潘海鴻，李睿亮，劉冠良，王耀瑋，陳 琳，梁旭斌

(廣西大學(xué)機械工程學(xué)院，南寧 530004)

0 引言

中厚板結(jié)構(gòu)件在壓力容器制造等領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛。由于中厚板結(jié)構(gòu)件具有坡口大、板件厚等特點，在實際焊接中存在一定困難。多層多道焊接具有有效減少變形量，降低熱輸入量等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用到中厚板結(jié)構(gòu)件焊接中[1-3]。由于機器人焊接穩(wěn)定性、焊接效率高等優(yōu)點[4]，被廣泛應(yīng)用在中厚板的多層多道焊接[5]。

但每條焊道在焊接前都需要進行手動示教[6]，多次手動示教耗時多[7]，且手動示教偏差易影響焊接質(zhì)量。文獻[1,8]針對厚板V型坡口工件焊接搭建焊接工作站并進行離線編程，但未對焊槍姿態(tài)進行規(guī)劃。文獻[3]針對單邊V型焊縫進行多層多道軌跡規(guī)劃，但只針對單邊V型焊縫且沒有對焊接速度進行相應(yīng)規(guī)劃。

對于同種焊縫類型不同坡口角度的結(jié)構(gòu)件，需要根據(jù)不同坡口角度，重新設(shè)計焊接路徑及焊槍姿態(tài)，致使工作效率低。為提高工業(yè)機器人示教效率和焊接質(zhì)量,適應(yīng)不同坡口角度焊縫的多層多道焊接，本文提出采用激光視覺系統(tǒng)進行焊縫特征點提取進而自適應(yīng)規(guī)劃多層多道焊接路徑，并采用等高度填充策略及焊縫特征點投影策略，對多層多道路徑各焊道位置進行規(guī)劃。此外，對不同類型填充焊道結(jié)合焊槍行走角進行焊槍姿態(tài)規(guī)劃，并針對各焊道填充類型對焊接速度進行規(guī)劃。

1 基于激光視覺系統(tǒng)的特征點獲取

將結(jié)構(gòu)件焊縫起點、終點、焊縫坡口邊上的點作為焊縫特征點。搭建機器人激光視覺系統(tǒng)，如圖1所示。通過相機、結(jié)構(gòu)光平面[9]及手眼標(biāo)定，將所拍圖像中檢測到的焊縫特征點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到機器人基坐標(biāo)系。

圖1 機器人激光視覺系統(tǒng)

(1)焊縫特征點信息獲?。簩⑺脑紙D像經(jīng)過一系列預(yù)處理后，計算焊縫特征點在像素坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值[10]。假定焊縫特征點在圖像中心區(qū)域，如圖2所示，取激光線上首尾各I個像素點，I值范圍為20～50。以V型對接厚板結(jié)構(gòu)件為例，利用其像素坐標(biāo)進行最小二乘擬合直線為：

x+0.034 84y-974.555 3=0

(1)

(a) V型焊縫特征點識別圖 (b) 單邊V型焊縫特征點識別圖

(2)根據(jù)相機成像原理及結(jié)構(gòu)光平面方程(式(2))將特征點由像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到相機坐標(biāo)系坐標(biāo)。

(2)

式中，(xc,yc,zc)為激光線上一點在相機坐標(biāo)系下坐標(biāo);(u,v)為該點在像素坐標(biāo)系下坐標(biāo)；(u0,v0)為圖像中心在像素坐標(biāo)系下坐標(biāo)；f為相機焦距。I、O、P、T為結(jié)構(gòu)光平面方程參數(shù)。

(3)通過手眼標(biāo)定(公式(3))得到標(biāo)定矩陣，實現(xiàn)特征點轉(zhuǎn)換到機器人基坐標(biāo)系坐標(biāo)。

(3)

式中，MR為當(dāng)前機器人位姿矩陣，MCH為手眼標(biāo)定矩陣。(x基,y基,z基)為激光線上一點P在機器人基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

2 多層多道焊接路徑規(guī)劃

2.1 多層多道焊縫模型的建立

(1)多層多道焊縫模型坐標(biāo)系建立

(a) V型焊縫橫截面及坐標(biāo)系示意圖

(2)建立焊縫特征點投影焊縫橫截面模型：

在實際工程應(yīng)用時使用激光視覺系統(tǒng)所得的特征點不一定在圖3中的焊縫橫截面上。為此，提出建立焊縫特征點投影模型，將基于激光視覺系統(tǒng)獲取的特征點投影到焊縫橫截面上。例如圖4中，向量AD為V型焊縫模型坐標(biāo)系x軸向量和焊縫橫截平面S的法向量。點A為焊縫起點，點B′、C′、A1′和A2′為相機獲得的特征點，點B、C、A1、A2分別為焊縫特征點B′、C′、A1′和A2′投影在焊縫橫截面的點，以點B為例，滿足平面點法式方程：

圖4 焊縫點投影焊縫模型示意圖

nxt·(xB-xA)+nyt·(yB-yA)+nzt·(zB-zA)=0

(4)

因為AD//B′B，則有：

(5)

聯(lián)立式(4)、式(5)可以得到參考點B的坐標(biāo)，并將其作為多層多道焊縫模型的焊縫參考點。

(3)各焊道路徑的起、終點坐標(biāo)確定

(6)

(7)

式中，|AB-AC|為向量的模，i表示層數(shù)(i=1、2…n)。

第i層中各條焊道寬度為：

(8)

則第i層焊縫的第j條平行四邊形焊道的起點Pij坐標(biāo)可表示為：

(9)

第i層焊縫的梯形焊道的起點Pii坐標(biāo)可表示為：

(10)

同理可得第i層中各焊道的終點坐標(biāo)。根據(jù)各焊道的起、終點坐標(biāo)，采用直線插補方法規(guī)劃焊接軌跡。

2.2 焊槍姿態(tài)規(guī)劃

為防止焊槍在焊接過程中與焊縫壁產(chǎn)生碰撞，且使焊道按照梯形或平行四邊形焊道填充策略填充焊縫坡口，基于機器人基坐標(biāo)系對焊槍坐標(biāo)系姿態(tài)規(guī)劃：

(1)焊槍坐標(biāo)系建立：將焊縫前進方向作為x軸向量x工，根據(jù)不同焊道類型計算焊槍坐標(biāo)系z軸向量z工，將焊槍坐標(biāo)軸x軸和z軸向量叉乘得到焊槍y軸坐標(biāo)向量y工，通過坐標(biāo)系向量得到各焊道焊槍坐標(biāo)系姿態(tài)MSR=[x工y工z工]。

(2)對于第一層焊道及平行四邊形 ，如圖5所示，采用各焊道的焊接起點至參考點B、C的夾角平分線向量作為該焊道的焊槍z軸向量z工。

(a) V型焊縫焊槍 姿態(tài)變化示意圖 (b) 單邊V型焊縫焊槍 姿態(tài)變化示意圖

(11)

式中，ECPi是焊縫參考點C到平行四邊形及第一層焊道起點的單位向量；EBPi是焊縫參考點B到該焊道起點的單位向量。

(a) 梯形焊道填充策略 (b) 平行四邊形焊道填充策略

(12)

(13)

式中，Zi為梯形焊道起點Oi在線段BiCi的投影。

(4)由此引入焊接行走角γ，如圖7所示，當(dāng)需要加寬熔寬時，通過調(diào)整行走角，使焊槍為前傾焊，易于填滿焊縫。在平行四邊形和梯形焊道中加入焊槍行走角可視為焊槍坐標(biāo)系繞自身坐標(biāo)系y工轉(zhuǎn)過γ°(γ=0°～20°)，則加入焊槍行走角后焊槍姿態(tài)變化矩陣Tb。

圖7 加入焊槍行走角的焊槍坐標(biāo)系

(14)

則加入焊槍行走角之后的焊槍姿態(tài)為：

MER=MSRTb

(15)

將姿態(tài)矩陣MER通過歐拉角變化求出矩陣中對應(yīng)歐拉角值a、b、c，最后可計算得多層多道焊縫模型各焊道起點、終點的機器人位姿值Posi=(xi,yi,zi,a,b,c)。

2.3 各焊道速度規(guī)劃

在多層多道焊接過程中根據(jù)焊接參數(shù)和目標(biāo)焊縫橫截面積預(yù)測實際需要的焊接速度。當(dāng)焊絲直徑D一定時，焊縫橫截面積由送絲速度V和實際焊接進給速度V0確定。單道焊縫橫截面積S[13]為：

(16)

式中，D表示焊絲直徑，單位mm。

不同焊道對應(yīng)不同的焊接速度：對于平行四邊形焊道策略，其單道焊縫橫截面積Sij為：

Sij=hwij

(17)

對梯形焊道策略，其單道焊縫橫截面積Sii為：

(18)

根據(jù)送絲速度、焊絲直徑及各焊道橫截面積，得出直線焊接時對應(yīng)焊道的實際焊接速度Vij。

(19)

采用擺動焊接焊接第一層焊縫，如圖8所示，根據(jù)擺弧焊接進給速度V0和實際焊接速度V1的位置關(guān)系，采用鋸齒形擺弧焊接速度V1為:

圖8 直線鋸齒形擺弧焊接路徑

(20)

3 仿真及焊接實驗

3.1 焊槍位姿仿真實驗

以厚板V型焊縫為例(圖2a)，取點A、D為多層多道焊縫起點、終點，B、C為焊縫上特征點，G為焊槍移出點，采用多層多道焊接算法進行仿真。設(shè)A=(0.000,0.000,0.000)、D=(50.000,0.000,0.000)、B=(2.000,5.000,5.000)、C=(10.000,-5.000,5.000)、K=(50.000,0.000,10.000)，加入焊接行走角γ=30o，采用3層焊層方式進行各焊層焊道起點位姿仿真實驗，如圖9所示。

(a) 各焊道起點位姿仿真圖 (b) 加入焊槍行走角后 起點焊槍坐標(biāo)系變化

圖10 各焊道的焊槍姿態(tài)變化坐標(biāo)圖

3.2 焊接實驗結(jié)果及分析

搭建機器人激光視覺系統(tǒng)焊接實驗平臺，其主要包括：六軸川崎機器人本體、激光視覺系統(tǒng)、數(shù)字焊機組成如圖11所示。多層多道焊接實驗以材料為Q235-A碳素結(jié)構(gòu)鋼，厚度為16 mm，坡口間隙為2 mm的V型坡口厚板構(gòu)成焊縫進行焊接實驗。

圖11 六軸機器人焊接實驗平臺

(1)焊縫特征點識別誤差分析實驗：

通過激光視覺系統(tǒng)的相機、結(jié)構(gòu)光平面及手眼標(biāo)定后，通過視覺端得到焊縫特征點信息經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到特征點在機器人基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值為計算結(jié)果，與將焊槍tcp頂在焊縫特征點上的實際檢測坐標(biāo)作為人工檢測結(jié)果進行對比，由圖12可知，得到的焊縫特征點坐標(biāo)在基坐標(biāo)系X,Y,Z方向誤差較小，均小于0.8 mm，符合實際焊接需求。

圖12 焊縫特征點識別誤差坐標(biāo)圖

(2)厚板V型焊縫實際焊接實驗：實際焊接厚板V型焊縫驗證提出的多層多道焊接路徑規(guī)劃。實驗采用CO2氣體保護電弧焊焊接方法，選用直徑1.2 mm實芯焊絲，設(shè)置電壓為24 V，電流為200 A，送絲速度為6 m/min。設(shè)焊接層數(shù)為3層,非焊接焊槍移出速度vel為10 mm/s。考慮實際焊接時，焊槍噴嘴影響，將打底焊焊槍行走角設(shè)為0°，其余行走角設(shè)為8°。自適應(yīng)焊接速度如圖13所示，焊接后的結(jié)果如圖14所示。焊縫填充均勻美觀，焊縫成型效果好。

圖13 各焊道焊接速度坐標(biāo)圖

(a) 多層多道焊接俯視圖 (b) 多層多道焊接側(cè)視圖

4 結(jié)論

針對中厚板結(jié)構(gòu)件焊接應(yīng)用場合，提出了基于激光視覺系統(tǒng)的機器人多層多道路徑規(guī)劃算法。仿真與實驗結(jié)果表明：

(1)通過使用激光視覺系統(tǒng)掃描厚板焊縫并進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到特征點信息，建立焊縫特征點投影模型，可精確提取焊縫坡口參考點信息，降低了多層多道焊接示教繁瑣程度。

(2)建立了厚板多層多道焊縫模型，實現(xiàn)不同坡口角度焊縫的各焊道路徑并引入焊槍行走角進行焊槍姿態(tài)規(guī)劃；對各焊道焊接速度進行自適應(yīng)規(guī)劃，滿足厚板結(jié)構(gòu)件多層多道焊接要求。