基于機(jī)器視覺(jué)的粉罐半掛車罐體焊接變形控制方法研究

李卿 蘭中林

摘要：焊接變形是目前粉罐半掛車車罐體生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，焊接變形會(huì)直接導(dǎo)致車體的尺寸不精準(zhǔn)，甚至出現(xiàn)報(bào)廢情況，影響生產(chǎn)單位的經(jīng)濟(jì)效益。由于原有方法在接口定位點(diǎn)上獲取的變形信息不及時(shí)，導(dǎo)致對(duì)半掛車罐體的焊接變形量預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確，超出實(shí)際尺寸公差要求，需要進(jìn)行二次調(diào)整延長(zhǎng)工期，進(jìn)而研究基于機(jī)器視覺(jué)的粉罐半掛車罐體焊接變形控制方法。設(shè)置約束條件定義粉罐半掛車罐體焊接過(guò)程，基于機(jī)器視覺(jué)確定焊接變形定位點(diǎn)，運(yùn)用因果鏈建立矛盾關(guān)系控制罐體焊接變形，完成控制方法設(shè)計(jì)。以某公司生產(chǎn)的粉罐半掛車為測(cè)試對(duì)象，對(duì)其罐體的焊接全過(guò)程進(jìn)行變形控制，采用本文方法和傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)照，以焊縫長(zhǎng)度和間隔為焊接變形控制基礎(chǔ)，在實(shí)際的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)傳統(tǒng)方法距離極值較近，甚至有超過(guò)極值的現(xiàn)象產(chǎn)生，而本文方法能夠?qū)⑵淇刂圃谧冃瘟康闹行姆秶鷥?nèi)，距離極值存在一定差距，具有實(shí)際應(yīng)用意義。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺(jué);粉罐半掛車;罐體焊接;焊接變形;變形控制方法

中圖分類號(hào)：U466 收稿日期：2022—03—09

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.05.012

粉罐半掛車由多個(gè)部分組成，包括罐體和前后車架以及走道和管路等，為了保證其制作工藝的成本和使用壽命，通常在罐體和前后車架上采用高強(qiáng)度鋼材。在整個(gè)粉罐半掛車設(shè)計(jì)工藝上，因罐體是其最主要的部分，故在罐體內(nèi)壁上以弧形筋板進(jìn)行焊接，且每組板筋等間距并控制在800～1500mm之間。而罐體在進(jìn)行結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一定的變形量，在保證罐體較輕的質(zhì)量前提下，變形量對(duì)后期的罐體成品存在兩方面影響：一是一定的變形量會(huì)進(jìn)行簡(jiǎn)便焊縫的連接;二是過(guò)多變形量會(huì)增加反復(fù)焊接操作，甚至出現(xiàn)成品報(bào)廢的情況。因此，對(duì)罐體焊接的變形過(guò)程進(jìn)行控制非常重要"。

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是目前人工智能領(lǐng)域應(yīng)用較多的技術(shù)之一。該技術(shù)主要是利用機(jī)器人的視覺(jué)功能，使其能夠像人的眼睛一樣去觀察客觀的事物體。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用更具優(yōu)勢(shì)。它可以直接通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬人類視覺(jué)功能，在采集圖像的基礎(chǔ)上將其轉(zhuǎn)化為視覺(jué)信號(hào)，再利用標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議完成對(duì)應(yīng)信息的處理。本文以此為基礎(chǔ)研究，通過(guò)基于機(jī)器視覺(jué)的粉罐半掛車罐體的焊接變形控制方法，來(lái)改良傳統(tǒng)控制方法的不足之處，為更高質(zhì)量的罐體焊接提供理論基礎(chǔ)。

1 基于機(jī)器視覺(jué)的粉罐半掛車罐體焊接變形控制方法

1.1約束條件定義粉罐半掛車罐體焊接過(guò)程

焊接變形是一個(gè)多面性工藝，在不同的接口處存在一定的變形量，對(duì)口連接是以焊縫的存在形式進(jìn)行，但嚴(yán)重的變形量會(huì)影響后期的結(jié)構(gòu)尺寸。其實(shí)，焊接過(guò)程是一個(gè)局部加熱和冷卻的過(guò)程，在部件的焊接點(diǎn)位上必然會(huì)存在溫度不均勻的現(xiàn)象，如何將更為精確的焊接變形量應(yīng)用在粉罐半掛車的罐體焊接中，需要在焊接前對(duì)變形量進(jìn)行約束條件設(shè)定。通過(guò)對(duì)罐體的焊接電流和電壓范圍的設(shè)定，使得罐體的拼接留有一定的間隙，從而讓整個(gè)罐體存在足夠的變形余量2。

在TRIZ理論的基礎(chǔ)上，利用辯證法和系統(tǒng)理論，對(duì)焊接變形產(chǎn)生的可控量進(jìn)行約束，但是整個(gè)的焊接過(guò)程不能改變的條件有三點(diǎn)：a.焊接的設(shè)備不能過(guò)于復(fù)雜化;b.焊接的材料必須做到完全熔化;c.焊接的全程不能進(jìn)行多次反復(fù)形變?；诖?，在保證粉罐半掛車的各組零件能夠滿足工藝要求后，對(duì)罐體的主板進(jìn)行焊接變形量的補(bǔ)償設(shè)定，在所得成品的焊接公差上需要滿足±3mm之內(nèi)3。

1.2基于機(jī)器視覺(jué)確定罐體焊接變形定位點(diǎn)

利用相機(jī)中的參數(shù)坐標(biāo)系，對(duì)焊接點(diǎn)位的位置和姿態(tài)進(jìn)行設(shè)置，假定參考點(diǎn)位位于坐標(biāo)系Q，WE，R，中，參考坐標(biāo)設(shè)置為（W，E，，R，），而對(duì)應(yīng)的相機(jī)坐標(biāo)系為Q，W，E，R，，對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)為為（W，，E，R，）。在兩個(gè)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系下設(shè)置參考點(diǎn)位向量，其中a、s、d分別為參考坐標(biāo)系Q，W，E，R，對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸上的單位向量，而a，、s，、d，表示為相機(jī)坐標(biāo)系Q，WE，R，中的對(duì)應(yīng)向量，將兩者進(jìn)行對(duì)照能夠得出相機(jī)中定位點(diǎn)的參考坐標(biāo)系，以（W，，E，，R，）為例，表達(dá)式為：

式中，aa，表示a軸與a，兩個(gè)單位向量中的矢量面積，其與以此類推即可;外參數(shù)的矩陣用F，來(lái)表示，其中Z表示為余弦的3x3矩陣，表示相機(jī)坐標(biāo)系的參考坐標(biāo)姿態(tài);W。表示相機(jī)坐標(biāo)系在參考坐標(biāo)中的位置。

對(duì)整體的焊接過(guò)程參數(shù)設(shè)定完成后，在具體的焊接過(guò)程中需要對(duì)焊角進(jìn)行定位，此次采用機(jī)器視覺(jué)的跟蹤技術(shù)，對(duì)罐體各段的焊接連接接口位置變化進(jìn)行全程視覺(jué)追蹤。通過(guò)選擇合理的焊接方式和焊接要求，在反變形和變形的基礎(chǔ)上，利用固定連接方式，對(duì)粉罐半掛車的罐體進(jìn)行順序連接的全過(guò)程約束，完成焊接次序的安裝裝配。

1.3 運(yùn)用因果鏈建立矛盾關(guān)系控制罐體焊接變形

對(duì)粉罐半掛車的罐體進(jìn)行焊接變形控制，主要是對(duì)后續(xù)的焊接尺寸進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)定，在合理的焊縫尺寸和接口上，減少不必要的二次焊接形變過(guò)程，以此直接對(duì)焊接的過(guò)程進(jìn)行定義。實(shí)際的焊接過(guò)程會(huì)產(chǎn)生較大的熱量值，解決散熱問(wèn)題能夠從根本上控制焊接的變形結(jié)果，運(yùn)用因果鏈的分析方式，建立焊接過(guò)程的矛盾連接關(guān)系，以物理和化學(xué)的參數(shù)變化控制罐體焊接變形。從熱量產(chǎn)生角度和散熱過(guò)程，分析焊接變形因果關(guān)系，對(duì)產(chǎn)生變形的全過(guò)程進(jìn)行連接設(shè)定（圖1）5。

如圖1所示，在對(duì)罐體的焊接過(guò)程中需要較多的熱量，但為了減少變形量，需要對(duì)單獨(dú)部位控制到較小熱量，因此需要在產(chǎn)熱的過(guò)程中進(jìn)行瞬間散熱，以完成對(duì)焊接變形的控制。矛盾關(guān)系的定義為：在可制造和可維護(hù)的參數(shù)對(duì)照下，對(duì)時(shí)間和物理維度上的數(shù)量進(jìn)行有效把控，將焊接中傳輸熱量的路徑進(jìn)行增添，以保證均勻散熱的可操作性。對(duì)于散熱工件較少的問(wèn)題，可以通過(guò)增加散熱工件的面積進(jìn)行物理維度的改變，以此增加散熱量，維持焊接部件的變形。

至此在約束條件的設(shè)置下，重新定義粉罐半掛車罐體的焊接全過(guò)程，利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)定位罐體焊接變形點(diǎn)，通過(guò)因果鏈理論建立焊接矛盾關(guān)系，對(duì)罐體焊接變形量進(jìn)行控制，完成粉罐半掛車罐體焊接變形控制方法設(shè)計(jì)。

2試驗(yàn)測(cè)試與分析

為驗(yàn)證此次設(shè)計(jì)的控制方法具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，能夠?qū)Ψ酃薨霋燔嚨墓摅w焊接變形進(jìn)行有效控制，采用試驗(yàn)測(cè)試的方法進(jìn)行論證。選擇某生產(chǎn)公司預(yù)計(jì)生產(chǎn)的粉罐半掛車為測(cè)試對(duì)象，其罐體的制作材料為高強(qiáng)度鋼，為提高罐體的整體剛度，在內(nèi)置筋板和襯板的截面結(jié)構(gòu)上采用T型連接形式，使其具備良好的抗彎特性。試驗(yàn)前調(diào)取該廠主要的焊接技術(shù)，分別對(duì)罐體的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)定，在不改變變形技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行變形量控制，具體工藝標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

根據(jù)表1內(nèi)容所示，此次罐體的焊接電壓和電流均在標(biāo)準(zhǔn)焊接范圍內(nèi)，最高電壓不超過(guò)28 V，電流不超過(guò)280 A。在此工藝下對(duì)比行業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，其容許的焊縫長(zhǎng)度和間隔需要滿足140～160 mm之間。此次試驗(yàn)的主要目的為：在不同的控制方法下，對(duì)罐體焊接過(guò)程變形量進(jìn)行控制，使其罐體的焊縫長(zhǎng)度和焊接間隔均滿足生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，以減少二次焊接。

為保證試驗(yàn)測(cè)試的準(zhǔn)確性，在MATLAB測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，采用兩種傳統(tǒng)方法作為對(duì)照方法，進(jìn)行該粉罐半掛車的罐體焊接全過(guò)程模擬。由于傳統(tǒng)控制方法的主要流程為已知條件，直接對(duì)本文方法的注意事項(xiàng)和流程進(jìn)行設(shè)定，如下：

a.標(biāo)記焊接點(diǎn)位：對(duì)罐體的制作開(kāi)料進(jìn)行切割時(shí)，要在切割的鋼材上直接進(jìn)行點(diǎn)位標(biāo)記，按照對(duì)主焊接的順位點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，使其各個(gè)點(diǎn)位能夠組合在一起。

b.對(duì)稱點(diǎn)位跳焊：罐體的整個(gè)焊接過(guò)程較長(zhǎng)，焊縫的形成長(zhǎng)度也較大，因此在焊接時(shí)需要對(duì)設(shè)計(jì)的點(diǎn)位進(jìn)行對(duì)稱焊接，利用跳點(diǎn)焊接的方式進(jìn)行移動(dòng)方向上的順序焊接。

c.先內(nèi)后外原則：在設(shè)定完焊接方式和焊接點(diǎn)位后，對(duì)罐體的焊接采取內(nèi)側(cè)先焊接、外側(cè)后焊接的原則進(jìn)行焊縫制作。由于內(nèi)側(cè)焊接完畢后會(huì)產(chǎn)生焊瘤和廢渣，需要將其清理干凈后再進(jìn)行罐體的外側(cè)焊接，保證焊接縫隙的精準(zhǔn)度。

通過(guò)對(duì)整體焊接流程的設(shè)定和方式選擇，直接模擬罐體的焊接過(guò)程，同時(shí)測(cè)試不同方法對(duì)罐體焊接變形的控制效果。以焊縫的長(zhǎng)度和間隔作為測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)定的基礎(chǔ)范圍上，上下不超過(guò)±3 mm即視為合格，不會(huì)進(jìn)行二次反變形焊接。通過(guò)多輪測(cè)試得到的焊接焊縫長(zhǎng)度和間隔見(jiàn)表2。

根據(jù)表2內(nèi)容，在三種控制方法下產(chǎn)生的焊縫長(zhǎng)度和間隔各不相同：兩組傳統(tǒng)方法的長(zhǎng)度更接近于標(biāo)準(zhǔn)范圍的兩端極值，且傳統(tǒng)方法1產(chǎn)生的焊縫長(zhǎng)度低于最小值，超出了標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定范圍，因此焊縫間隔也超出了標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定;傳統(tǒng)方法2產(chǎn)生的焊縫長(zhǎng)度基本滿足標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定，但有超出標(biāo)準(zhǔn)范圍的可能性。采用本文應(yīng)用的方法產(chǎn)生的焊縫長(zhǎng)度值在設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，且距離兩端的極值較遠(yuǎn)，能夠有效控制罐體的焊接變形，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以焊接變形的技術(shù)要點(diǎn)入手，利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)新的變形控制方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：在本文方法下能夠?qū)⒆冃瘟靠刂圃跇?biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，且距離極限值較遠(yuǎn)，能夠被廣泛應(yīng)用。由于時(shí)間限制，在研究過(guò)程中對(duì)樣本的參考數(shù)據(jù)取值存在隨機(jī)性，獲得的最終結(jié)果有一定的偏差，后期會(huì)進(jìn)行更深層次的改良，為粉罐半掛車罐體的生產(chǎn)提供更好的技術(shù)支持，使其具備整裝質(zhì)量更小、裝載質(zhì)量更大的運(yùn)輸優(yōu)勢(shì)。

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