超長筒段內(nèi)壁螺旋焊縫跟蹤打磨控制研究*

錢 晨 李芳昕 文珊珊 陳 艷 匡婷玉 張 勇 趙維剛

(①上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245;②上海航天工藝與裝備工程技術(shù)研究中心，上海 200245)

隨著氣體絕緣開關(guān)設(shè)備GIS 和氣體絕緣金屬封閉輸電線路GIL技術(shù)在國內(nèi)外被廣泛應(yīng)用[1]，其主體部分大口徑鋁合金管需求量越來越大，在電力領(lǐng)域年產(chǎn)值達到8 億元左右，使用鋁卷螺旋焊接的大口徑鋁合金螺旋管長達18 m，需要進行內(nèi)外壁焊接飛邊打磨，其中人工內(nèi)壁打磨效率低、環(huán)境惡劣及打磨質(zhì)量差，而市場上并沒有符合要求的打磨加工裝備，因此設(shè)計全自動打磨裝備成為必然，其中內(nèi)壁螺旋線焊縫的打磨更是此裝備的重點。

為滿足此螺旋管的加工要求，針對內(nèi)壁螺旋線焊縫的精確跟蹤打磨，本文設(shè)計了焊縫精確跟蹤的控制方法，結(jié)合速度匹配和視覺圖像補償?shù)确椒?，建立了實時跟蹤檢測機制。

經(jīng)國內(nèi)外調(diào)研，基于視覺識別的打磨應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用廣泛，文獻[2]將視覺相機與缺陷檢測結(jié)合在一起，建立了全自動打磨工作站。文獻[3]將視覺相機與毛坯檢測結(jié)合在一起，擬合出磨削邊緣，從而建立了復(fù)雜打磨軌跡。文獻[4-7]亦將軌跡規(guī)劃與視覺相機相結(jié)合，從而獲取機器人運行路徑。視覺檢測方式分為主動光視覺和被動光視覺[8]。激光視覺檢測方式是一種主動光視覺技術(shù)，此方式能夠更好地捕捉待焊接的邊沿和高低差等三維信息，經(jīng)過調(diào)研激光跟蹤方式更多地應(yīng)用于焊接過程，而非打磨過程中[9]。當(dāng)前所設(shè)計的被動式視覺相機檢測技術(shù)更適合于打磨應(yīng)用，優(yōu)點在于受干擾小、體積小、成本低，在當(dāng)前的應(yīng)用中更具優(yōu)勢。

本文將結(jié)合控制方案設(shè)計、軟硬件設(shè)計及相關(guān)的實驗驗證，實現(xiàn)超長筒段內(nèi)壁螺旋焊縫精確跟蹤打磨的目的。

1 控制方案設(shè)計

焊縫的形狀是圓柱內(nèi)壁螺旋線，如圖1所示，螺旋線對應(yīng)方程為[10]：

(1)

其中：a為圓柱的半徑；P為螺距；ω為筒段運動時的角速度。為了實現(xiàn)內(nèi)壁螺旋打磨，設(shè)計了導(dǎo)向桿，導(dǎo)向桿前端固定了柔順打磨工具，導(dǎo)向桿以Vz的速度前進，筒段以n的速度旋轉(zhuǎn)，帶動打磨工具前進，在筒段內(nèi)壁形成與焊縫重疊的螺旋線軌跡，其速度匹配的對應(yīng)方程為：

Vz=nP

(2)

針對上述內(nèi)壁螺旋焊縫，設(shè)計了打磨控制方案，在打磨開始前通過視覺系統(tǒng)預(yù)存焊縫起點的圖像作為模板，運行過程中筒段旋轉(zhuǎn)速度及打磨頭的前進速度相匹配，形成焊縫打磨軌跡，同時實時獲取焊縫的圖像，與起點圖像的模板進行對比，在該偏移量超過閾值的情況下，在線實時修正該偏移量，進而實現(xiàn)螺旋線焊縫的高精度、高效率的自動打磨。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

為實現(xiàn)內(nèi)壁打磨控制需求，設(shè)計控制系統(tǒng)如圖2所示，包括上位機系統(tǒng)、控制器、伺服驅(qū)動、伺服電機、輸入輸出模塊、報警閥、限位開關(guān)、視覺控制器、相機、模擬量模塊、柔順壓緊系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)編碼器等[11]。上位機系統(tǒng)分別與運動控制器、視覺控制器相連接。運動控制器將各軸、各IO狀態(tài)及位置信息反饋至上位機系統(tǒng)，運動控制器與伺服驅(qū)動、輸入輸出模塊、模擬量模塊及旋轉(zhuǎn)編碼器等相連接；伺服驅(qū)動接收控制指令控制電機運動，并檢測電機位置進行反饋；輸入輸出模塊接收輸出指令進行輸出控制，同時反饋輸入的變化；模擬量模塊接收控制指令，控制柔順壓緊系統(tǒng)并反饋壓緊信息；旋轉(zhuǎn)編碼器檢測筒段的轉(zhuǎn)速，將實際轉(zhuǎn)速反饋至運動控制器。視覺控制器與相機相連接，接收相機的圖形進行分析，通過算法比對獲得相應(yīng)的偏移情況，反饋至上位機系統(tǒng)。

3 焊縫跟蹤設(shè)計

焊縫跟蹤設(shè)計結(jié)合旋轉(zhuǎn)編碼器的反饋和視覺檢測反饋兩種檢測手段，形成了全閉環(huán)的跟蹤方案，如圖3所示。

系統(tǒng)運行過程中，筒段的旋轉(zhuǎn)是依靠表面阻力驅(qū)動的，驅(qū)動電機反饋的位置信息是電機自帶編碼器的位置信息，并不能反映筒段的真實位置，為了真實反饋筒段的旋轉(zhuǎn)速度，以防旋轉(zhuǎn)過程中存在打滑或停滯的情況，設(shè)計了一個旋轉(zhuǎn)編碼器，用于真實反饋筒段的旋轉(zhuǎn)速度。運行過程中，判斷旋轉(zhuǎn)編碼器的反饋速度是否與電機輸出的速度相匹配，若前者反饋速度為0，則停止打磨，排除異常；若旋轉(zhuǎn)速度小于設(shè)定的速度，則調(diào)整進給的速度，使進給的速度匹配旋轉(zhuǎn)的速度，以繼續(xù)加工。

同時，在系統(tǒng)運行過程中，控制系統(tǒng)發(fā)送指令驅(qū)動相機啟動視覺檢測，在視覺控制器內(nèi)進行圖像處理。在應(yīng)用視覺檢測系統(tǒng)前，通過Halcon標定獲得二維圖像與世界坐標系中物體的對應(yīng)關(guān)系，并將焊縫起始點的圖像標定為模板圖片[12]。實時圖像處理過程如圖4所示，實時圖片經(jīng)過圖像預(yù)處理、邊緣提取算法、直線擬合等，獲得當(dāng)前焊縫中心線的位置。Halcon算子的處理過程如下：

read_image(Image,’image’)//讀取圖像

equ_histo_image(Image,ImageEquHisto)

//直方圖均衡

mean_image(Image:ImageMean:MaskWidth,MaskHeight)//濾波

sobel_amp(Image,EdgeAmplitude,’sum_abs’,3)//邊緣提取

select_shape_xld(SelectedXLD,SelectedXLD1,’phi’,’and’,0.1,0.1)

fit_line_contour_xld(SelectedXLD1,’huber’,-1,0,5,2,RowBegin,ColBegin,RowEnd，ColEnf，Nr，Nc，Dist)//直線擬合

將當(dāng)前的焊縫中心線位置L′與模板圖片的中心線位置L進行偏差計算，獲得相應(yīng)的偏差值ΔL反饋至控制系統(tǒng)，如式(3)所示[13]?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)判斷結(jié)果驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)進行修正,系統(tǒng)內(nèi)將|ΔL|與閾值LTH進行比較，若|ΔL|小于閾值LTH，則不作處理；若|ΔL|大于等于閾值LTH，則進行修正，修正方向通過ΔL的正負確認，修正結(jié)束后繼續(xù)控制焊縫識別反饋，形成焊縫跟蹤閉環(huán)設(shè)計。閾值LTH由砂帶的覆蓋寬度LSHA與焊縫LHAN的寬度決定，如式(4)所示。

ΔL=L-L′

(3)

LTH=1/2(LSHA-LHAN)

(4)

自動加工軟件控制流程設(shè)計如圖5所示?？刂葡到y(tǒng)完成初始化上電操作，系統(tǒng)確認通訊是否正常；通訊正常的情況下，進行筒段調(diào)平，將筒段吊至裝備[14]的固定基座上進行調(diào)平，調(diào)平后控制氣缸固定；調(diào)平后，標定打磨起始點，啟動主動托架的電機，旋轉(zhuǎn)筒段，使得焊縫起始點位于筒段圓形面最下方中心點；然后啟動導(dǎo)向機構(gòu)，使得打磨頭前進至焊縫打磨的起始點，使得打磨砂帶的中心點與筒段對應(yīng)的焊縫中心線重合；此時啟動自動運行程序，打磨啟動，柔順裝置換向，打磨砂帶與焊縫表面接觸，同時以匹配的速度啟動前進和旋轉(zhuǎn)電機，開啟內(nèi)壁螺旋焊縫打磨，打磨過程中啟動旋轉(zhuǎn)編碼器監(jiān)測和視覺監(jiān)測，調(diào)節(jié)進給速度與之匹配，若檢測速度有問題，則停止打磨，排查異常，同時根據(jù)檢測的焊縫偏移量，進行在線補償，直至打磨完成。

5 實驗驗證

基于上述設(shè)計過程，搭建實物驗證平臺，選用西門子數(shù)控系統(tǒng)、伺服電機、編碼器、輸入輸出模塊、自制的柔順壓緊系統(tǒng)和視覺控制系統(tǒng)等硬件系統(tǒng)。硬件框圖如圖6所示，配置表如表1所示。視覺相機選用的參數(shù)如表2所示。打磨的焊縫寬度為30 mm左右，視野范圍在100～200 mm內(nèi)，經(jīng)分析相機選用松下的400萬像素的黑白相機，選擇定焦鏡頭的焦距是16 mm，其安裝的最佳距離為323 mm，相應(yīng)的分辨率為73.2 μm/像素，標準視野范圍是15 mm×150 mm，滿足實驗所需精度要求。

表1 硬件配置列表

表2 相機配置列表

調(diào)試過程中，首先建立西門子系統(tǒng)與各伺服電機之間的以太網(wǎng)通訊，為實現(xiàn)螺旋焊縫跟蹤打磨功能，設(shè)計雙通道NC程序，以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)與進給同步功能[15]。程序段1是通道1內(nèi)進給軸程序，實現(xiàn)打磨頭旋轉(zhuǎn)與導(dǎo)向桿進給功能；程序段2是通道2內(nèi)筒段旋轉(zhuǎn)功能。通道1內(nèi)通過指令START(2)啟動通道2內(nèi)的程序，通過WAITM(1,1,2)實現(xiàn)同步，鋁管開始旋轉(zhuǎn)，此時打磨頭SP1以某一速度旋轉(zhuǎn)，Z軸前進；打磨頭以類似攻絲的程序CYCLE840運行，實現(xiàn)螺旋管的打磨目的；打磨結(jié)束后，再以3 000 mm/s的速度往回退出至安全位置，完成一遍打磨功能。通道2內(nèi)筒段的旋轉(zhuǎn)利用1個虛擬軸實現(xiàn)，4個真實軸通過指令TRAILON跟隨虛擬軸運動，從而確保電機同步。在系統(tǒng)運行過程中，若焊縫位置發(fā)生偏移，通過程序段3進行修正。通過輸入變量判斷進給軸將要偏移的方向，然后驅(qū)動Z軸移動偏移量R進行位置修正。

程序段1：

通道1內(nèi)進給軸程序：

START(2)

WAITM(1,1,2)

M1=3 S1=50

G95

CYCLE840(-3009,-3009,0,-1500,,0.001,0,4,11,,1410,0,1,0,,,,,1001,2)

G94

G01Z100F3000

M00

M30

程序段2：

通道2內(nèi)筒段旋轉(zhuǎn)程序：

WAITM(1,1,2)

TRAILON(C1,C)

TRAILON(C2,C)

TRAILON(C3,C)

TRAILON(C4,C)

M03S0.9

M00

WAITE(1)

M30

程序段3：

進給Z軸TRACK程序：

ID=1 WHENEVER $A_IM[1]==1 DO MOV[Z]=1

ID=1 WHENEVER $A_IN[2]==1 DO MOV[Z]=-1

ID=1 WHENEVER $A_IN[3]==1 DO FA[Z]=R

調(diào)試完畢后，進行工藝實驗，打磨所用砂帶及打磨實驗數(shù)據(jù)如表3所示。砂帶寬度根據(jù)打磨頭的設(shè)計定制為60 mm，目數(shù)挑選3種類型進行實驗，分別是80、120和150，材料為堆積氧化鋁，打磨采用恒力方式，壓力設(shè)置為200～250 N，電機旋轉(zhuǎn)速度實驗范圍為1 000～1 500 mm/s,打磨前進速度實驗范圍在0～200 mm/s。經(jīng)實驗分析，采用打磨工藝參數(shù)為砂帶目數(shù)120，打磨壓力250 N，電機旋轉(zhuǎn)速度1 500 mm/s，前進速度為50 mm/s,可獲得符合工藝需求的最佳效果。

表3 打磨砂帶配置列表

6 結(jié)語

本文針對超長筒段內(nèi)壁螺旋焊縫打磨需求，提出了筒段速度、圖像檢測等多重反饋的全閉環(huán)控制方案的研究，解決了筒段內(nèi)壁焊縫打磨過程中精確跟蹤的難題，并通過實驗搭建了軟硬件控制系統(tǒng)，驗證了實時焊縫跟蹤的打磨效果，研究表明，此方案可有效應(yīng)用于此類特殊打磨需求中。