劉凌云

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

激光視覺焊接熔池實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制的應(yīng)用研究

劉凌云

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

針對(duì)弧焊機(jī)器人在焊接操作中自適應(yīng)能力差的特點(diǎn)，本文提出了一種改進(jìn)方法。在Motoman Up6機(jī)器人系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過增加一套視覺傳感子系統(tǒng)，提取CO2保護(hù)焊中焊接熔池圖像的特征值，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和PID控制相結(jié)合的控制策略，實(shí)時(shí)調(diào)整焊接規(guī)范參數(shù)，從而提高弧焊機(jī)器人的自適應(yīng)能力。

視覺傳感；弧焊機(jī)器人；焊接熔池；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；PID控制

1. 引言

目前應(yīng)用廣泛的弧焊機(jī)器人大多屬于示教再現(xiàn)型機(jī)器人，操作者通過示教盒在直角坐標(biāo)系和極坐標(biāo)系中移動(dòng)機(jī)器人各關(guān)節(jié)，使焊矩沿焊接軌跡運(yùn)動(dòng)，在焊矩路徑上記錄示教的位置、焊矩姿態(tài)；設(shè)置運(yùn)動(dòng)參數(shù)和工藝參數(shù)，并生成一個(gè)可連續(xù)執(zhí)行全部操作的示教程序。但當(dāng)焊接件的截面尺寸變化較大、或由于定位夾緊點(diǎn)的作用而導(dǎo)致各段焊縫的散熱條件不同時(shí)，弧焊機(jī)器人卻不具備對(duì)焊接過程中的熱變形等環(huán)境和對(duì)工作對(duì)象變化自適應(yīng)能力。因此開發(fā)新一代利用視覺傳感來自動(dòng)調(diào)整焊接規(guī)范參數(shù)以適應(yīng)外部條件變化的智能焊接機(jī)器人成為未來的發(fā)展方向。

2. 系統(tǒng)組成及原理

一般來說，在焊絲直徑、氣體成分和電流極性確定的情況下，CO2焊的焊接規(guī)范參數(shù)主要有焊接電流、電弧電壓和焊接速度等。而對(duì)于焊接零件的焊縫成型(熔深、熔寬和余高)，除了受焊接規(guī)范參數(shù)的影響外，還要受接口形狀、尺寸及散熱條件等因素的影響。因此若能建立焊接電流、電弧電壓和焊接速度三者與焊接熔池之間的數(shù)學(xué)模型，則可采用閉環(huán)控制，根據(jù)檢測(cè)到的有關(guān)焊接熔池的信息，實(shí)時(shí)調(diào)整焊接電流、電弧電壓和焊接速度的實(shí)際輸出值，確保焊接熔池形態(tài)的穩(wěn)定，從而提高焊縫成型的一致性。

在本課題中采用的技術(shù)平臺(tái)為Motoman公司的UP6型焊接機(jī)器人，該機(jī)器人系統(tǒng)包括有Motoman-UP6工業(yè)機(jī)器人本體,YASNAC-XRC控制柜、Motoweld-S350焊機(jī)和相關(guān)的外部設(shè)備(機(jī)器人供電系統(tǒng)、雙軸變位機(jī)、末端執(zhí)行器等)以及與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的軟件Motocom32。在此基礎(chǔ)上，增加了一套視覺傳感系統(tǒng)，用于焊接熔池動(dòng)態(tài)過程的監(jiān)控。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

其工作原理為：在焊接時(shí)，視覺傳感系統(tǒng)獲得的熔池圖像經(jīng)圖像采集卡處理后，將圖像特征參數(shù)上傳給PC機(jī)，同時(shí)PC機(jī)利用軟件Motocom32與XRC控制柜串口通訊，通過一定的控制算法實(shí)時(shí)修改XRC控制柜中焊接規(guī)范參數(shù)的設(shè)定值，即實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過程的全閉環(huán)控制，以便獲得期望、穩(wěn)定的焊接熔池圖像。

3. 視覺傳感子系統(tǒng)組成

在本系統(tǒng)中，為了獲得更加豐富的熔池信息，采用了一套由強(qiáng)脈沖激光柵格狀多結(jié)構(gòu)條紋和高電子快門攝像機(jī)組成的熔池圖像檢測(cè)系統(tǒng)，激光器采用的是美國Lumics公司生產(chǎn)的脈沖光纖激光器模塊Lu1064F400，其平均輸出功率為4W，在一個(gè)脈沖周期內(nèi)激光持續(xù)時(shí)間為100ns，激光脈沖功率可達(dá)8KW，激光波長1060～1080nm。采用的攝像機(jī)型號(hào)為：VC2048/E。工作時(shí)，攝像機(jī)的電子快門與激光脈沖保持同步，由于在激光脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，激光的能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于弧光的能量密度，在攝像機(jī)爆光時(shí)間內(nèi)激光的光強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于弧光的光強(qiáng)，另外在攝像機(jī)成像的光路系統(tǒng)中又加有與激光波長相匹配的窄帶光學(xué)濾光片，有效的抑制了弧光干擾。進(jìn)一步提高了圖像的信噪比。能夠獲得非常清晰地熔池表面反射圖像。

由于CO2焊接時(shí)，其熔滴過渡形式相對(duì)復(fù)雜，熔池的有關(guān)信息也各不相同。一般認(rèn)為，當(dāng)采用熔滴短路過渡時(shí)，在熔滴短路階段弧光及飛濺的干擾較小，熔池的形態(tài)也較穩(wěn)定，是獲取熔池圖像的最佳時(shí)期。因此在本系統(tǒng)中，通過對(duì)Motoweld-S350焊機(jī)改造，設(shè)計(jì)了一套電流檢測(cè)及同步邏輯控制電路，以解決攝像機(jī)的固定工作時(shí)序與熔滴短路階段的同步。該電路能夠?qū)Χ搪窌r(shí)間小于2ms的非正常短路、短路開始2ms內(nèi)出現(xiàn)跨場(chǎng)以及同一場(chǎng)中出現(xiàn)的第二次短路等現(xiàn)象自動(dòng)加以屏蔽。當(dāng)對(duì)熔滴短路階段進(jìn)行檢測(cè)、識(shí)別后，輸出一個(gè)脈沖，從而觸發(fā)脈沖激光的發(fā)生以及攝像機(jī)的曝光。其系統(tǒng)組成如圖1中所示。

3.1. 熔池特征參數(shù)的提取

攝像機(jī)獲得的視頻信號(hào)在傳輸和數(shù)字化過程中由于受干擾影響，每一幀數(shù)字圖像中包含著各種各樣的隨機(jī)噪聲和畸變。在熔池圖像的預(yù)處理中采用了基于局部灰度分布特點(diǎn)的對(duì)比增強(qiáng)CE技術(shù)，這樣更有利于圖像的邊緣增強(qiáng)，提高目標(biāo)和背景的對(duì)比度。

為了建立CO2保護(hù)焊熔池的幾何特征尺寸參數(shù)與焊縫成形質(zhì)量之間的關(guān)系,必須從經(jīng)過預(yù)處理后的熔池圖像中提取出熔池的幾何特征尺寸信息。這里采用的熔池特征尺寸參數(shù)為熔池的最大寬度maxW 和最大半長maxL 。實(shí)際獲得經(jīng)過預(yù)處理后的熔池圖像如圖2所示。

其中熔池寬度由沿著x軸方向A、B兩個(gè)邊界點(diǎn)決定，熔池半長由邊界點(diǎn)D到x軸的垂線段決定。由圖像的灰度分布特點(diǎn)可知：在熔池的中心區(qū)域灰度值最大，向四周方向迅速下降，并且在熔池圖像的邊緣灰度值發(fā)生突變?；谝陨先鄢鼗叶取吧健毙畏植家?guī)律，為了提取熔池的最大寬度 maxW 和最大半長 maxL ，采用的算法流程如圖3所示。

圖3 特征參數(shù)的提取算法流程

3.2 焊接熔池動(dòng)態(tài)過程閉環(huán)控制器的設(shè)計(jì)

焊接過程是一個(gè)復(fù)雜的變化過程，具有高度非線性和時(shí)變的特點(diǎn)。對(duì)焊接過程難以建立精確數(shù)學(xué)模型，因此在這里采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（BNNM）和傳統(tǒng)的PID控制相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)焊接熔池動(dòng)態(tài)過程的閉環(huán)控制。如圖(4)虛線框中所示。

其控制原理為：在弧焊機(jī)器人再現(xiàn)操作過程中，當(dāng)執(zhí)行引弧指令“ARCON”時(shí)，PC機(jī)與XRC控制柜進(jìn)行通訊，獲得此時(shí)的焊接規(guī)范參數(shù)（電流、電壓和焊接速度的設(shè)定值），作為此期間（引弧指令“ARCON”至熄弧指令“ARCOF”程序段）閉環(huán)控制的期望值 Ie、Ue和e；同時(shí)視覺傳感系統(tǒng)將提取的熔池特征參數(shù)(熔池的最大寬度 Wmax、最大半長 Lmax)上傳給PC機(jī)，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（BNNM）中，由當(dāng)前變量 Wmax、 Lmax和前兩個(gè)脈沖的歷史值以及焊接速度e共7個(gè)變量作為輸入，

圖4 閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖

BNNM模型的輸出為當(dāng)前預(yù)測(cè)的焊接電流1I及電弧電壓1U ；期望值eI、eU 與對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)值1I、1U 作比較，經(jīng)PID控制器調(diào)節(jié)后實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)值向期望值的快速跟隨，從而達(dá)到對(duì)焊接過程的閉環(huán)控制。

4. PC機(jī)與XRC控制柜之間的通訊

利用MOTOMAN機(jī)器人自帶的遠(yuǎn)程控制軟件MOTOCOM32，可通過RS232串口通訊或構(gòu)建Ethernet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與XRC控制柜之間的數(shù)據(jù)交換。在本系統(tǒng)中采用串口通訊方式，將XRC控制柜設(shè)置為遠(yuǎn)程控制模式。PC機(jī)為主控單元，不斷的讀取機(jī)器人的工作狀態(tài)信息，獲得每段焊縫的焊接規(guī)范參數(shù)（電流、電壓、焊接速度）的設(shè)定值，同時(shí)實(shí)時(shí)的將閉環(huán)控制產(chǎn)生的焊接規(guī)范參數(shù)修正值通過RS232串口通訊傳給XRC控制柜。

5. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在Motoman UP6機(jī)器人系統(tǒng)中加入視覺子系統(tǒng)后，在汽車前懸支架上進(jìn)行了大量的焊接實(shí)驗(yàn)，焊接后的前懸支架及部分焊縫如圖(5)所示。

從圖中看出，通過采用視覺傳感系統(tǒng)對(duì)焊接熔池圖像進(jìn)行視覺監(jiān)控，實(shí)時(shí)調(diào)整弧焊機(jī)器人的焊接規(guī)范參數(shù)，可大大增強(qiáng)

圖5 前懸支架及部分焊縫

弧焊機(jī)器人焊接過程中的自適應(yīng)能力，保證焊接件所有焊縫成型的一致性。

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1673-2219（2010）12-0026-03

2010－10－09

湖北省教育廳資助項(xiàng)目（B200723002）

劉凌云(1972－)，男，湖北荊州人，碩士，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)器視覺、機(jī)器人應(yīng)用的研究。

（責(zé)任編校：何俊華）