基于機器視覺的粉罐半掛車罐體焊接變形控制方法研究

李卿 蘭中林

摘要：焊接變形是目前粉罐半掛車車罐體生產的關鍵技術問題，焊接變形會直接導致車體的尺寸不精準，甚至出現報廢情況，影響生產單位的經濟效益。由于原有方法在接口定位點上獲取的變形信息不及時，導致對半掛車罐體的焊接變形量預測不準確，超出實際尺寸公差要求，需要進行二次調整延長工期，進而研究基于機器視覺的粉罐半掛車罐體焊接變形控制方法。設置約束條件定義粉罐半掛車罐體焊接過程，基于機器視覺確定焊接變形定位點，運用因果鏈建立矛盾關系控制罐體焊接變形，完成控制方法設計。以某公司生產的粉罐半掛車為測試對象，對其罐體的焊接全過程進行變形控制，采用本文方法和傳統方法進行對照，以焊縫長度和間隔為焊接變形控制基礎，在實際的生產標準內傳統方法距離極值較近，甚至有超過極值的現象產生，而本文方法能夠將其控制在變形量的中心范圍內，距離極值存在一定差距，具有實際應用意義。

關鍵詞：機器視覺;粉罐半掛車;罐體焊接;焊接變形;變形控制方法

中圖分類號：U466 收稿日期：2022—03—09

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.05.012

粉罐半掛車由多個部分組成，包括罐體和前后車架以及走道和管路等，為了保證其制作工藝的成本和使用壽命，通常在罐體和前后車架上采用高強度鋼材。在整個粉罐半掛車設計工藝上，因罐體是其最主要的部分，故在罐體內壁上以弧形筋板進行焊接，且每組板筋等間距并控制在800～1500mm之間。而罐體在進行結構焊接過程中，會產生一定的變形量，在保證罐體較輕的質量前提下，變形量對后期的罐體成品存在兩方面影響：一是一定的變形量會進行簡便焊縫的連接;二是過多變形量會增加反復焊接操作，甚至出現成品報廢的情況。因此，對罐體焊接的變形過程進行控制非常重要"。

機器視覺技術是目前人工智能領域應用較多的技術之一。該技術主要是利用機器人的視覺功能，使其能夠像人的眼睛一樣去觀察客觀的事物體。隨著計算機技術的不斷發展，機器視覺的應用更具優勢。它可以直接通過計算機技術模擬人類視覺功能，在采集圖像的基礎上將其轉化為視覺信號，再利用標準的通信協議完成對應信息的處理。本文以此為基礎研究，通過基于機器視覺的粉罐半掛車罐體的焊接變形控制方法，來改良傳統控制方法的不足之處，為更高質量的罐體焊接提供理論基礎。

1 基于機器視覺的粉罐半掛車罐體焊接變形控制方法

1.1約束條件定義粉罐半掛車罐體焊接過程

焊接變形是一個多面性工藝，在不同的接口處存在一定的變形量，對口連接是以焊縫的存在形式進行，但嚴重的變形量會影響后期的結構尺寸。其實，焊接過程是一個局部加熱和冷卻的過程，在部件的焊接點位上必然會存在溫度不均勻的現象，如何將更為精確的焊接變形量應用在粉罐半掛車的罐體焊接中，需要在焊接前對變形量進行約束條件設定。通過對罐體的焊接電流和電壓范圍的設定，使得罐體的拼接留有一定的間隙，從而讓整個罐體存在足夠的變形余量2。

在TRIZ理論的基礎上，利用辯證法和系統理論，對焊接變形產生的可控量進行約束，但是整個的焊接過程不能改變的條件有三點：a.焊接的設備不能過于復雜化;b.焊接的材料必須做到完全熔化;c.焊接的全程不能進行多次反復形變。基于此，在保證粉罐半掛車的各組零件能夠滿足工藝要求后，對罐體的主板進行焊接變形量的補償設定，在所得成品的焊接公差上需要滿足±3mm之內3。

1.2基于機器視覺確定罐體焊接變形定位點

利用相機中的參數坐標系，對焊接點位的位置和姿態進行設置，假定參考點位位于坐標系Q，WE，R，中，參考坐標設置為（W，E，，R，），而對應的相機坐標系為Q，W，E，R，，對應的坐標為為（W，，E，R，）。在兩個對應坐標系下設置參考點位向量，其中a、s、d分別為參考坐標系Q，W，E，R，對應坐標軸上的單位向量，而a，、s，、d，表示為相機坐標系Q，WE，R，中的對應向量，將兩者進行對照能夠得出相機中定位點的參考坐標系，以（W，，E，，R，）為例，表達式為：

式中，aa，表示a軸與a，兩個單位向量中的矢量面積，其與以此類推即可;外參數的矩陣用F，來表示，其中Z表示為余弦的3x3矩陣，表示相機坐標系的參考坐標姿態;W。表示相機坐標系在參考坐標中的位置。

對整體的焊接過程參數設定完成后，在具體的焊接過程中需要對焊角進行定位，此次采用機器視覺的跟蹤技術，對罐體各段的焊接連接接口位置變化進行全程視覺追蹤。通過選擇合理的焊接方式和焊接要求，在反變形和變形的基礎上，利用固定連接方式，對粉罐半掛車的罐體進行順序連接的全過程約束，完成焊接次序的安裝裝配。

1.3 運用因果鏈建立矛盾關系控制罐體焊接變形

對粉罐半掛車的罐體進行焊接變形控制，主要是對后續的焊接尺寸進行精準設定，在合理的焊縫尺寸和接口上，減少不必要的二次焊接形變過程，以此直接對焊接的過程進行定義。實際的焊接過程會產生較大的熱量值，解決散熱問題能夠從根本上控制焊接的變形結果，運用因果鏈的分析方式，建立焊接過程的矛盾連接關系，以物理和化學的參數變化控制罐體焊接變形。從熱量產生角度和散熱過程，分析焊接變形因果關系，對產生變形的全過程進行連接設定（圖1）5。

如圖1所示，在對罐體的焊接過程中需要較多的熱量，但為了減少變形量，需要對單獨部位控制到較小熱量，因此需要在產熱的過程中進行瞬間散熱，以完成對焊接變形的控制。矛盾關系的定義為：在可制造和可維護的參數對照下，對時間和物理維度上的數量進行有效把控，將焊接中傳輸熱量的路徑進行增添，以保證均勻散熱的可操作性。對于散熱工件較少的問題，可以通過增加散熱工件的面積進行物理維度的改變，以此增加散熱量，維持焊接部件的變形。

至此在約束條件的設置下，重新定義粉罐半掛車罐體的焊接全過程，利用機器視覺技術定位罐體焊接變形點，通過因果鏈理論建立焊接矛盾關系，對罐體焊接變形量進行控制，完成粉罐半掛車罐體焊接變形控制方法設計。

2試驗測試與分析

為驗證此次設計的控制方法具有實際應用價值，能夠對粉罐半掛車的罐體焊接變形進行有效控制，采用試驗測試的方法進行論證。選擇某生產公司預計生產的粉罐半掛車為測試對象，其罐體的制作材料為高強度鋼，為提高罐體的整體剛度，在內置筋板和襯板的截面結構上采用T型連接形式，使其具備良好的抗彎特性。試驗前調取該廠主要的焊接技術，分別對罐體的生產標準進行設定，在不改變變形技術的基礎上，對其進行變形量控制，具體工藝標準見表1。

根據表1內容所示，此次罐體的焊接電壓和電流均在標準焊接范圍內，最高電壓不超過28 V，電流不超過280 A。在此工藝下對比行業生產標準，其容許的焊縫長度和間隔需要滿足140～160 mm之間。此次試驗的主要目的為：在不同的控制方法下，對罐體焊接過程變形量進行控制，使其罐體的焊縫長度和焊接間隔均滿足生產標準，以減少二次焊接。

為保證試驗測試的準確性，在MATLAB測試平臺上進行對比測試，采用兩種傳統方法作為對照方法，進行該粉罐半掛車的罐體焊接全過程模擬。由于傳統控制方法的主要流程為已知條件，直接對本文方法的注意事項和流程進行設定，如下：

a.標記焊接點位：對罐體的制作開料進行切割時，要在切割的鋼材上直接進行點位標記，按照對主焊接的順位點進行標記，使其各個點位能夠組合在一起。

b.對稱點位跳焊：罐體的整個焊接過程較長，焊縫的形成長度也較大，因此在焊接時需要對設計的點位進行對稱焊接，利用跳點焊接的方式進行移動方向上的順序焊接。

c.先內后外原則：在設定完焊接方式和焊接點位后，對罐體的焊接采取內側先焊接、外側后焊接的原則進行焊縫制作。由于內側焊接完畢后會產生焊瘤和廢渣，需要將其清理干凈后再進行罐體的外側焊接，保證焊接縫隙的精準度。

通過對整體焊接流程的設定和方式選擇，直接模擬罐體的焊接過程，同時測試不同方法對罐體焊接變形的控制效果。以焊縫的長度和間隔作為測試標準，在設定的基礎范圍上，上下不超過±3 mm即視為合格，不會進行二次反變形焊接。通過多輪測試得到的焊接焊縫長度和間隔見表2。

根據表2內容，在三種控制方法下產生的焊縫長度和間隔各不相同：兩組傳統方法的長度更接近于標準范圍的兩端極值，且傳統方法1產生的焊縫長度低于最小值，超出了標準設定范圍，因此焊縫間隔也超出了標準設定;傳統方法2產生的焊縫長度基本滿足標準設定，但有超出標準范圍的可能性。采用本文應用的方法產生的焊縫長度值在設定的標準范圍之內，且距離兩端的極值較遠，能夠有效控制罐體的焊接變形，具有實際應用價值。

3 結語

本文以焊接變形的技術要點入手，利用機器視覺技術設計了一個新的變形控制方法。通過實驗結果可知：在本文方法下能夠將變形量控制在標準范圍內，且距離極限值較遠，能夠被廣泛應用。由于時間限制，在研究過程中對樣本的參考數據取值存在隨機性，獲得的最終結果有一定的偏差，后期會進行更深層次的改良，為粉罐半掛車罐體的生產提供更好的技術支持，使其具備整裝質量更小、裝載質量更大的運輸優勢。

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