工業(yè)機(jī)器人低合金鋼焊縫自適應(yīng)焊接控制方法

唐翠微，蒲東清

（1.雅安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 雅安 625000；2.四川拓格機(jī)器人科技有限公司，四川 成都 530001）

1 引言

合金元素總量在5%以下的合金鋼稱為低合金鋼。因鋼結(jié)構(gòu)制作加工時(shí)通常使用的是焊接工藝，由此針對(duì)此類用途的高強(qiáng)度鋼而言，可以在薄板與鋼帶相似厚度條件下廣泛采用電弧焊工藝實(shí)現(xiàn)焊接十分重要，制作的鋼結(jié)構(gòu)焊縫應(yīng)該具備相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)度以及韌性，由此才可以經(jīng)受得住預(yù)定用途可能出現(xiàn)的最壞情況[1-2]。當(dāng)前低合金高強(qiáng)度鋼和焊接工藝兩者的整體發(fā)展是同步的，尤其需要注意保障這些鋼可以具備適當(dāng)焊接性能。假設(shè)焊接操作合理，大部分低合金鋼能夠很好地實(shí)現(xiàn)焊接。

綜上可以看出，低合金鋼的焊接質(zhì)量十分重要。但是，由焊接工藝角度能夠了解到，因焊接整個(gè)過程中有很多隨機(jī)因素，例如散熱條件和熱變形等，均會(huì)直接影響最終的焊接質(zhì)量。把自適應(yīng)焊接控制引入低合金鋼焊接中，改變焊接時(shí)的開放特性，并使系統(tǒng)可以更好地適應(yīng)工作環(huán)境各種變化，利用對(duì)焊接中工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，保障焊接工作具有穩(wěn)定性，意義重大[3-4]。下面針對(duì)工業(yè)機(jī)器人低合金鋼焊縫自適應(yīng)焊接控制進(jìn)行研究，為低合金鋼更好地應(yīng)用提供可靠支撐。

2 工業(yè)機(jī)器人低合金鋼焊縫自適應(yīng)焊接控制

2.1 低合金鋼焊接自適應(yīng)控制傳感系統(tǒng)

系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人低合金鋼焊縫自適應(yīng)焊接的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中主要包含機(jī)器人焊接模塊、激光視覺傳感自適應(yīng)管控模塊、輸入輸出接口模塊、工藝參數(shù)采集模塊和有關(guān)軟件，其中軟件中包括WINUSER、ADAP、VISUS等。

2.1.1 機(jī)器人系統(tǒng)

焊接裝置根據(jù)焊接機(jī)器人單元、焊接電源單元、焊槍單元、送絲機(jī)構(gòu)、夾具單元、變位機(jī)和水、氣等有關(guān)的輔助裝置構(gòu)成。綜合考量系統(tǒng)完整性和運(yùn)行時(shí)的便利性，變位機(jī)和焊接電源等都是焊接機(jī)器人公司配套裝置。

2.1.2 激光視覺傳感硬件模塊

該模塊主要功能為對(duì)待焊坡口幾何信息進(jìn)行檢測，完成焊槍對(duì)中和高度進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，與此同時(shí)，基于檢測獲取的坡口間隙或者截面積自適應(yīng)對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)在線調(diào)節(jié)。其硬件構(gòu)成部分主要為激光視覺傳感器、控制器和伺服控制器以及輸入、輸出控制單元。激光焊縫跟蹤架構(gòu)示意圖，如圖1所示。

圖1 激光焊縫跟蹤架構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Laser Weld Tracking Architecture

2.1.3 激光視覺傳感軟件部分控制基本原理和功能

3D激光視覺傳感模塊中包括幾個(gè)功能不同的軟件部分。該系統(tǒng)用在過程控制中固件功能和其在線與離線時(shí)系統(tǒng)處理程序，如圖2所示。圖2中，DATA軟件負(fù)責(zé)控制攝像頭操作，同時(shí)在直角坐標(biāo)系中實(shí)時(shí)性地標(biāo)定距離圖像。VISUS主要負(fù)責(zé)圖像處理。其從目標(biāo)圖像的輪廓中獲取特征，檢測給定輪廓同時(shí)測量其幾何特征向量。該模塊提供了各種各樣的接頭，同時(shí)配置了較為特殊的圖像處理法，進(jìn)而保障其魯棒性。ADAP是一個(gè)可編程圖像后處理模塊。在其中抽取的特征數(shù)據(jù)能夠被重新組合用在機(jī)器人位置與焊接工藝參數(shù)自適應(yīng)控制中。接頭庫為一個(gè)存儲(chǔ)激光視覺傳感裝置專用參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，以此使系統(tǒng)可以處理不同類型應(yīng)用。圖形用戶界面在PC機(jī)上運(yùn)行，主要作用為展示由激光攝像頭采集到的數(shù)據(jù)以及配置視覺系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)。

圖2 激光視覺傳感模塊用在過程控制中固件功能Fig.2 The Firmware Function of the Laser Vision Sensor Module Used in Process Control

綜上，工業(yè)機(jī)器人低合金鋼焊縫自適應(yīng)焊接控制過程中，視覺系統(tǒng)中主要包含攝像機(jī)頭與攝像機(jī)控制單元兩部分，控制單元和自動(dòng)焊接設(shè)備，即機(jī)器人連接。依據(jù)攝像機(jī)頭采集圖像通過VISUS的識(shí)別提取、過濾獲取清晰軌跡點(diǎn)相關(guān)圖像和坡口幾何參數(shù)傳輸至控制器，通過ADAP將輪廓特征與幾何參數(shù)實(shí)行重組，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人位置與焊接程序輸出參數(shù)控制，進(jìn)而完成焊接工藝自適應(yīng)控制。

2.2 典型坡口焊縫的跟蹤

2.2.1 I型坡口焊縫跟蹤

針對(duì)I型坡口直線形狀的焊縫S，開展機(jī)器人先期示教編程過程中僅需明確兩個(gè)步點(diǎn)位置，第1個(gè)步點(diǎn)設(shè)于初始階段將激光投射至焊縫表層的位置，將激光打開，獲取焊縫的跟蹤點(diǎn)。第2個(gè)步點(diǎn)僅需沿著焊縫整體延伸方向設(shè)于焊縫終點(diǎn)的任意位置，可以起到為傳感器引導(dǎo)方向的作用，此時(shí)，焊縫跟蹤位置移動(dòng)公式表示為：

式中：V n—焊縫整體延伸向量；

sin(?n)—激光投射函數(shù)；

?n—焊縫系數(shù)。

此種方式能夠大大減少機(jī)器人焊縫跟蹤的時(shí)長，不僅能夠減小示教編程整體勞動(dòng)強(qiáng)度，而且焊縫跟蹤精度非常高。在焊縫跟蹤時(shí)還能夠?qū)嵭性诰€實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，對(duì)其Y與Z兩個(gè)軸坐標(biāo)實(shí)行偏差矯正，校正函數(shù)為：

式中：A l0—機(jī)器人編程總時(shí)長；

A l—焊縫跟蹤時(shí)長；

k—偏差系數(shù)。

裝配過程中，要保障焊縫的間隙是0mm，并且盡可能保持整個(gè)焊縫間隙均勻性。選擇合理的焊接參數(shù)，焊縫跟蹤程序穩(wěn)定精準(zhǔn)條件I下，則焊接焊縫可表示為：

其中，在焊縫間隙R T變化較小，且分布均勻下，結(jié)合激光視覺傳感裝置，能夠獲取成形效果良好的焊縫[5-6]。

針對(duì)I型坡口圓形形狀的焊縫，因該坡口基本類型是I型對(duì)接，因此其圖像處理法設(shè)置與焊前坡口識(shí)別與跟蹤點(diǎn)確定均需遵循上述直線形狀焊縫過程。

圓形焊縫跟蹤和直線焊縫跟蹤之間最大區(qū)別為機(jī)器人編程存在差異性。機(jī)器人走出圓弧路線至少應(yīng)該在圓弧上示教3個(gè)點(diǎn)，此為啟動(dòng)激光傳感裝置實(shí)行焊縫跟蹤前一定要保證的。同時(shí)因傳感器僅可以改變焊槍位置，無法改變焊槍姿態(tài)與方位，其中，設(shè)圓弧上各示教點(diǎn)位置攝像頭投射至焊縫表層激光條件系數(shù)T d以及圓弧切線方向閾值e(n)大致保持垂直狀態(tài)。編程之前應(yīng)該把圖像處理法等影響跟蹤點(diǎn)采集的參數(shù)均調(diào)節(jié)好，圓弧示教點(diǎn)為n，n-1，n+1，則調(diào)節(jié)函數(shù)為：

式中：T—跟蹤向量，編程時(shí)將激光傳感裝置打開，使各示教點(diǎn)位置均可以依據(jù)要求得到合適焊縫跟蹤點(diǎn)。

針對(duì)平面上圓形焊縫，根據(jù)傳感器驅(qū)動(dòng)焊槍運(yùn)動(dòng)且試件自身固定的方式實(shí)現(xiàn)跟蹤。此種跟蹤方式需要焊槍與激光傳感裝置間零位處在高度協(xié)調(diào)狀態(tài)，同時(shí)機(jī)器人自身也要具備非常高的達(dá)到精度。

2.2.2 Y型坡口焊縫跟蹤

Y型坡口的幾何尺寸，如圖3所示。

圖3 Y型坡口的幾何尺寸Fig.3 Geometry of Y-Shaped Groove

Y型坡口焊縫跟蹤時(shí)，還是要用到視覺統(tǒng)計(jì)，對(duì)針對(duì)一段時(shí)間中獲取的坡口幾何參數(shù)實(shí)行處理與存儲(chǔ)，此時(shí)，I型坡口焊縫間隙自適應(yīng)函數(shù)K p(n)為則：

式中：e(i)—獲取的坡口幾何參數(shù)函數(shù)；

K D—焊縫跟蹤過程的程序平穩(wěn)度；

K p(n)—I型坡口焊縫間隙自適應(yīng)函數(shù)。

焊縫跟蹤整個(gè)過程中與I型坡口大致相同時(shí)，即K P(n)=0，表示系統(tǒng)跟蹤程序平穩(wěn)。

2.3 焊縫自適應(yīng)焊接控制方法

為了提高低合金鋼焊接質(zhì)量，在上述焊接自適應(yīng)控制傳感系統(tǒng)和焊縫跟蹤的基礎(chǔ)上，從以下方面提出焊縫自適應(yīng)焊接控制方法。

焊接時(shí)一旦出現(xiàn)雙弧現(xiàn)象，主電弧電流有降低趨勢，電弧變化挺度降低[7-8]，在很大程度上破壞了焊接工藝穩(wěn)定程度。該現(xiàn)象還降低了主電弧自身的有效功率，導(dǎo)致電弧穿熔透力有所降低，甚至?xí)?dǎo)致噴嘴過熱受到燒損[9-10]。這時(shí)要在焊接時(shí)合理控制焊接電流與等離子氣流量e i：

通常情況下，焊接時(shí)等離子弧較為穩(wěn)定地在鎢極和工件間燃燒，因此，為提高主電弧自身功率，設(shè)鎢極燃燒過程中的特征向量為F，燃燒穩(wěn)定系數(shù)為γi，此時(shí)焊縫跟蹤的橫軸坐標(biāo)x位置為：

式中：I—焊接電流。

鎢極和工件間生成的等離子電弧用U r表示，噴嘴與工件間還會(huì)有和等離子弧并列存在的電弧用U f表示，當(dāng)兩個(gè)弧同時(shí)燃燒，此時(shí)，調(diào)節(jié)后的鎢極內(nèi)縮量為Uε，得到噴嘴水流分布函數(shù)N為：

式中：N—噴嘴屬性。

焊接過程中因電弧能量密度比較高，沿熔池至未熔化母材間溫度梯度相對(duì)大，焊接時(shí)比較容易出現(xiàn)咬邊缺陷。針對(duì)此種缺陷，在焊接過程中，要不斷進(jìn)行工藝調(diào)試對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)工藝調(diào)試系數(shù)p與焊接屬性標(biāo)簽K N二者之間的相關(guān)函數(shù)為：

式中：p(a i)—焊縫咬邊特征屬性函數(shù)。

在焊接過程中保證焊接速度M A和送絲速度C ip，為了防止氣孔現(xiàn)象發(fā)生，在焊接之前一定要使用角磨機(jī)把焊接試板表層氧化物打磨干凈[11-12]，設(shè)表層氧化物打磨干凈的概率為：

以S A的數(shù)值判斷氣孔現(xiàn)象發(fā)生幾率。焊接時(shí)，因焊接的電流太大等因素，會(huì)導(dǎo)致焊縫中心出現(xiàn)凹陷現(xiàn)象。一旦出現(xiàn)此類缺陷，要適當(dāng)降低焊接過程中的電流與等離子氣流量d c，提高送絲效率[13-15]。

假設(shè)背面保護(hù)的效果較差，則會(huì)導(dǎo)致焊縫背面的氧化現(xiàn)象過于嚴(yán)重，因此，要在保護(hù)槽底部設(shè)計(jì)一個(gè)等間距流線型導(dǎo)氣槽，使焊接氣流在保護(hù)槽內(nèi)形成螺旋狀的氣流擾動(dòng)，此時(shí)可知發(fā)生氧化的條件：

式中：f—流線型導(dǎo)氣槽的間距；

s—氧化條件熵；

W—擾動(dòng)函數(shù)；

d—氧化系數(shù)，當(dāng)ΔI大于1時(shí)，此時(shí)表示產(chǎn)生過氧化現(xiàn)象。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

工業(yè)機(jī)器人低合金鋼焊縫自適應(yīng)焊接控制是利用編程得到焊縫坡口間隙和截面積等一系列幾何參數(shù)，基于焊接時(shí)視覺傳感器獲取的焊縫坡口間隙或者截面積產(chǎn)生的變化，自適應(yīng)控制焊接電流與焊接速度以及送絲速度等相關(guān)參數(shù)?？刂七^程，如圖4所示。

圖4 低合金鋼焊縫自適應(yīng)焊接控制程序Fig.4 Adaptive Welding Control Program for Low Alloy Steel Welds

3.1 試板與裝配

實(shí)驗(yàn)過程中的試板幾何尺寸為：長×寬×厚=（300×60×3）mm，表層酸洗同時(shí)打磨干凈，再通過卡具把其壓緊，形成I型的對(duì)接坡口。針對(duì)該坡口間隙標(biāo)準(zhǔn)如下：保障間隙由焊縫始端至末端從小到大，焊縫變化范圍在（0～4）mm。

3.2 自適應(yīng)表格

對(duì)不同間隙I型的對(duì)接坡口，獲取不同間隙條件下相應(yīng)焊接工藝參數(shù)，把這些參數(shù)輸入至系統(tǒng)ADAP中的Adaptation Table表中。

3.3 電子數(shù)據(jù)表

自適應(yīng)表格能夠與一個(gè)電子數(shù)據(jù)表進(jìn)行連接，電子數(shù)據(jù)表內(nèi)包含可以將自適應(yīng)表內(nèi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為輸出焊接參數(shù)的程序。在程序內(nèi)包括運(yùn)算符和堆棧函數(shù)等用在數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理中的相關(guān)函數(shù)。

3.4 低合金鋼自適應(yīng)焊接數(shù)據(jù)的處理與焊縫成形

將焊接工藝參數(shù)和控制程序?qū)懙阶赃m應(yīng)表格與電子數(shù)據(jù)表格之后，就能夠?qū)︻A(yù)先已裝配完成的I型對(duì)接坡口間隙焊縫實(shí)行焊接。在焊接時(shí)，基于激光視覺傳感裝置檢測得到的焊縫間隙，實(shí)行均值處理，把不同間隙下所輸出的各項(xiàng)焊接參數(shù)實(shí)時(shí)展示在界面上。

處理時(shí)，處理器先把得到的坡口間隙值采集再實(shí)行均值處理，獲取的均值才是焊接過程中調(diào)用工藝參數(shù)需要的實(shí)際數(shù)值。在處理獲取間隙的基礎(chǔ)上，在自適應(yīng)表格中調(diào)用相應(yīng)工藝參數(shù)，此為自適應(yīng)控制整個(gè)過程。

基于獲取的間隙值對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)用，從電流值變化方面看，在間隙不斷增大下，電流值也在逐漸變小，目的是減小焊接時(shí)的熱輸入量。間隙不斷增加時(shí)，熱量不斷積累過高即會(huì)導(dǎo)致熔池下塌，同時(shí)熔池下面沒有成形槽當(dāng)作支撐將導(dǎo)致焊穿，使成形效果變差，由此適當(dāng)減小焊接時(shí)的電流會(huì)有效減少熱積累量。

從送絲速度方面看，在間隙不斷增大下，送絲的速度也有變大趨勢，使焊絲可以高效填充過大間隙，以此不會(huì)致使焊縫焊穿。

從焊接速度方面看，在間隙不斷增大下，焊接的速度不斷減小，以此使焊絲可以有充足時(shí)間提供填充量。低合金鋼自適應(yīng)焊接控制時(shí)，將實(shí)時(shí)生成文本數(shù)據(jù)，進(jìn)而將焊接參數(shù)輸出值記錄下來。這里數(shù)據(jù)記錄中的部分參數(shù)，如表1所示。

表1 自適應(yīng)焊接控制部分輸出參數(shù)Tab.1 Output Parameters of Adaptive Welding Control Part

在上述方法實(shí)施之后，針對(duì)焊縫進(jìn)行抽樣檢查，對(duì)比不同焊接控制方法的焊接裂紋情況結(jié)果，如圖5所示。

圖5 不同焊接控制方法下裂紋數(shù)量Fig.5 Number of Cracks Under Different Welding Control Methods

分析圖5可知，不同焊接方法下裂紋數(shù)量不同。當(dāng)檢查點(diǎn)為100個(gè)時(shí)，PLC焊接控制方法的裂紋數(shù)量為24個(gè)，視覺傳感器焊接控制方法的裂紋數(shù)量為19個(gè)，焊接控制方法的裂紋數(shù)量僅為4個(gè)。當(dāng)檢查點(diǎn)為500個(gè)時(shí)，PLC焊接控制方法的裂紋數(shù)量為52個(gè)，視覺傳感器焊接控制方法的裂紋數(shù)量為41個(gè)，焊接控制方法的裂紋數(shù)量僅為11個(gè)。方法的裂紋數(shù)量明顯低于其他兩種方法，能夠有效減少裂紋產(chǎn)生。這是因?yàn)樵谡麄€(gè)焊接控制中使用參數(shù)自適應(yīng)調(diào)控，在坡口間隙不斷增大下，焊接電流和焊接速度以及送絲速度均會(huì)做出對(duì)應(yīng)變化，進(jìn)而使焊縫正面與背面成形效果均較好，且裂紋數(shù)量相比傳統(tǒng)方法也得到了明顯改善。

為了進(jìn)一步比較不同方法的焊縫焊接控制效果，比較同一種材料在PLC焊接控制方法、視覺傳感器焊接控制方法以及這里方法下的焊縫焊接情況，通過金相組織分析儀器獲得結(jié)果，如圖6所示。

分析圖6可知，不同方法下焊縫焊接效果不同。PLC焊接控制方法后焊縫凹凸不平，焊接效果不佳。視覺傳感器焊接控制方法后焊縫得到一定的改善，但是仍舊可以看見明顯不平整情況。而采用這里焊接控制方法后，焊縫比較平整，焊縫焊接控制效果明顯提高，說明這里方法具有更好控制效果。

4 結(jié)論

上述將低合金鋼焊接作為重點(diǎn)進(jìn)行研究，對(duì)焊接過程中的質(zhì)量進(jìn)行控制，并防止了焊接裂紋等現(xiàn)象的產(chǎn)生，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明了所提方法具有可靠性。搭接和內(nèi)角接等一些比較典型坡口跟蹤在下一步也應(yīng)該予以重視，并進(jìn)一步完善焊縫跟蹤，提高焊接質(zhì)量。