基于激光傳感器的機器人自適應多層多道焊接

劉釗江， 馬思樂， 戴昊飛， 張源民， 欒義忠， 陳紀旸

(山東大學，濟南 250061)

0 前言

中厚板結構件是軌道交通、汽車制造以及船舶加工等領域廣泛應用的結構件，由于其焊接坡口大、易形變等特點，對中厚板結構件的焊接加工多采用多層多道的焊接方式[1]。隨著工業機器人的發展，能夠提升焊接質量，提高工業生產率，改善工人作業環境的焊接機器人得到了廣泛的應用。目前機器人多層多道焊接主要有人工示教和離線編程兩種方式[2]。對于中厚板結構件，其焊接坡口大意味著每個焊縫要焊接多層，每一層要焊接多道。如果采用人工示教，則需要花費大量的時間去手動校準機器人焊接時的所有焊道，這無疑會大大降低機器人的工作效率，同時，多次示教時產生的隨機誤差也會對焊接質量產生不利的影響。離線編程焊接技術可以有效減少人工示教次數，然而，事先規劃好的離線編程是一種理想的工作狀態，實際上，在焊接同一類型的焊縫時，工件需要重復裝夾，工件的實際位置會與理想情況產生偏差，同一類型工件在加工時焊縫角度也會產生加工誤差。而且實際生產過程中，同一種焊縫往往有不同角度的坡口來滿足不同的生產需求，同一種焊縫不同角度就需要重新編寫一套離線程序，這種方法依然費時費力。

為提高機器人焊接的自動化程度，機器人焊接工作站需要采用圖像采集設備自動獲取焊縫坡口路徑信息[3]。其中線結構光傳感器是視覺測量技術的代表，具有結構簡單、 檢測速度快、 精度高等特點。綜合中厚板結構件自動化焊接現階段技術存在的問題，在離線編程的基礎上，對線結構激光傳感器檢測系統[4]進行二次開發，提出一種基于線結構激光傳感器獲取焊縫形狀位置信息，并使機器人能夠自動調整焊槍位置和姿態來修正誤差，同時自適應不同角度焊縫的多層多道路徑規劃方法。并采用實際的焊接機器人和焊接設備進行了試驗，觀察焊接效果和焊道成形情況，驗證了方法的可行性。

1 手眼標定

1.1 坐標系轉換方法

假設空間中任意一點p在機器人基坐標系下矩陣描述為Pw，轉換后坐標系下的矩陣描述為Pr，在忽略姿態的情況下，由空間幾何原理得坐標系轉換關系為[5]

Pw=RPr+T

(1)

式中：R為機器人基坐標系和轉換后坐標系下的旋轉矩陣；T為機器人基坐標系和轉換后坐標系下的平移矩陣。

在機器人運動學中,通常式(1)表示成齊次矩陣的形式。

(2)

具體展開有：

(3)

1.2 坐標系轉換矩陣求解

(4)

(5)

根據空間幾何原理可得：

(6)

2 焊接規劃預處理

圖1為單邊V形坡口工件示意圖，激光視覺傳感器可以采集焊縫坡口拐點的數據信息。但由于重復定位誤差和激光傳感器的安裝誤差，激光結構光很難完全垂直于焊道，得到的拐點數據信息也就不是實際可用于焊縫路徑規劃的焊點，因此需要對拐點信息進行數據轉換處理，而且焊槍的初始位置相對于工件的姿態因為誤差存在出現偏差，需要根據焊縫拐點的數據信息自適應調整焊槍姿態，使機器人工具坐標系的x軸與工件焊道方向平行，以滿足多層多道自動焊接的需求。

2.1 計算投影點和焊縫信息

圖2為激光傳感器采集點與投影點的投影關系示意圖，圖中矩形表示俯視視角下的坡口投影平面，激光傳感器實際結構光線如直線l1，理想的可用數據點的結構光線如直線l2，為把實際結構光的數據點轉換為理想的數據點，文中選取一個投影面來投影實際結構光線的拐點，此投影面如圖3所示，穿過起點的焊縫底點b(c)，并垂直于焊道方向。

圖1 單邊V形坡口工件示意圖

假設起點的焊縫底點為p1(x1,y1,z1)，終點的焊縫底點為p2(x2,y2,z2),則焊道方向m(A,B,C)為：

m=(x2-x1,y2-y1,z2-z1)

(7)

過p1的投影面為：

圖2 激光傳感器采集點與投影點的投影關系示意圖

(8)

假設激光傳感器結構光線上某一拐點為p3(x3,y3,z3)，過該點做平行于m的直線：

(9)

聯立式(8)和式(9)，可得結構光線理想投影點。

如圖3所示,焊縫起點的結構光線拐點的投影分別為a(xa,ya,za)，b(xb,yb,zb)，d(xc,yc,zc)，假設終點的焊縫底點為e(xe,ye,ze)，則焊縫寬度W為：

(10)

焊縫長度L為:

(11)

焊縫坡口角度θ為：

(12)

圖3 單邊V形坡口正視圖

2.2 焊槍姿態調整

工具坐標系把焊接機器人的控制點移到了焊槍末端，為有效控制機器人進行多層多道規劃，工具坐標系X軸應與工件焊縫的方向m保持平行。通過在工具坐標系下調整繞Y軸旋轉的姿態角p,和繞Z軸旋轉的姿態角r來控制工具坐標系方向[8],自適應不同角度的同種焊縫，使焊槍處于焊縫切面的角平分線上。其中工具坐標系坐標軸的姿態角正方向符合右手定則。

如圖4所示,焊縫方向向量為m，工具坐標系X軸正方向為m′。控制機器人焊槍移動，使激光傳感器結構光線定位到焊縫起點位置，選取此時機器人TCP位置為焊槍姿態調整的工具坐標系的原點。工具坐標系X軸正方向的單位向量為：m′=(1,0,0)。假設機器人基坐標系下焊縫起點位置為p1(x1,y1,z1)，根據式(2)，式(5)，式(13)，可得p1在工具坐標系下的坐標位置Pt1：

(13)

式中:Pw為空間中一點在基坐標系下的坐標;Pt為該點在工具坐標系下的坐標。

圖4 工具坐標系下焊槍姿態示意圖

(14)

圖5 空間直線在平面的分量

m在平面XOZ上的投影為平面向量S(x,0,z)，同理可得,繞Y軸旋轉的姿態角p為：

(15)

在工具坐標系下,機器人繞Y軸旋轉姿態角p,并繞Z軸旋轉姿態角r，可以使機器人的工具坐標系的X軸正方向與焊縫焊道方向一致。

(16)

圖6 焊槍Z軸姿態調整工作原理

3 多層多道規劃

3.1 坡口填充方案

多層多道坡口填充方案主要有等高型、等面積型和自定義型[9]。多層多道焊接規劃及工藝復雜，在焊縫坡口的角度寬度不確定的情況下，焊道的層數和道數也難以確定[10]，結合第2部分激光視覺傳感器數據預處理和焊槍姿態的自適應調整的基礎上提出一種按層規劃的多層多道焊接方案。

焊道的成形與焊接電流、電弧電壓、送絲速度、焊接速度等因素有關，焊道的熔池寬度u隨焊接工藝的確定而保持不變。除了打底焊之外，假設每層激光視覺傳感器采集的寬度為Wbc，該層需要焊接的道數為k0，該層焊接第k道時沿工具坐標系Y方向偏移的距離為Y，沿工具坐標系Z方向偏移的距離為Z，則可以計算出多層多道焊接時每一道的填充路徑。

(17)

(18)

式中：k∈[1,k0]，k∈N+。

3.2 焊槍位姿規劃

為了防止安裝在機器人上的焊槍與焊縫坡口壁產生物理干涉，需要對焊槍的位姿進行規劃。使焊槍繞X方向旋轉一定的角度γ。根據式(16)已知當前工具坐標系Z軸與垂直面的夾角為α，根據式(12)可得，坡口角度為θ。計算得到焊接每一層的第k道焊道時焊槍的旋轉角γk。

(19)

(20)

圖7 多層多道規劃示意圖

4 試驗結果

文中搭建了一套激光視覺傳感器配合六軸工業機器人試驗平臺來驗證方法的合理性。6軸FAUNC機器人型號M-10iA，重復定位精度?0.04 mm。視覺傳感器為激光焊縫傳感器，型號為HW6-0022W，采樣頻率50 Hz，重復定位精度?0.02 mm。標定軟件使用pyqt5搭建，數據處理程序通過python部署，兼容win10和Linux操作系統。

4.1 手眼標定

進行手眼標定時，選取工件上的一個拐點作為機器人基坐標系的標定基準坐標。手動示教把焊槍尖端TCP移動到該基準坐標的位置，在示教器上讀出其基準坐標值并記錄。手動示教機器人末端使激光焊縫傳感器的結構光線穿過拐點。在示教器上讀出此時焊槍尖端TCP的坐標信息和機器人工具坐標系的位姿，并且通過激光傳感器得到拐點的在相機平面的二維坐標。這樣得到一組基坐標系和視覺坐標系下的對應點數據。

選取6組對應點數據即可求解轉換矩陣，又因為試驗6軸機器人的重復定位精度高，為提高標定效率，標定過程中機器人工具坐標系的位姿不變，機器人基坐標系的標定基準坐標也不變，在基坐標系下平移焊槍來獲取新的二維坐標和工具坐標進行標定。測量的試驗數據見表1，試驗搭建的標定軟件主界面如圖8所示。

表1 標定時不同坐標系下的坐標和位姿

圖8 手眼標定主界面

為保證可靠性，變換機器人工具坐標系的位姿，進行驗證，手眼標定的誤差在0.5 mm以內，機器人和視覺傳感器自身存在誤差，實際焊接精度在0.6 mm左右，滿足焊接的精度要求。

4.2 試驗數據預處理

開始焊接前,首先對單邊V形坡口焊縫的數據進行預處理，手動示教依次使激光焊縫傳感器的結構光線穿過焊接起點，并且沿工具坐標系X方向掃描，使結構光線穿過焊接終點。分別記錄起點和終點TCP的坐標信息、焊槍姿態角見表2。視覺坐標系下的拐點坐標見表3。

表3 視覺坐標系下拐點坐標

根據式(8)，式(9)計算得到焊縫坡口起點和終點的拐點投影信息見表4，根據式(10)，式(11)，式(12)計算得到該焊縫坡口的長度、寬度和角度見表5。

表4 預處理時焊縫拐點投影點

表5 焊縫尺寸信息

根據式(13)、式(14)、式(15)進行計算焊槍調整的位姿，得到在起點位置工具坐標系下的旋轉角，見表6。

工具坐標系的X方向和焊道方向一致后，向工具坐標系Z方向移動焊槍，得到工具坐標系Z方向的空間向量，根據式(16)計算得到當前工具坐標系Z軸與垂直面的夾角α=27.556°。焊接機器人根據算法給出的位置和角度等數據自動調整位姿，糾正了重復安裝工件、工具坐標系姿態和激光焊縫傳感器安裝的偏差。

表6 調整工具坐標系X方向的旋轉角

4.3 焊道規劃及成形

在焊縫信息預處理之后，根據式(17)，式(18)計算得到多層多道每一條焊道的路徑，根據式(19)，式(20)計算得到多層多道每一條焊道的焊槍姿態，自適應對焊接軌跡規劃與調整。焊接效果如圖9所示。

圖9 焊接效果圖

5 結論

(1)在離線編程的基礎上，對線結構激光傳感器進行二次開發，提出并驗證了一種基于線結構激光傳感器獲取焊縫形狀位置信息，并使機器人能夠自動調整焊槍位置和姿態來修正誤差，同時自適應不同角度焊縫的多層多道路徑規劃方法。

(2)部署的手眼標定界面和方法簡單直觀，提出預處理算法對于工件重復安裝誤差、工件加工誤差和相機的安裝偏差有自適應的校正能力，設計了一種新的多層多道焊接方法，實現焊接機器人單邊V形焊縫的多層多道規劃焊接。