數(shù)據(jù)與機器人坐標數(shù)據(jù)一一對應，并進行了坐標變換.

c. 對焊縫軌跡精度進行分析,表明本文集成的機器人系統(tǒng)所得到的焊縫軌跡精度和重復性都較好,分別為0.4 mm和0.16 mm.集成的機器人系統(tǒng)柔性化程度高、精度好,較好地解決了格子間型結(jié)構(gòu)由于尺寸較多、批量較少造成的柔性化焊接難題.

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(編輯:石 瑛)

Weld Seam Automatic Searching for Hull Blocks in Shipbuilding Based on a Laser Displacement Sensor

LIU Yuan1, LIU Fang1, MA Hongbo3, LIN Tao2,3, ZHU Zhenyou3

(1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China; 2.JiangsuBeirenRobotSystemCo.,Ltd.,Suzhou215021,China;3.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China)

A laser displacement sensor was used to get the characteristic points by scanning each side of cubicle work-piece,and the system would generate off-line programs automatically after those points were processed by a certain software.Based on this automatic searching method,the flexible welding technology and C# language programming technology were applied to a robot welding system.The system can search the weld seam precisely,the precision and repeatability of positioning are 0.4 mm and 0.16 mm respectively.The weld system realizes the rapid searching of weld seams by the means of non-contact sensing,and reduces the searching time immensely.

flexiblewelding;seamsearching;laserdisplacementsensor;hullblock

1007-6735(2017)02-0149-05

10.13255/j.cnki.jusst.2017.02.009

2016-09-28

劉 源(1991-),男,碩士研究生.研究方向:焊接自動化.E-mail:ryan.s.t@foxmail.com

劉 芳(1976-),女,副教授.研究方向:金屬精密成型及仿真.E-mail:liufang@usst.edu.cn

TP 249

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