基于復合傳感器的焊接機器人在船舶焊接中的應用

彭奇平

舟山技師學院，浙江舟山，316012

0 引言

焊接作為現代加工制造領域中的重要連接方法，在各行業領域中都起著至關重要的作用，傳統手持式的焊接方式效率低下且極易受人工約束，已經無法滿足生產需要，基于復合傳感器的機器人焊接技術高，對于船舶產業的降本增效以及提高造船效率與質量提供了技術支持，是完善船舶自動化焊接工作的高效途徑[1]。

1 基于復合傳感器的焊接機器人機構設計

復合傳感器相較于單傳感器而言，對于信息的識取能力更加精準，具有較高的魯棒性和靈敏度，以視覺與電弧傳感器為技術支撐的復合傳感器焊接機器人具有高可靠性、低成本、強抗干擾的運行特征，可以完成清晰焊縫及熔池圖像的識取工作，精準地進行焊縫跟蹤，對船舶焊接工作有優秀的適應性。

1.1 基于視覺傳感器的機器人特征識別機構設計

基于視覺傳感器的焊接機器人在船舶焊接中的工作原理主要是通過依靠焊縫中反饋回的光源信息進行特征識別，有主動傳感與被動傳感之分，被動傳感是通過焊接過程中焊縫自身投射出的光源信息進行焊縫特征提取，容易受焊接飛濺、弧光等噪聲干擾，導致成像質量較差，基于視覺傳感器的機器人焊接工作有前處理與后處理兩個主要環節，船舶焊接工作中，機器人采集圖像后，通過去噪濾波在較好保持圖像細節的基礎上完成圖像去噪工作，能夠改善后期圖像處理工作的復雜情況；而主動視覺傳感器依靠外部光源，通過增強對比度的操作，使焊接結構光的選擇更具判別性，如選擇特性明顯的激光等條紋作為檢測對象，通過局部或全局二值化處理，以利用外部光源進行投影的方式后處理，即提取焊縫的三維特征信息，實現計算機控制焊接，以保證能夠有效地克服自然光源下信息采集困難的問題。基于視覺傳感器的機器人特征識別機構的設計為船舶焊接工作中焊縫跟蹤領域的發展指引了方向[2]。基于視覺傳感器的機器人焊接的基本流程如圖1所示。

相較于其他傳感方式而言，視覺傳感技術可以通過捕獲諸如電弧形態、熔池輪廓等信息提供決策支撐，以視覺傳感器的識別跟蹤機構設計為技術支撐的機器人進行焊接工作時具有識別信息豐富、焊接能力穩定且無需與工件直接接觸的優勢，適用于多種焊接形式，逐漸發展成為船舶焊接焊縫識別跟蹤系統中的主流傳感器。基于視覺傳感器的焊接機器人焊縫識別跟蹤系統如圖2所示。

焊縫識別跟蹤是船舶焊接工作的重要內容，在焊接機器人的設計中加入視覺傳感器識別跟蹤機構能夠幫助機器人自動識別提取焊縫特征，獲取實時焊縫信息后建立相關模型，進而實現高效率的船舶焊接工作。

1.2 基于電弧傳感器的機器人焊接跟蹤機構設計

相較于其他類型的傳感器機器人而言，電弧傳感器機器人有著規避弧光、磁場等因素干擾的優點，且機器人具有實時性的特征，因此，能夠在焊槍無附加裝置的情況下最大程度實現焊槍運動的靈活性和可靠性，避免機器人滯后誤差，此機器人能夠滿足船舶焊接低成本自動化的要求，是效果相對理想的焊縫跟蹤方式[3]。其具體技術指標為，移動方式：輪式移動；焊接時速：20～60cm/min；焊接方法：Ar+CO2混合氣體保護MAG焊；傳感器：電弧傳感器；適合焊縫形式：平面或近似平面上的折線角焊縫及各種V型焊縫。

由于該焊接機器人適合的焊縫形式為跟蹤焊接平面彎曲焊縫，因此，確定驅動電機功率時作如下假設：機器人在平面做直線運動情況時，忽略地面摩擦力、空氣阻力等因素后，假設機器人在平面直線加速行走，忽略過程中的空氣阻力，通過對機器人的受力狀況進行分析，進而估算機器人所需的驅動力矩。

（1）電弧傳感器機器人的行駛阻力。機器人在平面運動時，由于力的產生，機器人需克服來自地面的空氣阻力及輪子滾動阻力，焊接機器人在進行加速動作時需克服加速阻力，因此，電弧傳感器焊接移動機器人移動的總阻力為：

式中，F為電弧傳感器焊接機器人移動總阻力，FR為滾動阻力，Fj為加速阻力，由于焊接機器人的焊接時移動速度較慢，空氣阻力忽略不計。

（2）電弧傳感器焊接機器人的加速阻力。基于電弧傳感器的焊接機器人質量分為平行質量與旋轉質量，焊接機器人加速時，平移質量產生慣性力的同時，旋轉質量也會產生慣性力偶矩，因而，焊接移動機器人加速時的阻力如下：

式中，Fa為加速阻力，δ為傳感器焊接機器人旋轉質量數，當δ＞1時，m為傳感器焊接機器人的質量，機器人移動時的加速度為（m/s2）。以系數δ作為考慮旋轉質量慣性力偶矩后的傳感器焊接機器人旋轉質量轉換系數。

（3）電弧傳感器機器人輪子滾動阻力。機器人輪子滾動時，輪子與接觸面區域產生相互作用力，當彈性輪子在硬接觸面上運動時，機器人車輪的內摩擦會導致彈性滯損，使車輪對地面的功無法完全恢復，當車輪靜止時，即使法線前后的對應點相同，但受彈性滯后現象的影響，位于恢復過程后部對應點的接觸面法向反力會小于在壓縮過程的前部對應點的接觸面法向作用力，從而導致接觸面法向反力與地面法向反力的分布前后均不對稱，因此，使其合力相對于法線方向前移動距離e，與彈性滯損同步變化，合力與法載荷P大小相等，方向相反。

若將法向反作用力Fz平移至與車輪中心垂線重合時，車輪在地面滾動時的滾動阻力偶矩：

式中，Tf為滾動阻力矩，Fz為地面對輪子的法向反力，e為相對于法線方向前移動的偏距。由平衡條件可得：

式中，Fx為地面對驅動的反向作用力，r為驅動輪的半徑，Td為驅動力矩，即：

式中，Fx為真正作用在驅動輪上的驅動移動機器人行走的力主顧切向反作用力，Ff為驅動力減掉驅動輪上的滾動阻力，電弧傳感器機器人驅動輪在平面滾動受力時：

式中，F為驅動輪載荷；f為滾動阻力系數；a為滾動總路程。基于電弧傳感器的焊接機器人焊接工作流程如圖3所示。

基于電弧傳感器的機器人焊接跟蹤機構設計的運用，避免了傳感器與機器人運行不一致的問題，特別適合船舶焊接工作中狹窄空間或折角變化較大的角焊縫的焊接跟蹤。

2 船舶焊接規劃處理

2.1 焊縫投影點

為了提高船舶焊接工作的效率及減少焊接過程中多種因素對焊接精度的影響，準確地判斷焊縫投影點是船舶焊接工作的重要環節之一，通過對復合傳感器機器人采集點與焊縫投影點的投影關系進行分析，可得船舶焊接中焊縫結構光線的最佳投影點。基于復合傳感器的焊接機器人

圖中，矩形表示俯視下的槽口投影平面，將實際激光傳感器中的結構光線作直線l1，將理想的可用數據點的結構光線作直線l2，將實際結構光的數據點轉換為理想數據點，需取投影面來投影實際結構光線的拐點，穿過焊縫底部的起點b(c)，且垂直于焊縫方向，設焊縫底點的起點為p1(x1,y1,z1)，焊縫底點的終點為p2(x2,y2,z2)，則焊縫通過方向m(A,B,C)為：

過p1的投影面為：

設傳感器結構光線上的任意拐點為p3(x3,y3,z3)，過此拐點作平行于m的直線：

由此可得船舶焊接中焊縫結構光線的最佳投影點。

2.2 焊接機器人姿態調整

焊接機器人的姿態調整規劃工作是焊接機器人進行焊接工作前的必要環節，為防止焊接機器人的相關部件在進行船舶焊接工作時受到物理干涉等問題，提出機器人姿態實時調節的解決措施，通過選取焊接機器人位置作為機器人姿態調節原點，調整復合傳感器焊接機器人的相關控制點，以達到有效控制機器人進行多層次規劃工作的目標，繼而實現自動追蹤及焊接軌道調整功能。

船舶焊接工作環境復雜，基于復合傳感器的焊接機器人可輕松應對焊縫形式相對簡單、焊接環境相對良好固定的焊接工作，但對于多類型的焊接工作，如材料條件不同、焊接方法不同、焊縫類型不同時可采用焊接軌跡重新規劃的方法對焊接機器人末端位置或機器人姿態進行調整，以加強焊接機器人的適應性及抗干擾性能。

2.3 焊縫跟蹤偏差

焊縫跟蹤工作是船舶焊接的重點內容，傳統焊接機器人跟蹤范圍不受限制，質量較大、慣性大，響應較慢，且輪子由于加工、裝配、變形等引起誤差而導致控制精度低；基于復合傳感器的焊接機器人重量輕，體積小，制造精度高，機械和電磁慣性都很小，跟蹤精度高，響應快，故焊接機器人進行焊縫跟蹤時，進行相應的精準跟蹤策略，同時，焊接機器人移動本體進行二級粗略跟蹤；這樣既可使復合傳感器焊接機器人有較高的跟蹤精度，又使跟蹤范圍不受限制[4]。焊接機器人移動本體和二維精確運動平臺的協調是焊縫跟蹤的難點，針對此問題，提出串行控制與并行控制兩種控制方案。

復合傳感器機器人旋轉軌跡在焊縫左、右兩側高度變化是不同的，當焊炬與工件表面的高度值由小到大變化變成由大到小變化時，即高度值的導數為0，且左側導數為0：

式中，e為焊縫左右兩側偏差，r為傳感器旋轉半徑，m、n為焊縫左右兩側的測量點數，以S函數實現復合傳感器焊接機器人旋轉軌跡在焊縫左右兩側高度與焊縫偏差的關系。焊縫跟蹤偏差控制分為上下與左右兩種方向，當跟蹤平面彎曲焊縫時，只有左右糾偏，沒有上下糾偏。

3 基于復合傳感器的焊接機器人的船舶焊接工作分析

3.1 焊接機器人跟蹤焊接點軌跡

船舶焊接過程中，焊接點的軌跡是焊接機器人跟蹤信號提取、改善焊接工藝參數的重要依據，基于復合傳感器的焊接機器人的虛擬樣機能夠方便地提取船舶焊接工作中任意點的運動與動力參數，解決焊接過程中無法測量焊接點軌跡的難題，以傳感器焊接機器人行走直線時，無左右偏差情況為例，對焊接點軌跡進行研究。按復合傳感器焊接機器人焊接參數，驅動輪轉速為：

式中，ωLR為驅動輪轉速，vw為焊接速度，rwh為焊接頻率。設置虛擬樣機驅動輪為：

按每轉64個采樣點設置仿真步長為：

以焊縫為350.8912的直線為目標，可得出焊接點的初始位置，進而獲得船舶焊接工作中復合傳感器焊接機器人的跟蹤焊接點軌跡。

3.2 焊接機器人跟蹤平面彎曲焊縫過程

船舶焊接工作中，焊接機器人進行大型結構件的焊接時，常見的焊縫形式是平面曲線角焊縫，基于復合傳感器的焊接機器人首先對其進行跟蹤實驗，實驗環節有：①平面彎曲焊縫跟蹤焊接實驗。90度角焊縫，水平船形位置，初始偏差為0mm，且機器人方向與焊縫初始曲線切線方向一致，實驗焊接標準為：焊接電流：190A，電壓：24.5V；焊接速度：24cm/min；焊炬旋轉掃描頻率：20Hz；旋轉半徑：3mm；保護氣體：85%Ar+15%CO2；保護氣流量：18L/min。②折線角焊縫是另一常見的焊縫形式之一。在折線角焊縫中以90度折線角焊縫最常見，由于作業空間狹窄，焊接難度最大[5]。因此，選擇該類型焊縫作為折線角焊縫的代表進行復合傳感器焊接機器人焊縫跟蹤焊接點實驗。實驗焊接標準為，焊接電流：190A，電壓：24.5V；焊接速度：24cm/min；焊炬旋轉掃描頻率：20Hz；旋轉半徑：3mm；保護氣體：85%Ar+15%CO2；保護氣流量18L/min，初始偏差為0mm。

3.3 焊接機器人轉彎情況分析

機器人進行船舶焊接工作時，當焊縫折角較小時，傳感器可獨立完成折角的識別工作，如圖5所示。

當兩焊縫折角較大時，為了避免機器人與焊接零件的非必要碰觸，機器人需在焊槍位于位置A時進行轉彎動作，此種情況下，單一的傳感器無法完成轉彎動作測定工作，需借助復合傳感器[6]。

式中，a為焊縫折線角，D、E為不同距離的兩個傳感器，Lcws為小車轉彎半徑，Lsd為傳感器間的距離，Lsg為傳感器與焊槍位置間的距離，Lswd1與Lswd2為兩距離傳感器的值。船舶焊接工作中，機器人除需對內折線角焊縫進行跟蹤外，還需對外折線角焊縫進行跟蹤，單純依靠D、E兩處的傳感器無法準確探測出轉角位置，解決此類情況，需在焊接機器人的前部加裝一個探測焊槍一側障礙距離變化的傳感器或將D處的傳感器旋轉90度即可。

4 結語

船舶焊接技術是船舶工業中的關鍵環節，隨著傳感器技術與焊接技術的不斷發展，基于復合傳感器的焊接機器人的智能化已經成為機器人焊接的重要方向，在船舶焊接工作中應用基于復合傳感器的焊接機器人能夠使得焊接機器人在進行船舶焊接工作時最大程度上實現對不同焊接工作的自動化跟蹤、自動化識別以及自動化校正，對于焊接機器人的發展以及傳感器復合化使用均有著重要的推動作用，能夠為國家船舶行業的發展提供焊接技術支持，對于提升船舶焊接穩定性和焊接效率，促進船舶焊接領域焊接工作的智能化有著重要意義。