張曉芳

(蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息學(xué)院，江蘇 太倉(cāng) 215411)

0 引言

焊接技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、能源、交通、電氣工程等各個(gè)領(lǐng)域，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要地位。隨著智能制造的提出和發(fā)展，對(duì)焊接自動(dòng)化提出了更高的要求?；趥鞲屑夹g(shù)的焊接跟蹤系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。一般的焊接跟蹤系統(tǒng)主要由傳感機(jī)構(gòu)、信息處理單元和跟蹤裝置三部分組成?；趫D像處理技術(shù)的視覺(jué)傳感器是近年來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)[1-3]，主要由激光位置傳感器和工業(yè)相機(jī)進(jìn)行圖像采集。

德國(guó)Mel公司推出的M2DW和M2W-iLAN自動(dòng)焊接跟蹤系統(tǒng)通過(guò)激光位置傳感器獲得焊縫掃描線，可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)控制焊槍至精確的曲面等高線進(jìn)行焊接。美國(guó)的Worthington Industries、加拿大的Servo-robot等公司也研發(fā)了一系列激光跟蹤焊接系統(tǒng)，定位精度較高、跟蹤效果較好[4]。

在國(guó)內(nèi)，上海交通大學(xué)、清華大學(xué)等高校致力工業(yè)相機(jī)圖像采集系統(tǒng)算法研究，把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制應(yīng)用到焊縫跟蹤跟蹤系統(tǒng)中，主要通過(guò)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行算法研究(閾值法、二值法、中值濾波法、邊緣檢測(cè)法、圖像銳化和圖像平滑處理)獲取最優(yōu)途徑[5]。孫軍華[6]提出采用最近點(diǎn)迭代算法，實(shí)時(shí)性高，但噪聲干擾時(shí)會(huì)降低測(cè)量精度； 楊強(qiáng)[7]提出采用遺傳算法，但算法復(fù)雜度高，還需配備上位機(jī)，實(shí)時(shí)性差； Zheng L[8]、譚周文[9]提出了基于最小二乘的輪廓匹配算法，實(shí)時(shí)性高，但由于受光源等的影響，在工件側(cè)面采集信號(hào)時(shí)會(huì)出現(xiàn)分離群點(diǎn)，算法誤差比較大。

1 自動(dòng)焊接跟蹤硬件系統(tǒng)

自動(dòng)焊接跟蹤硬件系統(tǒng)系統(tǒng)由控制器、激光位置傳感器、觸摸屏、2個(gè)伺服控制器、2個(gè)伺服電機(jī)、2個(gè)步進(jìn)控制器、2個(gè)步進(jìn)電機(jī)組成，為4軸焊接跟蹤系統(tǒng)?？刂破鞑捎美兹鸖MC606運(yùn)動(dòng)控制器。該智能控制器是2014年開(kāi)發(fā)的新型運(yùn)動(dòng)控制器，既有邏輯控制功能，又有位置控制和軌跡控制功能，最多可控制6軸運(yùn)動(dòng)。在編程語(yǔ)言方面，有梯形圖、功能塊圖、順序功能流程圖；另有結(jié)構(gòu)化文本語(yǔ)言、文本類(lèi)高級(jí)語(yǔ)言，可用于優(yōu)化算法處理。通過(guò)測(cè)試,發(fā)現(xiàn)激光位置傳感器采集到的一些輪廓數(shù)據(jù)有問(wèn)題，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，選用具有一定算法功能的控制器。

雷塞控制器的編程語(yǔ)言中有文本類(lèi)高級(jí)語(yǔ)言，不需要再專(zhuān)設(shè)上位機(jī)進(jìn)行算法優(yōu)化，確保了數(shù)據(jù)優(yōu)化的時(shí)效性。此外，相比西門(mén)子運(yùn)動(dòng)控制器等品牌，雷塞6軸控制器在價(jià)格上具有很大的優(yōu)勢(shì)，特別適用于非標(biāo)自動(dòng)焊接跟蹤系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。激光位置傳感器主要用于掃描焊接工件的外輪廓，采用具有高度穩(wěn)定性的基恩士激光傳感器。傳感器主機(jī)單元是IL-1000，傳感頭是IL300。其測(cè)量范圍是160～450 mm，實(shí)現(xiàn)了低成本和高性能。激光位置傳感器將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)模擬量模塊送至控制器。此處模擬量模塊選用的是與雷塞控制器匹配的雷塞EM06AX-E1，4路模擬量輸入、2路模擬量輸出，滿足系統(tǒng)要求。伺服控制器采用的是雷塞L5-750Z、L5-400Z，便于塞雷控制器對(duì)其控制。兩款型號(hào)僅是功率不同，由現(xiàn)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)能力選定。其中：橫行軸采用750 W伺服控制系統(tǒng)L5-750Z，1∶10行星減速器通過(guò)皮帶傳動(dòng)，配套的伺服電機(jī)為ACM8008M2H-61-D-SS；主臂軸采用400 W伺服控制系統(tǒng)L5-400Z，1∶5絲桿滑臺(tái)傳動(dòng)，配套的伺服電機(jī)為ACM6004L2H-60-D-SS。步進(jìn)控制器為雷塞的DMA882S、DM542S，兩者僅是驅(qū)動(dòng)能力和細(xì)分的不同。DMA882S用于驅(qū)動(dòng)能力、位置精度要求更高的軸，此處為步進(jìn)控制器1，采用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量更大的86系列步進(jìn)電機(jī)，用于控制其焊槍升降運(yùn)動(dòng)；步進(jìn)控制器2采用DM542S，步進(jìn)電機(jī)2采用57系列，用于控制焊槍旋轉(zhuǎn)角度。觸摸屏采用威綸通TK6070IP，經(jīng)濟(jì)型，滿足人機(jī)交互。

硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖Fig.1 Diagram of hardware system

2 自動(dòng)焊接跟蹤優(yōu)化控制算法

系統(tǒng)通過(guò)激光位置傳感器獲得焊縫點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)模擬量模塊送至雷塞控制器。控制器通過(guò)優(yōu)化算法修正焊縫點(diǎn)數(shù)據(jù)，形成與工件匹配度高的焊縫曲線。對(duì)于激光傳感器獲取的焊縫輪廓曲線，數(shù)據(jù)優(yōu)化子程序流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)優(yōu)化子程序流程圖Fig.2 Flowchart of data optimization subprogram

2.1 差分法

根據(jù)焊接工件的特性，經(jīng)過(guò)試測(cè)發(fā)現(xiàn)，掃描U型工件時(shí)，由平面進(jìn)入側(cè)面，或者由側(cè)面進(jìn)入平面處突變時(shí)的拐彎點(diǎn)數(shù)據(jù)出錯(cuò)概率為90%。這是由于工件表面反光及光源拐點(diǎn)處理產(chǎn)生的問(wèn)題，因此要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。焊槍和激光傳感器由同一運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制，間距為50 cm。隨著焊槍的移動(dòng)，激光傳感器也隨之移動(dòng)，可不斷掃描下一位置。每次將掃描的點(diǎn)送至雷塞運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行處理，生成新的焊縫點(diǎn)，控制焊槍進(jìn)行焊接，實(shí)現(xiàn)邊掃描邊焊接。采用基恩士IL-1000、IL-300，經(jīng)過(guò)試測(cè)，每次可掃描若干個(gè)工件(產(chǎn)生N個(gè)點(diǎn))。若下一次掃描從(N+1)點(diǎn)的位置開(kāi)始，不能排除每段的開(kāi)始和結(jié)束處有錯(cuò)誤數(shù)據(jù)；若將錯(cuò)誤數(shù)據(jù)參與優(yōu)化計(jì)算，拐點(diǎn)的分離群點(diǎn)將影響整個(gè)計(jì)算結(jié)果。因此，每段開(kāi)始參與優(yōu)化的數(shù)據(jù)必須是非分離群點(diǎn)或者已經(jīng)過(guò)優(yōu)化的數(shù)據(jù)。算法先通過(guò)差分排查選出有問(wèn)題的掃描點(diǎn)，再進(jìn)行擬合。

2.2 分段疊加

假設(shè)一次掃描的數(shù)據(jù)有N個(gè)，掃描一個(gè)工件產(chǎn)生的點(diǎn)數(shù)為C個(gè)，確定有效點(diǎn)數(shù)為A(C

若某次掃描后獲得的B個(gè)起始數(shù)據(jù)有問(wèn)題，將這些數(shù)據(jù)作為待優(yōu)化的處理數(shù)據(jù)，所得結(jié)果有很大偏差。采用上一段已經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的(kA+1)開(kāi)始的B個(gè)數(shù)據(jù)作為正確數(shù)據(jù)，替換本次掃描的B個(gè)起始數(shù)據(jù)，并將正確數(shù)據(jù)與本次掃描后獲得的(N-B)個(gè)數(shù)據(jù)一起作為待處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。上一段結(jié)尾處可能會(huì)遇到分離群點(diǎn)。為避免優(yōu)化數(shù)據(jù)出錯(cuò)，疊加時(shí)未采用上段(kA+1)開(kāi)始至(k-1)A+N處所有數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，而只采用了上段從(kA+1)開(kāi)始優(yōu)化的B個(gè)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)分段疊加方法如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)分段疊加方法Fig.3 Method of partition-and-accumulate

2.3 局部最小二乘法

對(duì)疊加形成的新數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于小型非標(biāo)焊接系統(tǒng)，為了提升實(shí)時(shí)處理速度，直接采用雷塞控制器進(jìn)行處理，確保了實(shí)時(shí)性和正確性，并且充分利用了其性能。采用多項(xiàng)式的奇函數(shù)進(jìn)行最小二乘法擬合優(yōu)化?？紤]到雷塞控制器的計(jì)算性能，基于多項(xiàng)式的最小二次乘法擬合為：

y=a0+a1x+a2x2+a3x3

(1)

從錯(cuò)誤數(shù)據(jù)段往前、往后延伸幾個(gè)數(shù)據(jù)(確保是穩(wěn)定的正確數(shù)據(jù))，來(lái)擬合最小二乘法相關(guān)因子。

即:

(2)

(3)

(4)

由此可得a0、a1、a2、a3的數(shù)值。

若從(xi+1,yi+1)開(kāi)始連續(xù)有若干個(gè)分離群點(diǎn)，則由xi+1通過(guò)式(1)計(jì)算獲得yi+1，其他有問(wèn)題的點(diǎn)依次類(lèi)推，即擬合了正確的曲線。

擬合了正確曲線后，控制器即可控制焊槍調(diào)整至正確位置進(jìn)行焊接。移動(dòng)相應(yīng)位置后，激光位置傳感器再同時(shí)進(jìn)行位置掃描，實(shí)現(xiàn)了邊掃描、邊優(yōu)化、邊焊接。

3 以U型工件為例的優(yōu)化實(shí)例

3.1 焊接要求

U型單元鐵板需要進(jìn)行焊接組裝為集裝箱貨車(chē)車(chē)廂。其工件為一系列U型單元。每個(gè)U型單元為20～30 cm不等，需要控制焊槍進(jìn)行正確焊接。

3.2 局部最小二乘法構(gòu)建曲線

利用差分法排除分離群點(diǎn)，采用分段疊加遴選有效點(diǎn)，并對(duì)疊加形成的新數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。本系統(tǒng)直接采用雷塞控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，擬合曲線為最小二次乘法y=a0+a1x+a2x2+a3x3。通過(guò)式(4)，結(jié)合穩(wěn)定的正確數(shù)據(jù)來(lái)擬合最小二乘法相關(guān)因子。對(duì)于分離群點(diǎn)，采用式(1)、式(4)計(jì)算，得到正確數(shù)據(jù)。

3.3 仿真結(jié)果

激光傳感器掃描工件外輪廓時(shí)，X軸每移動(dòng)1 mm，激光傳感器掃描獲得工件Y軸高度，工件高度數(shù)值如下(單位dm)：3.03,3.05,…,3.12。為了更有利于差分篩選，通過(guò)轉(zhuǎn)換后將數(shù)值放大，此處選取300倍。一次可掃描采集400個(gè)數(shù)據(jù)，限于篇幅，選取其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。一組數(shù)據(jù)中第Y]K×A+i]開(kāi)始的23個(gè)數(shù)據(jù)為{91 000,90 700,90 700,90 400,89 600,88 500,87 600,86 000,90 200,94 100,79 200,95 800,78 400,97 700,98 300,66 600,64 700,64 100,63 800,63 600,63 600,63 300,63 300}

通過(guò)差值法，第Y]K×A+i+8]開(kāi)始為分離群點(diǎn)。這是由于工件下降沿折角處反光引起激光傳感器數(shù)據(jù)采集誤差。待處理數(shù)據(jù)組的左邊界為]K×A+i+8]。由于工件右折角寬度不超過(guò)3 cm，因此從此數(shù)據(jù)開(kāi)始往后延伸30個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行差值計(jì)算，即計(jì)算第Y]K×A+i+37]與Y]K×A+i+38]數(shù)據(jù)差值，并依次往前逆向計(jì)算差值，例如第Y]K×A+i+36]與Y]K×A+i+37]差值，最終獲得問(wèn)題數(shù)據(jù)組的右邊界。此處為Y]K×A+i+14]與Y]K×A+i+15]差值過(guò)大，問(wèn)題數(shù)據(jù)組右邊界為]K×A+i+14]。待優(yōu)化數(shù)組為]K×A+i+8]至]K×A+i+14]共計(jì)7組數(shù)據(jù)。將X]K×A+i+6]、Y]K×A+i+6]，X]K×A+i+7]、Y]K×A+i+7]，X]K×A+i+15]、Y]K×A+i+15]，X]K×A+i+16]、Y]K×A+i+16]這四組數(shù)據(jù)代入式(4)，獲得a0、a1、a2、a3的值，構(gòu)建局部最小二乘法曲線。通過(guò)擬合的最小二乘法曲線獲得Y]K×A+i+8]至Y]K×A+i+14]數(shù)據(jù)為{84 950,82 910,79 085，77 000,73 875,71 050,68 025}。

一輪掃描結(jié)束后，激光傳感器進(jìn)行下一輪位置掃描。為確保有效銜接，下一輪掃描與上一輪掃描有冗余度。此處選擇為30個(gè)重復(fù)數(shù)據(jù)。第Y]K×A+i+8]位于下一輪掃描開(kāi)始的起始端。為確保優(yōu)化算法的有效性，起始端數(shù)據(jù)必須正確無(wú)誤。因此，此輪掃描分段疊加開(kāi)始的B個(gè)數(shù)據(jù)(經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，B選取為10)必須無(wú)分離群點(diǎn)。如數(shù)據(jù)正常，直接將掃描到的初始數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算即可。但此處]K×A+i+8]數(shù)據(jù)有問(wèn)題，必須采用經(jīng)過(guò)上輪優(yōu)化后的正確數(shù)據(jù)，為{91 000,90 700,90 700,90 400,89 600,88 500,87 600,86 000,84 950,82 910}替換原起始端10個(gè)數(shù)據(jù)，其余數(shù)據(jù)不變。由這些數(shù)據(jù)構(gòu)成此輪待優(yōu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理。 以下為在雷塞控制上直接經(jīng)過(guò)激光位置傳感器獲得的工件輪廓圖和經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的工件輪廓圖。

工件輪廓圖如圖4所示。

圖4 工件輪廓圖Fig.4 Workpiece outline

經(jīng)過(guò)以上激光掃描傳感器采集信號(hào)，采用優(yōu)化算法進(jìn)行曲線擬合，直接通過(guò)雷塞SMC606運(yùn)動(dòng)控制器獲得工件數(shù)據(jù)和曲線圖，可有效引導(dǎo)焊槍至正確位置。

4 結(jié)論

本文構(gòu)建了一套基于雷塞控制器的焊接自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，完成器件選型和硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在硬件設(shè)計(jì)方面，通用性強(qiáng)，可根據(jù)控制要求進(jìn)行必要的移植，大大減少了生產(chǎn)成本和投產(chǎn)周期，滿足經(jīng)濟(jì)性和準(zhǔn)確性的要求。在軟件設(shè)計(jì)方面，對(duì)激光位置傳感器獲得的焊縫掃描線進(jìn)行優(yōu)化，在雷塞SMC606運(yùn)動(dòng)控制器上利用差分法排除分離群點(diǎn)，采用分段疊加、遴選有效點(diǎn)、局部最小二乘法擬合掃描線，直接實(shí)現(xiàn)對(duì)焊槍位置的引導(dǎo)。整套系統(tǒng)并未配備上位機(jī)，在滿足準(zhǔn)確性的要求下提升了實(shí)時(shí)性。