基于自學(xué)習(xí)的永久陰極板焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)研究

楊陽，李磊，袁喻華，衛(wèi)東東

（1.江西省交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司；2.中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西 南昌 330031）

隨著我國銅冶煉有色行業(yè)的不斷發(fā)展，永久陰極電解法（ISA法）工藝已廣泛推廣應(yīng)用，不銹鋼陰極板作為該工藝流程的重要載體部件，行業(yè)需求量大。在永久陰極板加工制造工藝中，不銹鋼板與導(dǎo)電棒的焊接是核心關(guān)鍵的加工工序之一，其焊接質(zhì)量的好壞直接影響銅電解工藝效能。目前，國內(nèi)陰極板焊接自動(dòng)化和智能化水平總體偏低，存在焊接質(zhì)量差、焊縫缺陷多和板面形變大等問題。除受不銹鋼板及導(dǎo)電棒加工原料和焊接工裝的精度偏差影響因素外，實(shí)現(xiàn)陰極板全自動(dòng)化焊接的一個(gè)重要影響因素是由于焊接過程中焊接母材的金屬熱變形導(dǎo)致陰極板焊縫成型存在差異性和隨機(jī)性。

焊接過程中有強(qiáng)光、飛濺和高溫等外部干擾因素，對(duì)焊縫檢測(cè)傳感器的可靠性、精度和適應(yīng)能力提出了很高的要求。激光具有能量集中、方向性好和抗干擾性強(qiáng)等特性，可以更好地實(shí)時(shí)感知焊接過程參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不銹鋼板與導(dǎo)電棒之間的焊縫位置精準(zhǔn)定位、自動(dòng)跟蹤和自適應(yīng)焊接。本文采用的激光視覺傳感器，在焊接母材上產(chǎn)生與焊縫特征相匹配的輪廓激光條紋，激光條紋圖像經(jīng)過聚焦透鏡在像平面形成角焊縫輪廓圖像，通過提取待焊接口處輪廓的特征點(diǎn)對(duì)激光條紋進(jìn)行處理，得到焊縫的焊接位置。

1 工作原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

陰極板焊縫跟蹤自動(dòng)系統(tǒng)的焊縫位置由激光視覺傳感器檢測(cè)，采用激光三點(diǎn)測(cè)量法，由激光發(fā)生器發(fā)出一定波長的半導(dǎo)體高強(qiáng)度激光束，激光束投射到導(dǎo)電棒與不銹鋼板焊接區(qū)域形成光條，激光發(fā)生器隨焊槍行走滑臺(tái)一起運(yùn)動(dòng)，在陰極板焊接件上產(chǎn)生遵循焊接表面的輪廓激光條紋，激光條紋中部分散射光經(jīng)透鏡進(jìn)行集聚，在像平面上形成焊接區(qū)域圖像。為構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的陰極板焊接焊縫跟蹤系統(tǒng)，陰極板的焊接接口輪廓特征點(diǎn)數(shù)據(jù)需要精確定位和提取出來。

陰極板焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、PLC控制系統(tǒng)、伺服運(yùn)動(dòng)控制器、伺服電機(jī)調(diào)節(jié)執(zhí)行單元，激光視覺傳感器檢測(cè)單元和數(shù)據(jù)處理單元等組成。通過延伸桿將激光傳感器固定在焊槍支架上，焊槍與激光傳感器之間的相對(duì)位置恒定，激光傳感器安裝在槍頭行走方向的前方，從而實(shí)現(xiàn)邊跟蹤邊焊接的實(shí)時(shí)自動(dòng)糾偏跟蹤焊接。焊槍隨著十字滑臺(tái)移動(dòng)時(shí)，激光傳感器發(fā)出的焊縫條紋圖像也隨之發(fā)生變化。根據(jù)陰極板焊接工藝需求，在陰極板兩側(cè)分別布置一套激光傳感器和焊槍糾偏調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，如圖1和圖2為單邊焊槍糾偏結(jié)構(gòu)與激光檢測(cè)前置探頭安裝位置示意圖。

圖1 焊槍和糾偏機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 激光傳感器安裝示意圖

通過激光傳感器完成陰極板焊縫位置輪廓的掃描采樣，捕捉焊縫位置數(shù)據(jù)信息，采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過PLC控制器對(duì)焊縫特征進(jìn)行分析和濾波處理，旨在提取焊縫點(diǎn)位置數(shù)據(jù)及其相關(guān)特征數(shù)據(jù)。通過RT通信實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳送至工控機(jī)，PLC控制系統(tǒng)將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和其特征打包成數(shù)組，然后通過自學(xué)習(xí)算法篩選剔除異常值及其特征數(shù)組。按照預(yù)先設(shè)定的算法在工控機(jī)上進(jìn)行運(yùn)算處理，工控機(jī)將運(yùn)算處理后計(jì)算出的焊縫中心位置轉(zhuǎn)換成焊槍調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的糾偏量發(fā)送至伺服運(yùn)動(dòng)控制器，由伺服運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)出糾偏指令給焊槍調(diào)節(jié)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)焊槍的位置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)陰極板焊縫實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)節(jié)。陰極板焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)物如圖3所示。

圖3 陰極板焊縫跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

2 焊縫檢測(cè)控制算法

2.1 自學(xué)習(xí)算法

因焊接工件存在毛刺等不確定干擾項(xiàng)較多，造成在焊接過程中激光傳感器采樣到的目標(biāo)特征點(diǎn)與實(shí)際焊接位置之間生產(chǎn)不確定偏差，通過自學(xué)習(xí)算法提前預(yù)判篩除非正常值及其特征值組，以保證焊縫位置數(shù)據(jù)源信息準(zhǔn)確可靠。

特征點(diǎn)提取數(shù)據(jù)預(yù)處理，以增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性，設(shè)定當(dāng)前時(shí)刻采集的焊縫邊緣特征點(diǎn)偏差數(shù)據(jù)為Si，與前時(shí)刻所提取特征點(diǎn)數(shù)據(jù)偏差為Si-1，如果Si-Si-1＞λ，期中λ為設(shè)定的可靠閾值，如果差值大于可靠閾值，表示數(shù)據(jù)異常。

在陰極板焊接過程中，待焊物料差異性會(huì)造成激光焊槍偏離焊縫中心，因此需要運(yùn)用有效的算法計(jì)算出焊縫中心位置，由于視覺檢測(cè)傳感器前置安裝在激光焊槍前方，存在超前偏置量，不能直接將計(jì)算出的焊縫偏差值作為伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)量，否則，激光焊槍會(huì)超前進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用導(dǎo)電棒與不銹鋼板形成的焊縫位置經(jīng)過計(jì)算，將焊縫斜率和焊縫斜率的變化率作為兩個(gè)輸入量，偏差量e及其變化率值根據(jù)事先設(shè)定的參考模型進(jìn)行比較。焊縫檢測(cè)系統(tǒng)的參考模型，使其與被控對(duì)象具有相同的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)焊縫檢測(cè)系統(tǒng)參考控制模型為：

式中，xm、ym和rm分別是參考模型的狀態(tài)向量、輸出向量和輸入向量；其中Am、Bm分別是具有相應(yīng)維數(shù)的代表希望焊接性能參數(shù)的矩陣。

檢測(cè)控制系統(tǒng)廣義輸出偏差方程：

式中，ym為模型的輸出，yp為可調(diào)系統(tǒng)的輸出。

系統(tǒng)的廣義狀態(tài)偏差方程：

式中，xm為模型的狀態(tài)矢量，xp為可調(diào)系統(tǒng)狀態(tài)矢量。由上式可得廣義偏差運(yùn)動(dòng)方程為：

焊縫跟蹤可調(diào)系統(tǒng)和參考模型之間的廣義偏差代表了焊縫自動(dòng)跟蹤自學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。自學(xué)習(xí)控制使等效偏差的解ε、e越小越好。

2.2 焊縫位置識(shí)別

本文采用交點(diǎn)求解焊縫拐點(diǎn)識(shí)別算法，利用最小二乘法擬合出導(dǎo)電棒焊縫位置直線和不銹鋼板焊縫位置直線，通過求解兩條直線的交點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)時(shí)擬合運(yùn)算以得到的焊縫數(shù)據(jù)建立面向焊縫跟蹤的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)焊縫檢測(cè)偏差值和偏差變化率實(shí)時(shí)調(diào)整激光焊槍姿態(tài)，以確保激光焊槍位置對(duì)準(zhǔn)焊縫位置。

基于陰極板焊縫中心軌跡的連續(xù)特性，在采集數(shù)據(jù)提前預(yù)判的基礎(chǔ)上，進(jìn)行焊縫邊緣特征點(diǎn)的提取，采用直線擬合對(duì)陰極板焊縫中心邊緣進(jìn)行擬合，運(yùn)用最小二乘法對(duì)焊縫中心軌跡求解焊縫軌跡數(shù)值：

直線方程：

得到

圖4 焊縫位置自動(dòng)檢測(cè)流程圖

3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的焊接條件以及焊接工藝，為保證激光自動(dòng)焊接的實(shí)現(xiàn)和視覺檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在視覺檢測(cè)系統(tǒng)前加裝遮擋板，以確保提取的陰極板焊縫全過程的特征點(diǎn)準(zhǔn)確度。由激光焊接專機(jī)平臺(tái)完成焊接工作，焊接速度依據(jù)工藝要求來定，激光焊機(jī)的最大功率為1kW，不銹鋼陰極板雙側(cè)焊縫分別長約1m左右。

試驗(yàn)結(jié)果證明，焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)跟蹤精度滿足不銹鋼陰極板焊接生產(chǎn)工藝的實(shí)際需求，焊縫跟蹤系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度控制在0.15mm以內(nèi)。圖5生產(chǎn)實(shí)物圖為未投入焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)和投入焊縫跟蹤系統(tǒng)生產(chǎn)出的陰極板焊縫圖像對(duì)比，可以得出，通過焊縫跟蹤系統(tǒng)自調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制，陰極板焊縫位置成型美觀且居中平直，焊接效果良好。

圖5 焊縫跟蹤系統(tǒng)前后的圖像對(duì)比

4 結(jié)語

本文采用激光視覺傳感器檢測(cè)焊縫位置，開展了不銹鋼陰極板焊接焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的試驗(yàn)及應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)了不銹鋼陰極板全自動(dòng)焊接和自學(xué)習(xí)焊縫自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)，生產(chǎn)試驗(yàn)表明，基于自學(xué)習(xí)的焊縫跟蹤系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，焊縫跟蹤精度高，提升了不銹鋼陰極板焊接效率和陰極板成品焊縫合格率。