基于激光傳感器的弧焊機器人焊縫跟蹤研究

韓沛文，周 靖，蔣 林，李家波，郭小羽

（深圳市鴻栢科技實業有限公司，廣東深圳518105）

基于激光傳感器的弧焊機器人焊縫跟蹤研究

韓沛文，周 靖，蔣 林，李家波，郭小羽

（深圳市鴻栢科技實業有限公司，廣東深圳518105）

采用激光掃描式傳感器，設計了一套機器人焊縫自動跟蹤系統。開發了相應的焊縫跟蹤算法，包括直線、圓弧和直線圓弧組合連續焊縫的跟蹤算法。探討實現這些算法的相關技術問題。計算機仿真結果表明，該算法合理有效，可用于弧焊機器人焊縫在線跟蹤作業，改善和提高機器人的焊接精度和質量。

弧焊焊接機器人；焊縫跟蹤；激光傳感器；圓弧焊縫；連續焊縫

0 前言

焊縫跟蹤是在機器人進行焊接作業時實時檢測出焊縫的偏差，并調整焊接路徑和焊接參數，改善焊接質量的技術。由于加工誤差、裝夾精度以及熱變形等因素的存在，以示教-再現方式工作的弧焊機器人在焊接時常常因為焊縫和示教軌跡有偏差導致焊接質量下降。所以焊縫跟蹤是保證弧焊機器人焊接質量的關鍵技術。

為實時檢測焊縫位置，通常采用視覺焊縫跟蹤傳感器。在弧焊過程中，由于存在弧光、電弧熱、飛濺以及煙霧等強烈干擾，會影響傳感器的檢測精度，進而使焊縫跟蹤精度降低。為此，近年來人們開始研究激光掃描式主動視覺方法。此種方法使用的激光束具有強抗干擾性[1-7]，因而具有很高的位置檢測精度和可靠性。本研究將采用激光掃描式的主動視覺方法解決焊縫高精度跟蹤問題。

激光掃描式的主動視覺方法原理是：首先激光管發出的激光點光源通過光學掃描鏡投射到被測工件表面，激光由工件表面反射后被CCD攝像頭所接收。通過測量反射光束與CCD主光軸的夾角，并結合已知的透射光束與掃描鏡面的夾角以及CCD與掃描鏡面的距離等數據，可以求得每一束激光在工件表面投射點與CCD鏡面的距離，從而得到焊縫的端面剖面圖。通過適當的圖像處理算法，就能實現對焊縫進行視覺跟蹤的目的。

本研究采用激光掃描式傳感器，設計了一套機器人焊縫跟蹤系統，并詳細描述該焊縫跟蹤系統的組成，直線、圓弧和連續焊縫跟蹤算法，算法的實施過程以及基于該算法的焊縫跟蹤計算機仿真結果。

1 弧焊機器人焊縫跟蹤系統

如圖1所示，弧焊機器人焊縫跟蹤系統由機器人控制器（柜）、機器人本體、焊槍和激光焊縫跟蹤器（激光傳感器）所組成。其中焊槍為機器人的作業工具，激光傳感器與焊槍固連，并形成一個前置距離LP，如圖2所示。實際焊接作業時，先通過示教和計算得出焊縫的理論位姿，激光傳感器在線測量出焊縫的實際位置與理論焊縫對應位置的偏差，由機器人控制器根據這個偏差實施誤差補償，在線驅動焊槍頭沿實際焊縫移動，達到提高焊接精度和質量的目的。

圖1 弧焊機器人焊縫跟蹤系統組成

應注意的是，為正確實現焊縫在線（實時）跟蹤，實際作業時，焊槍走過的行程為焊縫長度加上沿焊縫延長線的長度。此時，雖然激光傳感器也走過了同樣的行程，但其中只有沿實際焊縫的行程是有效的，即激光傳感器的有效測量數據在焊縫的起點和終點之間。實際控制時，機器人控制器會驅動焊槍沿焊縫延長線開始移動，在與前置距離對應的點到達焊縫起點時打開激光傳感器，以后保持數據采樣輸出，直到與前置距離對應的點到達焊縫終點時關閉激光傳感器，停止采樣輸出。

圖2 弧焊機器人焊縫跟蹤過程

2 焊縫跟蹤算法

2.1 坐標系統與坐標變換

為簡化算法，建立如圖3所示的坐標系統。其中x0y0z0為機器人基座坐標系（世界坐標系），它與焊接機器人基座固連；x6y6z6為機器人手部坐標系，與機器人手部法蘭盤固連；xTyTzT為工具坐標系，與機器人焊槍頭固連；xmymzm為激光測量坐標系，與激光傳感器固連；xwywzw為焊縫坐標系，與工件固連。此外，要求 zw與 zm重合，zw與 zT、xw與 xm平行。對直線焊縫xT與xw重合，對圓弧焊縫xT與xw成交角φ，如圖4所示。

圖3 弧焊機器人焊縫跟蹤坐標系統

采用齊次變換矩陣來描述各坐標系間的位姿變換[3]，由圖3和圖4可得

式中0Aw為焊縫坐標系原點的位姿在機器人基座坐標系中的表示。直線焊縫取φ=0；圓弧焊縫取s（φ/2）=Lp/2R。通過示教焊縫上的若干點（確定直線焊縫需要2個點，確定圓弧焊縫需要3個點），利用式（1）即可計算出理論焊縫（理想焊縫或校準焊縫）上任意點的位姿。

圖4 圓弧焊縫時工具坐標系與焊縫坐標系的關系

2.2 焊縫跟蹤

通過設置或調整使激光傳感器的輸出值為采樣時刻實際焊縫在ywzw平面上的偏差，即

由于在焊接時期望機器人的焊槍頭沿實際焊縫做精確移動，所以要求機器人控制器移動焊槍頭的位姿指令必須綜合考慮和實測焊縫軌跡與理論焊縫軌跡之間的偏差。換言之，此時機器人控制器驅動焊槍頭的位姿指令須包含基于激光傳感器采樣數據的誤差補償。為此，定義齊次補償矩陣

由式（3）和式（1）可得機器人控制器驅動焊槍頭帶誤差補償的位姿指令

其中Ac可將激光傳感器采樣數據代入式（3）求得；TAw由式（1）計算；0AT可根據焊縫幾何特性通過示教和計算得出。為討論方便，令

2.2.1 直線焊縫跟蹤

此時，為確定0AT，可在工件上示教3個點P1、P2、P3，如圖 5 所示。

式中 TL為沿直線焊縫采樣的總時間。

圖5 直線焊縫跟蹤算法

2.2.2 圓弧焊縫跟蹤

設示教點取圓心P1，焊縫起點P2和圓弧上且與P1、P2不在一條直線上的點P3，如圖6所示，則有

式中 R為旋轉變換；j為與加減速軌跡規劃相應的采樣點序列編號；φj為與之對應的繞zT由起點轉到j點的轉角。

圖6 圓弧焊縫跟蹤算法

2.3 焊縫跟蹤實現

為取得預期的焊縫跟蹤效果，除了考慮式（4）～式（8）以外，還須解決以下問題。

2.3.1 激光器尋位校準

由式（2）和式（3）所知，要得到齊次補償矩陣，應事先求得校準焊縫位置坐標。校準焊縫位置坐標在機器人基座坐標系中的表示應與作業時的焊縫起點位置（由示教得出的位置）重合。激光器尋位校準的任務就是在機器人坐標系中，使校準焊縫位置坐標與焊縫起點位置坐標重合。一種可供選擇的尋位過程如下：

（1）將機器人工具控制點移動到焊縫軌跡延長線上的前置距離點（見圖3），打開激光器，讀取此時焊縫在測量坐標系中的位置，并計算機器人坐標系中的位置。

（2）調整機器人工具控制點，使與之對應的焊縫位置與焊縫起始點位置（由示教得出的位置）重合。

（3）存儲此時焊縫測量坐標系中的位置坐標。此即校準焊縫位置坐標。

2.3.2 前置距離處理與補償數據同步

為了克服弧焊電弧對激光測量精度的影響，在焊槍和激光器之間加入一個擋弧板。這樣就導致在焊槍與激光器之間出現了一個前置距離（約20mm），參見圖3和圖7。由于運動控制的目標點是焊槍頭，而實際激光測量點與控制目標點有一個前置距離，為準確控制焊槍頭跟蹤焊縫，需要考慮焊接作業時存儲前置距離間的激光焊縫測量點的坐標值。這些值可以輸入緩沖區（FIFO），然后由機器人運動控制系統根據圖8所示的同步信號記錄實施補償。

圖7 焊縫跟蹤過程中的前置距離

圖8 補償數據同步

2.3.3 連續軌跡控制

在實際焊接作業中，焊縫通常是由多段軌跡組成。此時為了保證各線段間平滑連接，須對各線段交接處進行以下處理（見圖9）：

（1）在拐角的前置距離點關激光器。

（2）從前置距離關激光器開始到拐角點的運動時間段，連續插補改變機器人工具坐標姿態，使激光掃描線垂直于軌跡前進方向。

（3）讀取測量數據后對過渡段做插補運動。

圖9 連續焊縫處理

3 機器人焊縫跟蹤計算機仿真

為驗證上述焊縫跟蹤算法的有效性，針對6關節串聯焊接機器人[8]進行計算機仿真，仿真結果如圖10～圖12所示。仿真具體過程為：先按本研究算法通過機器人示教計算出焊縫理論軌跡；再在理論焊縫軌跡上加入偏差，生成實際焊縫軌跡；該偏差作為激光傳感器測量數據輸入到補償算法模型中；最后調用算法式（4）進行跟蹤。

仿真結果表明，本算法在實際焊縫和理論焊縫有偏差的情況下，能實時準確跟蹤實際焊縫軌跡，從而大大提高弧焊作業質量。由于是根據激光傳感器測量值實時補償偏差，所以本算法的補償效果可達到傳感器的檢測分辨率。

圖10 直線焊縫跟蹤

圖11 圓弧焊縫跟蹤

4 結論

采用激光掃描式傳感器，設計了一套機器人焊縫自動跟蹤系統。開發了相應的焊縫跟蹤算法，包括直線、圓弧和直線圓弧組合連續焊縫的跟蹤算法，并探討了實現這些算法的關鍵技術問題。計算機仿真結果表明該算法合理有效，且補償精度可達到激光傳感器的分辨率。可用于弧焊機器人焊縫在線跟蹤作業，改善和提高機器人的焊接精度和質量。

圖12 連續直線圓弧焊縫跟蹤

[1]范俊峰，景奉水，方灶軍.基于視覺傳感的焊縫跟蹤技術研究現狀和發展趨勢[J].熱加工工藝，2017（5）：6-10.

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Seam tracking for arc welding robots based on laser sensor

HAN Peiwen，ZHOU Jing，JIANG Lin，LI Jiabo，GUO Xiaoyu
（Shenzhen Hongbai Technology Industrial Co.，Ltd.，Shenzhen 518105，China）

A robot welding seam automatic tracking system is constructed by using a laser scanning sensor.The corresponding seam tracking algorithms for line，arc and combination of line and arc seam is developed.The related technical problems of implementing these algorithms are discussed.The computer simulation results show that these algorithms are effective，which can be used in online welding seam tracking tasks to improve the welding accuracy and quality of arc welding robots.

arc welding robots；seam tracking；laser sensor；seam with arc；contour of weld seam

TG409

A

1001-2303（2017）10-0094-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.20

本文參考文獻引用格式：韓沛文，周靖，蔣林，等.基于激光傳感器的弧焊機器人焊縫跟蹤研究[J].電焊機，2017，47（10）：94-98.

2017-06-22

深圳市科技計劃技術攻關重點項目（JSGG201603 01151929860）

韓沛文（1984—），男，碩士，主要從事焊接機器人的研究工作。E-mail：123266@qq.com。