基于激光傳感器的機器人自適應(yīng)多層多道焊接

劉釗江， 馬思樂， 戴昊飛， 張源民， 欒義忠， 陳紀(jì)旸

(山東大學(xué)，濟南 250061)

0 前言

中厚板結(jié)構(gòu)件是軌道交通、汽車制造以及船舶加工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)件，由于其焊接坡口大、易形變等特點，對中厚板結(jié)構(gòu)件的焊接加工多采用多層多道的焊接方式[1]。隨著工業(yè)機器人的發(fā)展，能夠提升焊接質(zhì)量，提高工業(yè)生產(chǎn)率，改善工人作業(yè)環(huán)境的焊接機器人得到了廣泛的應(yīng)用。目前機器人多層多道焊接主要有人工示教和離線編程兩種方式[2]。對于中厚板結(jié)構(gòu)件，其焊接坡口大意味著每個焊縫要焊接多層，每一層要焊接多道。如果采用人工示教，則需要花費大量的時間去手動校準(zhǔn)機器人焊接時的所有焊道，這無疑會大大降低機器人的工作效率，同時，多次示教時產(chǎn)生的隨機誤差也會對焊接質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響。離線編程焊接技術(shù)可以有效減少人工示教次數(shù)，然而，事先規(guī)劃好的離線編程是一種理想的工作狀態(tài)，實際上，在焊接同一類型的焊縫時，工件需要重復(fù)裝夾，工件的實際位置會與理想情況產(chǎn)生偏差，同一類型工件在加工時焊縫角度也會產(chǎn)生加工誤差。而且實際生產(chǎn)過程中，同一種焊縫往往有不同角度的坡口來滿足不同的生產(chǎn)需求，同一種焊縫不同角度就需要重新編寫一套離線程序，這種方法依然費時費力。

為提高機器人焊接的自動化程度，機器人焊接工作站需要采用圖像采集設(shè)備自動獲取焊縫坡口路徑信息[3]。其中線結(jié)構(gòu)光傳感器是視覺測量技術(shù)的代表，具有結(jié)構(gòu)簡單、 檢測速度快、 精度高等特點。綜合中厚板結(jié)構(gòu)件自動化焊接現(xiàn)階段技術(shù)存在的問題，在離線編程的基礎(chǔ)上，對線結(jié)構(gòu)激光傳感器檢測系統(tǒng)[4]進行二次開發(fā)，提出一種基于線結(jié)構(gòu)激光傳感器獲取焊縫形狀位置信息，并使機器人能夠自動調(diào)整焊槍位置和姿態(tài)來修正誤差，同時自適應(yīng)不同角度焊縫的多層多道路徑規(guī)劃方法。并采用實際的焊接機器人和焊接設(shè)備進行了試驗，觀察焊接效果和焊道成形情況，驗證了方法的可行性。

1 手眼標(biāo)定

1.1 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換方法

假設(shè)空間中任意一點p在機器人基坐標(biāo)系下矩陣描述為Pw，轉(zhuǎn)換后坐標(biāo)系下的矩陣描述為Pr，在忽略姿態(tài)的情況下，由空間幾何原理得坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系為[5]

Pw=RPr+T

(1)

式中：R為機器人基坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)換后坐標(biāo)系下的旋轉(zhuǎn)矩陣；T為機器人基坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)換后坐標(biāo)系下的平移矩陣。

在機器人運動學(xué)中,通常式(1)表示成齊次矩陣的形式。

(2)

具體展開有：

(3)

1.2 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣求解

(4)

(5)

根據(jù)空間幾何原理可得：

(6)

2 焊接規(guī)劃預(yù)處理

圖1為單邊V形坡口工件示意圖，激光視覺傳感器可以采集焊縫坡口拐點的數(shù)據(jù)信息。但由于重復(fù)定位誤差和激光傳感器的安裝誤差，激光結(jié)構(gòu)光很難完全垂直于焊道，得到的拐點數(shù)據(jù)信息也就不是實際可用于焊縫路徑規(guī)劃的焊點，因此需要對拐點信息進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理，而且焊槍的初始位置相對于工件的姿態(tài)因為誤差存在出現(xiàn)偏差，需要根據(jù)焊縫拐點的數(shù)據(jù)信息自適應(yīng)調(diào)整焊槍姿態(tài)，使機器人工具坐標(biāo)系的x軸與工件焊道方向平行，以滿足多層多道自動焊接的需求。

2.1 計算投影點和焊縫信息

圖2為激光傳感器采集點與投影點的投影關(guān)系示意圖，圖中矩形表示俯視視角下的坡口投影平面，激光傳感器實際結(jié)構(gòu)光線如直線l1，理想的可用數(shù)據(jù)點的結(jié)構(gòu)光線如直線l2，為把實際結(jié)構(gòu)光的數(shù)據(jù)點轉(zhuǎn)換為理想的數(shù)據(jù)點，文中選取一個投影面來投影實際結(jié)構(gòu)光線的拐點，此投影面如圖3所示，穿過起點的焊縫底點b(c)，并垂直于焊道方向。

圖1 單邊V形坡口工件示意圖

假設(shè)起點的焊縫底點為p1(x1,y1,z1)，終點的焊縫底點為p2(x2,y2,z2),則焊道方向m(A,B,C)為：

m=(x2-x1,y2-y1,z2-z1)

(7)

過p1的投影面為：

圖2 激光傳感器采集點與投影點的投影關(guān)系示意圖

(8)

假設(shè)激光傳感器結(jié)構(gòu)光線上某一拐點為p3(x3,y3,z3)，過該點做平行于m的直線：

(9)

聯(lián)立式(8)和式(9)，可得結(jié)構(gòu)光線理想投影點。

如圖3所示,焊縫起點的結(jié)構(gòu)光線拐點的投影分別為a(xa,ya,za)，b(xb,yb,zb)，d(xc,yc,zc)，假設(shè)終點的焊縫底點為e(xe,ye,ze)，則焊縫寬度W為：

(10)

焊縫長度L為:

(11)

焊縫坡口角度θ為：

(12)

圖3 單邊V形坡口正視圖

2.2 焊槍姿態(tài)調(diào)整

工具坐標(biāo)系把焊接機器人的控制點移到了焊槍末端，為有效控制機器人進行多層多道規(guī)劃，工具坐標(biāo)系X軸應(yīng)與工件焊縫的方向m保持平行。通過在工具坐標(biāo)系下調(diào)整繞Y軸旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)角p,和繞Z軸旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)角r來控制工具坐標(biāo)系方向[8],自適應(yīng)不同角度的同種焊縫，使焊槍處于焊縫切面的角平分線上。其中工具坐標(biāo)系坐標(biāo)軸的姿態(tài)角正方向符合右手定則。

如圖4所示,焊縫方向向量為m，工具坐標(biāo)系X軸正方向為m′。控制機器人焊槍移動，使激光傳感器結(jié)構(gòu)光線定位到焊縫起點位置，選取此時機器人TCP位置為焊槍姿態(tài)調(diào)整的工具坐標(biāo)系的原點。工具坐標(biāo)系X軸正方向的單位向量為：m′=(1,0,0)。假設(shè)機器人基坐標(biāo)系下焊縫起點位置為p1(x1,y1,z1)，根據(jù)式(2)，式(5)，式(13)，可得p1在工具坐標(biāo)系下的坐標(biāo)位置Pt1：

(13)

式中:Pw為空間中一點在基坐標(biāo)系下的坐標(biāo);Pt為該點在工具坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

圖4 工具坐標(biāo)系下焊槍姿態(tài)示意圖

(14)

圖5 空間直線在平面的分量

m在平面XOZ上的投影為平面向量S(x,0,z)，同理可得,繞Y軸旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)角p為：

(15)

在工具坐標(biāo)系下,機器人繞Y軸旋轉(zhuǎn)姿態(tài)角p,并繞Z軸旋轉(zhuǎn)姿態(tài)角r，可以使機器人的工具坐標(biāo)系的X軸正方向與焊縫焊道方向一致。

(16)

圖6 焊槍Z軸姿態(tài)調(diào)整工作原理

3 多層多道規(guī)劃

3.1 坡口填充方案

多層多道坡口填充方案主要有等高型、等面積型和自定義型[9]。多層多道焊接規(guī)劃及工藝復(fù)雜，在焊縫坡口的角度寬度不確定的情況下，焊道的層數(shù)和道數(shù)也難以確定[10]，結(jié)合第2部分激光視覺傳感器數(shù)據(jù)預(yù)處理和焊槍姿態(tài)的自適應(yīng)調(diào)整的基礎(chǔ)上提出一種按層規(guī)劃的多層多道焊接方案。

焊道的成形與焊接電流、電弧電壓、送絲速度、焊接速度等因素有關(guān)，焊道的熔池寬度u隨焊接工藝的確定而保持不變。除了打底焊之外，假設(shè)每層激光視覺傳感器采集的寬度為Wbc，該層需要焊接的道數(shù)為k0，該層焊接第k道時沿工具坐標(biāo)系Y方向偏移的距離為Y，沿工具坐標(biāo)系Z方向偏移的距離為Z，則可以計算出多層多道焊接時每一道的填充路徑。

(17)

(18)

式中：k∈[1,k0]，k∈N+。

3.2 焊槍位姿規(guī)劃

為了防止安裝在機器人上的焊槍與焊縫坡口壁產(chǎn)生物理干涉，需要對焊槍的位姿進行規(guī)劃。使焊槍繞X方向旋轉(zhuǎn)一定的角度γ。根據(jù)式(16)已知當(dāng)前工具坐標(biāo)系Z軸與垂直面的夾角為α，根據(jù)式(12)可得，坡口角度為θ。計算得到焊接每一層的第k道焊道時焊槍的旋轉(zhuǎn)角γk。

(19)

(20)

圖7 多層多道規(guī)劃示意圖

4 試驗結(jié)果

文中搭建了一套激光視覺傳感器配合六軸工業(yè)機器人試驗平臺來驗證方法的合理性。6軸FAUNC機器人型號M-10iA，重復(fù)定位精度?0.04 mm。視覺傳感器為激光焊縫傳感器，型號為HW6-0022W，采樣頻率50 Hz，重復(fù)定位精度?0.02 mm。標(biāo)定軟件使用pyqt5搭建，數(shù)據(jù)處理程序通過python部署，兼容win10和Linux操作系統(tǒng)。

4.1 手眼標(biāo)定

進行手眼標(biāo)定時，選取工件上的一個拐點作為機器人基坐標(biāo)系的標(biāo)定基準(zhǔn)坐標(biāo)。手動示教把焊槍尖端TCP移動到該基準(zhǔn)坐標(biāo)的位置，在示教器上讀出其基準(zhǔn)坐標(biāo)值并記錄。手動示教機器人末端使激光焊縫傳感器的結(jié)構(gòu)光線穿過拐點。在示教器上讀出此時焊槍尖端TCP的坐標(biāo)信息和機器人工具坐標(biāo)系的位姿，并且通過激光傳感器得到拐點的在相機平面的二維坐標(biāo)。這樣得到一組基坐標(biāo)系和視覺坐標(biāo)系下的對應(yīng)點數(shù)據(jù)。

選取6組對應(yīng)點數(shù)據(jù)即可求解轉(zhuǎn)換矩陣，又因為試驗6軸機器人的重復(fù)定位精度高，為提高標(biāo)定效率，標(biāo)定過程中機器人工具坐標(biāo)系的位姿不變，機器人基坐標(biāo)系的標(biāo)定基準(zhǔn)坐標(biāo)也不變，在基坐標(biāo)系下平移焊槍來獲取新的二維坐標(biāo)和工具坐標(biāo)進行標(biāo)定。測量的試驗數(shù)據(jù)見表1，試驗搭建的標(biāo)定軟件主界面如圖8所示。

表1 標(biāo)定時不同坐標(biāo)系下的坐標(biāo)和位姿

圖8 手眼標(biāo)定主界面

為保證可靠性，變換機器人工具坐標(biāo)系的位姿，進行驗證，手眼標(biāo)定的誤差在0.5 mm以內(nèi)，機器人和視覺傳感器自身存在誤差，實際焊接精度在0.6 mm左右，滿足焊接的精度要求。

4.2 試驗數(shù)據(jù)預(yù)處理

開始焊接前,首先對單邊V形坡口焊縫的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，手動示教依次使激光焊縫傳感器的結(jié)構(gòu)光線穿過焊接起點，并且沿工具坐標(biāo)系X方向掃描，使結(jié)構(gòu)光線穿過焊接終點。分別記錄起點和終點TCP的坐標(biāo)信息、焊槍姿態(tài)角見表2。視覺坐標(biāo)系下的拐點坐標(biāo)見表3。

表3 視覺坐標(biāo)系下拐點坐標(biāo)

根據(jù)式(8)，式(9)計算得到焊縫坡口起點和終點的拐點投影信息見表4，根據(jù)式(10)，式(11)，式(12)計算得到該焊縫坡口的長度、寬度和角度見表5。

表4 預(yù)處理時焊縫拐點投影點

表5 焊縫尺寸信息

根據(jù)式(13)、式(14)、式(15)進行計算焊槍調(diào)整的位姿，得到在起點位置工具坐標(biāo)系下的旋轉(zhuǎn)角，見表6。

工具坐標(biāo)系的X方向和焊道方向一致后，向工具坐標(biāo)系Z方向移動焊槍，得到工具坐標(biāo)系Z方向的空間向量，根據(jù)式(16)計算得到當(dāng)前工具坐標(biāo)系Z軸與垂直面的夾角α=27.556°。焊接機器人根據(jù)算法給出的位置和角度等數(shù)據(jù)自動調(diào)整位姿，糾正了重復(fù)安裝工件、工具坐標(biāo)系姿態(tài)和激光焊縫傳感器安裝的偏差。

表6 調(diào)整工具坐標(biāo)系X方向的旋轉(zhuǎn)角

4.3 焊道規(guī)劃及成形

在焊縫信息預(yù)處理之后，根據(jù)式(17)，式(18)計算得到多層多道每一條焊道的路徑，根據(jù)式(19)，式(20)計算得到多層多道每一條焊道的焊槍姿態(tài)，自適應(yīng)對焊接軌跡規(guī)劃與調(diào)整。焊接效果如圖9所示。

圖9 焊接效果圖

5 結(jié)論

(1)在離線編程的基礎(chǔ)上，對線結(jié)構(gòu)激光傳感器進行二次開發(fā)，提出并驗證了一種基于線結(jié)構(gòu)激光傳感器獲取焊縫形狀位置信息，并使機器人能夠自動調(diào)整焊槍位置和姿態(tài)來修正誤差，同時自適應(yīng)不同角度焊縫的多層多道路徑規(guī)劃方法。

(2)部署的手眼標(biāo)定界面和方法簡單直觀，提出預(yù)處理算法對于工件重復(fù)安裝誤差、工件加工誤差和相機的安裝偏差有自適應(yīng)的校正能力，設(shè)計了一種新的多層多道焊接方法，實現(xiàn)焊接機器人單邊V形焊縫的多層多道規(guī)劃焊接。