孔 萌 ，張 杰 ，顧 帆 ，陳華斌

（1.上海發(fā)那科機(jī)器人有限公司，上海201206；2.上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海200240）

基于線結(jié)構(gòu)光掃描的機(jī)器人GMAW自適應(yīng)規(guī)劃方法

孔 萌 1，張 杰 1，顧 帆 2，陳華斌 2

（1.上海發(fā)那科機(jī)器人有限公司，上海201206；2.上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海200240）

針對弧焊機(jī)器人在中厚板焊接中的應(yīng)用，研制了一套激光視覺傳感器，基于FANUC機(jī)器人TCP/IP協(xié)議，開發(fā)了傳感器與機(jī)器人控制器之間的通訊平臺。以厚20mm的Q345單V型坡口機(jī)器人GMAW為例，結(jié)合機(jī)器人手眼標(biāo)定、線結(jié)構(gòu)光平面參數(shù)標(biāo)定結(jié)果，實現(xiàn)變間隙焊道參數(shù)自適應(yīng)規(guī)劃及多層多道自動編排，結(jié)果滿足機(jī)器人中厚板自適應(yīng)焊接要求。

線結(jié)構(gòu)光；弧焊機(jī)器人；自適應(yīng)規(guī)劃

0 前言

隨著我國《中國制造2025》的戰(zhàn)略實施，焊接制造領(lǐng)域正經(jīng)歷“兩化”融合的推動，朝著數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化轉(zhuǎn)型升級，使焊接制造過程中的信息需求量顯著增加[1]。傳統(tǒng)“示教-再現(xiàn)”型機(jī)器人無法感知外界環(huán)境，對作業(yè)環(huán)境變化做出實時調(diào)整，通常通過調(diào)整夾持工具、安裝精度來減少焊縫相對預(yù)設(shè)位置的軌跡偏差，但無法從本質(zhì)上解決問題。

近幾年，隨著計算機(jī)視覺、模式識別、圖像處理等技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人焊接智能化應(yīng)用研究得到逐步推廣并大規(guī)模應(yīng)用，而激光結(jié)構(gòu)光傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小等特點，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人焊接的焊縫跟蹤、軌跡規(guī)劃等領(lǐng)域，如Servo-Robot、Meta等商業(yè)傳感器。盡管激光視覺傳感器的開發(fā)應(yīng)用日漸成熟，但在處理中厚板焊接問題時仍然存在很多不足，如中厚板坡口復(fù)雜曲線變化、焊槍姿態(tài)、前進(jìn)角及坡口裝配間隙的不均勻性，給中厚板焊縫跟蹤、焊接參數(shù)（速度、擺幅等）和焊道自適應(yīng)編排等帶來了諸多難題[2－4]。

本研究基于FANUC弧焊機(jī)器人系統(tǒng)平臺，以中厚板變間隙單V型坡口機(jī)器人GMAW為例，研制了一套激光視覺傳感器，基于TCP/IP協(xié)議和Socket的客戶端（機(jī)器人控制器）-服務(wù)器（激光傳感器）的模式進(jìn)行數(shù)據(jù)應(yīng)答，根據(jù)視覺傳感器反饋到機(jī)器人控制器的坡口特征信息，進(jìn)行焊接參數(shù)（如焊接速度）和擺幅的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)中厚板機(jī)器人GMAW自適應(yīng)焊接。

1 激光焊縫跟蹤及試驗系統(tǒng)

搭建的弧焊機(jī)器人平臺如圖1所示，主要包括FANUC M-20iA本體、機(jī)器人控制器R-30iB、焊接電源 Power Wave i400/R350、Lincoln Auto Drive 4R90送絲機(jī)構(gòu)及焊槍等。傳感系統(tǒng)包括激光視覺傳感器和主控計算機(jī)。

圖1 FANUC弧焊機(jī)器人系統(tǒng)平臺

視覺傳感系統(tǒng)主要由激光器、夾持機(jī)構(gòu)、減光/濾光系統(tǒng)及CCD相機(jī)等組成。采用MER-200-20GM型CCD視覺傳感器，有效像素200萬，CCD靶面尺寸29 mm×29 mm，通過GigE數(shù)據(jù)接口傳輸圖像數(shù)據(jù)，并集成I/O接口，提供線纜緊鎖裝置，能在各種惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作。半導(dǎo)體激光器中心波長為650 nm，工作壽命可達(dá)12 000 h以上。光斑形狀為一字條紋，且激光條紋亮度高、條紋細(xì)，投射在工件表面可直觀反映坡口特征。由于焊接過程中強(qiáng)烈電弧光及飛濺等干擾激光條紋質(zhì)量，導(dǎo)致無法有效地精確識別焊接前端熔池的激光條紋，為此設(shè)計了一套減光/濾光系統(tǒng)，利用激光的相干性和單色性對電弧弧光有選擇地進(jìn)行濾波處理。

系統(tǒng)軟件平臺是基于Visual C++2015環(huán)境下開發(fā)和運行，軟件界面由4個功能區(qū)組成，左側(cè)功能區(qū)是焊接過程監(jiān)控和圖像提取界面，右側(cè)功能區(qū)是相機(jī)控制、視覺標(biāo)定和通訊模塊。可實時呈現(xiàn)激光條紋移動的動態(tài)位置，如焊縫偏差值ΔY、ΔZ，間隙，錯邊，坡口面積，坡口深度等信息。通訊模塊可設(shè)置對應(yīng)的端口號和IP地址，下方顯示框可顯示參與通訊設(shè)備之間的具體信息，如圖2所示。

圖2 焊縫激光跟蹤軟件界面

2 機(jī)器人GMAW變間隙自適應(yīng)規(guī)劃

為了實現(xiàn)機(jī)器人的焊縫識別，需要識別出焊縫坡口特征點。視覺系統(tǒng)標(biāo)定的目的是尋找圖像坐標(biāo)與機(jī)器人世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化關(guān)系，主要涉及攝像機(jī)參數(shù)標(biāo)定、結(jié)構(gòu)光參數(shù)標(biāo)定以及手眼標(biāo)定。

文獻(xiàn)[5]介紹了相機(jī)內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定的詳細(xì)過程，內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定結(jié)果如表1所示。

表1 相機(jī)參數(shù)標(biāo)定結(jié)果

為了確定相機(jī)與圖像平面之間的空間相對位置，需要對視覺傳感器線結(jié)構(gòu)光平面進(jìn)行標(biāo)定，考慮到傳感器、CCD鏡頭相對封裝固定，相對位置不發(fā)生變化。采用三角投影法推導(dǎo)高度相對位置關(guān)系，如圖3所示。

得出高度方向的解析表達(dá)式

采用十點法，機(jī)器人內(nèi)部控制器根據(jù)視覺傳感器采集的信息自動進(jìn)行手眼標(biāo)定。

圖3 激光傳感器的投影關(guān)系

對待焊的單V型坡口試板，激光條紋打到工件表面可以提取到 6 個參數(shù)：ΔX、ΔY、ΔZ、GAP、Mismatch和Area。而本研究主要研究平板對接，不考慮焊接錯邊，只需考慮 3個參數(shù)：ΔY、ΔZ、GAP，并實時發(fā)送至機(jī)器人控制器，數(shù)據(jù)發(fā)送間隔為50 ms，通過機(jī)器人內(nèi)部控制器轉(zhuǎn)換實際焊接參數(shù)（焊接速度和擺幅）進(jìn)行施焊，如圖4所示。

然而，在焊接過程中由于飛濺、電弧光以及激光條紋本身亮度等因素的影響，造成圖像不清晰，激光條紋難以辨認(rèn)，如圖5所示。對指定區(qū)域進(jìn)行劃定ROI（Region of Interest，ROI）處理：中值濾波、激光條紋形態(tài)學(xué)處理（膨脹、腐蝕）、OSTU閾值分割及二值化處理等，圖像處理過程見文獻(xiàn)[5]。

自適應(yīng)擺動焊接主要針對焊縫坡口寬度或間隙漸變情況，通過激光視覺傳感獲取坡口特征參數(shù)反饋至機(jī)器人控制器，自適應(yīng)調(diào)節(jié)焊槍擺動幅度和焊接速度?？刂苹静呗詾椋寒?dāng)激光器掃描到間隙較小時，機(jī)器人焊接速度較快，擺動幅度較小，保證焊接時單位時間內(nèi)焊絲填充量較小，焊縫成形較窄。當(dāng)激光器掃描到間隙較大時，機(jī)器人焊接速度較慢，擺幅較大，保證焊接時單位時間內(nèi)焊絲填充量較大，焊縫成形較寬。

圖4 變間隙V型坡口激光條紋采集

圖5 激光條紋圖像處理

對接V型坡口的截面如圖6所示。根據(jù)單位時間內(nèi)熔化的焊絲體積和填充金屬的長度，可以建立填充焊縫的關(guān)系式。

圖6 坡口形貌示意

針對變間隙自適應(yīng)焊接，需要根據(jù)焊縫坡口截面積的變化來調(diào)整焊接速度，解析公式為

式中 η為填充效率；h為規(guī)劃填充高度；l為坡口間隙；D為焊絲直徑；Wf為送絲速度；其余參數(shù)如圖6所示。變間隙對接V型坡口機(jī)器人GMAW的另一個重要參數(shù)擺幅，其中Δ為坡口間隙值，δ為經(jīng)驗修整值?；陂g隙漸變情況，機(jī)器人GMAW自適應(yīng)焊接效果如圖7所示，焊縫成形良好。

圖7 變間隙機(jī)器人GMAW自適應(yīng)焊接焊縫

3 結(jié)論

提出了一種用于坡口間隙變化的自適應(yīng)規(guī)劃方法和工藝流程，該方法可以自適應(yīng)焊縫間隙的變化，實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的焊接，多層多道焊每層層高及焊縫成形良好，滿足弧焊機(jī)器人中厚板自適應(yīng)焊接的需求。

[1]陳華斌，孔萌，呂娜，等.視覺傳感技術(shù)在機(jī)器人智能化焊接中的研究現(xiàn)狀[J].電焊機(jī)，2017，47（3）：1-16.

[2]袁海龍，劉建春，易際明，等.中厚板復(fù)雜焊縫機(jī)器人自動跟蹤系統(tǒng)[J].電焊機(jī)，2015，45（7）：35-39.

[3]張洵.基于激光視覺傳感的機(jī)器人焊接系統(tǒng)及多層多道規(guī)劃研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2015.

[4]張華軍，張廣軍，蔡春波，等.機(jī)器人多層多道焊縫激光視覺焊道的識別[J].焊接學(xué)報，2009（4）：105-108+118.

[5]顧帆.基于激光傳感的機(jī)器人MAG焊變間隙自適應(yīng)規(guī)劃方法[D].上海：上海交通大學(xué)，2017.

Robotic GMAW adaptive welding based on linear structured light scanning method

KONG Meng1，ZHANG Jie1，GU Fan2，CHEN Huabin2
（1.Shanghai Fanuc Robotics Co.，Ltd.，Shanghai 201206，China；2.School of Materials Science and Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）

A laser vision sensor has been developed for the thick plate arc-welding robot.In this paper，a communication platform between vision sensor and robot controller is exploited based on TCP/IP of FANUC.With 20 mm thick Q345 single V groove GMAW robot as an example，combining with the eye-in-hand and linear structured light equation，it can realize the welding parameters and path adaptive planning under the gradient gap.The result of planning demonstrates the method can meet the requirements of robotic welding for thick plate.

linear structured light；arc welding robot；adaptive planning

TG409

A

1001－2303（2017）11－0041-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.11.08

本文參考文獻(xiàn)引用格式：孔萌，張杰，顧帆，等.基于線結(jié)構(gòu)光掃描的機(jī)器人GMAW自適應(yīng)規(guī)劃方法[J].電焊機(jī)，2017，47（11）：41-44.

2017-07-24

孔 萌（1979—），男，博士，主要從事焊接智能化及機(jī)器人系統(tǒng)工程的研究。E-mail：kongmeng@shanghaifanuc.com.cn。