激光焊接机器人焊缝跟踪方法.doc

激光焊接机器人焊缝跟踪控制方法 陈智龙 120160033摘要：当前激光焊接机器人在实际的工业生产中应用的越来越广泛，在汽车制造业以及其他机器制造业激光焊接机器人在生产中的作用也越来越大。如何提高焊接机器人的焊缝精度问题以及控制焊缝轨迹已成为激光焊接机器人发展的首要难题。关键词：激光焊接机器人；焊缝轨迹；控制0引言 激光作为焊接和切割的新手段应用于工业制造，具有很大发展潜力。在国际汽车工业领域，激光加工技术已广泛得到了应用，激光切割与焊接逐渐成为标准的汽车车身生产工艺国内也已积极推广应用，但目前主要还是以引进成套激光加工设备为主，用于激光钎焊、激光渗透焊、激光对接焊、白车身激光三维切割和激光金属零件表面热处理1. 由于成本考虑，有些汽车厂家则直接进口国外激光加工的零部件为提升我国汽车制造的技术能力，我们应依靠国内技术能力，自主创新，在更广范围和更深层次上，加快激光加工在制造业的应用发展车身在整车制造中占有重要地位，不仅车身成本占整车的4050，而且对汽车安全、节能、环保和快速换型有重要影响。 人口老龄化不断逼近，各制造业工厂着手进行技术改造工程设计，采用了许多工业机器人，以提高生产线的柔性程度为基础，为制造厂家提供了生产产品多样化，更新转型的可能性以上汽大众汽车车身生产车间为例，机器人能独立完成工件的移动搬运、输送、组装夹紧定位，可完成工件的点焊、弧焊、激光焊、打磨、滚边、涂胶等工作有的工位上把上件、夹具、工具以机器人为中心布置，以便机器人能完成多个工序，实现多品种、不同批量的生产自动化采用机器人使焊接生产线更具柔性化、自动化，使多种车身成品可在一条车身装焊生产线上制造，实现多车型混线生产因此，焊接生产线必须很容易地因产品结构、外形的改变而改变，具有较高的柔性程度2。由于柔性车身焊接生产线可以适应汽车多品种生产及换型的需要，是汽车车身制造自动化的必然趋势，特别是进入上世纪90年代以后，各大汽车厂家都在考虑车身焊接生产线柔性化。1激光焊接与自动控制技术焊接机器人在汽车装焊生产线上采用的数量及机器人类型（载荷能力、自由度数、工作方式等），反映焊接生产线柔性程度和生产水平。为充分发挥激光加工精益、敏捷和柔性的技术优势，基于激光的安全特性，以工业机器人为基础，将激光设备与工业机器人、安全工作场所进行软硬件耦合是激光技术工业应用的解决方案。在汽车生产工厂，一个比较完整的激光焊工位包含的主要设备有8种：Laserline激光源、Fnius送丝机构、高精度KUKA机器人、Scansonic-ALO自适应激光加工镜头、QS400激光加工镜组防撞系统、LLK激光光缆、Rediel加工镜头外部冷却设备、Herding激光工位除尘设备这么多的关键设备，是如何将其通过工业自动控制联系到一起，使其能够自如地按照人们的思想进行生产呢？高精度KUKA机器人是个关键点KUKA机器人是一种多用途的机器人，具有良好的加速性能，重复精度可达0.35mm，因此，它广泛应用在汽车行业进行自动焊接方。KUKA机器人之所以是激光焊接众多设备投入工业生产的关键，是因为在PLC控制柜和机器人附属设备之间通过IBS卡（见图1）起了呈上启下的作用，IBS卡安装在KUKA-PC主板PCI卡槽上，有Slave卡和Master卡两张卡片耦合而成.在Laser-line激光发生器中，与PLC/KUKA的通讯模块同样以Interbus为基础（见图2）. 图一 KUKA工业机器人IBS卡 图二 Lserline激光发生器IBS模板2 焊缝跟踪的原理及方法 机器人视觉伺服控制3是当今智能机器人研究和发展的一个重要领域。与传统的机器人控制方法相比，机器人视觉伺服控制具有精度高实时性好、灵活性高等众多优点，在工业中得到更多的关注与应用，驱使机器人技术向智能化方向发展。机器人视觉伺服控制因其自身的优越性而在众多领域中得以应用，其中在机器人焊缝跟踪领域应用最广泛。目前，基于视觉传感器的机器人焊缝跟踪控制方法主要包括两种：视觉示教跟踪与自动跟踪。视觉示教跟踪指的是预先通过视觉传感器检测焊缝位置信息，然后指导离线编程系统完成轨迹规划。 但是该方法不能消除在焊接过程中因热变形而产生的动态误差，因此容易导致跟踪性能不佳。对于传统的自动跟踪方法，机器人能够通过视觉传感器感知外部环境的变化，实时地调整自身姿态和运动方向以较好地完成跟踪任务。国内外的学者已经在这方面进行了较多的研究。例如，Liu提出了一种基于激光视觉的机器人实时焊缝跟踪方法4，Ma提出了一种针对薄板对焊的焊缝跟踪方法。这些方法都表现出了较好的跟踪精度和稳定性，可是这些方法都只是适用于低速和焊缝近似为直线型的情况，在高速和焊缝为锯齿形等非纯直线型的情况下并没有进行讨论5。关于控制方法鲁棒性的研究，Kim曾指出一种具有鲁棒性的基于视觉的焊缝跟踪方法6，Huag也试图利用新的算法来消除焊接过程中产生的飞溅和强光对图像处理的影响7。国内陈忠也提出了一种基于线激光视觉的机器人焊缝跟踪鲁棒控制方法8。 机器人视觉焊缝跟踪系统由两部分组成，分别是工业机器人和基于线激光的视觉系统。其中工业相机和激光器均固定在计算机测量与控制机械手的末端，组成eye-in-hand手眼系统。焊缝轮廓的重建原理根据三角测量原理，对焊缝轮廓进行重建。如图3所示，当机器人向前运动时，激光器发射出一束线激光照射在焊缝表面，相机捕获得到变形的激光条纹图像。激光条纹的变形情况与焊缝的轮廓形状、激光器和工业相机的位置关系均有十分密切的关系。而且，激光条纹的形状偏差和不连续性与焊缝的深度息息相关。当激光器和工业相机的位置关系经过标定且保持不变时，焊缝轮廓的空间信息可通过激光条纹的图像坐标来获得9。 图3 系统框架图3 伺服控制方法 步骤一：焊缝轮廓预测量。为了更好地利用焊缝轮廓信息，可通过视觉系统预先对工件进行测量。首先控制机器人以较低的速度沿着焊缝的延伸方向运动，然后使固定在机械手末端的相机开始捕获图像，并将识别出的特征点进行坐标变换，将空间坐标信息传送到控制器中。该过程需要确保相机和工件在一个合适的距离范围内以保证特征点能始终出现在相机的视场中。另外，为了获得更多的焊缝轮廓点以求取更精确的轮廓信息，机器人的运动速度也需控制在较低的范围内。最后预测量得到的焊缝轮廓将以点数据的形式保存在控制器的数据存储器中。步骤二：拐点识别与拐角辨认。如图所示，焊缝轮廓由拐角与直线段组成。因为当机器人运动到拐角处时容易出现视野盲区或发生速度突变，进而影响跟踪的准确性与运动的稳定性，因此为了获得更好的跟踪性能，应在不同的轮廓段使用不同的控制策略。为了辨认拐角区域的位置，因此为了获得更好的跟踪性能，应在不同的轮廓段使用不同的控制策略。为了辨认拐角区域的位置，需快速有效地对拐点进行识别。首先，在直线段上任意选取个均匀分布的点并拟合成一条直线，然后按顺序计算出其他各点到该拟合直线的距离。当某一点与拟合直线之间的距离大于设定阈值，而与它相邻的前一个点与拟合直线的距离小于或等于设定阈值时，该点就被识别为拐点，而与拐点相邻的前后个点所覆盖的区域则被认为是拐角区域。 图4 锯齿形焊缝工件 步骤三：实时焊缝跟踪。机器人会根据视觉系统的检测和判断进行跟踪运动。每一次的检测循环都会识别一个特征点，该特征点在这过程中也被称为检测点。检测过后系统会进行判断，并根据不同的轮廓部分采用不同的控制策略。具体的流程如图所示。在轮廓为直线段的部分，因为两个检测点之间的轮廓可以近似认为是一条直线，因此可以用简单的直线插补进行插补运动。为了使机器人的运动更加稳定，在两个相邻的检测点之间插补合适个数的插补点以确保相邻的运动点之间的距离足够小。该运动点指的是输入到控制器中的数据点。机器人在进行实时焊缝跟踪时，由于相邻的两个检测点之间的距离会随着运动速度的增加而增大，因此在拐角处使用直线插补会导致运动轨迹与实际工件轮廓不符，产生变形失真问题，且速度越大变形失真越严重。为了避免变形失真问题，系统在拐角处将不再单纯地使用直线插补，而是将检测点与存储在数据存储器中的预测量焊缝轮廓数据点进行比较，截取一部分合适的数据点作为当前拐角处的轮廓，并在下一个检测循环到来之前，控制机器人根据辨认的数据点进行运动。 4结束语激光焊接不仅可以使车身结构设计中有效降低材料消耗，简化车身结构，减轻车身质量，更容易实现车身焊接的自动化和智能化10上汽大众汽车是国内率先使用白车身激光焊接的，在激光焊接领域的研究也不曾停止从最先推广的通快激光发生器到现在最新最前沿的二极管激光发生器的使用，上汽大众汽车不曾对中国汽车生产工业技术的革新停止步伐激光焊接作为一种先进制造方法，加之工业机器人结构的模块化和可重构化、控制技术的开放化、P C化和网络化、伺服驱动技术的数字化和分散化、多传感器融合技术的实用化、工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面不断发展，激光自动焊接技术将在国内会带动工业制造其他领域的发展，前景广阔。参考文献1刘彬，许立铭. Laserline激光发生器在KUKA机器人系统中的应用J. 上海交通大学学报.2016.2我国激光产业发展报告R.2003,2.4Liu S Y, Liu L T , et al. Study of robot steam tracking system with laser vision A. IEEE international conference on mechatronics and automation C. 2009: 1296-1301.5Ma H B , Wei S C, Sheng Z X, et al. Robot Welding seam tracking method based on passive vision for thin plate closed-gap butt welding J.International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2009, 48(9-12)6Kim J S,Son Y T, Cho HS, et al. A robust method for vision based seam tracking in robotic are weldingA,IEEE international conference on mechatronics and automation C.19957Huag K,Pritschow G,Reducing distortions caused by the welding are in a laser stripe sensor system for automated seam trackingA.Proceedings of the IEEE international conference on mechatronics and automation C.19998陈忠，邓汛. 基于线激光视觉的机器人焊缝跟踪鲁棒控制方法J. 计算机测量与控制， 2016.9肖珺，何京文，张广军，等. 不同型号双焊接机器人协调控制 J.上海交通大学学报，2010.10崔文旭，机器人在汽车焊接生产线柔性化中的应用J. 焊接技术，2003.32（5）.