曹學(xué)鵬，脫帥華,，張 弓，吳月玉，張雨航,，樊 豪，趙睿英，馮艷麗

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院 機(jī)電液一體化研究所，陜西 西安 710064；2.廣州先進(jìn)技術(shù)研究所，廣東 廣州 511458；3.西安航天時(shí)代精密機(jī)電有限公司，陜西 西安 710100)

焊接機(jī)器人因其高效性在先進(jìn)制造業(yè)中應(yīng)用廣泛，焊縫跟蹤技術(shù)具有非接觸、速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化與智能化的關(guān)鍵。目前，大多數(shù)焊接機(jī)器人仍采用“示教-再現(xiàn)”的工作方式，難以滿足焊接對(duì)象或其他條件改變時(shí)的要求。

基于激光視覺的焊縫跟蹤結(jié)合了激光測(cè)量與計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，具有獲取信息豐富、焊縫特征明顯、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)。鄒焱飚等通過設(shè)計(jì)傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)出由激光特征點(diǎn)像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到焊縫特征點(diǎn)3維坐標(biāo)的數(shù)學(xué)模型；Chen等提出一種只需兩次輪廓掃描的特征點(diǎn)定位方法，可有效計(jì)算出焊縫的初始位置；Chang和Lei等對(duì)焊縫輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、求導(dǎo)及卷積處理后，通過尋找局部最值來定位特征點(diǎn)；Wang和He等分別提出基于NURBS-Snake與視覺注意模型的焊縫輪廓檢測(cè)與特征點(diǎn)提取算法，并驗(yàn)證了其有效性；Hou等將傳統(tǒng)圖像處理方法與擴(kuò)展Kalman濾波算法相結(jié)合提取焊縫特征點(diǎn)。以上方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)焊件特征點(diǎn)的提取，但在定位精度上會(huì)因焊縫類型改變或焊件表面缺陷等因素而存在一定局限性。

作者提出焊縫跟蹤的4步法：首先，利用激光傳感器掃描焊件坡口采集輪廓數(shù)據(jù)；接著，通過組合濾波算法處理數(shù)據(jù)以平滑噪聲；然后，在2階導(dǎo)數(shù)法初步定位特征點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過線性擬合對(duì)特征點(diǎn)精確定位；最后，根據(jù)傳感器位姿標(biāo)定的結(jié)果，由圖像特征點(diǎn)的2維坐標(biāo)計(jì)算出機(jī)器人基坐標(biāo)系下的3維坐標(biāo)，完成路徑規(guī)劃，并針對(duì)Y型坡口的直線與曲線焊縫進(jìn)行跟蹤方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 焊縫跟蹤方法

焊縫跟蹤系統(tǒng)主要由焊接機(jī)器人及其控制器、激光傳感器、工控機(jī)等組成，如圖1所示。該系統(tǒng)通過焊件掃描、數(shù)據(jù)濾波、特征點(diǎn)定位與焊接路徑規(guī)劃等4步實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤。

激光傳感器搭載于機(jī)器人末端，通過掃描焊件采集焊縫坡口的輪廓信息。將獲取的信息傳輸給工控機(jī)進(jìn)行濾波以平滑噪聲，將2階導(dǎo)數(shù)法與線性擬合相結(jié)合來定位焊縫特征點(diǎn)的坐標(biāo)。通過標(biāo)定傳感器將特征點(diǎn)轉(zhuǎn)換到焊槍坐標(biāo)系下，轉(zhuǎn)換機(jī)器人的運(yùn)行軌跡，以位姿信號(hào)的形式發(fā)送給機(jī)器人控制柜?？刂乒裢ㄟ^驅(qū)動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)來引導(dǎo)焊槍運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)焊縫的實(shí)時(shí)跟蹤。焊縫跟蹤4步法的工作流程如圖2所示。

圖 1 焊縫跟蹤系統(tǒng)Fig. 1 Seam tracking system

圖2 焊縫跟蹤4步法的工作流程Fig. 2 Process of four-step seam tracking method

1.1 焊件掃描與數(shù)據(jù)濾波

掃描的目的是獲取焊件坡口輪廓的原始數(shù)據(jù)，這是實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤的基礎(chǔ)。激光傳感器基于三角測(cè)量原理獲得被測(cè)物的距離信息，通過處理掃描數(shù)據(jù)即可得到被測(cè)物的輪廓特征。

掃描時(shí)，激光傳感器固定于機(jī)器人末端并與焊槍平行，以保證線激光垂直入射被測(cè)物，最大程度地覆蓋坡口，同時(shí)不斷移動(dòng)機(jī)器人，獲得焊縫的整體形貌特征。

采用限幅濾波與高斯濾波相結(jié)合的方式處理所得的坡口輪廓數(shù)據(jù)，前者用于去除因偶然因素引起的脈沖干擾，后者用于平滑數(shù)據(jù)。限幅濾波通過比較相鄰兩次采樣值之差的絕對(duì)值與閾值的大小來篩選數(shù)據(jù)，其原理如式（1）所示：

式中，

y

與

y

分別為本次與上次采樣信號(hào)值，Δ

T

為指定閾值。

高斯濾波是一類根據(jù)高斯函數(shù)的形狀來選擇權(quán)值的線性平滑濾波方式，對(duì)于抑制服從正態(tài)分布的噪聲非常有效，且高斯函數(shù)具有對(duì)稱、可微和可積的良好性質(zhì)，能夠準(zhǔn)確識(shí)別信號(hào)的間斷點(diǎn)，這對(duì)于后續(xù)的特征點(diǎn)提取十分有利，1維高斯函數(shù)的表達(dá)式如下：

式中：μ為均值，決定函數(shù)的位置；σ為標(biāo)準(zhǔn)差，決定分布的幅度。

為了檢驗(yàn)限幅濾波與高斯濾波對(duì)坡口輪廓數(shù)據(jù)濾波的適應(yīng)性和有效性，對(duì)Ⅰ型坡口剖面的數(shù)據(jù)求1階導(dǎo)數(shù)并進(jìn)行限幅濾波，如圖3所示。

圖3 對(duì)Ⅰ型坡口剖面數(shù)據(jù)1階導(dǎo)數(shù)的限幅濾波Fig. 3 Limiting filtering of the first derivative of Ⅰ-type groove profile data

從圖3（a）可以看出，在1階導(dǎo)數(shù)極值點(diǎn)附近，數(shù)據(jù)點(diǎn)比較稀疏，而且原始數(shù)據(jù)中存在干擾點(diǎn)。由圖3（b）可見：限幅濾波后，原始數(shù)據(jù)中的干擾點(diǎn)得到有效去除；同時(shí)，數(shù)據(jù)的分布更加均勻。對(duì)Ⅰ型坡口的剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯濾波，結(jié)果如圖4所示。

圖4 對(duì)Ⅰ型坡口剖面數(shù)據(jù)的高斯濾波Fig. 4 Gaussian filtering of profile data of Ⅰ-type groove

圖4（a）中，兩個(gè)相鄰的幅度突變點(diǎn)間數(shù)據(jù)點(diǎn)較少，不利于后續(xù)的差分運(yùn)算。由圖4（b）可知，經(jīng)高斯濾波后，原始數(shù)據(jù)的各個(gè)部分都獲得了很好的平滑效果。

1.2 特征點(diǎn)提取

1.2.1 特征點(diǎn)定義

焊件的特征點(diǎn)一般是坡口截面的角點(diǎn)，其包含的信息能反映坡口輪廓的整體情況，故需進(jìn)行特征點(diǎn)提取。表1展示了連續(xù)函數(shù)在間斷點(diǎn)處的性質(zhì)，是坡口特征點(diǎn)定義的依據(jù)。

表1 函數(shù)間斷點(diǎn)分類及其性質(zhì)
Tab. 1 Classification and properties of function discontinuities

間斷點(diǎn)類別函數(shù)在間斷點(diǎn)處的性質(zhì)函數(shù)值 1階導(dǎo)數(shù) 2階導(dǎo)數(shù)第1類 連續(xù) 階躍突變 極值第2類 階躍突變 極值 不存在

根據(jù)2階導(dǎo)數(shù)存在與否將特征點(diǎn)分為兩類：2階導(dǎo)數(shù)存在的特征點(diǎn)稱為第1類特征點(diǎn)，否則稱為第2類特征點(diǎn)。圖5描述了坡口特征點(diǎn)的分類，圖5中，

A

、

B

、

E

、

F

為第1類特征點(diǎn)，

C

、

D

為第2類特征點(diǎn)。

圖5 坡口特征點(diǎn)的分類Fig. 5 Classification of groove feature points

因大多數(shù)坡口的截面一般為規(guī)則的幾何圖形，特征點(diǎn)多為第1類與第2類的組合，故可基于前述定義來確定坡口所包含的特征點(diǎn)類型，進(jìn)而對(duì)其定位。

1.2.2 特征點(diǎn)定位

因Y型坡口同時(shí)包含第1、第2類特征點(diǎn)，具有代表性，故以此為例闡述特征點(diǎn)定位方法，其流程如圖6所示。

圖6 特征點(diǎn)的定位流程Fig. 6 Positioning process of feature points

1）初步定位

先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行限幅濾波，而后對(duì)其向前差分求1階導(dǎo)數(shù)并尋找極值點(diǎn)，再通過高斯濾波平滑數(shù)據(jù)，確定第1類特征點(diǎn)。

2）精確定位

因機(jī)械加工使焊件表面存在缺陷，初步定位得到的特征點(diǎn)不準(zhǔn)確。圖7為焊件表面缺陷示意圖，從圖7中可以看出，左邊坡口存在一處缺陷，經(jīng)初步定位得到特征點(diǎn)為

b

、

c

兩點(diǎn)，而真實(shí)的點(diǎn)為

a

點(diǎn)。顯然兩者間存在一定偏差，因此，需在初步定位的基礎(chǔ)上，采用符合坡口特點(diǎn)的方法進(jìn)行精確定位。

圖7 焊件表面缺陷示意圖Fig. 7 Defects on the surface of the weldment

分析焊件坡口形狀知，其截面輪廓由多條線段組成，特征點(diǎn)為各線段的交點(diǎn)。缺陷部分在整個(gè)坡口表面占比較小，即傳感器采集的輪廓數(shù)據(jù)中，大部分是直線段數(shù)據(jù)，少量為缺陷部分的數(shù)據(jù)，這一特點(diǎn)符合線性擬合的條件。

因此，以初步定位所得的特征點(diǎn)為分界點(diǎn)，將坡口輪廓的數(shù)據(jù)分段并對(duì)每段分別進(jìn)行線性擬合，求得各擬合直線的交點(diǎn)來精確定位特征點(diǎn)。

設(shè)任一待擬合的直線方程為

y

=

ax

+

b

，擬合方程參數(shù)的計(jì)算如式（3）所示：

式中，

a

為斜率，

b

為截距，(

x

，

y

)為經(jīng)過該直線的點(diǎn)，

n

為點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

1.3 焊接路徑規(guī)劃

在定位出坡口的特征點(diǎn)后，將所得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到焊槍坐標(biāo)系下，為焊縫跟蹤的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

1.3.1 標(biāo)定激光傳感器

機(jī)器人各坐標(biāo)系間的關(guān)系如圖8所示，通過傳感器的位姿標(biāo)定將其測(cè)量所得特征點(diǎn)轉(zhuǎn)換至基坐標(biāo)系下。

圖8 各坐標(biāo)系間的關(guān)系Fig. 8 Relationships between the coordinate systems

本文采用多點(diǎn)法進(jìn)行傳感器位姿標(biāo)定，如圖9所示。

圖9 傳感器的標(biāo)定Fig. 9 Calibration of sensors

圖9中，{

S

}為傳感器坐標(biāo)系，{

B

}為基坐標(biāo)系，

P

是點(diǎn)

P

在基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，

P

是點(diǎn)

P

在傳感器坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。傳感器位姿標(biāo)定的目的，是確定傳感器坐標(biāo)系{

S

}相對(duì)于末端坐標(biāo)系{

E

}的變換矩陣

T

。

T

的計(jì)算步驟如下：1）選取焊件上某點(diǎn)

P

，使焊槍末端觸碰該點(diǎn)，記錄

P

在{

B

}下的位置

P

=(

x

，

y

，

z

，1)，如圖9（a）所示。2）移動(dòng)機(jī)器人，使傳感器的激光線經(jīng)過該點(diǎn)，記錄

P

在{

S

}下的位置

P

=(

x

，0

z

，1)，如圖9（b）所示。3）切換機(jī)器人當(dāng)前的工具坐標(biāo)系為{

E

}，記錄此時(shí){

E

}的位姿數(shù)據(jù)，由歐拉旋轉(zhuǎn)公式求得旋轉(zhuǎn)矩陣

R

，如式（4）所示：

式中：

R

為旋轉(zhuǎn)矩陣，用以描述{

E

}相對(duì)于{

B

}的方位；

r

為

R

的元素，α、β、γ分別為機(jī)器人末端坐標(biāo)系{

E

}的

X

、

Y

及

Z

軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。進(jìn)一步求得

T

，如式（5）所示：

式中，

P

=(

x

，

y

，

z

)，即切換坐標(biāo)系后的

P

點(diǎn)在{

E

}下的位置。4）根據(jù)

P

點(diǎn)在空間中的變換關(guān)系有：

式中，各參數(shù)的定義與上文所述一致。

因

T

包含12個(gè)未知數(shù)，需選取最少3個(gè)不同的固定點(diǎn)進(jìn)行求解，本文的標(biāo)定結(jié)果如下：

至此，完成傳感器的位姿標(biāo)定，對(duì)于其坐標(biāo)系下的任一已知點(diǎn)

Q

，將其變換到機(jī)器人基坐標(biāo)系下的公式為：

式中，

Q

、

Q

為點(diǎn)

Q

在{

B

}與{

S

}的位置坐標(biāo)，

T

為式（7）的計(jì)算結(jié)果，

T

為式（5）的計(jì)算結(jié)果。

1.3.2 確定焊接路徑中間點(diǎn)

焊接路徑規(guī)劃的實(shí)質(zhì)是確定焊槍中心點(diǎn)TCP在運(yùn)動(dòng)中的一系列中間位置。因此，需根據(jù)特征點(diǎn)坐標(biāo)確定焊槍中心點(diǎn)的位置。

記TCP坐標(biāo)為

P

=[

x

,0,

z

,1]，以Y型坡口為例建立焊槍中心點(diǎn)的數(shù)學(xué)模型，如圖10所示。圖10中，

A

至

F

各點(diǎn)為Y型坡口的特征點(diǎn)，TCP代表焊槍的中心點(diǎn)，橫縱坐標(biāo)分別為激光傳感器坐標(biāo)系的

X

、

Z

軸。

圖10 焊槍中心點(diǎn)坐標(biāo)的數(shù)學(xué)模型Fig. 10 Mathematical model of welding torch center point coordinate

由圖10可知，坡口的鈍邊

h

可表示為，

z

-

z

或

zz

，取其均值得：

偏移量

f

為從焊絲到焊接對(duì)象的間距，具體取值參照《焊接工程師手冊(cè)》，根據(jù)Y型坡口尺寸，取

f

=1.5 mm。經(jīng)上述分析，可得焊槍中心點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算公式為：

式中，

x

、

x

、

x

、

x

分別為

A

、

B

、

E

、

F

4點(diǎn)的橫坐標(biāo)，

h

為鈍邊，

f

為偏移量。

將定位所得某一剖面的特征點(diǎn)坐標(biāo)代入式（10）中，可得該剖面的焊槍中心點(diǎn)坐標(biāo)。

傳感器掃描焊件獲得多組剖面數(shù)據(jù)，進(jìn)行上述處理后得到多個(gè)TCP坐標(biāo)。通過傳感器與焊槍的標(biāo)定矩陣，將TCP坐標(biāo)由{

S

}轉(zhuǎn)換至{

T

}下并依次連接，得到一系列焊接路徑中間點(diǎn)的坐標(biāo)，即構(gòu)成焊槍的運(yùn)動(dòng)軌跡。

由焊槍中心點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算焊接路徑中間點(diǎn)坐標(biāo)的公式為：

式中，

P

為焊槍中心點(diǎn)在傳感器坐標(biāo)系{

S

}下的坐標(biāo)，

T

為激光傳感器的位姿標(biāo)定矩陣，

T

為焊槍位姿標(biāo)定矩陣

T

的逆矩陣。

2 實(shí)驗(yàn)研究

選取兩種典型焊縫為研究對(duì)象，焊件材質(zhì)分別為Q235與鋁，其實(shí)物與坡口參數(shù)分別如圖11與表2所示。

表2 焊件坡口參數(shù)
Tab. 2 Groove parameters of weldment

坡口參數(shù) 尺寸/mm厚度/mm坡口角/(°)間隙/mm鈍邊/mm直線焊縫100×60 8 45 3 2.0曲線焊縫130×80 10 60 3 2.5

圖11 兩種典型焊縫Fig. 11 Two typical grooves

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由IRB 1410焊接機(jī)器人、IRC5控制器、LS-100CN激光傳感器和工控機(jī)組成，如圖12所示。系統(tǒng)基于前文所述的焊縫跟蹤4步法，經(jīng)掃描、濾波、特征點(diǎn)提取與路徑規(guī)劃，引導(dǎo)焊槍移動(dòng)。

圖12 焊縫跟蹤實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 12 Experiment system of welding seam tracking

2.1 特征點(diǎn)定位結(jié)果

初步定位結(jié)果如圖13所示，橫、縱坐標(biāo)分別代表特征點(diǎn)在傳感器坐標(biāo)系的

X

、

Z

軸上的取值。由圖13可知，1階導(dǎo)數(shù)的最值點(diǎn)落在線段

BC

與

DE

間，未能與

B

、

E

準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)，這是由于焊件坡口經(jīng)加工后，其鈍邊并非理想狀態(tài)的豎直線，而是一條斜線?？蓪?duì)1階導(dǎo)數(shù)繼續(xù)差分，求得2階導(dǎo)數(shù)并尋找最值點(diǎn)，定位所有特征點(diǎn)，如圖13（b）所示。至此，梯形坡口的6個(gè)特征點(diǎn)均已初步確定，其位置信息見表3。

表3 特征點(diǎn)的初步定位結(jié)果
Tab. 3 Results of feature point rough location

特征點(diǎn) x/mm z/mm 特征點(diǎn) x/mm z/mm A -6.37 -1.71 D 0.47 5.82 B -3.89 2.84 E 0.55 2.81 C -3.28 5.61 F 3.38 -1.40

圖13 特征點(diǎn)初定位Fig. 13 Rough location of feature points

Y型坡口的線性擬合結(jié)果如圖14所示。

圖14 線性擬合結(jié)果Fig. 14 Linear fitting result

圖14中，擬合直線段1～7的擬合參數(shù)如表4所示。表4中：和方差一項(xiàng)用來計(jì)算線性擬合的誤差平方和，其值越小則效果越好；確定系數(shù)表征擬合的好壞，其值越接近1則效果越好。由表4易知，各直線擬合效果均較好。

表4 各直線的擬合參數(shù)
Tab. 4 Parameters of fitting straight line

擬合直線 斜率 截距 和方差 確定系數(shù)1 0.024 -1.247 0.079 0.846 2 1.843 9.173 0.444 0.996 3 10.740 38.630 0.388 0.953 4 0.001 5.984 0.149 0.867 5 -8.551 12.600 0.500 0.969 6 -1.657 5.041 0.154 0.999 7 0.022 -1.262 0.209 0.812

由直線兩兩相交可求得特征點(diǎn)精確定位的結(jié)果，具體見表5，至此完成對(duì)梯形坡口截面輪廓特征點(diǎn)的提取。

表5 特征點(diǎn)的精確定位結(jié)果
Tab. 5 Results of feature point precise positioning

特征點(diǎn) x/mm z/mm 特征點(diǎn) x/mm z/mm A 5.73 1.39 D 0.78 6.09 B -3.31 3.07 E 1.10 3.22 C 3.04 5.98 F 3.76 -1.18

對(duì)比表3與表5可知，精確定位前后所得特征點(diǎn)坐標(biāo)存在一定偏差，主要是焊件表面缺陷與傳感器的溫度漂移屬性共同影響所致。因此，在對(duì)特征點(diǎn)初步定位的基礎(chǔ)上，可通過線性擬合實(shí)現(xiàn)精確定位。

2.2 路徑規(guī)劃結(jié)果

選取25組傳感器掃描的剖面數(shù)據(jù)，計(jì)算得到焊接路徑中間點(diǎn)。采用多項(xiàng)式、高斯及3次樣條插值等3種方法分別規(guī)劃焊接路徑，擬合結(jié)果如圖15所示。

圖15 采用3種方法的焊接路徑規(guī)劃結(jié)果Fig. 15 Welding path planning results using three methods

最小二乘法突出強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)點(diǎn)的整體趨勢(shì)，對(duì)于有序離散點(diǎn)數(shù)據(jù)的擬合效果較差。高斯擬合法迭代收斂的平均計(jì)算量大，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，因此適用性不好。三次樣條插值函數(shù)的曲線經(jīng)過所有的擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)，擬合系數(shù)可以調(diào)整曲線的曲度和點(diǎn)的重合度，可以得到較好的擬合結(jié)果。三種路徑規(guī)劃方法的擬合參數(shù)如表6所示，由表6可知，三次樣條插值法的擬合度最高，均方根誤差最小，因此該方法比較適用。

表6 3種路徑規(guī)劃方法的擬合結(jié)果
Tab. 6 Fitting results of the three path planning methods

規(guī)劃方法 R2 RMSE多項(xiàng)式擬合 0.970 6 3.336 8高斯擬合 0.980 4 2.807 6三次樣條插值 0.995 6 1.477 6

在實(shí)際焊接中，考慮到存在焊縫形狀復(fù)雜、采集數(shù)據(jù)量大及誤差等因素的影響，最小二乘法生成的曲線擬合效果較差，而高斯擬合的計(jì)算量過大且過程復(fù)雜，故選擇三次樣條插值法來規(guī)劃焊接路徑。

2.3 焊縫跟蹤

實(shí)驗(yàn)前，先在焊件上標(biāo)記焊接路徑的起點(diǎn)與終點(diǎn)，而后驅(qū)動(dòng)機(jī)器人以示教方式運(yùn)動(dòng)，記錄此過程中焊槍中心的位姿坐標(biāo)值，作為對(duì)比基準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，機(jī)器人帶動(dòng)傳感器掃描焊件，通過軟件實(shí)時(shí)采集末端坐標(biāo)系的位姿數(shù)據(jù)，采集周期與傳感器的掃描周期一致，即每道坡口的截面數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)機(jī)器人的一個(gè)位姿數(shù)據(jù)；然后，提取特征點(diǎn)并將其轉(zhuǎn)換至基坐標(biāo)系下，與基準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖16所示。

圖16 焊縫跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig. 16 Experimental results of welding seam tracking

通過比較計(jì)算所得的焊接中心點(diǎn)與實(shí)際焊槍末端點(diǎn)之間的偏差，來評(píng)價(jià)特征點(diǎn)定位方法的準(zhǔn)確性。其中：平均偏差記為

a

，表示每個(gè)焊接中心點(diǎn)與焊槍末端點(diǎn)坐標(biāo)值之差的平均值，單位為mm；偏差度記為

d

，表明在該方向上所產(chǎn)生的偏差相對(duì)于整個(gè)坡口的偏移程度，無量綱。兩者的計(jì)算公式分別為：

式中：

a

、

a

為

X

、

Z

方向上的平均偏差；

d

、

d

為

X

、

Z

方向上的偏差度；

x

、

z

為 焊接中心點(diǎn)的坐標(biāo)；

x

、

z

為軌跡基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)；

n

為焊接中心點(diǎn)的個(gè)數(shù)，文中

n

=130；

l

為坡口的長(zhǎng)度，計(jì)算得

l

=9.39 mm；

h

為坡口的深度，計(jì)算得

h

=8.03 mm。

由上述公式計(jì)算實(shí)驗(yàn)偏差，結(jié)果見表7。

實(shí)驗(yàn)的誤差分析主要計(jì)算特征點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)的平均偏差

a

以及偏差程度

d

，分析表7中的數(shù)據(jù)可知：

表7 焊縫跟蹤的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
Tab. 7 Experimental results of seam tracking

焊縫類型第1組（初步定位） 第2組（精確定位）ax//mm az/mm dx/% dz/% ax/mm az/mm dx/% dz/%直線 0.6280.2146.6882.6650.3870.2514.1213.126曲線 0.7360.1857.8382.3030.4290.2304.5692.864

1) 兩組實(shí)驗(yàn)中，兩類焊縫在

Z

方向的平均偏差

a

均較小。初步定位時(shí)，曲線焊縫的

a

取得最小值0.185 mm。經(jīng)精確定位后，兩類焊縫的

a

分別增加0.037、0.045 mm，但其最大值0.251 mm<0.5 mm，仍然滿足精度要求。2）第1組實(shí)驗(yàn)中，即只進(jìn)行初步定位時(shí)，兩類焊縫在

X

方向的平均偏差

a

均 較大。其中，曲線焊縫的

a

最大，達(dá)0.736 mm。經(jīng)精確定位后，兩類焊縫的

a

分別降為0.387、0.429 mm，提升幅度分別超過38.4%、41.7%，達(dá)到<0.5 mm的精度要求。

由以上分析知，經(jīng)精確定位后兩類焊縫特征點(diǎn)的平均偏差均小于0.5 mm，達(dá)到自動(dòng)焊接的精度要求。

3 結(jié) 論

1）設(shè)計(jì)了一套基于激光傳感與視覺信息提取的焊縫跟蹤系統(tǒng)，采用掃描、濾波、特征點(diǎn)提取與路徑規(guī)劃的方法實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤。

2）通過傳感器采集坡口信息并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，由圖像特征點(diǎn)的2維坐標(biāo)計(jì)算出傳感器坐標(biāo)系下相應(yīng)的3維坐標(biāo)值。

3）解決了焊件表面存在缺陷時(shí)特征點(diǎn)定位的精度問題。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，精確定位后的兩類焊縫特征點(diǎn)的平均偏差均小于0.5 mm。