波紋板自動焊接機器人系統

劉常

（青島杰瑞工控技術有限公司，山東 青島 266061）

由于波紋板比較薄，在焊接前形狀不能很好的保持，所以每次焊接的焊接軌跡都是不同的。這就需要一種方法來檢測軌跡，并指導機器人各個運動軸的運動和配合。要實現這種功能目前主要有電磁感應、超聲傳感、浮動接觸、電弧跟蹤、電弧感應、激光測距等方法。在浮動接觸中有一種滾輪接觸法，是當機器人在沿X軸行走時，由滾輪壓在板面上，帶動焊槍被動的沿波紋起伏。除上述滾輪接觸法外，其余的形式均需要對焊縫信息進行采集，然后由機器人根據采集到的軌跡進行主動式動作，來實現沿焊縫軌跡的焊接。此種焊接的實現形式可以稱為焊縫跟蹤，焊縫跟蹤的關鍵是對焊縫信息的采集是否準確可靠。

電磁感應式，是通過兩個變壓器共用一側線圈，根據輸出電壓的差值來反應偏差信號的。該種方法距離要求較近，在波紋板搭接、錯邊處容易出現誤判，并且在焊接時產生的強磁場會對其進行干擾。超聲傳感式，是采用了超聲波可以在金屬中傳播，并在界面處會發生反射這一現象，通過獲取反射波的時間來計算界面位置的方法。這種方法主要限制在于超聲設備體積較大，設計起來結構復雜，而且對于薄板不能很好的進行探測。浮動接觸式，浮動結構是由滾輪和彈簧組成的，滾輪在波紋上行走時引起了機械結構的起伏，傳感器將機械運動轉化成了軌跡信息。該方法成本低廉，結構耐用，可是跟蹤精度低、響應差，只能對變化較大的波紋板進行焊接。電弧跟蹤式，是機器視覺的一種，通過相機對焊接過程進行拍攝，識別出的焊槍電弧的偏差，以此調節焊搶的位置，主要是對焊接過程形成閉環控制，對于軌跡變化較大的波紋板難以適用。電弧感應式，是使電弧在焊接坡口中橫向擺動，通過檢測電弧電流參數等的變化來獲取焊接位置的方法，該方法對于行進路線上有波動的結構并不適用。激光測距式也屬于機器視覺的一種，是將激光二極管發射的光點經光闌或掃描棱鏡射到波紋板和邊梁上，形成激光線或掃描激光線，然后相機利用光學三角法對激光的反射光進行成像，測得距光點的距離，進而計算出焊接軌跡的偏差值。在激光測距時主要的不利因素是焊接產生的弧光和煙氣，可以通過選擇光源或進行物理隔離的方法來減少干擾，光源方面主要是在頻率和強度上來進行調整。綜上分析，激光測距是在波紋板焊接中較為穩定準確的焊縫信息提取方法，本系統中激光跟蹤器安裝在焊槍運行方向的前端，并采用擋板對強光進行物理隔離。

在通訊時，相較于模擬量輸出的形式，串口RS-232輸出的數據平滑性更好，受干擾少，所以本系統中采用串口RS-232的形式做跟蹤器與運動控制器的通訊。激光跟蹤器需要在接收到測量指令后進行測量，設測量指令發送的時間間隔為t，考慮到激光跟蹤器對指令的響應速度和串口RS-232的通訊時間，依據串口的波特率和傳輸的數據格式估算，t的設定值需要大于30ms。但當采集間隔大于0.1s后，焊槍會產生比較大的抖動，所以測量指令需由時鐘精度更高的運動控制器來發送。激光跟蹤器控制器收到測量指令后對數據進行采集和處理，再發送給運動控制器。設從運動控制器發出測量指令到收到回復的時間間隔為t1，其通訊流程如圖1。

在實際應用時可能出現收到的字符串格式順序不正常的情況，如激光跟蹤器控制器按照A、B、C的順序發送結果，運動控制器收到的卻是B、A、C的順序。當這種情況發生時，先記數為C1，然后再次發送測量指令，等待3ms后再次讀出數據，如果數據正確則將記數清零。如果數據仍是錯誤的，要按照上面方式繼續執行，當發生的錯誤次數等于指令發送周期和讀取間隔的比時，則為C2開始記數。然后將當前的數據用前一個測量值進行替換，替換后為C3開始記數。設定當C3記數大于某一數值，還沒有得到正常的格式順序時，則發出警報停止工作，其程序流程如圖2。

圖1 通訊流程圖

在正式開始焊接之前需要進行焊接試驗，第一步機器人沿X軸將激光線移動到焊接起始位置；第二步，機器人沿X軸采集焊縫信息，直到焊槍運動到X軸焊接位置后停止；第三步，手動調整Y軸、Z軸，使焊槍到焊接位置，打開焊槍，隨后Y軸、Z軸根據偏差數據運動至X軸終點，關閉焊槍，Y軸、Z軸回到安全位置。在前兩步中，為了防止機器人在運行時撞槍，要先檢查焊槍是否在安全位置。激光跟蹤器從起點開始掃描，并記錄掃描數據，此時X軸運行采用的是位置-時間模式，為的是使測量結果均勻準確。第三步中調整好焊槍后要在系統中記錄下來。焊接時激光跟蹤器繼續采集數據，焊槍按照前段的掃描數據和新掃描的數據在Y軸和Z軸上以位置-時間模式運動。位置-時間模式是機器人運動控制器中控制各個軸運動的一種方式，能夠實現對到達位置和運行速度兩個參數的規劃，其位置的設置是相對于起點的位置，時間也是相對于起點的時間。

正式生產更換波紋板后，新波紋板的起始位置不可能都和試驗用的波紋板完全相同。因此更換后的波紋板以試驗用板的起點作為起點時，會出現對不準焊縫的情況，如果焊縫的起點不能對準，那么按照位置-時間模式運動時，Y軸、Z軸也會出現對不準焊縫的情況。為避免出現上述問題，可以在更換波紋板后每次都對起點進行校準，但如果能將校準起點的步驟省略，則可以大幅提高生產效率。

圖2 格式判斷流程圖

根據位置-時間模式的工作原理，焊接時偏移數據是以焊接起點為參考目標的，每次更換波紋板后只要能將起點位置和焊縫對準，那么在焊接過程中焊槍軌跡就可以對準波紋焊縫。要實現上述功能，需要將試驗用波紋板的焊接起點位置偏差信息記為Y1、Z1，更換波紋板后在將在新板起點時掃描到位置偏差信息記為Y2、Z2，那么Y2-Y1和Z2-Z1就是兩塊板之間起點位置的偏差。每次換板后將此偏差加到試驗時起點Y軸和Z軸的位置上，焊槍即可找到新波紋板的起點位置。