基于精密線激光傳感器的中厚板坡口測量技術研究

柯曉龍，劉林濤，曹林攀，陳沼欣

（1.廈門理工學院 機械與汽車工程學院，廈門 361024；2.廈門大學 物理與機電工程學院，廈門 361005；3.廈門思爾特機器人系統有限公司，廈門 361023）

0 引言

隨著焊接技術在現代制造業中的不斷發展，焊接機器人已經在工業焊接方面，尤其是中厚板焊接領域，扮演著越來越重要的角色。而中厚板坡口的識別與測量是焊接機器人實現中厚板焊接件多層多道自動焊接的重要工序之一[1～3]。

目前，中厚板坡口測量主要有坡口尋位測量、激光視覺掃描等方式。其中，坡口尋位測量是利用焊接機器人的尋位模塊，利用通低壓電的焊絲和坡口接觸時形成的電流來識別坡口位置[4]。該檢測方式的優點是不需要附加傳感器，缺點主要體現為檢測效率較低，坡口拐點位置需要通過肉眼識別，因此隨機誤差較大。而激光視覺掃描則利用激光視覺傳感器獲取坡口圖像，并對圖像特征識別處理，以獲得坡口參數信息。如天津大學的趙相賓教授等人[5]采用視覺焊縫跟蹤實時圖像處理方法進行坡口掃描，并利用斜率分析法完成坡口拐點特征的提取。該方法較為簡單方便，但對坡口圖形曲線的連續性和光滑性要求較高，工件毛刺或奇異點的出現會影響坡口拐點的判斷。南昌大學的劉蘇宜等人[6]利用激光視覺機器人跟蹤V型坡口，并采用曲率極值的角點檢測法提取坡口中心點坐標，較為簡單實用，但同樣存在著未知干擾點可能導致拐點誤判的風險。

為此，本文采用精密線激光位移傳感器完成坡口二維掃描，基于最小二乘原理進行坡口特征直線擬合，并采用最小距離法建立坡口拐點識別算法，進而搭建中厚板坡口測量的軟硬件平臺，以獲取較為穩定可靠的坡口識別策略。

1 線激光傳感器測量方式

出于坡口掃描便捷性和通用性的需要，本文的中厚板坡口測量采用線激光位移傳感器掃描的方式來實現。綜合考慮測量距離、測量高度、測量寬度和測量精度等測量參數，最終選用的線激光傳感器為日本KEYENCE(基恩士)公司的型號為LJ-G200的精密2D線激光位移傳感器。該激光傳感器可實現X方向及Z方向的精確表面輪廓測量，Z軸方向測量高度可達到200±48mm，X軸測量寬度為近端51mm/遠端73mm，取樣頻率為3.8ms，測量再現性為Z軸(高度)2μm/X軸(寬度)20μm。

該線激光傳感器采用2D三角測量法原理實現中厚板坡口輪廓測量。其測量方式如圖1所示，線激光傳感器的半導體激光頭通過柱面物鏡，將激光光束擴大為條狀光束，并在測量工件上產生漫反射。反射光被傳感器接收端的E3-CMOS接收，以此測量出坡口的輪廓曲線。

圖1 線激光傳感器的坡口測量示意圖

圖2為本文所搭建的線激光傳感器測量裝置實物圖。LJ-G200線激光傳感器的傳感頭安裝在ABB IRB4600六軸焊接機器人的末端關節上；在中厚板工件上選擇若干個需要測量的坡口截面，將傳感頭移動到坡口截面上方的合適位置，完成坡口輪廓的掃描采樣。采樣數據信號經過線激光控制器進行信號分析處理，轉換為位移數據，并通過USB接口傳給上位機；最后，利用自主開發的坡口測量軟件，對數據進行擬合運算，從而完成坡口參數的自動測量。

圖2 裝載線激光傳感器的焊接機器人坡口測量方式

2 坡口拐點識別算法

常見的坡口拐點識別，如斜率分析法、曲率極值檢測法，是通過尋找斜率或曲率極值的方式來獲得。然而，由于焊接工件較為粗糙表面和毛刺的存在，使得可能的不確定干擾項較多，因此采用斜率或極值算法容易導致尋找到的目標點與實際坡口拐點之間產生不確定誤差，甚至可能導致較大測量誤差的存在。

另外，考慮到坡口拐點實際上就是坡口各分段直線的交點，本文采用交點求解法的方式來代替斜率分析法或曲率極值檢測法，以獲取更為收斂穩定的坡口拐點區域。即先利用最小二乘法擬合出坡口各段直線，并求解直線交點以得到坡口拐點的大致位置，再根據最小距離法獲取最終的拐點坐標。

如圖3所示，以V型坡口的左拐點為例，該坡口拐點識別方法主要包括以下步驟：

圖3 坡口識別算法流程圖 (以V型坡口左側拐點A為例)

1）通過上位機與線激光控制器之間的USB通訊接口，讀取線激光位移傳感器測量得到的坡口截面數據，即坡口測量曲線。

2）根據旋轉矩陣，將坡口測量曲線旋轉到水平位置。假設旋轉前的位置坐標為P(x，y)，繞點O(x0，y0)旋轉角度θ，旋轉后的位置坐標為P′(x′，y′)。假設平移(-x0，-y0)、繞原點旋轉角度θ、平移(x0，y0)分別對應的變換矩陣R1、R2和R3，則有：

由于繞點O(x0，y0)旋轉角度θ，可以看成先平移(-x0，-y0)，再繞原點旋轉角度θ，最后反向平移(x0，y0)，因此其對應的綜合旋轉變換矩陣R為：

3）對坡口測量數據曲線進行數據預處理，包括剔除測量數據中的奇異項，并進行平滑處理等。然后，取坡口拐點A左側的一段數據點，進行最小二乘直線擬合。假設擬合方程為y=ax+b。那么，相應的優化目標函數為：

式(3)中，n為擬合的數據點數，(xi，yi)為待擬合的數據點坐標。(a，b)為優化目標的直線方程系數。

同樣的，也可以求得坡口拐點A右側直線的最小二乘直線擬合方程y=cx+d。

4）求得擬合直線y=ax+b和y=cx+d的交點A'(x''，y'')。然后，求得距離與點A'距離最近的點P(xi，yi)。點P可根據兩點距離方程來求解。其目標函數為：

f(i)的極小值對應的點P(xi，yi)為測量輪廓上所求的最近點，即拐點A必然在P點附近。

5）根據點P(xi，yi)左右兩側的的斜率k1和k2，判斷該點是否為實際的拐點A。如果不是，則繼續往邊上尋找。

完成坡口拐點識別后，利用求解得到的拐點坐標，可以進一步計算出相應的坡口參數。

3 坡口測量的軟件設計

根據坡口測量的功能要求，本文基于Delphi7.0編程開發軟件，自主開發了一套中厚板坡口測量系統軟件，以實現線激光數據采集與讀取、坡口拐點識別與坡口參數計算。圖4為本文所開發的坡口測量軟件，該軟件主要由兩部分組成：

圖4 坡口測量的軟件界面

1）線激光測量模塊。利用USB通訊方式，調用基恩士LJ-G200線激光傳感器的LJIF.dll動態鏈接庫，并訪問傳感器內部函數，以此實現坡口測量數據的實時讀取。

2）坡口識別與參數計算模塊。采用Delphi和MATLAB混合編程技術[7]，實現相應的界面開發和數值運算處理。通過MATLAB軟件完成坡口識別算法和坡口參數求解，然后封裝成COM組件給Delphi調用，從而實現兩者的接口通訊。

4 坡口測量實驗

為了驗證坡口識別算法的有效性和可靠性，本文設計并進行了相關的坡口測量實驗。主要實驗步驟包括：1）加工了兩組不同坡口規格的中厚板工件；2）采用LJ-G200線激光位移傳感器完成坡口測量，并標記出所測量的坡口截面位置；3）利用電火花線切割機床，沿標記位置切割工件，并利用影像測量儀完成坡口二次測量；4）對比線激光測量與影像測量儀測量結果，以此驗證算法的可靠性。

圖5為線激光傳感器測量與影像測量儀測量實物圖。其中，影像測量儀采用蘇州天準公司的型號為VMC322的影像儀，測量精度為(2.2+L/200)μm，可以滿足測量精度要求。

圖5 坡口測量的實物圖

圖6為兩種不同測量方式的坡口測量數據分析對比。圖6(a)為利用本文的坡口拐點識別算法求解獲得的坡口參數。其中，紅色線為旋轉前的原始測量曲線，藍色線為旋轉后的測量曲線，黃色線為擬合直線，綠色點表示識別得到的坡口拐點特征點。圖6(b)為利用影像測量儀得到的坡口提取測量數據。

圖6 坡口測量數據分析

通過兩種不同坡口規格工件的測量實驗，獲得線激光測量與影像儀測量的對比數據如表1和表2所示?？梢钥闯?，測量誤差基本在0.002mm～0.18mm之間。考慮到實際坡口毛刺和坡口加工誤差的存在，以及線切割位置與線激光測量截面一致性誤差等原因，這樣的識別精度已經足以滿足中厚板多層多道軌跡規劃的需要。因此，可以判斷該坡口識別算法滿足設計要求。

表1 工件1：線激光測量與影像儀測量的數據對比(mm)

表2 工件2：線激光測量與影像測量的數據對比(mm)

5 結束語

本文搭建了中厚板坡口檢測平臺，利用線激光位移傳感器對工件進行坡口掃描與數據采集，并采用最小二乘直線擬合和最小距離法，完成坡口拐點特征識別與測量。然后采用Delphi和MATLAB混合編程方式，開發了相應的坡口測量軟件。與影像測量儀的對比驗證實驗表明，該測量方法可以獲得較高的坡口識別精度，可以滿足實際的中厚板多層多道軌跡規劃要求。

[1] MOON H S, BEATTIE R J. Development of Adaptive Fill Control for Multitorch Multipass Submerged Arc Welding[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2002, 19(12)：867-872.

[2] 李湘文.中厚板復雜軌跡焊縫跟蹤的關鍵技術研究[D].湘潭大學博士學位論文,2012.

[3] 許燕玲,林濤,陳善本.焊接機器人應用現狀與研究發展趨勢[J].金屬加工(熱加工),2010,(8)：32-36.

[4] 劉偉,周廣濤,王玉松.中厚板焊接機器人系統及傳感技術應用[M].北京：機械工業出版社,2013.

[5] 趙相賓,李亮玉,夏長亮,等.激光視覺焊接跟蹤系統圖像處理[J].焊接學報,2006,27(12)：42-49.

[6] 劉蘇宜,王國榮,石永華.V型焊接坡口中心的高精度提取方法[J].機械科學與技術,2008,27(2)：209-212.

[7] 柯曉龍,郭隱彪,張世漢,等.高精密光學元件磨床的加工與檢測系統的開發[J].廈門大學學報(自然科學版),2011,50(3)：559-562.