楊翠珠

(北方民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院,寧夏 銀川 750021)

0 引言

隨著全球自動(dòng)化及智能機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展,焊接機(jī)器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工焊接已成為一種趨勢(shì),自動(dòng)化焊接使焊接產(chǎn)品的質(zhì)量得到提升,可靠性及穩(wěn)定性不斷增強(qiáng),很大程度上提高了焊接效率。本文對(duì)自動(dòng)化焊接技術(shù)進(jìn)一步深入研究,設(shè)計(jì)基于雙目視覺(jué)的焊接機(jī)器人,對(duì)實(shí)現(xiàn)對(duì)大型鑄件復(fù)雜焊縫的自動(dòng)化焊接,具有重要意義。

1 焊接機(jī)器人研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

國(guó)外對(duì)焊接機(jī)器人技術(shù)研究較早。1997年,瑞典ASEA公司研制的LaserTrack視覺(jué)跟蹤系統(tǒng),對(duì)焊縫路徑不需提前進(jìn)行示教,能夠自主尋找焊縫初始點(diǎn)并進(jìn)行跟蹤,跟蹤精度為0.4 mm[1]。2019年,Bi D等[2]設(shè)計(jì)了一套基于雙目視覺(jué)定位系統(tǒng)的管-管焊接機(jī)器人,實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫的實(shí)時(shí)跟蹤及焊槍的精確定位。

相比較國(guó)外,我國(guó)研究人員對(duì)焊接機(jī)器人技術(shù)研究相對(duì)較晚,但在自動(dòng)化焊接領(lǐng)域也取得了一定的研究成果。2017年,范明洋等[3]提出一種基于線結(jié)構(gòu)光的曲線焊縫自動(dòng)化焊接技術(shù),具有良好的檢測(cè)精度。2021年,付瑤等[4]研究轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)中橫梁組成的內(nèi)腔焊縫自動(dòng)化焊接技術(shù),創(chuàng)新了口字形焊法,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接。

焊接機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速,但仍然存在很多問(wèn)題,如對(duì)于焊接環(huán)境艱難、焊縫位置不易檢測(cè)識(shí)別的情況,尤其是對(duì)工廠大型鑄件復(fù)雜焊縫的焊接。由于鑄件較大且焊縫不易檢測(cè)識(shí)別,目前大多采用傳統(tǒng)的人工焊接方式,效率低且焊接產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定,因此,需要對(duì)相應(yīng)的焊接機(jī)器人技術(shù)進(jìn)一步深入研究。

2 焊接機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成及相關(guān)原理

2.1 焊接機(jī)器人系統(tǒng)

為解決復(fù)雜焊縫的自動(dòng)化焊接問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)基于雙目視覺(jué)的焊接機(jī)器人系統(tǒng)。系統(tǒng)分為硬件部分和軟件部分。硬件部分為雙目相機(jī)、機(jī)械臂;軟件部分利用Python、OpenCV、Matlab等技術(shù)完成焊縫的自動(dòng)化焊接。系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)流程

2.2 相關(guān)工作原理概述

系統(tǒng)主要完成焊縫的識(shí)別與定位工作。進(jìn)行焊縫識(shí)別時(shí),需先利用雙目相機(jī)拍攝焊縫圖像。相機(jī)成像模型中有四大坐標(biāo)系:像素坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系及世界坐標(biāo)系。通過(guò)這四大坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,以及相機(jī)成像模型確定目標(biāo)物體在空間中的三維坐標(biāo)和成像平面上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的映射關(guān)系。

2.2.1 坐標(biāo)系的建立

(1) 像素坐標(biāo)系。

圖像中的像素點(diǎn)即圖像位置,屬于二維平面坐標(biāo)系,像素坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于圖像左上角,原點(diǎn)為O(u,v),u、v軸表示像素點(diǎn)在像素坐標(biāo)系中的行數(shù)、列數(shù),單位為像素(pixel)。任意一點(diǎn)在像素坐標(biāo)系中可表示為(u,v)。

(2) 圖像坐標(biāo)系。

圖像坐標(biāo)系即物理坐標(biāo)系,原點(diǎn)為相機(jī)中心,與成像平面的交點(diǎn)O(u0,v0)也稱(chēng)為主點(diǎn),x、y軸方向與像素坐標(biāo)系坐標(biāo)軸方向相同,單位為mm,任一點(diǎn)可表示為(x,y)。

(3) 相機(jī)坐標(biāo)系。

以相機(jī)光心為原點(diǎn)建立的坐標(biāo)系,屬于三維坐標(biāo)系,XC、YC軸方向與圖像坐標(biāo)系方向一致,ZC軸為相機(jī)的光軸,與圖像坐標(biāo)系平面垂直,各個(gè)坐標(biāo)軸可用右手坐標(biāo)系規(guī)則確定,空間一點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系中可表示為(XC,YC,ZC)。

(4) 世界坐標(biāo)系。

真實(shí)物體存在的坐標(biāo)系,又稱(chēng)大地坐標(biāo)系。通常為了方便計(jì)算,將圖像左下角設(shè)為世界坐標(biāo)系原點(diǎn)OW,單位為mm?？臻g中任一點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中可表示為(XW,YW,ZW)。

2.2.2 坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)化

雙目視覺(jué)系統(tǒng)中,通過(guò)四大坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換,可以實(shí)現(xiàn)圖像中任意一點(diǎn)的三維重建。假設(shè)空間中一點(diǎn)P,像素坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(u,v),圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(x,y),相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(XC,YC,ZC),世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(XW,YW,ZW)。

(1)

(2)

式(2)中,M0為相機(jī)內(nèi)參矩陣,M1為相機(jī)外參數(shù)矩陣,其中,旋轉(zhuǎn)矩陣R為兩坐標(biāo)系之間得相對(duì)位姿,T為相機(jī)基線長(zhǎng)度。

2.2.3 焊縫檢測(cè)識(shí)別

本系統(tǒng)對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別時(shí),需要先對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理操作,如直方圖均衡化、灰度對(duì)數(shù)變換、雙邊濾波等。進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別時(shí),可采用Blob算法檢測(cè)、LOG算子檢測(cè)、Canny邊緣檢測(cè)算子等檢測(cè)算法,具體根據(jù)焊縫特征選取檢測(cè)算法,本文采用LOG算子檢測(cè),能較為準(zhǔn)確地對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別。

2.2.4 焊縫軌跡規(guī)劃

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫的檢測(cè)識(shí)別后,還需對(duì)焊縫進(jìn)行軌跡規(guī)劃,確定焊縫在機(jī)器人基坐標(biāo)系下的空間軌跡方程,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)焊縫的自動(dòng)化焊接。焊接機(jī)器人的軌跡規(guī)劃分為關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃和笛卡爾空間軌跡規(guī)劃,主要方法有多項(xiàng)式差值、曲線擬合等方法。本文采用多項(xiàng)式插值法,結(jié)合焊縫的描述方程及運(yùn)動(dòng)學(xué)相關(guān)約束條件,確定焊縫的軌跡方程。

3 焊接機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用

近年來(lái),各個(gè)國(guó)家對(duì)科學(xué)技術(shù)越發(fā)重視,機(jī)器人的研究水平也成為各國(guó)科學(xué)技術(shù)水平重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)。因此,需要對(duì)焊接機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)及工業(yè)應(yīng)用進(jìn)行研究與分析。

3.1 焊接機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)

3.1.1 智能化發(fā)展

目前,智能化發(fā)展已經(jīng)成為我國(guó)自動(dòng)化焊接技術(shù)的重要發(fā)展方向,將智能控制技術(shù)融合到自動(dòng)化焊接技術(shù)中,保證生產(chǎn)過(guò)程快速、穩(wěn)定地進(jìn)行,實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的智能化。

3.1.2 網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,焊接機(jī)器人系統(tǒng)中融入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系,進(jìn)一步增強(qiáng)焊接過(guò)程的自動(dòng)化管理,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接過(guò)程的一體化控制。同時(shí),當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障無(wú)法正常運(yùn)行時(shí),計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控排查故障問(wèn)題,并及時(shí)采取相應(yīng)的解決措施。

3.1.3 高效化發(fā)展

焊接機(jī)器人對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行焊接時(shí),不僅要考慮焊接速度,還要保證焊接質(zhì)量,傳統(tǒng)的手工焊接難以滿(mǎn)足這兩個(gè)要求。而焊接機(jī)器人不僅能實(shí)現(xiàn)批量化焊接,還能保證焊接產(chǎn)品的質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的精準(zhǔn)控制,效率高且穩(wěn)定可靠。

3.2 焊接機(jī)器人的工業(yè)應(yīng)用

3.2.1 智能化焊接專(zhuān)機(jī)

智能化焊接專(zhuān)機(jī)為一定形狀的焊接接頭,焊接特定工件的焊接機(jī)器人,主要融合視覺(jué)傳感器技術(shù)和自動(dòng)化焊接技術(shù)。智能化焊接專(zhuān)機(jī)通過(guò)視覺(jué)傳感器實(shí)時(shí)獲取焊接產(chǎn)品信息,并利用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù),進(jìn)行智能控制,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接。目前,由于智能化焊接專(zhuān)機(jī)焊接產(chǎn)品的質(zhì)量難以得到保證,因此有待進(jìn)一步提高。

3.2.2 自動(dòng)化焊接機(jī)器人

隨著焊接行業(yè)對(duì)自動(dòng)化焊接技術(shù)的要求不斷提高,智能化焊接專(zhuān)機(jī)已不能滿(mǎn)足當(dāng)代社會(huì)的焊接要求,此時(shí)焊接效率更高,焊接質(zhì)量更好的焊接機(jī)器人逐漸發(fā)展起來(lái),并在焊接領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。焊機(jī)機(jī)器人作為一種多功能、可重復(fù)編程的自動(dòng)控制操作機(jī),不僅提高了焊接產(chǎn)品的生產(chǎn)效率,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高質(zhì)量焊接,還縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期,改善了工人的勞作強(qiáng)度,同時(shí)減少了相應(yīng)設(shè)備的投資。

4 結(jié)語(yǔ)

焊接機(jī)器人技術(shù)在各個(gè)行業(yè)廣泛應(yīng)用,發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。本文就焊接機(jī)器人研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析,并針對(duì)工廠大型鑄件復(fù)雜焊縫焊接困難問(wèn)題,設(shè)計(jì)基于雙目視覺(jué)的自動(dòng)化焊接系統(tǒng),概述相關(guān)原理以及焊接機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)及工業(yè)應(yīng)用。研究表明高效率、高質(zhì)量的自動(dòng)化焊接機(jī)器人為大型鑄件復(fù)雜焊縫的自動(dòng)化焊接、批量化生產(chǎn)確定了方向。