孫宇丹 孫宇彤 楊浩 劉巍巍

摘要：為了實(shí)現(xiàn)光學(xué)傳感與焊件CAD模型之間的有效信息交互，在已有自適應(yīng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于自適應(yīng)間隙模型的自動(dòng)規(guī)劃MAG焊控制方法。通過建立自適應(yīng)間隙模型，確定焊接參數(shù)與變化間隙的幾何形狀之間的關(guān)系;將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型與通過光傳感得到的虛擬焊接點(diǎn)進(jìn)行執(zhí)行匹配，利用迭代最近點(diǎn)計(jì)算出實(shí)際的幾何間隙，得出焊接速度，實(shí)現(xiàn)焊接補(bǔ)償。最后配合光學(xué)傳感技術(shù)來控制工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)際操作，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所采用的方法提高了焊接質(zhì)量。

Abstract： In order to realize the effective information interaction between optical sensing and weldment CAD model， based on the existing adaptive control technology， an automatic planning control method based on adaptive gap model was proposed. By establishing an adaptive gap model， the relationship between the welding parameters and the geometry of the changing gap is determined; the computer-aided design model is matched with the virtual welding point obtained by light sensing， and the actual geometric gap is calculated using the iterative closest point ， Obtain the welding speed and realize welding compensation. Finally， with optical sensing technology to control the actual operation of industrial robots， the experimental results show that the new method used to improve the welding quality.

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)控制;焊接機(jī)器人;間隙模型;光學(xué)傳感;角焊接

Key words： adaptive control;welding robot;gap model;optical sensing;angle welding

中圖分類號(hào)：TN929.12 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）14-0114-04

0 ?引言

對(duì)于多大數(shù)的工業(yè)生產(chǎn)而言，自動(dòng)化生產(chǎn)不僅能提高生產(chǎn)率及空間利用率，還能改進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，進(jìn)而減少經(jīng)濟(jì)投入[1]。在焊接領(lǐng)域，機(jī)器人自動(dòng)化焊接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)編程需要大量專業(yè)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，在開發(fā)過程中是一項(xiàng)相對(duì)耗時(shí)的工作，而且現(xiàn)有已完成編程的機(jī)器人通常不能根據(jù)工件加工過程中出現(xiàn)的不確定因素進(jìn)行自動(dòng)反應(yīng)，例如由于電級(jí)與零件粘連造成的間隙或零件存在公差代等[2]。這些因素嚴(yán)重阻礙了小批量焊接機(jī)器人的生產(chǎn)，尤其是針對(duì)注重成本效益的中小企業(yè)所需要的焊接機(jī)器人。因此，采用傳感器來控制機(jī)器人進(jìn)行自適應(yīng)控制才是自動(dòng)化生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。

Alexander Kuss[3]等人研究出了一種檢測(cè)裝配變化以適應(yīng)機(jī)器人焊接系統(tǒng)編程的方法，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)減少由于裝配過程的產(chǎn)生的誤差焊接的影響;陳志翔[4]將激光視覺傳感技術(shù)應(yīng)用到鋁合金的自適應(yīng)焊接過程中，在這個(gè)自適應(yīng)控制中，可進(jìn)行精確測(cè)量焊接坡口和自動(dòng)焊縫跟蹤，但成本效益過高，更適合應(yīng)用于大批量機(jī)器人生產(chǎn);王加友[5]根據(jù)計(jì)算得到的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器系統(tǒng)，可有效地檢測(cè)到焊接偏差，但旋轉(zhuǎn)頻率及電信號(hào)等外在因素對(duì)其檢測(cè)的靈敏度有影響較大。

本文所設(shè)計(jì)的方法能自動(dòng)規(guī)劃焊接工藝，以適應(yīng)由于位置變化而引起的縫隙幾何形狀變化，例如改善有人工定位引起的焊縫偏差?；诠ぜ﨏AD模型與光學(xué)傳感器檢測(cè)的結(jié)合，其制造成本與傳統(tǒng)的縫線跟蹤傳感器一樣，更適合于小批量焊接機(jī)器人的生產(chǎn)。

1 ?控制方案設(shè)計(jì)

完善的自適應(yīng)焊接控制系統(tǒng)要求相關(guān)工程師進(jìn)行較小的參與，因此，在操作過程中，執(zhí)行系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)對(duì)焊接過程參數(shù)及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行嚴(yán)格感知，以提出及時(shí)修正或觸動(dòng)故障報(bào)警。由于坡口寬度和坡口深度變化時(shí)，使用恒定的焊接參數(shù)必會(huì)使焊道厚度發(fā)生變化，進(jìn)而使坡口側(cè)壁融合發(fā)生缺陷，嚴(yán)重降低焊接質(zhì)量[6]。因此，如何檢測(cè)焊接速度、焊縫幾何形狀及焊絲伸出長(zhǎng)度等[7]，進(jìn)而進(jìn)行過程補(bǔ)償是本文的關(guān)鍵問題，需要光學(xué)傳感器對(duì)焊縫集合形狀進(jìn)行精確探測(cè)，進(jìn)而對(duì)焊接速度等參數(shù)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。

基于視覺的學(xué)習(xí)機(jī)制及自我優(yōu)化機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)焊接過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整[8-9]。由于相關(guān)技術(shù)的局限性，所有的自適應(yīng)性調(diào)整行為必須基于用戶輸入的是相對(duì)簡(jiǎn)單的定義式的參數(shù)，并且針對(duì)某個(gè)特定類型的工件（本文為角焊接的零件），否則將需要人工進(jìn)行重新配置。

利用光學(xué)感器得到工件位置及幾何形狀的變化，通過對(duì)比檢測(cè)到的焊接信號(hào)和預(yù)先設(shè)定的閾值的變化量，得出坡口寬度的變化量信息[6];通過建立自適應(yīng)間隙模型，通過輸入變化量信息，進(jìn)而得到需要補(bǔ)償?shù)暮附铀俣鹊葏?shù)，對(duì)焊接操作過程進(jìn)行控制。這種方法實(shí)現(xiàn)了當(dāng)焊件位置及焊縫幾何形狀等發(fā)生變化時(shí)，自動(dòng)調(diào)整相關(guān)參數(shù)，最終得到均勻且恒定的焊道厚度，具體實(shí)現(xiàn)過程如圖1所示。

步驟1：CAD模型被分割成單件模型，包括有關(guān)機(jī)器人與控制器的位置信息，根據(jù)機(jī)器人的傳感器視野[10]可以生成各個(gè)的虛擬參考點(diǎn)。

步驟2：在每個(gè)派生參考點(diǎn)之間進(jìn)行匹配，執(zhí)行點(diǎn)和真實(shí)工件的測(cè)量點(diǎn)均從3D傳感器獲得，通過迭代最近點(diǎn)（ICP）[2]來計(jì)算剛性變換之間的不同工件零件位置變化。

步驟3：更新焊接組件點(diǎn)，進(jìn)而精確定位產(chǎn)生工件，同時(shí)更新的CAD模型產(chǎn)生工件組件。

步驟4：采用更新后的工件CAD模型，來檢測(cè)裝配變化和由此造成的縫隙變化，以適應(yīng)相應(yīng)的路徑。通過間隙模型的呈現(xiàn)，調(diào)整參數(shù)焊接過程，即補(bǔ)償?shù)暮附铀俣?，后?zhí)行焊接。

2 ?自適應(yīng)間隙模型構(gòu)建

本文的重點(diǎn)是通過自適應(yīng)控制技術(shù)對(duì)機(jī)器人焊接過程進(jìn)行規(guī)劃，進(jìn)而用于改變相對(duì)部件位置及焊接速度。因此，第一步需要建立一個(gè)模型來表示焊縫幾何形狀和所需的焊接參數(shù)之間的關(guān)系，角焊縫的連接幾何并且導(dǎo)出所得到的焊縫幾何形狀。第二個(gè)步驟，根據(jù)焊縫幾何形狀，設(shè)定相關(guān)的焊接參數(shù)。

圖2顯示了接頭幾何形狀和焊縫之間的關(guān)系，由于是對(duì)薄金屬零件提出的模型，僅考慮簡(jiǎn)化的幾何間隙，以焊道厚度變化作為唯一的輸入?yún)?shù)。接縫幾何形狀包括兩個(gè)位置之間的偏差焊縫部分表示為間隙高度hg和方向頂角α>90°和α<90°的偏差。等腰三角形焊縫截面面積AT由頂點(diǎn)角度α，及其邊長(zhǎng)ls表示：

所提出的方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是基于角焊接件的機(jī)器人MAG焊接系統(tǒng)，其中工業(yè)機(jī)器人配備了光學(xué)3D傳感器來測(cè)量焊接組件的幾何形狀，傳感器輸出360.000個(gè)測(cè)量點(diǎn)，傳感器的z軸準(zhǔn)確度大約在0.2mm左右，工作距離在280-460mm以內(nèi)。由于傳感器安裝在機(jī)器人手臂末端的執(zhí)行器上，工件定位精度過程還取決于機(jī)器人的法蘭與傳感器坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)在焊接組件上進(jìn)行，它由兩個(gè)相同的非合金部分組成。為了幾何偏差最小化，零件和它們的CAD模型之間是采用±0.05mm的嚴(yán)格尺寸公差制造。如圖3，零件與已定義的零件組裝在一起，z方向的位置偏差和方位偏差圍繞y軸。

用表1中的過程參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在第一步中，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)是以恒定的機(jī)器人焊接速度vR=4.5mm/s進(jìn)行并改變焊道厚度以確定常數(shù)因素c1和c2。根據(jù)表1中的當(dāng)量4和當(dāng)量5得出c1≈1.81和c2≈-25.91。將他們用于確定焊縫加固的修正系數(shù)cR和材料損失的修正系數(shù)cL，帶入公式（13），得到焊接速度。

3.2 結(jié)果評(píng)估

為了評(píng)估自適應(yīng)間隙模型的性能，針對(duì)不同的間隙高度hg進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)合改變頂點(diǎn)角度α來研究補(bǔ)償機(jī)器人焊接速度對(duì)焊接質(zhì)量的影響。

圖4顯示了期望的焊道厚度為5mm，頂角α為80°，90°和100°的情況。焊接完成后，測(cè)試工件被垂直于接縫方向鋸穿，以此檢測(cè)焊縫橫截面面積，從而確定的是否達(dá)到預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)檢測(cè)到的幾何偏差，采用自適應(yīng)間隙模型，來調(diào)整機(jī)器人焊接速度。對(duì)于設(shè)計(jì)焊道厚度為5mm，標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)誤差厚度從0.71mm減少到0.4mm。如果不調(diào)整焊接過程的速度，則焊縫厚度也會(huì)增加，這會(huì)導(dǎo)致焊縫不穩(wěn)定，從而降低焊縫質(zhì)量。因此改變焊接速度和焊道厚度在焊接控制中有十分重要的意義。

4 ?結(jié)論

本文提出了一種機(jī)器人MAG焊接中的自動(dòng)化和自適應(yīng)控制的新方法，基于光學(xué)傳感技術(shù)，對(duì)實(shí)際工件與設(shè)計(jì)的CAD模型進(jìn)行過程執(zhí)行匹配，并檢測(cè)裝配變化與計(jì)算實(shí)際幾何關(guān)節(jié)的關(guān)系。設(shè)計(jì)的間隙模型不僅僅是針對(duì)不同的間隙高度，還可以根據(jù)頂角由于焊接組件部件之間的定向誤差進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整焊接參數(shù)調(diào)整。同時(shí)，MAG焊接工藝通?？梢猿惺芤欢ǔ潭壬系慕M裝等位置變化，通過間隙模型的調(diào)整控制，可以實(shí)現(xiàn)以最佳參數(shù)執(zhí)行焊接過程設(shè)置，這不僅可以提高接縫質(zhì)量，還可以減少因熱量因素產(chǎn)生的焊接工件變形。

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