劉 源, 劉 芳, 馬宏波, 林 濤,3, 朱振友

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

基于激光測(cè)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(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200093; 2.江蘇北人機(jī)器人系統(tǒng)股份有限公司,蘇州 215021;3.上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200240)

采用激光測(cè)距傳感器掃描船體格子間型結(jié)構(gòu)件工件的各個(gè)側(cè)面,得到特征點(diǎn),經(jīng)算法處理生成離線機(jī)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(jī)器人平臺(tái)載體,并利用C#語(yǔ)言開(kāi)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(shí)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(shí)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(shí)間.

柔性化焊接; 焊縫尋位; 激光測(cè)距; 船體分段

目前,高度柔性化和自動(dòng)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(guò)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(shí)現(xiàn)連接,如圖1所示,單獨(dú)的格子間型結(jié)構(gòu)件分別包含4個(gè)平角和4個(gè)立角的焊縫[2].由于實(shí)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(dòng)化設(shè)備均是針對(duì)單一尺寸的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品[3-5],焊接系統(tǒng)柔性化較低,針對(duì)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(dòng)化設(shè)備都難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接.

圖1 船體格子間型結(jié)構(gòu)焊縫

針對(duì)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(dòng),當(dāng)焊絲和工件接觸時(shí),焊絲和工件間的電位差變?yōu)榱?通過(guò)程序計(jì)算出實(shí)際位置,從而獲得焊縫軌跡[6].但是,這種方法的機(jī)器人焊接系統(tǒng)柔順性比較差,當(dāng)焊接下一個(gè)尺寸差異較大的格子間型結(jié)構(gòu)時(shí),初始焊位獲取的周期較長(zhǎng),導(dǎo)致焊接效率降低.同時(shí),文獻(xiàn)[7]也提出了一種通過(guò)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(shí)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(jī)器人技術(shù)集成于機(jī)器人平臺(tái)載體,借助激光測(cè)距傳感器與采集卡等外部設(shè)備,對(duì)格子間型結(jié)構(gòu)側(cè)壁進(jìn)行掃描,提取特征點(diǎn),通過(guò)工控機(jī)的算法處理后生成工件焊縫軌跡,從而達(dá)到焊接系統(tǒng)的高度柔性化,實(shí)現(xiàn)對(duì)格子間型結(jié)構(gòu)件自動(dòng)化焊接的目的.

1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖2(a)為設(shè)計(jì)的機(jī)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(jī)器人及其控制柜、基恩士激光測(cè)距傳感器、研華1710采集卡以及工控機(jī)等;圖2(b)的軟件界面是利用C#語(yǔ)言和ABB機(jī)器人SDK工具所開(kāi)發(fā)的人機(jī)交互界面,該軟件界面能應(yīng)用于機(jī)器人掃描過(guò)程和焊接過(guò)程的控制,機(jī)器人掃描結(jié)束后將自動(dòng)生成離線的焊縫軌跡程序,并自動(dòng)導(dǎo)入機(jī)器人控制系統(tǒng).

圖2 機(jī)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(jī)器人末端,通過(guò)研華采集卡將激光測(cè)距傳感器采集的數(shù)據(jù)傳遞給工控機(jī),機(jī)器人與工控機(jī)之間采用以太網(wǎng)進(jìn)行通訊.系統(tǒng)工作時(shí),機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(guò)采集卡傳給工控機(jī),同時(shí),機(jī)器人獲取機(jī)器人末端實(shí)時(shí)位置的坐標(biāo)值.如此,工件的每個(gè)側(cè)壁均掃描兩次,工控機(jī)上的軟件系統(tǒng)將激光器測(cè)量數(shù)據(jù)與機(jī)器人采集的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到焊縫軌跡后自動(dòng)生成離線的機(jī)器人程序.機(jī)器人系統(tǒng)工作流程如圖3所示.本文所用到的激光測(cè)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(guò)線性回歸將模擬量電壓值轉(zhuǎn)換成距離值.

圖3 系統(tǒng)運(yùn)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(jī)器人指令Movel對(duì)焊縫軌跡進(jìn)行編程,焊接速度和轉(zhuǎn)角半徑可根據(jù)焊接經(jīng)驗(yàn)設(shè)定,只需獲得機(jī)器人焊接時(shí)的起弧位置和收弧位置.對(duì)于4條平角焊縫,焊縫軌跡呈四邊形,獲得4個(gè)底角坐標(biāo)即得到各條平角焊縫的軌跡;對(duì)于4條立角焊縫,獲得4個(gè)底角的坐標(biāo)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(dòng)輸入.

2 激光器坐標(biāo)系的標(biāo)定

在工控機(jī)處理數(shù)據(jù)的過(guò)程中,由于需要將激光器采集的距離值與機(jī)器人獲取的坐標(biāo)值進(jìn)行計(jì)算,就必須要確定激光器坐標(biāo)系與機(jī)器人末端坐標(biāo)系的位置和旋轉(zhuǎn)關(guān)系[8]，這樣才能根據(jù)機(jī)器人末端相對(duì)于機(jī)器人的基坐標(biāo)系的坐標(biāo)向量,得到激光器坐標(biāo)系相對(duì)于焊槍坐標(biāo)系的相對(duì)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(diǎn)則視為TCP(tool center point),采用六點(diǎn)法對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定[9].其中,采用特別設(shè)計(jì)的激光器安裝支架,使激光器的發(fā)射光束與法蘭盤坐標(biāo)系y軸平行.

激光器位置標(biāo)定過(guò)程如下:首先在桌面上固定一標(biāo)準(zhǔn)球,在球面上做一個(gè)標(biāo)記點(diǎn),然后示教機(jī)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(shí),在調(diào)整的過(guò)程中使激光光束直射球面上的同一標(biāo)記點(diǎn),且各姿態(tài)下的激光測(cè)距都為300 mm.圖4為機(jī)器人基坐標(biāo)系CB、機(jī)器人末端坐標(biāo)系CT和激光器TCP坐標(biāo)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(duì)于不同的位姿,X始終保持不變.對(duì)于同一臺(tái)機(jī)器人,無(wú)論對(duì)應(yīng)機(jī)器人哪個(gè)位姿,矩陣B均可由機(jī)器人讀出.根據(jù)4個(gè)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(biāo)系間的轉(zhuǎn)換

激光器的位置是激光器坐標(biāo)系在空間中相對(duì)于機(jī)器人末端坐標(biāo)系偏移的位置,而激光器的姿態(tài)是其相對(duì)于機(jī)器人末端的旋轉(zhuǎn)關(guān)系,需要進(jìn)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(biāo)系的一個(gè)坐標(biāo)軸的方向;而坐標(biāo)系的另外2個(gè)坐標(biāo)軸的方向并未確定,理論上繞激光器坐標(biāo)y軸任意旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系方向均可以成為激光器姿態(tài)標(biāo)定的解;若不對(duì)姿態(tài)進(jìn)行標(biāo)定,則會(huì)出現(xiàn)無(wú)數(shù)組解.文獻(xiàn)[10]提供了一種借助于外界輔助裝置對(duì)激光器的姿態(tài)進(jìn)行標(biāo)定的方法,但是,輔助裝置的引入會(huì)增加標(biāo)定的誤差,對(duì)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(biāo)系與機(jī)器人末端的坐標(biāo)方向默認(rèn)一致,在ABB機(jī)器人控制器里定義激光器坐標(biāo)系的方向與法蘭盤一致,可以認(rèn)為激光器坐標(biāo)系是機(jī)器人末端坐標(biāo)系平移后的結(jié)果.按照上述過(guò)程就得到了激光器坐標(biāo)系相對(duì)于法蘭盤的姿態(tài).

3 試驗(yàn)與分析

本文所開(kāi)發(fā)的機(jī)器人系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思路,利用激光測(cè)距傳感器進(jìn)行測(cè)距,采取樣點(diǎn),通過(guò)編寫的程序進(jìn)行計(jì)算,得出焊縫軌跡,實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)按照其功能進(jìn)行轉(zhuǎn)換與調(diào)節(jié).基于位移激光測(cè)距尋找焊縫軌跡的精度取決于激光器測(cè)量、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及標(biāo)定結(jié)果等,不可控的影響因素較多,所以,對(duì)系統(tǒng)掃描計(jì)算得到的軌跡的準(zhǔn)確性需要進(jìn)一步分析.

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

系統(tǒng)的重復(fù)性是指機(jī)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(dá)到同一軌跡位置的能力[12].本系統(tǒng)的重復(fù)性分析需要對(duì)檢測(cè)出的焊縫軌跡底角坐標(biāo)的一致性進(jìn)行分析比較.在不改變系統(tǒng)部件和試驗(yàn)條件下,用同一步驟針對(duì)同一個(gè)格子間型結(jié)構(gòu)掃描計(jì)算,利用4個(gè)底角坐標(biāo)值對(duì)軌跡進(jìn)行描述.由于裝配、機(jī)器人重復(fù)定位、激光測(cè)量等誤差原因,造成了4個(gè)底角坐標(biāo)的精度并不完全相同.通過(guò)50次重復(fù)掃描試驗(yàn)得到4組坐標(biāo)值,被掃描工件如圖2(a)所示,一個(gè)底角對(duì)應(yīng)1×50個(gè)坐標(biāo)值,將各坐標(biāo)值與人工測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比,得到各誤差值,將各坐標(biāo)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(gè)底角,為0.335 8 mm;精度最低的是第3個(gè)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(jìn)一步準(zhǔn)確地表示出系統(tǒng)的重復(fù)性指標(biāo),針對(duì)單獨(dú)一個(gè)坐標(biāo)的重復(fù)性進(jìn)行估算,運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)差分析模型對(duì)系統(tǒng)精度的不確定度進(jìn)行分析[13].采用Bessel公式來(lái)建立典型系統(tǒng)重復(fù)性分析的標(biāo)準(zhǔn)差模型.

圖5 4個(gè)底角坐標(biāo)精度

(2)

再利用極差值來(lái)反映每組底角坐標(biāo)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(biāo)值的差距較小,在0.16mm內(nèi).同時(shí),各組底角坐標(biāo)的方差較小,收斂性好,系統(tǒng)的重復(fù)性很好.

表1 各底角的重復(fù)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(cè)距傳感器配合機(jī)器人、采集卡、工控軟件系統(tǒng)獲得工件特征點(diǎn)信息,自動(dòng)生成機(jī)器人可識(shí)別焊位軌跡.

b. 采用改進(jìn)的TCP標(biāo)定方法對(duì)激光測(cè)距傳感器進(jìn)行標(biāo)定,使激光傳感器得到的數(shù)據(jù)與機(jī)器人坐標(biāo)數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)，并進(jìn)行了坐標(biāo)變換.

c. 對(duì)焊縫軌跡精度進(jìn)行分析,表明本文集成的機(jī)器人系統(tǒng)所得到的焊縫軌跡精度和重復(fù)性都較好,分別為0.4 mm和0.16 mm.集成的機(jī)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(dòng)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

A