張軻 謝妤 陳易新 陳永亮 王歡 施可揚(yáng)

高強(qiáng)鋼薄板I形坡口對接激光填絲焊的焊縫實時跟蹤

張軻 謝妤 陳易新 陳永亮 王歡 施可揚(yáng)

為解決I形坡口平板對接激光焊接的跟蹤要求，構(gòu)建了平板對接的激光焊接高精度焊縫實時跟蹤系統(tǒng)。進(jìn)行了6mm板厚、I形坡口、對接間隙在0.2mm以內(nèi)的平板對接進(jìn)行了焊縫實時跟蹤試驗。試驗表明：在焊接過程中，焊槍在左右方向和高低方向的跟蹤精度可以控制在±0.15mm之內(nèi)，滿足平板對接激光焊的高精度實時跟蹤要求。

1. 概述

激光焊接技術(shù)由于功率密度高、焊接速度快、熱輸入少、焊后變形和殘余應(yīng)力小，在提高焊接效率的同時，更可提高焊接的質(zhì)量和構(gòu)件的位置精度，因此成為工程機(jī)械、船舶制造、航空航天及核電制造業(yè)中最具發(fā)展?jié)摿Φ墓?jié)能、高效、優(yōu)質(zhì)焊接技術(shù)。

激光填絲焊的裝配精度高，間隙和坡口控制嚴(yán)格，無論在裝夾定位時，還是在焊接過程中，很難保證工件的位置和裝配精度始終保持一致，尤其在所焊結(jié)構(gòu)件工件較薄，拼接焊縫又長情況下，焊接工作量大。因此采用跟蹤方法，減小重復(fù)示教的工作量，焊接過程中實現(xiàn)實時糾偏是提高工作效率，保證焊接質(zhì)量的較為理想的解決方案。

平板緊密對接焊縫由于對接間隙非常小，焊縫圖像的處理及焊縫特征點的識別都較為困難，為了準(zhǔn)確識別焊縫及提前特征點，需采用高精度、高分辨率的激光視覺傳感器，本文選用了加拿大賽融公司的高分辨率激光視

覺傳感器Quanta－LF來檢測和識別焊縫。下面將基于該傳感器對平板對接激光焊的焊縫實時跟蹤問題展開研究。

2. 實時跟蹤控制方法

（1）跟蹤系統(tǒng)組成 為了實現(xiàn)平板緊密對接焊縫的實時跟蹤，設(shè)計了激光填絲焊的激光跟蹤控制系統(tǒng)，控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。激光跟蹤傳感器Quanta安裝在KUKA機(jī)器人第六軸上，焊接過程中傳感器實時拍攝焊接位置圖像，并送入跟蹤控制器經(jīng)過圖像處理、特征提取后得到焊縫相對于焊槍的實時偏差，該偏差被實時傳送到機(jī)器人控制器，機(jī)器人控制器對安裝在機(jī)器人上的焊槍的位置進(jìn)行實時調(diào)整，從而完成焊槍的實時糾偏，實現(xiàn)焊縫實時跟蹤，保證焊接質(zhì)量。在跟蹤的過程中，通過電腦可以對焊縫跟蹤的情況進(jìn)行實時監(jiān)控。

由于激光跟蹤傳感器與工件非接觸，響應(yīng)速度快，獲取的焊縫特征信息豐富，除了能對焊接路徑進(jìn)行實時糾偏外，也可以通過該傳感器獲取坡口的角度、深度、寬度，甚至錯邊等信息。這些信息的獲取也為后續(xù)的焊接參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整奠定了基礎(chǔ)。

（2）I形對接坡口特征 獲取了激光條紋在被檢測表面的分布情況后，系統(tǒng)需從其中抽取出有效信息來識別焊縫。對于兩板厚度一樣，裝配后無錯邊的對接焊縫來說，其與激光條紋相交的輪廓通常是兩個相似的“L”形，實現(xiàn)焊縫跟蹤的第一步是從這個輪廓線中提取特征點。對I形對接坡口特征點按如下定義：在左右兩個“L”形特征曲線上，定義曲率發(fā)生突變?yōu)閿帱c（Break points），如圖2所示，在每個“L”形特征曲線上設(shè)定三個特征斷點，一個對接焊縫上有兩條“L”形曲線，共6個特征斷點。

圖1 焊縫實時跟蹤系統(tǒng)組成

圖2 I形坡口的特征模型

圖3 I形坡口的特征參數(shù)

為了準(zhǔn)確識別I形坡口，除了特征點外，還需要建立I形坡口的特征參數(shù)，如圖3所示。

間隙：模板匹配的間隙大小包括最小間隙和最大間隙兩個參數(shù)，是對接焊縫識別過程中用來辨認(rèn)焊縫的一個標(biāo)準(zhǔn)。一般來說焊縫間隙的實際大小應(yīng)該包含在最小間隙和最大間隙的區(qū)間之內(nèi)，而這個區(qū)間應(yīng)盡可能小，才能使焊縫的識別更加精準(zhǔn)。然而在實際的操作中，常常在確保激光跟蹤器的檢測區(qū)域內(nèi)不存在無關(guān)干擾間隙時使這個范圍大于焊縫間隙的實際變化波動區(qū)間。因為激光跟蹤器的識別存在偶然誤差，當(dāng)誤差出現(xiàn)時會出現(xiàn)檢測出的焊縫間隙大于或小于設(shè)定的最小、最大焊縫間隙值得情況，這時候如果采取的濾波算法不足以使這部分突兀變化消除并落在設(shè)定的焊縫區(qū)間時，系統(tǒng)就會無法捕捉到跟蹤點，導(dǎo)致跟蹤意外終止。如果設(shè)置了太多點來進(jìn)行濾波又必然會降低跟蹤的準(zhǔn)確度，所以較為理想的做法是適當(dāng)放大焊縫識別的間隙區(qū)間。

錯邊：包括“最小錯邊”和“最大錯邊”兩個參數(shù)。這兩個參數(shù)的設(shè)定，要根據(jù)工件的裝配以及實際錯邊情況進(jìn)行合理設(shè)定，考慮信號處理和識別有一定的誤差度，實際設(shè)定區(qū)間應(yīng)當(dāng)比理論值要略大，才更為可靠。試驗中針對零間隙零錯邊的薄板對接焊，考慮到實際裝配情況，錯邊區(qū)間設(shè)定在0～0.2mm之間較為

合適。

工件傾角：表示待測表面與水平線之間的交角。凡不符合這一角度的平面都會被系統(tǒng)拒絕。

此外還有傾角容差：表示傾角的容差大小。通常把它設(shè)置為15°左右，在環(huán)境噪聲較大的使用場合可能還需要設(shè)置到30°左右。

（3）濾波算法 為了在焊縫識別前，盡可能得到干凈、無干擾的信號是非常重要的，因此，在焊縫識別前需要首先對采集的圖像信號進(jìn)行濾波，以獲得較好的激光輪廓。針對焊縫跟蹤，通常的濾波算法主要有抗反光濾波器、中值濾波器、平均濾波器、連續(xù)性濾波器等。抗反光濾波算法通常用于鋁合金等高反光的材料的焊接，而常規(guī)的情況一般采用中值濾波就可以得到較好的效果。本試驗采用中值濾波器，長度設(shè)為5，既可濾去偶然出現(xiàn)的誤差點，又能減少過度使用濾波造成軌跡失真。

（4）跟蹤點確定 針對不同的坡口特征，焊接中需要實時跟蹤的坡口特征點叫跟蹤點，對于I形平板對接坡口特征模型，跟蹤點可以是根據(jù)左平面，右平面以及特征點1、2、3和4的情況來綜合確定，根據(jù)不同的情況可以跟蹤不同的點。

試驗中使用的鋼板厚度相等，且形狀較為規(guī)則?？紤]到跟蹤過程中送絲嘴出來的焊絲幾乎貼著焊縫行進(jìn)，而裝配時不能保證兩塊板的上表面完全在同一水平面上，為避免送絲機(jī)構(gòu)與鋼板發(fā)生碰撞而影響送絲，故選擇根據(jù)最高板，且坡口特征點2和3分別在最高面投影的中點作為實際跟蹤點的位置，如圖4所示。

（5）跟蹤程序示教方法 激光傳感器超前焊槍一定距離，而焊槍的位置實際是通過傳感器檢測到的焊縫位置坐標(biāo)變換而來，故在跟蹤之前，實際上傳感器需要在進(jìn)入焊縫之前就要提前打開，而在焊槍達(dá)到結(jié)束點時，才能夠關(guān)閉傳感器的檢測。故焊接軌跡點的示教要滿足如圖5所示的條件。

P1和P2是預(yù)備位置，讓激光器逐步靠近焊縫起始點。在到達(dá)P1前，機(jī)器人開始進(jìn)行傳感器初始化，隨后以直線運(yùn)動的方式逐步到達(dá)P1和P2。

P2是系統(tǒng)啟動激光傳感器的位置，其設(shè)置需要滿足兩個條件。首先，當(dāng)傳感器在P2點開啟時，激光條紋應(yīng)該處在焊縫起始點之前，否則無法獲取完整的焊接路徑。其次，P2的高度應(yīng)在激光器的視域之內(nèi)或接近視域范圍，否則系統(tǒng)將因無法探測到鋼板表面而捕捉不到對接焊縫輪廓，進(jìn)而無法獲取跟蹤點位置。

P3設(shè)置在焊縫的起始點，P6設(shè)置在焊縫的終點，P4和P5設(shè)置在行走的途徑的方向上，不必嚴(yán)格精確到焊縫的位置，這里只起到一定的引導(dǎo)作用。到達(dá)P6后，關(guān)閉傳感器，并沿P7和P8離開焊接位置。

在焊縫跟蹤過程中，激光焊槍沿著示教點往前行進(jìn)，在此過程中，傳感器不斷地檢測焊縫間隙獲取跟蹤點，實時地向機(jī)器人傳輸y軸坐標(biāo)和z軸坐標(biāo)的偏差糾正值，使激光焊槍能夠準(zhǔn)確沿著焊縫行走。

圖4 根據(jù)最高板確定跟蹤點

圖5 跟蹤程序示教方法

圖6 對接鋼板焊縫跟蹤過程

3. 實時跟蹤試驗

（1）跟蹤試驗 試驗用材料為E63A高強(qiáng)鋼，6mm薄板，采用兩塊300mm×75mm×6mm的平板對接，I形坡口，坡口間隙盡量控制在<0.2mm。試驗前將鋼板表面的氧化層刨去，用砂帶機(jī)選取一個較為平整的300mm×6mm側(cè)面稍加打磨，去除表面的鐵銹、油污等會影響焊縫識別的物質(zhì)，用潔凈的干抹布擦拭干凈，并用夾具將兩塊板固定起來。

運(yùn)行機(jī)器人上已經(jīng)示教好的程序開始焊縫跟蹤，觀察運(yùn)行路徑，可見其精準(zhǔn)地沿著焊接路徑行進(jìn)。焊縫實時跟蹤過程如圖6所示，圖7為通過視頻監(jiān)視得到的焊縫跟蹤過程中坡口特征點，實時跟蹤點的實時變化情況。

（2）跟蹤精度分析討論 對跟蹤過程中的實時糾偏數(shù)據(jù)提取出來進(jìn)行跟蹤精度分析，

跟蹤情況如圖8和圖9所示，圖8表示焊接過程中左右方向的跟蹤情況，其中x軸表示工件的焊接方向，而y軸表示沿著焊接方向隨著工件實際路徑的變化焊槍在左右方向，即y向的跟蹤情況，實現(xiàn)表示工件的真實焊接路徑，而虛線表示在跟蹤過程中經(jīng)過圖像檢測、處理、特征提取，坐標(biāo)變換、糾偏后機(jī)器人焊槍在左右橫向?qū)嶋H走的跟蹤路徑。

圖7 焊縫識別界面

同理，圖9表示在焊過程中沿著焊接方向z方向工件位置的高低變化以及焊槍相應(yīng)的高低跟蹤的情況。其中x軸表示工件的焊接方向，而y軸表示在高低方向上的路徑變化以及焊槍在高低方向，即z向的跟蹤情況。黑色的實線表示工件的真實焊接路徑，而虛線表示在跟蹤過程中經(jīng)過圖像檢測、處理、特征提取，坐標(biāo)變換、糾偏后機(jī)器人焊槍在高低方向?qū)嶋H走的跟蹤路徑。

將上述的數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的處理，可以得到焊槍分別在左右方向（y向）和高低方向（z向）沿著焊接方向的跟蹤精度，分別如圖10和圖11所示，圖中x軸表示工件的焊接方向，而y軸分別表示焊槍在左右方向的跟蹤精度和高低方向的跟蹤精度。從圖可知，在y方向焊槍的跟蹤精度可以控制在±0.15mm之間，在z方向焊槍的跟蹤精度也基本控制在±0.15mm之間，很好地滿足了平板對接激光焊接的跟蹤要求。

4. 結(jié)語

（1）構(gòu)建了平板對接的激光焊接焊縫實時跟蹤系統(tǒng)。采用高分辨率的激光跟蹤傳感器進(jìn)行焊接坡口的實時檢測，通過圖像處理，特征匹配，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、機(jī)器人糾偏等實現(xiàn)激光焊接的高精度焊縫實時跟蹤。

（2）建立了I形坡口的雙“L”形特征模型，該模型通過6個特征點，坡口間隙、錯邊量、平板傾角，傾角容差等特征參數(shù)來表征。同時也對對接坡口的常用濾波算法，跟蹤點的確定進(jìn)行了分析和討論。

（3）基于上述方法，進(jìn)行了6mm板厚、I形坡口、平板對接的焊縫跟蹤試驗。試驗表明：焊槍在左右方向和高低方向的跟蹤精度基本可以控制在±0.15mm之內(nèi)，滿足平板對接的激光焊接的高精度跟蹤要求。

圖8 左右方向的實時跟蹤情況

圖9 高低方向的實時跟蹤情況

圖10 左右橫向的實時跟蹤精度

圖11 高低方向的實時跟蹤精度

[1] 巴根,劉勇,明珠. 激光視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)的研究[J].兵器材料科學(xué)與工程，2004，27(4)：55-58.

[2] 陳武柱，張旭東.視覺傳感器與焊縫自動跟蹤[J]. 傳感器，2002(18)：58-60.

[3] 周律, 陳善本, 林濤. 弧焊機(jī)器人焊縫跟蹤方法的研究現(xiàn)狀[C].第十一次全國焊接會議，2005.

[4] Servi-robot. image processing software module for the it platform user’s Manual[M]. 2013, Canada：36-45 .

張軻，陳易新，上海交通大學(xué)激光制造與材料改性重點試驗室；謝妤等，滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司。

國防基礎(chǔ)科研計劃資助，項目編號A0720132003

上海市重大技術(shù)裝備研制專項，項目編號 ZB-ZBYZ-03-11-0485