李小剛，富 巍

（廈門理工學(xué)院，福建 廈門361000）

現(xiàn)今工業(yè)領(lǐng)域中，焊接隨處可見(jiàn)，已經(jīng)成為重要的工藝方法之一。機(jī)器人焊接已被廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)、化工冶金、機(jī)械制造等領(lǐng)域。焊接質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到產(chǎn)品的使用壽命及外形美觀。然焊接過(guò)程中，由于工件易受外界條件影響，如弧光、高溫等，而焊接機(jī)器人又不能隨時(shí)做出調(diào)整[1]，以致于焊縫出現(xiàn)偏差，焊接質(zhì)量低劣甚至于失敗。因此，對(duì)焊接的自動(dòng)化技術(shù)就顯得尤為迫切，而檢測(cè)提取焊縫的特征狀態(tài)又是關(guān)鍵。潘際鑾等人[2]針對(duì)焊接過(guò)程中電弧飛濺等強(qiáng)光干擾，提出了一種結(jié)構(gòu)光焊縫跟蹤實(shí)時(shí)圖像處理技術(shù)，提取焊縫圖像特征模板，利用焊縫序列圖像的相關(guān)性對(duì)焊縫的位置變化進(jìn)行觀測(cè)。陳海永等人[3]采用過(guò)度直線擬合和B樣條直線擬合得到焊縫中心線，并采用距離搜索算法得到焊縫特征點(diǎn)，然而該算法僅僅適用于窄焊縫的特征提取。He等人[4]采用多項(xiàng)式擬合與極值點(diǎn)方法動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)焊縫特征點(diǎn)，但其需要進(jìn)行二階導(dǎo)數(shù)運(yùn)算，算法復(fù)雜度較高。

激光具有單色性強(qiáng)、亮度高等優(yōu)點(diǎn)，相較于CCD攝像機(jī)抗干擾性更強(qiáng)[5]。本文將KEYENCE公司的LJ-G200具有2D功能的線性激光傳感器固定在機(jī)器人手臂焊槍的末端軸上[6]，通過(guò)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，激光傳感器跟著焊槍一起運(yùn)動(dòng)掃描待焊工件，采集焊接工件的焊縫輪廓數(shù)據(jù)，接著對(duì)采集到的輪廓數(shù)據(jù)通過(guò)斜率分析法提取到焊縫特征點(diǎn)，以特征點(diǎn)為界限采用最小二乘法求取擬合直線，獲得直線交點(diǎn)。最后通過(guò)機(jī)器人的坐標(biāo)系變換矩陣將激光傳感器坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至機(jī)器人底座坐標(biāo)系下的坐標(biāo)位置，因此能夠知道機(jī)器人焊槍運(yùn)動(dòng)的的實(shí)時(shí)軌跡，實(shí)現(xiàn)跟蹤焊縫的位置。系統(tǒng)組成圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成圖

1 機(jī)器人焊縫位置跟蹤的關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 機(jī)器人的位置坐標(biāo)變換

激光傳感器所測(cè)量的數(shù)據(jù)是基于傳感器自身的坐標(biāo)下所獲得坐標(biāo)數(shù)據(jù)值，因此該算法所獲得出的焊縫特征點(diǎn)的坐標(biāo)位置值也是激光測(cè)量坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)。所以，獲得的焊縫特征點(diǎn)的數(shù)據(jù)值必須經(jīng)過(guò)機(jī)器人手眼關(guān)系及末端變換的坐標(biāo)變換關(guān)系轉(zhuǎn)換至機(jī)器人的基坐標(biāo)系中，才能實(shí)現(xiàn)焊縫軌跡的實(shí)時(shí)跟蹤。假設(shè)機(jī)器人末端姿態(tài)繞固定軸x-y-z旋轉(zhuǎn)α、β、γ角，則可以得到機(jī)器人末端與機(jī)器人基坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換矩陣：

其中，cα =cosα，cβ =cosβ，cγ =cosγ，sα =sinα，sβ =sinβ，sγ =sinγ 再加上此時(shí)的激光坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人的末端位移偏移量a，b，c，激光坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人底座座坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系矩陣為：

1.2 測(cè)量工件數(shù)據(jù)的初始特征點(diǎn)獲取

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取過(guò)程中，把激光傳感器采集數(shù)據(jù)模式設(shè)置成觸發(fā)信號(hào)模式，通過(guò)USB接口與工業(yè)計(jì)算機(jī)通信，上位機(jī)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)傳給激光傳感器，引發(fā)傳感器工作從而測(cè)量工件，并返回工件位置數(shù)據(jù)。獲取焊縫特征點(diǎn)是跟蹤焊縫過(guò)程中最關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題。本文擬采用斜率分析法與最小二乘法結(jié)合來(lái)提取激光數(shù)據(jù)的焊縫特征點(diǎn)。斜率分析法對(duì)焊縫的特征點(diǎn)進(jìn)行初步定位，然后在此基礎(chǔ)上對(duì)激光數(shù)據(jù)分組，采用最小二乘法擬合出焊縫直線求取直線交點(diǎn)，對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行精確定位。激光采集的V型焊縫截面如圖2所示。

圖2 V形焊縫

1.2.1 焊縫特征點(diǎn)的初步定位

將條紋線上的點(diǎn)按橫坐標(biāo)大小X順序排列，各點(diǎn)記為i（i=1～n），總共有n個(gè)點(diǎn)。循環(huán)連續(xù)取N0個(gè)點(diǎn)，即i～i+N0-1.對(duì)被取中的連續(xù)的N0個(gè)點(diǎn)做直線擬合得出直線斜率記為Ki.在循環(huán)連續(xù)取點(diǎn)時(shí)，將順次從起點(diǎn)1推移到i+N0-1的過(guò)程中，直線斜率連續(xù)變化。所以，當(dāng)斜率無(wú)變化的時(shí)候說(shuō)明該N0個(gè)點(diǎn)集在同一直線上，而當(dāng)遇到拐點(diǎn)時(shí)，斜率會(huì)急劇變化，產(chǎn)生極大值或極小值。

以V型焊縫為例，V型焊縫特征點(diǎn)是結(jié)構(gòu)光在焊件及V型口處形成四條直線及三個(gè)拐點(diǎn)，因此其被稱作四直線問(wèn)題。

采用斜率法分析，首先設(shè)置四直線為L(zhǎng)A～LD.每條直線對(duì)應(yīng)的光點(diǎn)數(shù)分別對(duì)應(yīng)為N1～N4.其對(duì)應(yīng)的每條直線的斜率分別為K1～K4，此外且滿足n=N1+N2+N3+N4，N1，N4＞ N0，N2，N3＜ N0，斜率曲線變化的型式如圖3所示。

圖3 V形口焊縫條紋激光點(diǎn)斜率變化曲線

從圖中可以看出，當(dāng)光點(diǎn)順序排列時(shí)，斜率曲線中存在的最大和最小值分別為分別是Kmax和Kmin，對(duì)應(yīng)的光點(diǎn)序列分別為Nmax=N1+N2-N0，Nmin=N1+N2+N3-N0；同理，當(dāng)光點(diǎn)倒序排列時(shí)，曲線中最大和最小值為K′max和K′min，對(duì)應(yīng)的光點(diǎn)的順序?yàn)镹′max=N2+N3+N4-N0，N′min=N3+N4-N0.

選擇 Kmax，Kmin，K′max和 K′min作為曲線特征，在光條點(diǎn)順序時(shí)，總點(diǎn)集內(nèi)搜索滿足條件Ki=Kmax所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)序即為Nmax，同理搜索得到 Nmin，N′max和 N′min.由此可求出各直線對(duì)應(yīng)的光點(diǎn)數(shù)為

由式（3）完成點(diǎn)域劃分后，即可分別擬合四條直線，并根據(jù)直線求交得到各焊縫特征點(diǎn)，即焊縫拐點(diǎn)。

V形焊縫由激光采集的原始數(shù)據(jù)繪制成圖如圖4所示。

圖4 激光傳感器采集的原始數(shù)據(jù)

根據(jù)斜率分析法，編制相應(yīng)的程序?qū)υ紨?shù)據(jù)進(jìn)行圖形進(jìn)行直線檢測(cè)，其中檢測(cè)的激光點(diǎn)總數(shù)為500.其中N0=90，根據(jù)公式（3）可得各直線所占激光點(diǎn)數(shù)為 N1=143，N2=89，N3=89，N4=183，光點(diǎn)擬合得到的擬合直線的斜率的圖形如圖5和圖6所示。

圖5 光點(diǎn)擬合逆序排列圖

圖6 光點(diǎn)擬合正序排列圖

1.2.2 數(shù)據(jù)特征點(diǎn)的精確定位

由于待焊工件的表面容易產(chǎn)生缺陷，激光采集數(shù)據(jù)獲取的焊縫特征點(diǎn)可能產(chǎn)生較嚴(yán)重的失真情況；此外，由于激光點(diǎn)有確定的定點(diǎn)間隔，所以由初步定位獲取的確定特征點(diǎn)并不可以表示焊縫邊緣真正的特征點(diǎn)，在焊縫跟蹤的過(guò)程中能產(chǎn)生抖動(dòng)的現(xiàn)象。所以，本算法還必須進(jìn)行更深一步的優(yōu)化。精確的焊縫特征點(diǎn)的定位須使用最小二乘法[7-8]，依據(jù)斜率分析法產(chǎn)生的 N1，N2，N3，N4對(duì)直線分段，完成點(diǎn)域劃分，即可擬合四條直線，分段擬合出每一段的直線方程，然后求取直線相交點(diǎn)的坐標(biāo)，獲得焊縫特征點(diǎn)（即圖四中焊縫拐點(diǎn)A，B，C）的精確位置。計(jì)算擬合得到直線的表達(dá)式的各參數(shù)如表1所示。

表1 焊縫的直線表達(dá)式參數(shù)

直線的交點(diǎn)坐標(biāo)如表2所示。

表2 擬合焊縫分段直線交點(diǎn)坐標(biāo)

擬合后的激光數(shù)據(jù)直線如圖7所示。

圖7 擬合后焊縫圖像

同理可得焊縫的一些特征點(diǎn)的坐標(biāo)如表3所示。

表3 焊縫的其它特征點(diǎn)

將這些點(diǎn)通過(guò)坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換到機(jī)器人基座標(biāo)系下的值，利用最小二乘法進(jìn)行空間直線擬合可得空間焊縫直線表達(dá)式：

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由松下TM1400焊接機(jī)器人，KEYENCE公司的LJ-G200具有2D功能的傳感器及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成。如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)圖

測(cè)距激光傳感器工作的時(shí)候，其基本的原理為光學(xué)三角法：被測(cè)物由體半導(dǎo)體激光器被鏡片聚焦到。鏡片收集到反射光，投映到CCD陣列上；陣列上的光點(diǎn)位置被信號(hào)處理器由三角函數(shù)計(jì)算，所以得到傳感器到物體的距離。如圖9所示。

圖9 激光采集數(shù)據(jù)測(cè)距的原理圖

該激光傳感器縱向探測(cè)范圍45 mm～85 mm，激光傳感器發(fā)射激光束對(duì)工件表面輪廓測(cè)量，實(shí)時(shí)獲得采集數(shù)據(jù)。把激光傳感器固接在機(jī)器人的焊槍。用機(jī)器人底座坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，激光傳感器的高度恒定取，橫向取?？刂坪附訖C(jī)器人姿態(tài)保持高度恒定的勻速移動(dòng)，沿著朝著坡口每隔0.1 mm行走一次，記錄數(shù)據(jù)，共產(chǎn)生500個(gè)激光點(diǎn)。每完成一條線采集，在將焊槍回到原點(diǎn)朝移動(dòng)10 mm，然后又沿著每隔0.1 mm行走，采集數(shù)據(jù)，共五條。該測(cè)距路徑規(guī)劃可先在松下離線編程軟件DTPS完成[9]，如圖10所示。程序如圖11.

圖10 D T PS編寫測(cè)距路徑規(guī)劃

圖11 路徑規(guī)劃程序

2.2 實(shí)驗(yàn)的方法與結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，焊縫的起點(diǎn)和終點(diǎn)被標(biāo)記在工件上，使用機(jī)器人的示教器控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)使焊槍無(wú)限度的接近工件上標(biāo)記的起點(diǎn)和終點(diǎn)，并記錄當(dāng)前底座坐標(biāo)系下焊槍的坐標(biāo)數(shù)據(jù)值作為與實(shí)驗(yàn)對(duì)比的基準(zhǔn)值。離線編程好機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)啟動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和激光傳感器工作，通過(guò)機(jī)器人的焊槍運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)激光傳感器一起運(yùn)動(dòng)可以掃描待焊接工件，每隔一個(gè)固定時(shí)間觸發(fā)激光，采集工件位置數(shù)據(jù)并保存。獲得特征點(diǎn)后，通過(guò)機(jī)器人坐標(biāo)系的矩陣變化將其轉(zhuǎn)換到機(jī)器人底座坐標(biāo)下的坐標(biāo)數(shù)據(jù)值，最后與基準(zhǔn)線進(jìn)行比較。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差主要計(jì)算經(jīng)過(guò)算法獲得的特征點(diǎn)位置與實(shí)驗(yàn)的基準(zhǔn)線之間的平均偏差距離d，其結(jié)果如圖12所示。

圖12 使用斜率分析法及最小二乘法的結(jié)果d1=0.486mm

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在焊縫提取特征點(diǎn)算法中對(duì)由斜率分析法采集到的特征點(diǎn)作為分段點(diǎn)使用最小二乘法來(lái)擬合數(shù)據(jù)，能夠明顯提升特征點(diǎn)的精確度，此外更深一步處理了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的抖動(dòng)現(xiàn)象，因此使其更加平穩(wěn)在焊接過(guò)程中。

3 結(jié)論

本文所應(yīng)用的采用激光傳感器測(cè)距的機(jī)器人跟蹤焊縫位置系統(tǒng)[10]，重點(diǎn)分析了V形的坡口焊縫位置變化信息。運(yùn)用激光掃描工件來(lái)實(shí)時(shí)獲取工件截面數(shù)據(jù)信息，快速準(zhǔn)確獲得焊縫信息。結(jié)合斜率分析法與最小二乘法來(lái)提取焊縫特征點(diǎn)，焊接精度能保持在0.5 mm范圍之內(nèi)的要求，且跟蹤過(guò)程中抖動(dòng)現(xiàn)象明顯減弱，使精度進(jìn)一步提高。因?yàn)榧す獯┩改芰?qiáng)，光感器件穩(wěn)定，能在煙霧、粉塵、光照波動(dòng)等不良干擾因素下準(zhǔn)確識(shí)別焊縫位置，所得測(cè)量數(shù)據(jù)精確。因此，該方案抗干擾強(qiáng)，具有很大的實(shí)用性。