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        超長筒段內(nèi)壁螺旋焊縫跟蹤打磨控制研究*

        2022-03-15 01:37:10李芳昕文珊珊匡婷玉趙維剛
        制造技術(shù)與機床 2022年3期
        關(guān)鍵詞:砂帶內(nèi)壁編碼器

        錢 晨 李芳昕 文珊珊 陳 艷 匡婷玉 張 勇 趙維剛

        (①上海航天設(shè)備制造總廠有限公司,上海 200245;②上海航天工藝與裝備工程技術(shù)研究中心,上海 200245)

        隨著氣體絕緣開關(guān)設(shè)備GIS 和氣體絕緣金屬封閉輸電線路GIL技術(shù)在國內(nèi)外被廣泛應用[1],其主體部分大口徑鋁合金管需求量越來越大,在電力領(lǐng)域年產(chǎn)值達到8 億元左右,使用鋁卷螺旋焊接的大口徑鋁合金螺旋管長達18 m,需要進行內(nèi)外壁焊接飛邊打磨,其中人工內(nèi)壁打磨效率低、環(huán)境惡劣及打磨質(zhì)量差,而市場上并沒有符合要求的打磨加工裝備,因此設(shè)計全自動打磨裝備成為必然,其中內(nèi)壁螺旋線焊縫的打磨更是此裝備的重點。

        為滿足此螺旋管的加工要求,針對內(nèi)壁螺旋線焊縫的精確跟蹤打磨,本文設(shè)計了焊縫精確跟蹤的控制方法,結(jié)合速度匹配和視覺圖像補償?shù)确椒?,建立了實時跟蹤檢測機制。

        經(jīng)國內(nèi)外調(diào)研,基于視覺識別的打磨應用技術(shù)應用廣泛,文獻[2]將視覺相機與缺陷檢測結(jié)合在一起,建立了全自動打磨工作站。文獻[3]將視覺相機與毛坯檢測結(jié)合在一起,擬合出磨削邊緣,從而建立了復雜打磨軌跡。文獻[4-7]亦將軌跡規(guī)劃與視覺相機相結(jié)合,從而獲取機器人運行路徑。視覺檢測方式分為主動光視覺和被動光視覺[8]。激光視覺檢測方式是一種主動光視覺技術(shù),此方式能夠更好地捕捉待焊接的邊沿和高低差等三維信息,經(jīng)過調(diào)研激光跟蹤方式更多地應用于焊接過程,而非打磨過程中[9]。當前所設(shè)計的被動式視覺相機檢測技術(shù)更適合于打磨應用,優(yōu)點在于受干擾小、體積小、成本低,在當前的應用中更具優(yōu)勢。

        本文將結(jié)合控制方案設(shè)計、軟硬件設(shè)計及相關(guān)的實驗驗證,實現(xiàn)超長筒段內(nèi)壁螺旋焊縫精確跟蹤打磨的目的。

        1 控制方案設(shè)計

        焊縫的形狀是圓柱內(nèi)壁螺旋線,如圖1所示,螺旋線對應方程為[10]:

        (1)

        其中:a為圓柱的半徑;P為螺距;ω為筒段運動時的角速度。為了實現(xiàn)內(nèi)壁螺旋打磨,設(shè)計了導向桿,導向桿前端固定了柔順打磨工具,導向桿以Vz的速度前進,筒段以n的速度旋轉(zhuǎn),帶動打磨工具前進,在筒段內(nèi)壁形成與焊縫重疊的螺旋線軌跡,其速度匹配的對應方程為:

        Vz=nP

        (2)

        針對上述內(nèi)壁螺旋焊縫,設(shè)計了打磨控制方案,在打磨開始前通過視覺系統(tǒng)預存焊縫起點的圖像作為模板,運行過程中筒段旋轉(zhuǎn)速度及打磨頭的前進速度相匹配,形成焊縫打磨軌跡,同時實時獲取焊縫的圖像,與起點圖像的模板進行對比,在該偏移量超過閾值的情況下,在線實時修正該偏移量,進而實現(xiàn)螺旋線焊縫的高精度、高效率的自動打磨。

        2 控制系統(tǒng)設(shè)計

        為實現(xiàn)內(nèi)壁打磨控制需求,設(shè)計控制系統(tǒng)如圖2所示,包括上位機系統(tǒng)、控制器、伺服驅(qū)動、伺服電機、輸入輸出模塊、報警閥、限位開關(guān)、視覺控制器、相機、模擬量模塊、柔順壓緊系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)編碼器等[11]。上位機系統(tǒng)分別與運動控制器、視覺控制器相連接。運動控制器將各軸、各IO狀態(tài)及位置信息反饋至上位機系統(tǒng),運動控制器與伺服驅(qū)動、輸入輸出模塊、模擬量模塊及旋轉(zhuǎn)編碼器等相連接;伺服驅(qū)動接收控制指令控制電機運動,并檢測電機位置進行反饋;輸入輸出模塊接收輸出指令進行輸出控制,同時反饋輸入的變化;模擬量模塊接收控制指令,控制柔順壓緊系統(tǒng)并反饋壓緊信息;旋轉(zhuǎn)編碼器檢測筒段的轉(zhuǎn)速,將實際轉(zhuǎn)速反饋至運動控制器。視覺控制器與相機相連接,接收相機的圖形進行分析,通過算法比對獲得相應的偏移情況,反饋至上位機系統(tǒng)。

        3 焊縫跟蹤設(shè)計

        焊縫跟蹤設(shè)計結(jié)合旋轉(zhuǎn)編碼器的反饋和視覺檢測反饋兩種檢測手段,形成了全閉環(huán)的跟蹤方案,如圖3所示。

        系統(tǒng)運行過程中,筒段的旋轉(zhuǎn)是依靠表面阻力驅(qū)動的,驅(qū)動電機反饋的位置信息是電機自帶編碼器的位置信息,并不能反映筒段的真實位置,為了真實反饋筒段的旋轉(zhuǎn)速度,以防旋轉(zhuǎn)過程中存在打滑或停滯的情況,設(shè)計了一個旋轉(zhuǎn)編碼器,用于真實反饋筒段的旋轉(zhuǎn)速度。運行過程中,判斷旋轉(zhuǎn)編碼器的反饋速度是否與電機輸出的速度相匹配,若前者反饋速度為0,則停止打磨,排除異常;若旋轉(zhuǎn)速度小于設(shè)定的速度,則調(diào)整進給的速度,使進給的速度匹配旋轉(zhuǎn)的速度,以繼續(xù)加工。

        同時,在系統(tǒng)運行過程中,控制系統(tǒng)發(fā)送指令驅(qū)動相機啟動視覺檢測,在視覺控制器內(nèi)進行圖像處理。在應用視覺檢測系統(tǒng)前,通過Halcon標定獲得二維圖像與世界坐標系中物體的對應關(guān)系,并將焊縫起始點的圖像標定為模板圖片[12]。實時圖像處理過程如圖4所示,實時圖片經(jīng)過圖像預處理、邊緣提取算法、直線擬合等,獲得當前焊縫中心線的位置。Halcon算子的處理過程如下:

        read_image(Image,’image’)//讀取圖像

        equ_histo_image(Image,ImageEquHisto)

        //直方圖均衡

        mean_image(Image:ImageMean:MaskWidth,MaskHeight)//濾波

        sobel_amp(Image,EdgeAmplitude,’sum_abs’,3)//邊緣提取

        select_shape_xld(SelectedXLD,SelectedXLD1,’phi’,’and’,0.1,0.1)

        fit_line_contour_xld(SelectedXLD1,’huber’,-1,0,5,2,RowBegin,ColBegin,RowEnd,ColEnf,Nr,Nc,Dist)//直線擬合

        將當前的焊縫中心線位置L′與模板圖片的中心線位置L進行偏差計算,獲得相應的偏差值ΔL反饋至控制系統(tǒng),如式(3)所示[13]??刂葡到y(tǒng)根據(jù)判斷結(jié)果驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)進行修正,系統(tǒng)內(nèi)將|ΔL|與閾值LTH進行比較,若|ΔL|小于閾值LTH,則不作處理;若|ΔL|大于等于閾值LTH,則進行修正,修正方向通過ΔL的正負確認,修正結(jié)束后繼續(xù)控制焊縫識別反饋,形成焊縫跟蹤閉環(huán)設(shè)計。閾值LTH由砂帶的覆蓋寬度LSHA與焊縫LHAN的寬度決定,如式(4)所示。

        ΔL=L-L′

        (3)

        LTH=1/2(LSHA-LHAN)

        (4)

        自動加工軟件控制流程設(shè)計如圖5所示。控制系統(tǒng)完成初始化上電操作,系統(tǒng)確認通訊是否正常;通訊正常的情況下,進行筒段調(diào)平,將筒段吊至裝備[14]的固定基座上進行調(diào)平,調(diào)平后控制氣缸固定;調(diào)平后,標定打磨起始點,啟動主動托架的電機,旋轉(zhuǎn)筒段,使得焊縫起始點位于筒段圓形面最下方中心點;然后啟動導向機構(gòu),使得打磨頭前進至焊縫打磨的起始點,使得打磨砂帶的中心點與筒段對應的焊縫中心線重合;此時啟動自動運行程序,打磨啟動,柔順裝置換向,打磨砂帶與焊縫表面接觸,同時以匹配的速度啟動前進和旋轉(zhuǎn)電機,開啟內(nèi)壁螺旋焊縫打磨,打磨過程中啟動旋轉(zhuǎn)編碼器監(jiān)測和視覺監(jiān)測,調(diào)節(jié)進給速度與之匹配,若檢測速度有問題,則停止打磨,排查異常,同時根據(jù)檢測的焊縫偏移量,進行在線補償,直至打磨完成。

        5 實驗驗證

        基于上述設(shè)計過程,搭建實物驗證平臺,選用西門子數(shù)控系統(tǒng)、伺服電機、編碼器、輸入輸出模塊、自制的柔順壓緊系統(tǒng)和視覺控制系統(tǒng)等硬件系統(tǒng)。硬件框圖如圖6所示,配置表如表1所示。視覺相機選用的參數(shù)如表2所示。打磨的焊縫寬度為30 mm左右,視野范圍在100~200 mm內(nèi),經(jīng)分析相機選用松下的400萬像素的黑白相機,選擇定焦鏡頭的焦距是16 mm,其安裝的最佳距離為323 mm,相應的分辨率為73.2 μm/像素,標準視野范圍是15 mm×150 mm,滿足實驗所需精度要求。

        表1 硬件配置列表

        表2 相機配置列表

        調(diào)試過程中,首先建立西門子系統(tǒng)與各伺服電機之間的以太網(wǎng)通訊,為實現(xiàn)螺旋焊縫跟蹤打磨功能,設(shè)計雙通道NC程序,以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)與進給同步功能[15]。程序段1是通道1內(nèi)進給軸程序,實現(xiàn)打磨頭旋轉(zhuǎn)與導向桿進給功能;程序段2是通道2內(nèi)筒段旋轉(zhuǎn)功能。通道1內(nèi)通過指令START(2)啟動通道2內(nèi)的程序,通過WAITM(1,1,2)實現(xiàn)同步,鋁管開始旋轉(zhuǎn),此時打磨頭SP1以某一速度旋轉(zhuǎn),Z軸前進;打磨頭以類似攻絲的程序CYCLE840運行,實現(xiàn)螺旋管的打磨目的;打磨結(jié)束后,再以3 000 mm/s的速度往回退出至安全位置,完成一遍打磨功能。通道2內(nèi)筒段的旋轉(zhuǎn)利用1個虛擬軸實現(xiàn),4個真實軸通過指令TRAILON跟隨虛擬軸運動,從而確保電機同步。在系統(tǒng)運行過程中,若焊縫位置發(fā)生偏移,通過程序段3進行修正。通過輸入變量判斷進給軸將要偏移的方向,然后驅(qū)動Z軸移動偏移量R進行位置修正。

        程序段1:

        通道1內(nèi)進給軸程序:

        START(2)

        WAITM(1,1,2)

        M1=3 S1=50

        G95

        CYCLE840(-3009,-3009,0,-1500,,0.001,0,4,11,,1410,0,1,0,,,,,1001,2)

        G94

        G01Z100F3000

        M00

        M30

        程序段2:

        通道2內(nèi)筒段旋轉(zhuǎn)程序:

        WAITM(1,1,2)

        TRAILON(C1,C)

        TRAILON(C2,C)

        TRAILON(C3,C)

        TRAILON(C4,C)

        M03S0.9

        M00

        WAITE(1)

        M30

        程序段3:

        進給Z軸TRACK程序:

        ID=1 WHENEVER $A_IM[1]==1 DO MOV[Z]=1

        ID=1 WHENEVER $A_IN[2]==1 DO MOV[Z]=-1

        ID=1 WHENEVER $A_IN[3]==1 DO FA[Z]=R

        調(diào)試完畢后,進行工藝實驗,打磨所用砂帶及打磨實驗數(shù)據(jù)如表3所示。砂帶寬度根據(jù)打磨頭的設(shè)計定制為60 mm,目數(shù)挑選3種類型進行實驗,分別是80、120和150,材料為堆積氧化鋁,打磨采用恒力方式,壓力設(shè)置為200~250 N,電機旋轉(zhuǎn)速度實驗范圍為1 000~1 500 mm/s,打磨前進速度實驗范圍在0~200 mm/s。經(jīng)實驗分析,采用打磨工藝參數(shù)為砂帶目數(shù)120,打磨壓力250 N,電機旋轉(zhuǎn)速度1 500 mm/s,前進速度為50 mm/s,可獲得符合工藝需求的最佳效果。

        表3 打磨砂帶配置列表

        6 結(jié)語

        本文針對超長筒段內(nèi)壁螺旋焊縫打磨需求,提出了筒段速度、圖像檢測等多重反饋的全閉環(huán)控制方案的研究,解決了筒段內(nèi)壁焊縫打磨過程中精確跟蹤的難題,并通過實驗搭建了軟硬件控制系統(tǒng),驗證了實時焊縫跟蹤的打磨效果,研究表明,此方案可有效應用于此類特殊打磨需求中。

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