彭奇平

舟山技師學(xué)院，浙江舟山，316012

0 引言

焊接作為現(xiàn)代加工制造領(lǐng)域中的重要連接方法，在各行業(yè)領(lǐng)域中都起著至關(guān)重要的作用，傳統(tǒng)手持式的焊接方式效率低下且極易受人工約束，已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)需要，基于復(fù)合傳感器的機(jī)器人焊接技術(shù)高，對于船舶產(chǎn)業(yè)的降本增效以及提高造船效率與質(zhì)量提供了技術(shù)支持，是完善船舶自動化焊接工作的高效途徑[1]。

1 基于復(fù)合傳感器的焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計

復(fù)合傳感器相較于單傳感器而言，對于信息的識取能力更加精準(zhǔn)，具有較高的魯棒性和靈敏度，以視覺與電弧傳感器為技術(shù)支撐的復(fù)合傳感器焊接機(jī)器人具有高可靠性、低成本、強(qiáng)抗干擾的運(yùn)行特征，可以完成清晰焊縫及熔池圖像的識取工作，精準(zhǔn)地進(jìn)行焊縫跟蹤，對船舶焊接工作有優(yōu)秀的適應(yīng)性。

1.1 基于視覺傳感器的機(jī)器人特征識別機(jī)構(gòu)設(shè)計

基于視覺傳感器的焊接機(jī)器人在船舶焊接中的工作原理主要是通過依靠焊縫中反饋回的光源信息進(jìn)行特征識別，有主動傳感與被動傳感之分，被動傳感是通過焊接過程中焊縫自身投射出的光源信息進(jìn)行焊縫特征提取，容易受焊接飛濺、弧光等噪聲干擾，導(dǎo)致成像質(zhì)量較差，基于視覺傳感器的機(jī)器人焊接工作有前處理與后處理兩個主要環(huán)節(jié)，船舶焊接工作中，機(jī)器人采集圖像后，通過去噪濾波在較好保持圖像細(xì)節(jié)的基礎(chǔ)上完成圖像去噪工作，能夠改善后期圖像處理工作的復(fù)雜情況；而主動視覺傳感器依靠外部光源，通過增強(qiáng)對比度的操作，使焊接結(jié)構(gòu)光的選擇更具判別性，如選擇特性明顯的激光等條紋作為檢測對象，通過局部或全局二值化處理，以利用外部光源進(jìn)行投影的方式后處理，即提取焊縫的三維特征信息，實(shí)現(xiàn)計算機(jī)控制焊接，以保證能夠有效地克服自然光源下信息采集困難的問題?；谝曈X傳感器的機(jī)器人特征識別機(jī)構(gòu)的設(shè)計為船舶焊接工作中焊縫跟蹤領(lǐng)域的發(fā)展指引了方向[2]?；谝曈X傳感器的機(jī)器人焊接的基本流程如圖1所示。

相較于其他傳感方式而言，視覺傳感技術(shù)可以通過捕獲諸如電弧形態(tài)、熔池輪廓等信息提供決策支撐，以視覺傳感器的識別跟蹤機(jī)構(gòu)設(shè)計為技術(shù)支撐的機(jī)器人進(jìn)行焊接工作時具有識別信息豐富、焊接能力穩(wěn)定且無需與工件直接接觸的優(yōu)勢，適用于多種焊接形式，逐漸發(fā)展成為船舶焊接焊縫識別跟蹤系統(tǒng)中的主流傳感器?；谝曈X傳感器的焊接機(jī)器人焊縫識別跟蹤系統(tǒng)如圖2所示。

焊縫識別跟蹤是船舶焊接工作的重要內(nèi)容，在焊接機(jī)器人的設(shè)計中加入視覺傳感器識別跟蹤機(jī)構(gòu)能夠幫助機(jī)器人自動識別提取焊縫特征，獲取實(shí)時焊縫信息后建立相關(guān)模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效率的船舶焊接工作。

1.2 基于電弧傳感器的機(jī)器人焊接跟蹤機(jī)構(gòu)設(shè)計

相較于其他類型的傳感器機(jī)器人而言，電弧傳感器機(jī)器人有著規(guī)避弧光、磁場等因素干擾的優(yōu)點(diǎn)，且機(jī)器人具有實(shí)時性的特征，因此，能夠在焊槍無附加裝置的情況下最大程度實(shí)現(xiàn)焊槍運(yùn)動的靈活性和可靠性，避免機(jī)器人滯后誤差，此機(jī)器人能夠滿足船舶焊接低成本自動化的要求，是效果相對理想的焊縫跟蹤方式[3]。其具體技術(shù)指標(biāo)為，移動方式：輪式移動；焊接時速：20～60cm/min；焊接方法：Ar+CO2混合氣體保護(hù)MAG焊；傳感器：電弧傳感器；適合焊縫形式：平面或近似平面上的折線角焊縫及各種V型焊縫。

由于該焊接機(jī)器人適合的焊縫形式為跟蹤焊接平面彎曲焊縫，因此，確定驅(qū)動電機(jī)功率時作如下假設(shè)：機(jī)器人在平面做直線運(yùn)動情況時，忽略地面摩擦力、空氣阻力等因素后，假設(shè)機(jī)器人在平面直線加速行走，忽略過程中的空氣阻力，通過對機(jī)器人的受力狀況進(jìn)行分析，進(jìn)而估算機(jī)器人所需的驅(qū)動力矩。

（1）電弧傳感器機(jī)器人的行駛阻力。機(jī)器人在平面運(yùn)動時，由于力的產(chǎn)生，機(jī)器人需克服來自地面的空氣阻力及輪子滾動阻力，焊接機(jī)器人在進(jìn)行加速動作時需克服加速阻力，因此，電弧傳感器焊接移動機(jī)器人移動的總阻力為：

式中，F(xiàn)為電弧傳感器焊接機(jī)器人移動總阻力，F(xiàn)R為滾動阻力，F(xiàn)j為加速阻力，由于焊接機(jī)器人的焊接時移動速度較慢，空氣阻力忽略不計。

（2）電弧傳感器焊接機(jī)器人的加速阻力?；陔娀鞲衅鞯暮附訖C(jī)器人質(zhì)量分為平行質(zhì)量與旋轉(zhuǎn)質(zhì)量，焊接機(jī)器人加速時，平移質(zhì)量產(chǎn)生慣性力的同時，旋轉(zhuǎn)質(zhì)量也會產(chǎn)生慣性力偶矩，因而，焊接移動機(jī)器人加速時的阻力如下：

式中，F(xiàn)a為加速阻力，δ為傳感器焊接機(jī)器人旋轉(zhuǎn)質(zhì)量數(shù)，當(dāng)δ＞1時，m為傳感器焊接機(jī)器人的質(zhì)量，機(jī)器人移動時的加速度為（m/s2）。以系數(shù)δ作為考慮旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力偶矩后的傳感器焊接機(jī)器人旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)。

（3）電弧傳感器機(jī)器人輪子滾動阻力。機(jī)器人輪子滾動時，輪子與接觸面區(qū)域產(chǎn)生相互作用力，當(dāng)彈性輪子在硬接觸面上運(yùn)動時，機(jī)器人車輪的內(nèi)摩擦?xí)?dǎo)致彈性滯損，使車輪對地面的功無法完全恢復(fù)，當(dāng)車輪靜止時，即使法線前后的對應(yīng)點(diǎn)相同，但受彈性滯后現(xiàn)象的影響，位于恢復(fù)過程后部對應(yīng)點(diǎn)的接觸面法向反力會小于在壓縮過程的前部對應(yīng)點(diǎn)的接觸面法向作用力，從而導(dǎo)致接觸面法向反力與地面法向反力的分布前后均不對稱，因此，使其合力相對于法線方向前移動距離e，與彈性滯損同步變化，合力與法載荷P大小相等，方向相反。

若將法向反作用力Fz平移至與車輪中心垂線重合時，車輪在地面滾動時的滾動阻力偶矩：

式中，Tf為滾動阻力矩，F(xiàn)z為地面對輪子的法向反力，e為相對于法線方向前移動的偏距。由平衡條件可得：

式中，F(xiàn)x為地面對驅(qū)動的反向作用力，r為驅(qū)動輪的半徑，Td為驅(qū)動力矩，即：

式中，F(xiàn)x為真正作用在驅(qū)動輪上的驅(qū)動移動機(jī)器人行走的力主顧切向反作用力，F(xiàn)f為驅(qū)動力減掉驅(qū)動輪上的滾動阻力，電弧傳感器機(jī)器人驅(qū)動輪在平面滾動受力時：

式中，F(xiàn)為驅(qū)動輪載荷；f為滾動阻力系數(shù)；a為滾動總路程。基于電弧傳感器的焊接機(jī)器人焊接工作流程如圖3所示。

基于電弧傳感器的機(jī)器人焊接跟蹤機(jī)構(gòu)設(shè)計的運(yùn)用，避免了傳感器與機(jī)器人運(yùn)行不一致的問題，特別適合船舶焊接工作中狹窄空間或折角變化較大的角焊縫的焊接跟蹤。

2 船舶焊接規(guī)劃處理

2.1 焊縫投影點(diǎn)

為了提高船舶焊接工作的效率及減少焊接過程中多種因素對焊接精度的影響，準(zhǔn)確地判斷焊縫投影點(diǎn)是船舶焊接工作的重要環(huán)節(jié)之一，通過對復(fù)合傳感器機(jī)器人采集點(diǎn)與焊縫投影點(diǎn)的投影關(guān)系進(jìn)行分析，可得船舶焊接中焊縫結(jié)構(gòu)光線的最佳投影點(diǎn)?；趶?fù)合傳感器的焊接機(jī)器人

圖中，矩形表示俯視下的槽口投影平面，將實(shí)際激光傳感器中的結(jié)構(gòu)光線作直線l1，將理想的可用數(shù)據(jù)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)光線作直線l2，將實(shí)際結(jié)構(gòu)光的數(shù)據(jù)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為理想數(shù)據(jù)點(diǎn)，需取投影面來投影實(shí)際結(jié)構(gòu)光線的拐點(diǎn)，穿過焊縫底部的起點(diǎn)b(c)，且垂直于焊縫方向，設(shè)焊縫底點(diǎn)的起點(diǎn)為p1(x1,y1,z1)，焊縫底點(diǎn)的終點(diǎn)為p2(x2,y2,z2)，則焊縫通過方向m(A,B,C)為：

過p1的投影面為：

設(shè)傳感器結(jié)構(gòu)光線上的任意拐點(diǎn)為p3(x3,y3,z3)，過此拐點(diǎn)作平行于m的直線：

由此可得船舶焊接中焊縫結(jié)構(gòu)光線的最佳投影點(diǎn)。

2.2 焊接機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整

焊接機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)整規(guī)劃工作是焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接工作前的必要環(huán)節(jié)，為防止焊接機(jī)器人的相關(guān)部件在進(jìn)行船舶焊接工作時受到物理干涉等問題，提出機(jī)器人姿態(tài)實(shí)時調(diào)節(jié)的解決措施，通過選取焊接機(jī)器人位置作為機(jī)器人姿態(tài)調(diào)節(jié)原點(diǎn)，調(diào)整復(fù)合傳感器焊接機(jī)器人的相關(guān)控制點(diǎn)，以達(dá)到有效控制機(jī)器人進(jìn)行多層次規(guī)劃工作的目標(biāo)，繼而實(shí)現(xiàn)自動追蹤及焊接軌道調(diào)整功能。

船舶焊接工作環(huán)境復(fù)雜，基于復(fù)合傳感器的焊接機(jī)器人可輕松應(yīng)對焊縫形式相對簡單、焊接環(huán)境相對良好固定的焊接工作，但對于多類型的焊接工作，如材料條件不同、焊接方法不同、焊縫類型不同時可采用焊接軌跡重新規(guī)劃的方法對焊接機(jī)器人末端位置或機(jī)器人姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，以加強(qiáng)焊接機(jī)器人的適應(yīng)性及抗干擾性能。

2.3 焊縫跟蹤偏差

焊縫跟蹤工作是船舶焊接的重點(diǎn)內(nèi)容，傳統(tǒng)焊接機(jī)器人跟蹤范圍不受限制，質(zhì)量較大、慣性大，響應(yīng)較慢，且輪子由于加工、裝配、變形等引起誤差而導(dǎo)致控制精度低；基于復(fù)合傳感器的焊接機(jī)器人重量輕，體積小，制造精度高，機(jī)械和電磁慣性都很小，跟蹤精度高，響應(yīng)快，故焊接機(jī)器人進(jìn)行焊縫跟蹤時，進(jìn)行相應(yīng)的精準(zhǔn)跟蹤策略，同時，焊接機(jī)器人移動本體進(jìn)行二級粗略跟蹤；這樣既可使復(fù)合傳感器焊接機(jī)器人有較高的跟蹤精度，又使跟蹤范圍不受限制[4]。焊接機(jī)器人移動本體和二維精確運(yùn)動平臺的協(xié)調(diào)是焊縫跟蹤的難點(diǎn)，針對此問題，提出串行控制與并行控制兩種控制方案。

復(fù)合傳感器機(jī)器人旋轉(zhuǎn)軌跡在焊縫左、右兩側(cè)高度變化是不同的，當(dāng)焊炬與工件表面的高度值由小到大變化變成由大到小變化時，即高度值的導(dǎo)數(shù)為0，且左側(cè)導(dǎo)數(shù)為0：

式中，e為焊縫左右兩側(cè)偏差，r為傳感器旋轉(zhuǎn)半徑，m、n為焊縫左右兩側(cè)的測量點(diǎn)數(shù)，以S函數(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)合傳感器焊接機(jī)器人旋轉(zhuǎn)軌跡在焊縫左右兩側(cè)高度與焊縫偏差的關(guān)系。焊縫跟蹤偏差控制分為上下與左右兩種方向，當(dāng)跟蹤平面彎曲焊縫時，只有左右糾偏，沒有上下糾偏。

3 基于復(fù)合傳感器的焊接機(jī)器人的船舶焊接工作分析

3.1 焊接機(jī)器人跟蹤焊接點(diǎn)軌跡

船舶焊接過程中，焊接點(diǎn)的軌跡是焊接機(jī)器人跟蹤信號提取、改善焊接工藝參數(shù)的重要依據(jù)，基于復(fù)合傳感器的焊接機(jī)器人的虛擬樣機(jī)能夠方便地提取船舶焊接工作中任意點(diǎn)的運(yùn)動與動力參數(shù)，解決焊接過程中無法測量焊接點(diǎn)軌跡的難題，以傳感器焊接機(jī)器人行走直線時，無左右偏差情況為例，對焊接點(diǎn)軌跡進(jìn)行研究。按復(fù)合傳感器焊接機(jī)器人焊接參數(shù)，驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速為：

式中，ωLR為驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，vw為焊接速度，rwh為焊接頻率。設(shè)置虛擬樣機(jī)驅(qū)動輪為：

按每轉(zhuǎn)64個采樣點(diǎn)設(shè)置仿真步長為：

以焊縫為350.8912的直線為目標(biāo)，可得出焊接點(diǎn)的初始位置，進(jìn)而獲得船舶焊接工作中復(fù)合傳感器焊接機(jī)器人的跟蹤焊接點(diǎn)軌跡。

3.2 焊接機(jī)器人跟蹤平面彎曲焊縫過程

船舶焊接工作中，焊接機(jī)器人進(jìn)行大型結(jié)構(gòu)件的焊接時，常見的焊縫形式是平面曲線角焊縫，基于復(fù)合傳感器的焊接機(jī)器人首先對其進(jìn)行跟蹤實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)有：①平面彎曲焊縫跟蹤焊接實(shí)驗(yàn)。90度角焊縫，水平船形位置，初始偏差為0mm，且機(jī)器人方向與焊縫初始曲線切線方向一致，實(shí)驗(yàn)焊接標(biāo)準(zhǔn)為：焊接電流：190A，電壓：24.5V；焊接速度：24cm/min；焊炬旋轉(zhuǎn)掃描頻率：20Hz；旋轉(zhuǎn)半徑：3mm；保護(hù)氣體：85%Ar+15%CO2；保護(hù)氣流量：18L/min。②折線角焊縫是另一常見的焊縫形式之一。在折線角焊縫中以90度折線角焊縫最常見，由于作業(yè)空間狹窄，焊接難度最大[5]。因此，選擇該類型焊縫作為折線角焊縫的代表進(jìn)行復(fù)合傳感器焊接機(jī)器人焊縫跟蹤焊接點(diǎn)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)焊接標(biāo)準(zhǔn)為，焊接電流：190A，電壓：24.5V；焊接速度：24cm/min；焊炬旋轉(zhuǎn)掃描頻率：20Hz；旋轉(zhuǎn)半徑：3mm；保護(hù)氣體：85%Ar+15%CO2；保護(hù)氣流量18L/min，初始偏差為0mm。

3.3 焊接機(jī)器人轉(zhuǎn)彎情況分析

機(jī)器人進(jìn)行船舶焊接工作時，當(dāng)焊縫折角較小時，傳感器可獨(dú)立完成折角的識別工作，如圖5所示。

當(dāng)兩焊縫折角較大時，為了避免機(jī)器人與焊接零件的非必要碰觸，機(jī)器人需在焊槍位于位置A時進(jìn)行轉(zhuǎn)彎動作，此種情況下，單一的傳感器無法完成轉(zhuǎn)彎動作測定工作，需借助復(fù)合傳感器[6]。

式中，a為焊縫折線角，D、E為不同距離的兩個傳感器，Lcws為小車轉(zhuǎn)彎半徑，Lsd為傳感器間的距離，Lsg為傳感器與焊槍位置間的距離，Lswd1與Lswd2為兩距離傳感器的值。船舶焊接工作中，機(jī)器人除需對內(nèi)折線角焊縫進(jìn)行跟蹤外，還需對外折線角焊縫進(jìn)行跟蹤，單純依靠D、E兩處的傳感器無法準(zhǔn)確探測出轉(zhuǎn)角位置，解決此類情況，需在焊接機(jī)器人的前部加裝一個探測焊槍一側(cè)障礙距離變化的傳感器或?qū)處的傳感器旋轉(zhuǎn)90度即可。

4 結(jié)語

船舶焊接技術(shù)是船舶工業(yè)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，隨著傳感器技術(shù)與焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，基于復(fù)合傳感器的焊接機(jī)器人的智能化已經(jīng)成為機(jī)器人焊接的重要方向，在船舶焊接工作中應(yīng)用基于復(fù)合傳感器的焊接機(jī)器人能夠使得焊接機(jī)器人在進(jìn)行船舶焊接工作時最大程度上實(shí)現(xiàn)對不同焊接工作的自動化跟蹤、自動化識別以及自動化校正，對于焊接機(jī)器人的發(fā)展以及傳感器復(fù)合化使用均有著重要的推動作用，能夠?yàn)閲掖靶袠I(yè)的發(fā)展提供焊接技術(shù)支持，對于提升船舶焊接穩(wěn)定性和焊接效率，促進(jìn)船舶焊接領(lǐng)域焊接工作的智能化有著重要意義。