基于工業機器人的焊縫參數自適應控制方法

丁 晟,趙大興,許萬,劉拉

(1 湖北工業大學機械工程學院, 湖北 武漢 430000; 2 湖北紐睿德防務科技有限公司, 湖北 十堰 442000)

焊接機器人在進行焊接作業中,焊接參數并不能實時調整。而焊接工件因擺放通常會形成一定距離的間隙,加上在焊接過程中的焊件熱變形等因素,這些都會對對接焊縫質量產生影響。而不同間隙需要采取不同的焊接參數才能達到良好的焊接效果[1]。羅威[2]等提出了一套基于直角坐標焊接機器人的示教再現一體化焊接自動控制系統。該系統對對接接口以及T型接口的焊縫進行了模擬研究,研發的自適應系統能使焊槍根據焊縫進行擺動,且工作穩定,精度高,糾偏準確度高。馬思樂等[3]針對焊接過程中焊件的定位誤差、傳感器的安裝誤差等問題提出了一種基于線結構視覺激光傳感器,其對V型焊縫有較好的焊接自適應效果。陳海初等[4]提出了一種基于擺動電弧傳感器焊接系統的焊縫寬度自適應焊縫跟蹤算法。該算法通過擺動電弧傳感器將前一周期的焊件信息與當前的焊槍位置進行對比,快速計算出適應新的焊縫條件下的焊接參數。實驗證明,在焊縫變化情況較大的情況下該系統依舊能保持良好的焊接軌跡,有效提高了不規則焊縫的焊接質量。葉綠等[5]對電阻點焊自適應功能進行了研究。實驗結果表明,該自適應功能啟用能夠根據實際焊接過程中各種因素的變化而進行自動調節,減少了能量冗余帶來的焊材飛濺,從而減少了打磨工時冗余能量的浪費。顧帆[6]研發了一套基于激光結構光的圖像傳感器,并開發了相關圖像處理算法。該傳感器能夠實現在不同形狀的焊件下自適應焊縫間隙變化,使焊接過程連續穩定。實驗證明,該自適應方法可以保持焊后層高以及坡口的良好質量。陳善本[7]通過分析鋁合金焊接的特點,設計了一套能夠自適應焊縫熔寬的控制器。該控制器基于電流最小方差調節,通過實時調節焊接電流使鋁合金TIG焊縫成型良好。姚屏等[8]提出了一種利用模糊控制思想實現雙絲脈沖焊過程中PID參數自適應調節。實驗結果表明,該系統結構簡單,魯棒性與自適應性強。

當前尚無針對焊接過程中焊接參數自適應焊接工藝相關研究。本文針對在汽車生產中經常用到的板材DC03進行焊接實驗,提出一種工業機器人焊縫自適應控制方法,通過對對接焊縫的間隙大小情況進行焊接工藝分析,得到最佳的一套焊接參數并將其列入自適應程序表,機器人在作業過程中根據焊件情況實時調整焊接參數。

1 焊接自適應控制傳感系統

焊接自適應系統由ABB焊接機器人及其控制柜、焊機、送絲機、氣瓶以及激光視覺傳感器組成。軟件模塊包括機器人Robotware、視覺傳感器ADAP、VISUS模塊。焊接工作站如圖1所示。

傳感器視覺模塊能夠掃描焊件間隙以及上下的錯位等幾何信息,根據焊件間隙中點生成跟蹤點,再根據跟蹤點的位置來發送糾偏信號,同時根據焊件的幾何情況來自動調整焊接參數,并將信號發送給機器人(圖2)。

圖1 焊接工作站

圖2 激光焊縫跟蹤系統

激光視覺傳感器中包含有DATA軟件模塊、VISUS視覺模塊、ADAP自適應軟件模塊以及TRAC軟件模塊。激光視覺傳感器中各模塊的功能如圖3所示。

圖3 激光視覺傳感器各模塊功能

DATA攝像頭模塊主要負責采集圖像信息,并在焊接過程中實時校準笛卡爾坐標系中的距離圖像。VISUS是圖像處理軟件模塊,它對DATA模塊采集到的圖像中進行特征提取,識別焊件輪廓的同時測量其幾何特征。ADAP是一個可編程的圖像后處理器,用戶可以在上位機的軟件中對需要的自適應方法進行編程,將VISUS中提取到的焊件特征進行交互組合,并調用提前存儲好的自適應表格里焊接參數以實現機器人位置以及焊接工藝參數的自適應控制。TRAC軟件模塊用于生成自動跟蹤路徑的軌跡信息。用戶界面在PC上運行,可以實時監控傳感器的視覺跟蹤情況以及ADAP模塊的程序輸入。

2 實驗材料與視覺分析

在焊接中,不同接頭形式的焊縫類型不一樣,其相應的檢測方法也會有所區別。本文測試的為自適應對接焊縫,其焊縫間隙以及錯邊情況會有一定程度的變化,針對有明顯變化的焊縫,本文采用基于線結構光的三角測量法。

結構光三角測量法在光學的非接觸式測量中使用非常普遍。結構光法就是激光發射源先發出一束片狀的激光束,激光束接觸到物體表面時發生變形,通過檢測到物體表面激光條紋的位置便可知物體在空間表面的相對位置。單線結構光測量的原理如圖4所示。

圖4 單線結構光測量原理

圖4中:相機光軸為O0Z0,O0Z0軸上的點M為相機的鏡頭中心,焦距f=O0M,像素分辨率為(2N+1)×(2M+1),相機的水平方向視場角為β1,垂直方向視場角為β2;O-XYZ坐標系為實際物理空間坐標系,而O0-X0Y0Z0則為相機坐標系;XZ面與X0Z0面為共面。所以,首先需要建立相機坐標與空間坐標的關系,才能推測物體表面某一點的位置。設激光發射器發射的片狀激光束從O點射出且垂直于XOZ面,激光束照射到物體表面時則會形成一束明亮的條紋光線,激光條紋照射在物體上的任意點則是P(x,y,z),P0是其對應的像點。點P′、PZ、PZ′分別為點P在XZ面、Y0Z0面以及Z0軸上的垂直投影點。Φ是OP與XZ面的夾角,OP′與X軸的夾角則是α;β0是MO與O0Z0之間的夾角;γ為MP與XZ面的夾角,它在Y0Z0面上的投影角度為θ;β則是MP′與MO之間的夾角。相機坐標系XZ面與Y0Z0面的投影如圖5與6所示。P0在成像面的像素坐標位置為m、n。

圖5 相機坐標系XZ面投影

圖6 相機坐標系Y0Z0面投影

通過圖4、圖5、圖6中的幾何關系可知:

(1)

X=Z·cotα

(2)

(3)

式中,n、m、N、M均是由圖像直接可得,而β0、β1、β2、B則是需要預先標定的常量。

通過式(1)、(2)、(3)得到圖像上該點的實際坐標值后,便能夠通過圖像處理算法按照需求將圖像中符合特征的點按此公式計算,得到相應的三維信息。

基于線結構光的三角測量法得到對接焊縫示意圖(圖7)。激光器發出的線結構光以近乎垂直的角度射在焊件上并形成條紋,此時視覺傳感器采集到條紋信息后,經過傳感器內部的圖像算法獲得中心線上每一個點在圖像坐標系下的坐標值,隨后根據空間坐標變換公式即可計算出其相應的三維坐標,得到該焊件的三維幾何數據。同時,不同的焊縫坡口、對接焊縫的間隙以及錯邊等焊縫特征都會使得焊縫接頭區域的結構光條紋發生一定程度的變化,這些變化包括結構光的形狀、位置以及灰度值的變化。于是根據結構光條紋的形狀、位置以及灰度值即可判斷出焊縫的中心位置、對接焊縫的間隙、錯邊等焊件信息。

圖7 對接焊縫結構光測量

本次實驗中,焊接工件材料為冷軋材質DC03,是一種經常作用與汽車生產過程中的材料,級別為沖壓鋼。其幾何尺寸為30 mm×3 mm×1.5 mm,其化學成分如表1所示。

表1 DC03化學成分

對3組母材進行抗拉強度測驗,該材料力學性能如表2所示,取平均值后,1.5 mm厚度的DC03母材,其抗拉強度在450 MPa左右。

表2 母材拉伸試驗

3 實驗結果與分析

工業機器人自適應控制是通過激光視覺傳感器得到對接焊縫的間隙等幾何信息,根據焊件幾何信息的變化而自動調整焊接參數。其控制過程如圖8所示。

圖8 自適應焊接控制過程

分別對不同間隙情況的DC03板材進行不同焊接速度以及不同送絲速度下的焊接實驗,并測試對接焊縫的抗拉強度[10]。首先在間隙為1 mm情況下分別針對不同焊接速度以及不同焊接參數進行分析。焊絲材料為碳鋼,直徑為1.2 mm。焊接參數為:送絲速度2.8 m/min,焊接電流112 A,焊接電壓為15.7 V,保護氣為80%氬氣+20%二氧化碳,脈沖直流焊。當焊接參數一定時,不同焊接速度下接頭的宏觀形貌如圖9所示。

圖9 間隙1 mm不同焊接速度對接焊縫宏觀形貌

由圖9可以看出,選擇合適的焊接速度可以得到更優質的焊縫成型。當焊接速度v=24 cm/min時,焊縫表面成型良好整齊,但焊縫背面凸起,其部分原因是因為速度過慢,單位時間內工件熱輸入過大,送絲過多,多余的焊絲與下沉的熔池在工件背面形成了一道焊縫。當v=36 cm/min時,焊縫表面成型較為美觀,正面寬窄合適,表面無飛濺,同時焊縫背面剛好咬合,并無凸出部分。當v=52 cm/min時,焊縫表面不完整,同時略微帶波紋狀不夠穩定,背部未完全咬合。當v=68 cm/min時,焊縫整體成型較差,在焊縫結束部分已經開始凹進,表面不平整,同時背部可以看出焊絲并沒有完全填充間隙。隨后進行抗拉強度測試,測試結果(圖10)可看出,當焊接速度低于36 cm/min時,對接焊縫抗拉強度隨著速度的增大而增大,36 cm/min時達到峰值440 MPa,隨后抗拉強度隨焊接速度的增大而減小。

圖10 間隙1 mm不同焊接速度下對接焊縫抗拉強度

對接工件間隙為1 mm,焊接速度為36 cm/min時,不同送絲速度下焊接接頭宏觀形貌如圖11所示。由于本試驗中所用的焊機為一元化焊機,即當送絲速度調整時,焊接電流、焊接電壓都會隨之相應改變。

圖11 間隙1 mm不同送絲速度對接焊縫宏觀形貌

由圖11可以看出,當送絲速度為1.7 m/min時,焊縫表面氣孔較多,這是由于當送絲速度較低時,電流電壓較低,熔池表面沒有熔渣覆蓋,而保護氣中的二氧化碳有較強的冷卻作用,導致金屬凝固過快,氣體來不及溢出而產生氣孔。當送絲速度為2.1 m/min時,焊縫表面的氣孔明顯減少,同時整體的完整度有明顯提升,但在焊縫開始部分仍有少量氣孔,這依然是熱輸入不足造成的。當送絲速度為2.5 m/min時,表面產生氣孔,且焊縫整體不夠飽滿。當送絲速度為2.8 m/min時,焊縫表面成型較好,平整度較高,背部也并未出現下沉現象。當送絲速度達到3.2 m/min時,焊縫后半程由于熱輸入過高,導致熔池整體下沉,焊接效果較差,且與背板焊在一起。

隨后進行抗拉強度測試,測試結果(圖12 )表明,當送絲速度在2.8 m/min以下時,焊縫的抗拉強度隨送絲速度的提升而增大,到2.8 m/min時達到峰值440 MPa,隨后隨送絲速度的增大而降低。

圖12 間隙1 mm不同送絲速度下對接焊縫抗拉強度

對焊件間隙為2 mm時的不同焊接速度下工藝參數試驗如圖13所示。焊接送絲速度為3.0 m/min,焊接電流為119 A,焊接電壓為16.1 V。

圖13 間隙2 mm不同焊接速度宏觀形貌

當焊接速度為28 cm/min時,表面成型度較高,且平整無飛濺,但背部由于焊接速度慢導致單位時間熱輸入過高,背部熔池下沉,背面凸起。焊接速度為32 cm/min時,焊縫表面平整光滑,且背面并無凸出部分。焊接速度為52 cm/min時,由于焊接速度加快,導致焊縫成型不佳,表面呈魚鱗狀,背部基本將間隙填充。當焊接速度為68 cm/min時,焊縫表面缺陷較多,且背部也無法完全填充。

抗拉強度測試如圖14所示,結果表明當焊接速度低于32 cm/min時,抗拉強度隨焊接速度的提升而增大,到32 cm/min為峰值426 MPa,隨后抗拉強度隨著焊接速度的增大而減小。

圖14 間隙2 mm不同焊接速度下對接焊縫抗拉強度

間隙為2 mm,焊接速度為32 cm/min時,不同送絲速度下焊接接頭宏觀形貌如圖15所示。

當送絲速度為1.7 m/min時,由于電流電壓輸入小,同時送絲量過少,導致焊縫表面不平整,背部來看不能完全填滿焊縫。當送絲速度為2.1 m/min時,電壓的增大使得弧長拉長,焊縫的分布半徑增大,電流的增大使得熱輸入增大,熔深更大,但焊縫表面并不平整。送絲速度為2.5 m/min時,焊縫表面不平整,呈魚鱗狀,焊道窄且余高大。送絲速度為3.0 m/min時,焊縫表面成型良好,且背部熔深剛好,未有燒穿咬邊現象。當送絲速度達到3.5 m/min時,焊縫的后半程開始由于熱輸入過高而導致熔池下沉,焊縫成型較差。

對接焊縫抗拉強度測試如圖16所示。當送絲速度低于3.0 m/min時,材料抗拉強度隨送絲速度的提升而增大,峰值為426 MPa。當送絲速度高于3.0 m/min時,抗拉強度隨之減小。

圖16 間隙2 mm不同送絲速度下對接焊縫抗拉強度

經過試驗,基于各項間隙值下的焊接速度以及焊接參數進行調用,得到的結果如下。

若是焊接速度過小,則會導致在單位時間內對板材的熱輸入過高,且送絲量相應增多,焊縫會在板材的背面凸出。單位時間內熱輸入過大也導致破壞板材整體剛度,抗拉強度降低。焊接速度過快時,焊縫的寬度以及厚度都不足,則焊縫無法完整成型。在間隙為1 mm,送絲速度為2.8 m/min時,焊接速度為36 cm/min適宜,間隙為2 mm,送絲速度為3 m/min時,焊接速度為32 cm/min適宜。送絲速度的快慢則會影響焊縫的整體成型,若是送絲速度過小,則會導致焊縫表面產生氣孔,同時焊縫不夠飽滿,抗拉強度低。送絲速度過快時,由于電流電壓均在增加,所以提高了焊接的穿透力,焊縫厚度增加,焊接過程穩定性差,抗拉強度低。同時,間隙增大時,焊接面積增大:間隙為1 mm時,送絲速度為2.8 m/min適宜;間隙為2 mm時,送絲速度為3.0 m/min適宜。

4 自適應程序及焊接結果

自適應程序表內編寫了將自適應表格內數據輸出為焊接程序的指令,包括了運算符與堆棧函數等。自適應程序表編寫程序如圖17所示。激光視覺傳感器會對采集到的焊件間隙值進行均值處理,獲取的均值才是焊接過程中調用工藝參數的實際數值。當間隙超過最大值時,則機器人自動停止;當間隙為正常值時,調取自適應表格中的數據并給予機器人調整焊接參數信號。

圖17 自適應程序表

自適應表中填入最佳焊接參數值,在焊接自適應控制時,傳感器會根據焊件情況實時調用焊接數據。當視覺測量的間隙實際值在兩組數據之間時,自適應系統會根據比例來自動改變焊接參數。表3為部分記錄中的參數。

表3 自適應焊接控制部分控制參數

自適應焊接試驗的板材如圖18所示。板材中間間隙會逐漸變大,最寬處為2 mm,隨后又逐漸變小。當初始焊接電流為100 A、焊接電壓為15 V、焊接速度為36 cm/min時,未采用自適應的焊接效果(圖19),開啟自適應后的焊接效果如圖20所示。

圖18 焊接自適應試驗樣板

圖20 自適應焊接

由圖19可以看出,未開啟自適應焊接時,由于整段路徑的焊接參數一致,當焊接進行到中間有縫隙較大處,熔化的焊絲絲向間隙處填充,送絲速度過慢不足以填滿縫隙,造成焊縫凹陷,于是中間有部分的焊接效果為波紋狀同時扁平。開啟自適應焊接后,當傳感器識別到前方間隙時,傳感器給予信號,自動加快送絲速度,同時調整焊接參數,使整個焊接過程可以平穩進行,從圖20中可以看出,中間間隙處相比開始的無縫隙處焊接部分有微量變化,但焊縫總體整齊,基本完好覆蓋了原始間隙,焊縫表面均勻平整,且弧紋光滑細密,飛邊較小。

5 結論

對DC03鋼板在不同間隙下的焊接速度以及送絲速度下的焊接情況作焊接工藝分析,得到在不同情況下的最佳值,并將其列入自適應程序表中。實驗證明,本文方法具有可靠性,在焊接間隙不同的板材時,焊接質量得到了明顯的提升。