基于激光傳感器的弧焊機(jī)器人焊縫跟蹤研究

韓沛文，周 靖，蔣 林，李家波，郭小羽

（深圳市鴻栢科技實(shí)業(yè)有限公司，廣東深圳518105）

基于激光傳感器的弧焊機(jī)器人焊縫跟蹤研究

韓沛文，周 靖，蔣 林，李家波，郭小羽

（深圳市鴻栢科技實(shí)業(yè)有限公司，廣東深圳518105）

采用激光掃描式傳感器，設(shè)計(jì)了一套機(jī)器人焊縫自動跟蹤系統(tǒng)。開發(fā)了相應(yīng)的焊縫跟蹤算法，包括直線、圓弧和直線圓弧組合連續(xù)焊縫的跟蹤算法。探討實(shí)現(xiàn)這些算法的相關(guān)技術(shù)問題。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明，該算法合理有效，可用于弧焊機(jī)器人焊縫在線跟蹤作業(yè)，改善和提高機(jī)器人的焊接精度和質(zhì)量。

弧焊焊接機(jī)器人；焊縫跟蹤；激光傳感器；圓弧焊縫；連續(xù)焊縫

0 前言

焊縫跟蹤是在機(jī)器人進(jìn)行焊接作業(yè)時實(shí)時檢測出焊縫的偏差，并調(diào)整焊接路徑和焊接參數(shù)，改善焊接質(zhì)量的技術(shù)。由于加工誤差、裝夾精度以及熱變形等因素的存在，以示教-再現(xiàn)方式工作的弧焊機(jī)器人在焊接時常常因?yàn)楹缚p和示教軌跡有偏差導(dǎo)致焊接質(zhì)量下降。所以焊縫跟蹤是保證弧焊機(jī)器人焊接質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。

為實(shí)時檢測焊縫位置，通常采用視覺焊縫跟蹤傳感器。在弧焊過程中，由于存在弧光、電弧熱、飛濺以及煙霧等強(qiáng)烈干擾，會影響傳感器的檢測精度，進(jìn)而使焊縫跟蹤精度降低。為此，近年來人們開始研究激光掃描式主動視覺方法。此種方法使用的激光束具有強(qiáng)抗干擾性[1-7]，因而具有很高的位置檢測精度和可靠性。本研究將采用激光掃描式的主動視覺方法解決焊縫高精度跟蹤問題。

激光掃描式的主動視覺方法原理是：首先激光管發(fā)出的激光點(diǎn)光源通過光學(xué)掃描鏡投射到被測工件表面，激光由工件表面反射后被CCD攝像頭所接收。通過測量反射光束與CCD主光軸的夾角，并結(jié)合已知的透射光束與掃描鏡面的夾角以及CCD與掃描鏡面的距離等數(shù)據(jù)，可以求得每一束激光在工件表面投射點(diǎn)與CCD鏡面的距離，從而得到焊縫的端面剖面圖。通過適當(dāng)?shù)膱D像處理算法，就能實(shí)現(xiàn)對焊縫進(jìn)行視覺跟蹤的目的。

本研究采用激光掃描式傳感器，設(shè)計(jì)了一套機(jī)器人焊縫跟蹤系統(tǒng)，并詳細(xì)描述該焊縫跟蹤系統(tǒng)的組成，直線、圓弧和連續(xù)焊縫跟蹤算法，算法的實(shí)施過程以及基于該算法的焊縫跟蹤計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果。

1 弧焊機(jī)器人焊縫跟蹤系統(tǒng)

如圖1所示，弧焊機(jī)器人焊縫跟蹤系統(tǒng)由機(jī)器人控制器（柜）、機(jī)器人本體、焊槍和激光焊縫跟蹤器（激光傳感器）所組成。其中焊槍為機(jī)器人的作業(yè)工具，激光傳感器與焊槍固連，并形成一個前置距離LP，如圖2所示。實(shí)際焊接作業(yè)時，先通過示教和計(jì)算得出焊縫的理論位姿，激光傳感器在線測量出焊縫的實(shí)際位置與理論焊縫對應(yīng)位置的偏差，由機(jī)器人控制器根據(jù)這個偏差實(shí)施誤差補(bǔ)償，在線驅(qū)動焊槍頭沿實(shí)際焊縫移動，達(dá)到提高焊接精度和質(zhì)量的目的。

圖1 弧焊機(jī)器人焊縫跟蹤系統(tǒng)組成

應(yīng)注意的是，為正確實(shí)現(xiàn)焊縫在線（實(shí)時）跟蹤，實(shí)際作業(yè)時，焊槍走過的行程為焊縫長度加上沿焊縫延長線的長度。此時，雖然激光傳感器也走過了同樣的行程，但其中只有沿實(shí)際焊縫的行程是有效的，即激光傳感器的有效測量數(shù)據(jù)在焊縫的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間。實(shí)際控制時，機(jī)器人控制器會驅(qū)動焊槍沿焊縫延長線開始移動，在與前置距離對應(yīng)的點(diǎn)到達(dá)焊縫起點(diǎn)時打開激光傳感器，以后保持?jǐn)?shù)據(jù)采樣輸出，直到與前置距離對應(yīng)的點(diǎn)到達(dá)焊縫終點(diǎn)時關(guān)閉激光傳感器，停止采樣輸出。

圖2 弧焊機(jī)器人焊縫跟蹤過程

2 焊縫跟蹤算法

2.1 坐標(biāo)系統(tǒng)與坐標(biāo)變換

為簡化算法，建立如圖3所示的坐標(biāo)系統(tǒng)。其中x0y0z0為機(jī)器人基座坐標(biāo)系（世界坐標(biāo)系），它與焊接機(jī)器人基座固連；x6y6z6為機(jī)器人手部坐標(biāo)系，與機(jī)器人手部法蘭盤固連；xTyTzT為工具坐標(biāo)系，與機(jī)器人焊槍頭固連；xmymzm為激光測量坐標(biāo)系，與激光傳感器固連；xwywzw為焊縫坐標(biāo)系，與工件固連。此外，要求 zw與 zm重合，zw與 zT、xw與 xm平行。對直線焊縫xT與xw重合，對圓弧焊縫xT與xw成交角φ，如圖4所示。

圖3 弧焊機(jī)器人焊縫跟蹤坐標(biāo)系統(tǒng)

采用齊次變換矩陣來描述各坐標(biāo)系間的位姿變換[3]，由圖3和圖4可得

式中0Aw為焊縫坐標(biāo)系原點(diǎn)的位姿在機(jī)器人基座坐標(biāo)系中的表示。直線焊縫取φ=0；圓弧焊縫取s（φ/2）=Lp/2R。通過示教焊縫上的若干點(diǎn)（確定直線焊縫需要2個點(diǎn)，確定圓弧焊縫需要3個點(diǎn)），利用式（1）即可計(jì)算出理論焊縫（理想焊縫或校準(zhǔn)焊縫）上任意點(diǎn)的位姿。

圖4 圓弧焊縫時工具坐標(biāo)系與焊縫坐標(biāo)系的關(guān)系

2.2 焊縫跟蹤

通過設(shè)置或調(diào)整使激光傳感器的輸出值為采樣時刻實(shí)際焊縫在ywzw平面上的偏差，即

由于在焊接時期望機(jī)器人的焊槍頭沿實(shí)際焊縫做精確移動，所以要求機(jī)器人控制器移動焊槍頭的位姿指令必須綜合考慮和實(shí)測焊縫軌跡與理論焊縫軌跡之間的偏差。換言之，此時機(jī)器人控制器驅(qū)動焊槍頭的位姿指令須包含基于激光傳感器采樣數(shù)據(jù)的誤差補(bǔ)償。為此，定義齊次補(bǔ)償矩陣

由式（3）和式（1）可得機(jī)器人控制器驅(qū)動焊槍頭帶誤差補(bǔ)償?shù)奈蛔酥噶?/p>

其中Ac可將激光傳感器采樣數(shù)據(jù)代入式（3）求得；TAw由式（1）計(jì)算；0AT可根據(jù)焊縫幾何特性通過示教和計(jì)算得出。為討論方便，令

2.2.1 直線焊縫跟蹤

此時，為確定0AT，可在工件上示教3個點(diǎn)P1、P2、P3，如圖 5 所示。

式中 TL為沿直線焊縫采樣的總時間。

圖5 直線焊縫跟蹤算法

2.2.2 圓弧焊縫跟蹤

設(shè)示教點(diǎn)取圓心P1，焊縫起點(diǎn)P2和圓弧上且與P1、P2不在一條直線上的點(diǎn)P3，如圖6所示，則有

式中 R為旋轉(zhuǎn)變換；j為與加減速軌跡規(guī)劃相應(yīng)的采樣點(diǎn)序列編號；φj為與之對應(yīng)的繞zT由起點(diǎn)轉(zhuǎn)到j(luò)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角。

圖6 圓弧焊縫跟蹤算法

2.3 焊縫跟蹤實(shí)現(xiàn)

為取得預(yù)期的焊縫跟蹤效果，除了考慮式（4）～式（8）以外，還須解決以下問題。

2.3.1 激光器尋位校準(zhǔn)

由式（2）和式（3）所知，要得到齊次補(bǔ)償矩陣，應(yīng)事先求得校準(zhǔn)焊縫位置坐標(biāo)。校準(zhǔn)焊縫位置坐標(biāo)在機(jī)器人基座坐標(biāo)系中的表示應(yīng)與作業(yè)時的焊縫起點(diǎn)位置（由示教得出的位置）重合。激光器尋位校準(zhǔn)的任務(wù)就是在機(jī)器人坐標(biāo)系中，使校準(zhǔn)焊縫位置坐標(biāo)與焊縫起點(diǎn)位置坐標(biāo)重合。一種可供選擇的尋位過程如下：

（1）將機(jī)器人工具控制點(diǎn)移動到焊縫軌跡延長線上的前置距離點(diǎn)（見圖3），打開激光器，讀取此時焊縫在測量坐標(biāo)系中的位置，并計(jì)算機(jī)器人坐標(biāo)系中的位置。

（2）調(diào)整機(jī)器人工具控制點(diǎn)，使與之對應(yīng)的焊縫位置與焊縫起始點(diǎn)位置（由示教得出的位置）重合。

（3）存儲此時焊縫測量坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)。此即校準(zhǔn)焊縫位置坐標(biāo)。

2.3.2 前置距離處理與補(bǔ)償數(shù)據(jù)同步

為了克服弧焊電弧對激光測量精度的影響，在焊槍和激光器之間加入一個擋弧板。這樣就導(dǎo)致在焊槍與激光器之間出現(xiàn)了一個前置距離（約20mm），參見圖3和圖7。由于運(yùn)動控制的目標(biāo)點(diǎn)是焊槍頭，而實(shí)際激光測量點(diǎn)與控制目標(biāo)點(diǎn)有一個前置距離，為準(zhǔn)確控制焊槍頭跟蹤焊縫，需要考慮焊接作業(yè)時存儲前置距離間的激光焊縫測量點(diǎn)的坐標(biāo)值。這些值可以輸入緩沖區(qū)（FIFO），然后由機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)根據(jù)圖8所示的同步信號記錄實(shí)施補(bǔ)償。

圖7 焊縫跟蹤過程中的前置距離

圖8 補(bǔ)償數(shù)據(jù)同步

2.3.3 連續(xù)軌跡控制

在實(shí)際焊接作業(yè)中，焊縫通常是由多段軌跡組成。此時為了保證各線段間平滑連接，須對各線段交接處進(jìn)行以下處理（見圖9）：

（1）在拐角的前置距離點(diǎn)關(guān)激光器。

（2）從前置距離關(guān)激光器開始到拐角點(diǎn)的運(yùn)動時間段，連續(xù)插補(bǔ)改變機(jī)器人工具坐標(biāo)姿態(tài)，使激光掃描線垂直于軌跡前進(jìn)方向。

（3）讀取測量數(shù)據(jù)后對過渡段做插補(bǔ)運(yùn)動。

圖9 連續(xù)焊縫處理

3 機(jī)器人焊縫跟蹤計(jì)算機(jī)仿真

為驗(yàn)證上述焊縫跟蹤算法的有效性，針對6關(guān)節(jié)串聯(lián)焊接機(jī)器人[8]進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，仿真結(jié)果如圖10～圖12所示。仿真具體過程為：先按本研究算法通過機(jī)器人示教計(jì)算出焊縫理論軌跡；再在理論焊縫軌跡上加入偏差，生成實(shí)際焊縫軌跡；該偏差作為激光傳感器測量數(shù)據(jù)輸入到補(bǔ)償算法模型中；最后調(diào)用算法式（4）進(jìn)行跟蹤。

仿真結(jié)果表明，本算法在實(shí)際焊縫和理論焊縫有偏差的情況下，能實(shí)時準(zhǔn)確跟蹤實(shí)際焊縫軌跡，從而大大提高弧焊作業(yè)質(zhì)量。由于是根據(jù)激光傳感器測量值實(shí)時補(bǔ)償偏差，所以本算法的補(bǔ)償效果可達(dá)到傳感器的檢測分辨率。

圖10 直線焊縫跟蹤

圖11 圓弧焊縫跟蹤

4 結(jié)論

采用激光掃描式傳感器，設(shè)計(jì)了一套機(jī)器人焊縫自動跟蹤系統(tǒng)。開發(fā)了相應(yīng)的焊縫跟蹤算法，包括直線、圓弧和直線圓弧組合連續(xù)焊縫的跟蹤算法，并探討了實(shí)現(xiàn)這些算法的關(guān)鍵技術(shù)問題。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明該算法合理有效，且補(bǔ)償精度可達(dá)到激光傳感器的分辨率?？捎糜诨『笝C(jī)器人焊縫在線跟蹤作業(yè)，改善和提高機(jī)器人的焊接精度和質(zhì)量。

圖12 連續(xù)直線圓弧焊縫跟蹤

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Seam tracking for arc welding robots based on laser sensor

HAN Peiwen，ZHOU Jing，JIANG Lin，LI Jiabo，GUO Xiaoyu
（Shenzhen Hongbai Technology Industrial Co.，Ltd.，Shenzhen 518105，China）

A robot welding seam automatic tracking system is constructed by using a laser scanning sensor.The corresponding seam tracking algorithms for line，arc and combination of line and arc seam is developed.The related technical problems of implementing these algorithms are discussed.The computer simulation results show that these algorithms are effective，which can be used in online welding seam tracking tasks to improve the welding accuracy and quality of arc welding robots.

arc welding robots；seam tracking；laser sensor；seam with arc；contour of weld seam

TG409

A

1001-2303（2017）10-0094-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.20

本文參考文獻(xiàn)引用格式：韓沛文，周靖，蔣林，等.基于激光傳感器的弧焊機(jī)器人焊縫跟蹤研究[J].電焊機(jī)，2017，47（10）：94-98.

2017-06-22

深圳市科技計(jì)劃技術(shù)攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目（JSGG201603 01151929860）

韓沛文（1984—），男，碩士，主要從事焊接機(jī)器人的研究工作。E-mail：123266@qq.com。