楊翠珠

(北方民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院,寧夏 銀川 750021)

0 引言

隨著全球自動化及智能機器人技術(shù)的不斷發(fā)展,焊接機器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工焊接已成為一種趨勢,自動化焊接使焊接產(chǎn)品的質(zhì)量得到提升,可靠性及穩(wěn)定性不斷增強,很大程度上提高了焊接效率。本文對自動化焊接技術(shù)進一步深入研究,設(shè)計基于雙目視覺的焊接機器人,對實現(xiàn)對大型鑄件復(fù)雜焊縫的自動化焊接,具有重要意義。

1 焊接機器人研究現(xiàn)狀及存在的問題

國外對焊接機器人技術(shù)研究較早。1997年,瑞典ASEA公司研制的LaserTrack視覺跟蹤系統(tǒng),對焊縫路徑不需提前進行示教,能夠自主尋找焊縫初始點并進行跟蹤,跟蹤精度為0.4 mm[1]。2019年,Bi D等[2]設(shè)計了一套基于雙目視覺定位系統(tǒng)的管-管焊接機器人,實現(xiàn)對焊縫的實時跟蹤及焊槍的精確定位。

相比較國外,我國研究人員對焊接機器人技術(shù)研究相對較晚,但在自動化焊接領(lǐng)域也取得了一定的研究成果。2017年,范明洋等[3]提出一種基于線結(jié)構(gòu)光的曲線焊縫自動化焊接技術(shù),具有良好的檢測精度。2021年,付瑤等[4]研究轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)中橫梁組成的內(nèi)腔焊縫自動化焊接技術(shù),創(chuàng)新了口字形焊法,實現(xiàn)自動化焊接。

焊接機器人技術(shù)發(fā)展迅速,但仍然存在很多問題,如對于焊接環(huán)境艱難、焊縫位置不易檢測識別的情況,尤其是對工廠大型鑄件復(fù)雜焊縫的焊接。由于鑄件較大且焊縫不易檢測識別,目前大多采用傳統(tǒng)的人工焊接方式,效率低且焊接產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定,因此,需要對相應(yīng)的焊接機器人技術(shù)進一步深入研究。

2 焊接機器人系統(tǒng)構(gòu)成及相關(guān)原理

2.1 焊接機器人系統(tǒng)

為解決復(fù)雜焊縫的自動化焊接問題,本文設(shè)計基于雙目視覺的焊接機器人系統(tǒng)。系統(tǒng)分為硬件部分和軟件部分。硬件部分為雙目相機、機械臂;軟件部分利用Python、OpenCV、Matlab等技術(shù)完成焊縫的自動化焊接。系統(tǒng)軟件實現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)流程

2.2 相關(guān)工作原理概述

系統(tǒng)主要完成焊縫的識別與定位工作。進行焊縫識別時,需先利用雙目相機拍攝焊縫圖像。相機成像模型中有四大坐標(biāo)系:像素坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系、相機坐標(biāo)系及世界坐標(biāo)系。通過這四大坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,以及相機成像模型確定目標(biāo)物體在空間中的三維坐標(biāo)和成像平面上對應(yīng)點的映射關(guān)系。

2.2.1 坐標(biāo)系的建立

(1) 像素坐標(biāo)系。

圖像中的像素點即圖像位置,屬于二維平面坐標(biāo)系,像素坐標(biāo)系的原點位于圖像左上角,原點為O(u,v),u、v軸表示像素點在像素坐標(biāo)系中的行數(shù)、列數(shù),單位為像素(pixel)。任意一點在像素坐標(biāo)系中可表示為(u,v)。

(2) 圖像坐標(biāo)系。

圖像坐標(biāo)系即物理坐標(biāo)系,原點為相機中心,與成像平面的交點O(u0,v0)也稱為主點,x、y軸方向與像素坐標(biāo)系坐標(biāo)軸方向相同,單位為mm,任一點可表示為(x,y)。

(3) 相機坐標(biāo)系。

以相機光心為原點建立的坐標(biāo)系,屬于三維坐標(biāo)系,XC、YC軸方向與圖像坐標(biāo)系方向一致,ZC軸為相機的光軸,與圖像坐標(biāo)系平面垂直,各個坐標(biāo)軸可用右手坐標(biāo)系規(guī)則確定,空間一點在相機坐標(biāo)系中可表示為(XC,YC,ZC)。

(4) 世界坐標(biāo)系。

真實物體存在的坐標(biāo)系,又稱大地坐標(biāo)系。通常為了方便計算,將圖像左下角設(shè)為世界坐標(biāo)系原點OW,單位為mm?？臻g中任一點在世界坐標(biāo)系中可表示為(XW,YW,ZW)。

2.2.2 坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)化

雙目視覺系統(tǒng)中,通過四大坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換,可以實現(xiàn)圖像中任意一點的三維重建。假設(shè)空間中一點P,像素坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(u,v),圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(x,y),相機坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(XC,YC,ZC),世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(XW,YW,ZW)。

(1)

(2)

式(2)中,M0為相機內(nèi)參矩陣,M1為相機外參數(shù)矩陣,其中,旋轉(zhuǎn)矩陣R為兩坐標(biāo)系之間得相對位姿,T為相機基線長度。

2.2.3 焊縫檢測識別

本系統(tǒng)對焊縫進行檢測識別時,需要先對圖像進行預(yù)處理操作,如直方圖均衡化、灰度對數(shù)變換、雙邊濾波等。進行檢測識別時,可采用Blob算法檢測、LOG算子檢測、Canny邊緣檢測算子等檢測算法,具體根據(jù)焊縫特征選取檢測算法,本文采用LOG算子檢測,能較為準(zhǔn)確地對焊縫進行檢測識別。

2.2.4 焊縫軌跡規(guī)劃

本系統(tǒng)實現(xiàn)對焊縫的檢測識別后,還需對焊縫進行軌跡規(guī)劃,確定焊縫在機器人基坐標(biāo)系下的空間軌跡方程,實現(xiàn)機器人對焊縫的自動化焊接。焊接機器人的軌跡規(guī)劃分為關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃和笛卡爾空間軌跡規(guī)劃,主要方法有多項式差值、曲線擬合等方法。本文采用多項式插值法,結(jié)合焊縫的描述方程及運動學(xué)相關(guān)約束條件,確定焊縫的軌跡方程。

3 焊接機器人的發(fā)展及應(yīng)用

近年來,各個國家對科學(xué)技術(shù)越發(fā)重視,機器人的研究水平也成為各國科學(xué)技術(shù)水平重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)。因此,需要對焊接機器人的發(fā)展趨勢及工業(yè)應(yīng)用進行研究與分析。

3.1 焊接機器人的發(fā)展趨勢

3.1.1 智能化發(fā)展

目前,智能化發(fā)展已經(jīng)成為我國自動化焊接技術(shù)的重要發(fā)展方向,將智能控制技術(shù)融合到自動化焊接技術(shù)中,保證生產(chǎn)過程快速、穩(wěn)定地進行,實現(xiàn)焊接過程的智能化。

3.1.2 網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展,焊接機器人系統(tǒng)中融入計算機網(wǎng)絡(luò)體系,進一步增強焊接過程的自動化管理,實現(xiàn)自動化焊接過程的一體化控制。同時,當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障無法正常運行時,計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控排查故障問題,并及時采取相應(yīng)的解決措施。

3.1.3 高效化發(fā)展

焊接機器人對產(chǎn)品進行焊接時,不僅要考慮焊接速度,還要保證焊接質(zhì)量,傳統(tǒng)的手工焊接難以滿足這兩個要求。而焊接機器人不僅能實現(xiàn)批量化焊接,還能保證焊接產(chǎn)品的質(zhì)量,實現(xiàn)焊接過程的精準(zhǔn)控制,效率高且穩(wěn)定可靠。

3.2 焊接機器人的工業(yè)應(yīng)用

3.2.1 智能化焊接專機

智能化焊接專機為一定形狀的焊接接頭,焊接特定工件的焊接機器人,主要融合視覺傳感器技術(shù)和自動化焊接技術(shù)。智能化焊接專機通過視覺傳感器實時獲取焊接產(chǎn)品信息,并利用計算機軟件技術(shù),進行智能控制,實現(xiàn)自動化焊接。目前,由于智能化焊接專機焊接產(chǎn)品的質(zhì)量難以得到保證,因此有待進一步提高。

3.2.2 自動化焊接機器人

隨著焊接行業(yè)對自動化焊接技術(shù)的要求不斷提高,智能化焊接專機已不能滿足當(dāng)代社會的焊接要求,此時焊接效率更高,焊接質(zhì)量更好的焊接機器人逐漸發(fā)展起來,并在焊接領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。焊機機器人作為一種多功能、可重復(fù)編程的自動控制操作機,不僅提高了焊接產(chǎn)品的生產(chǎn)效率,實現(xiàn)穩(wěn)定、高質(zhì)量焊接,還縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期,改善了工人的勞作強度,同時減少了相應(yīng)設(shè)備的投資。

4 結(jié)語

焊接機器人技術(shù)在各個行業(yè)廣泛應(yīng)用,發(fā)揮著越來越重要的作用。本文就焊接機器人研究現(xiàn)狀進行分析,并針對工廠大型鑄件復(fù)雜焊縫焊接困難問題,設(shè)計基于雙目視覺的自動化焊接系統(tǒng),概述相關(guān)原理以及焊接機器人的發(fā)展趨勢及工業(yè)應(yīng)用。研究表明高效率、高質(zhì)量的自動化焊接機器人為大型鑄件復(fù)雜焊縫的自動化焊接、批量化生產(chǎn)確定了方向。