激光焊縫跟蹤系統設計與應用

趙大興，丁晟，肖迪，程兆

(湖北工業大學機械工程學院，湖北武漢430000)

0 前言

在小型車輛生產企業中，許多企業有著多品種、小批量、高要求、短工期等特點，工藝方法、工藝裝備或者信息化等都難以達到全智能化。由于小型車間生產線柔性不足、整體運行效率不高等，當前車輛的生產正在向智能化方向轉變，通過工業機器人實現各種位置的自動焊接。而在實際應用當中，工件往往會因為裝夾誤差、工件熱變形等原因導致需要焊接的焊縫偏離了預定軌道，因此，需要借助傳感器實時檢測焊縫，使焊槍精準地沿著軌道前進，保證焊接質量的均勻一致。

對機器人焊接的研究主要有焊縫質量控制、焊縫跟蹤、焊接傳感、焊接路徑規劃等[1]，而跟蹤精度與焊接過程中跟蹤的實時性則視為焊縫跟蹤系統性能的重要指標[2]。機器人進行焊縫跟蹤的基礎是傳感技術，根據實現方式分為電弧傳感、視覺傳感、激光傳感等。

電弧傳感是利用電弧自身的參數作為跟蹤信號，這種傳感技術并不需要其他附加設備，且電弧傳感的抗干擾能力極強。電弧傳感器檢測焊縫中心的原理是通過在焊接過程中焊接電流與焊接電壓隨著焊槍與工件之間距離的變化而變化這一特性來檢驗焊縫中心的[3]。因為其結構簡單，操作方便，且抗弧光、高溫的能力強，所以在焊縫跟蹤系統中應用最為廣泛[4]。LE等[5]使用電弧傳感器對焊縫跟蹤進行了大量的實驗，他們對圓形以及直角和矩形的焊縫跟蹤算法進行了大量研究，使機器人成功對不同空間下的焊縫進行高精度的跟蹤。FABRY等[6]將電弧傳感與槽形光學測量應用在一起，開發出一種用于自動窄間隙熔化極氣體保護焊間隙寬度估計的電弧傳感器模型，實驗結果表明該模型對焊接過程中的各項焊接參數都有良好的估計能力。來鑫等人[7]提出將磁場控制電弧的技術應用于焊縫跟蹤系統中，同時通過各項實驗驗證了其可行性。洪波等人[8]對磁控電弧傳感器進行了參數優化，使焊縫跟蹤系統在焊接過程中跟蹤的穩定性以及跟蹤精度都有了提升。

視覺傳感器的光源是自然光，傳感器中的CCD相機能夠直觀地獲取焊縫的信息。視覺傳感器結構簡單且操作方便，缺點是只能獲取二維的圖像信息[9]。PARK和MOON[10]基于視覺傳感技術設計了一套管道自動焊接系統，提出一種移動平均焊縫跟蹤算法，這套算法應用于蓋焊道、根部焊道以及填充焊道，實驗證明這套系統能夠有效縮減焊縫中心線與焊槍之間的偏差。郭吉昌等[11]設計了一款單目視覺傳感器，這種單目視覺傳感器能夠對焊接坡口的截面尺寸、焊槍高度等進行檢測，使其在應對較為復雜的結構件時焊接的適應能力很強，實驗結果表明該傳感器的最大檢測誤差不超過2.1%。

激光視覺傳感器是基于三角測量原理來獲取焊縫的三維信息[12]，優點是圖像處理過程簡單、抗干擾能力強，缺點則是激光傳感器結構相對于其他視覺傳感器要復雜許多，且會產生視覺超前誤差[13]。LAHDENOJA等[14]設計了一套激光視覺系統，這套系統中包含有視覺傳感器、圖像處理等模塊，可以對焊接過程進行實時的監控反饋以及對焊接完成后的焊接質量進行檢測，實驗結果表明這套系統能夠有效對焊接接頭進行視覺測量以及焊縫跟蹤。HOU等[12]提出一種基于激光視覺傳感系統的機器人熔化極氣體保護焊的焊接方法，并對V形坡口與角接焊縫進行了實驗，實驗結果表明這種方法的控制精度滿足大多數機器人焊接情況下的應用。李東潔等[15]提出一種基于激光視覺的焊縫檢測技術，有效縮短了傳感器在檢測焊縫時檢測特征點的時間，且同時擁有較高的檢測精度。

本文作者設計一套激光焊縫跟蹤系統，將激光傳感器搭載于ABB機器人上，校準傳感器使其能識別到不同類型焊縫的跟蹤點，在焊接過程中傳感器識別到焊縫的特征點后與焊槍的位置進行比對，隨后將糾偏信號反饋給機器人，使機器人完成對對接焊縫以及搭接焊縫的跟蹤處理。

1 激光焊縫跟蹤系統

焊縫跟蹤系統主要由焊接機器人、焊機、送絲機、傳感器、控制器、焊槍、氣瓶組成，在焊接作業中，傳感器會實時采集工件圖像，根據焊縫類型采用相關算法對圖像進行處理，找到跟蹤點，隨后將實時位置偏差信號反饋給焊接機器人控制柜，機器人根據反饋信號即時調整自身姿態使焊槍的中心點始終與焊縫對齊，以實現焊縫的實時跟蹤。焊接工作站如圖1所示。

圖1 焊接工作站Fig.1 Welding workstation

激光視覺傳感器基于三角測量原理來獲取焊縫的三維信息。激光傳感器由激光二極管、CCD攝像機和聚光鏡組成，在跟蹤過程中，激光投射到工件表面形成一個激光條紋，CCD攝像機對其進行圖像的采集以及處理，得知跟蹤點的位置。其基本過程如圖2所示。

圖2 激光視覺傳感器跟蹤過程Fig.2 Tracking process of laser vision sensor

此次研究的主要對象為對接焊縫以及搭接焊縫，傳感器裝載方式如圖3所示。兩塊板水平接在一起，形成對接焊縫，而對接焊縫通常會有一個間隙以及錯位，傳感器在識別對接焊縫時會采集到6個點，所有識別點如圖4所示：點2和點5是圓邊開始的拐點。點3與點4之間的距離為間隙寬度。

圖3 傳感器裝夾位置Fig.3 Clamping position of sensor

圖4 對接焊縫斷點Fig.4 Breakpoints of butt-jointed seam

對接焊縫的跟蹤方式一共有4種，這4種方式主要是判定跟蹤點的方法不同，包括最低板、最高板、中間點、最低點。

(1)最低板。跟蹤點位于最低板的水平線上。跟蹤點是點3和4在最低板水平線上的垂直投影的中間點，如圖5所示。

圖5 最低板跟蹤點位置Fig.5 Tracking point location on the lowest board

(2)最高板。跟蹤點位于最高板的水平線上。跟蹤點是點3和4在最高板水平線上的垂直投影的中間點，如圖6所示。

圖6 最高板跟蹤點位置Fig.6 Tracking point location on the highest board

(3)中點。跟蹤點是點3在最高板水平線上的垂直投影與點4在最低板水平線上的垂直投影連線的中間點，如圖7所示。

圖7 中間點跟蹤點位置Fig.7 Tracking location of the middle point

(4)最低點。跟蹤點是點3和點4之間的最低點。

搭接焊縫是由兩個重疊的直板組成，如圖8所示，其中跟蹤點為點2，在算法設置中搭接算法需要設定板厚才能確定跟蹤點的位置。

圖8 搭接板跟蹤點Fig.8 Tracking point of the lap jointed sheet

2 ABB焊接機器人配置

2.1 ABB機器人與傳感器通信

ABB機器人控制柜與傳感器控制柜通過廣域網口WAN口連接，連接完成后在ABB機器人控制面板中進行配置，主題中選擇Communication→Transmission Protocol→Laser1，配置如表1所示。

表1 傳感器通信配置Tab.1 Communication configuration of sensor

2.2 ABB機器人坐標系的建立

為提高焊接精度，采用三點法建立工件坐標，工件坐標為工作臺平面，將工件平面的x1、x2、y1標定即可，從原點x1出發沿校準板x軸方向移動，設立x2，再由原點往y軸方向移動設立點y1，工件坐標名設立為wob,如圖9所示。

圖9 工件坐標設定Fig.9 Workpiece coordinate setting

為了使機器人能夠識別焊槍的精準位置，還要設立工具坐標，工具坐標的設立采用TCP和x、z法建立。在此法中，第一個點為垂直固定點，將焊槍位置擺正垂直落在點上，后面3個點的位置姿態盡量相差較大，點x為工具參考點沿著x軸方向直線運動，點z為工具參考點沿著上方呈直線運動，依此法建立工具坐標，工具坐標名設為tool。

2.3 ABB機器人焊機信號配置

焊機在控制面板中“Process→Arc Equipment→ARC1_EQUIP_T_ROB1”進行配置，配置如表2所示。

表2 焊接配置Tab.2 Welding configuration

在系統“Arc Equipment Analogue Outputs”中配置模擬信號，如表3所示；數字信號主要用來控制起弧、送絲、送氣等，配置如表4所示。

表3 模擬信號配置Tab.3 Analog signal configuration

表4 數字信號配置Tab.4 Digital signal configuration

3 傳感器校準

傳感器在使用前需要對其視場進行校準，傳感器與上位機的通信通過weldcom軟件完成。在weldcom中，新建任務，算法中選擇搭接焊縫，板厚設定為2 mm，最大間隙5 mm，厚度容差為15%，以此識別焊縫；在LTC中，進入“Calibration setup”，按步驟設定至第3步，將傳感器激光設定在校準板兩邊等寬大約1/4處的位置，使整個校準板的間隙處于傳感器的視覺當中，如圖10與圖11所示，校準完成后如圖12所示。

圖10 LTC校準設定示意Fig.10 Calibration setting of LTC

圖11 校準設定Fig.11 Calibration setting

圖12 校準完成Fig.12 Calibration finish

4 焊接實驗

4.1 焊接系統設置

此次實驗使用的工業機器人為ABB公司的irb1600型號機器人，傳感器為賽融POWECAM-SHR，焊機為福尼斯TPS5000。此次焊接的工件為對接板與搭接板，焊接工藝為雙脈沖焊接，焊絲的材質為碳鋼，保護氣為82%Ar+18%CO2，焊機中的設定參數如表5所示。

表5 焊接參數Tab.5 Welding parameters

在ABB程序編寫前還要設立焊接的主要參數：Seam Data、Weld Data。Seam Data主要控制起弧以及收弧時焊槍中清吹氣的時間，以提高焊接的完整性。Seam data設定如表6所示。

表6 Seam data 參數值Tab.6 Seam data parameters

Weld Data控制機器人在焊接過程中焊接電流、焊接電壓、焊接速度等參數。Weld data參數設立如表7所示。

表7 Weld data參數值Tab.7 Weld data parameters

4.2 搭接直線焊縫跟蹤程序及結果

搭接焊縫的焊縫識別設定如圖13所示，設定板厚為2 mm，最大間隙5 mm，厚度容差為15%，板材位置為右在左上。

圖13 搭接焊縫跟蹤設定Fig.13 Tracking settings of lap-jointed seam

設立ABB焊接主程序，使其進行搭接焊縫的直線焊接作業，其中track1函數在“joint_no:=”中選擇9來調用在weldcom中設定的任務焊接機器人的主程序如下：

PROC main()

MoveJ，tohome,v1000,fine,toolWobj:=wob;// MoveJ指令可快速使機器人移到焊接準備點

MoveJ，zx1,v300,fine toolWobj:=wob;//使焊槍移動至焊接開始點

ArcLstart,zx2,v300,seam1,weld1,fine,toolWobj:=wob rack:=track1;//開始直線焊接，track指令使焊縫系統啟動

Arclend,zx3,v300,seam1,weld1,fine,toolWobj:=wob rack:=track1;//到達終點

MoveJ home1,v300,fine,toolWobj:=wob;//焊接完成后移動至home點

ENDPROC

焊接作業完成后，焊縫表面如圖14所示，可以看到：接頭表面形成良好，同時表面的弧紋光滑，焊縫均勻平整。視覺統計數值與曲線分別如圖15與圖16所示。TY與TZ為跟蹤點，CAy與CAz為校準參考點。由圖16可見：跟蹤點y軸(焊槍焊接方向)的偏差在0.2 mm內。

圖14 搭接直線焊縫Fig.14 Lap-jointed seam

圖15 搭接直線焊接視覺統計Fig.15 Lap-jointed seam visual statistics

圖16 搭接直線焊接視覺統計曲線Fig.16 Lap-jointed seam visual statistics curves

4.3 對接圓弧焊縫跟蹤程序及結果

對接焊縫的跟蹤設定如圖17所示，其跟蹤點位置選擇中間點，最大間隙為10 mm，最大錯位為2 mm，辨別閾值為40%。

圖17 對接焊縫跟蹤設定Fig.17 Tracking settings of butt-jointed seam

對接焊縫的圓弧作業ABB程序如下，其中track2函數在”joint_no:=”中選擇16來調用在weldcom中設定的任務：

PROC main()

MoveJ tohome,v1000,fine,toolWobj:=wob;

MoveJ zx1,v300,finetoolWobj:=wob;

ArcLstart,zx2,v300,seam1,weld1,fine,toolWobj:=wob rack:=track2;

ArcCend,zx3,v300,seam1,weld1,fine,toolWobj:=wob rack:=track2;

MoveJ home1,v300,fine,toolWobj:=wob;

ENDPROC

對接圓弧焊接作業完成后焊縫表面如圖18所示，接頭焊縫良好地蓋過了焊縫，接頭表面形成良好。其視覺統計數值與曲線分別如圖19和圖20所示，跟蹤點y軸移動約3 mm，與焊縫y軸保持一致。

圖18 對接圓弧焊縫Fig.18 Butt-jointed arc seam

圖20 對接圓弧焊接視覺統計曲線Fig.20 Butt-jointed arc seam visual statistics curves

5 結論

使用自行設計的焊縫跟蹤系統進行了搭接直線焊縫以及對接圓弧焊縫的跟蹤實驗，該焊縫跟蹤控制系統較好地實現了焊槍在焊接作業中的跟蹤控制，且該跟蹤系統動態性能及糾偏性能良好，控制精度高，焊縫表面均勻平整，沒有裂紋、飛濺、氣孔的存在，焊縫外觀成型良好。對小型車間智能化生產具有重要意義。