爬行式弧焊机器人.doc

_ 工业机器人 姓名： 班级： 学号： 爬行式弧焊机器人摘要：本文介绍爬行式弧焊机器人结构光三维视觉传感器的传感原理、系统组成和设计依据。用会聚透镜和柱透镜组合产生线长35 40 mm、线宽1 mm 的光纹投向焊缝, 热敏电阻组成桥式自功控温电路,用5 L /s 流量的空气(或氩气) 吹开烟尘、蒸汽和飞溅物等, 微型CCD 摄像机加装窄带滤光片摄像, 经二值化、图像分割和中心取样等图像处理并计算出偏移量送控制系统引导爬行机器人正确施焊。关键词: 弧焊机器人; 爬行机构; 焊缝跟踪; 图像处理Abstract:M ake use of combinat ion of assemble lens and co lumns lens to produce ligh t veins of 35 40mm length and 1 mm w idth w hich is thrown to weld seam. Therm isto r compo ses of bridge2type electric circuit w h ich conto ls temperature automat ically.The rate of flow ing of 5 L /s blow s fumes, steam and splash th ing etc. M inni CCD is added narrow 2tape filter ligh t p late to take p icture, through image processing such as 2 valuemelt ing, image cut t ing, cent ral samp ling and calculate deviation to send to control system,w h ich guides craw ling robo t to w eld correctly.Key words:Arcw lding robo t; Craw lmachine; Weld seam tracking; Image processing1. 引言 焊接是一种劳动强度比较大、工作环境比较恶劣的工艺方法。在焊接过程中伴随着弧光、辐射、高温及大量的飞溅和烟尘出现。在这样的恶劣环境，对工人的身体健康影响极大。但是随着人类社会不断进步，人们对生活质量和工作环境的要求愈来愈高；同时科学技术和工艺水平的发展，大型重要构件的焊接越来越多，仅仅依靠手工焊接是难于满足焊接质量和焊接效率的要求。用机器人代替人的操作是人类梦寐以求的理想。因此开发具有智能化的机器人以取代人在危险恶劣环境下难以完成的工作，一直是科研工作者致力解决的课题之一。弧焊机器人主要应用于各类汽车零部件的焊接生产。在该领域，国际大 型工业机器人生产企业主要以向成套装备供应商提供单元产品为主。本公司主要从事弧焊机器人成套装备的生产，根据各类项目的不同需求，自行生产成套装备中的机器人单元产品，也可向大型工业机器人企业采购并组成各类弧焊机器人成套装备。在该领域，本公司与国际大型工业机器人生产企业既是竞争亦是合作关系。 弧焊机器人 图1弧焊机器人是焊接自动化发展的主要方向, 在汽车制造、工程机械等产业已有广泛的应用。目前应用的大都是示教再现型弧焊机器人, 无法适应焊接过程中焊缝的变形、工件本身及其装备的不一致, 因而限制了其在大型油罐、船舶和压力管道等结构件中的应用。为了对复杂结构产品具有良好的适应性和高质量的焊接加工, 迫切需要提高它的智能水平 1 。传感技术是提高弧焊机器人智能水平的关键技术之一。结构光三维视觉传感 2 以其大量程、大视场和光纹图像信息提取简单等特点, 近年来得到广泛的应用。本文研究了适用于爬行式弧焊机器人的结构光三维视觉传感器。适合全位置焊接的、能够在直壁、曲面等焊件上行走施焊的爬行式弧焊机器人, 其任务是解决生产实际中包括曲面焊在内的全位置焊接自动化, 完成生产现场竖焊、横焊和曲面焊等焊接 3 。它的工作环境对视觉传感器而言是非常恶劣的, 强烈的弧光干扰几乎淹没光纹图样, 燃烧的气体、飞溅的铁屑尘埃影响焊缝图像信息的提取, 高温辐射要求对激光器和CCD进行冷却降温, 爬行的运动方式又要求整个传感器的结构紧凑、体积小重量轻。为此, 我们在光源功率、波长选择、光纹生成方法、图像处理技术及CCD 选型和冷却防尘等方面进行了大量的研究。2. 爬行机器人系统构成 爬行式弧焊机器人的系统构成主要由移动机构、图象传感系统、控制电路以及计算机信息处理控制系统组成，如图! 所示。移动机构是机器人的运动动力系统；图象传感系统与计算机信息处理系统组成焊缝识别系统，以识别焊缝；控制电路与计算机控制系统组成焊缝跟踪系统，以实现焊缝跟踪。 2.1移动机器人的结构 全位置爬壁机器人须具备两个基本功能：吸附功能和移动功能。爬壁机器人按照吸附方式可分为空气吸附式和磁吸附式两种；按照移动方式可分为轮式、履带式、步行式三种。表! 和表 分别比较了不同的吸附方式和移动方式的爬壁机器人的性能优缺点。本文所研究的机器人是用来在壁面、球面、管道等曲面上爬行焊接。必须具有较强的壁面适应能力和承载能力。履带式移动结构由多个链节连成，接触面积大，壁面适应能力强。爬壁焊接机器人的作业表面多为铁磁性材料，选择磁吸附方式可以达到机器人结构紧凑，吸附力大的效果。为了便于机器人在完成作业时能够容易脱离工作表面，采用电磁铁吸附可以达到对磁吸力的控制。在链节上设置内力补偿式可变吸附体，与运动相对独立，使得履带块运动时能自由脱离壁面，静止时又能够提供足够大的吸附力。因而本文爬壁机器人是采用双履带电磁铁结构，每条履带上均匀分布二十个电磁铁，工作中始终保证有八块磁块与壁面处于良好的吸附状态。该结构具有承载能力大，驱动功耗小，路面适应能力强的优点，既能安全的吸附于壁面，又能以最小的力矩完成灵活运动，代表了新一代爬壁机器人的发展方向。2.2 移动机器人的驱动 本机器人系统是采用两轮独立驱动的双履带结构。由于直流电机具有启动力矩大，动态性能好，调速范围宽和控制较为简单等一系列优点，因此在该移动机器人实验装置中，采用了两台直流伺服电机分别作为两履带轮的驱动单元，包括带有减速齿轮的直流电机、伺服放大器以及用作速度反馈的旋转光码盘。它们提供转动时所需要的转速和力矩。通过调节两履带轮的转速来控制车体的运行速度和转动角速度，使机器人能够按照所要求方向和速度移动，完成前进、后退、按曲率半径回转及原地转向等动作，但是仅仅依靠改变两轮的速度是不能让焊炬达到完全跟踪焊缝的要求，因而在移动机器人的本体上附有十字滑块机构。这样通过改变机器人两履带轮速度对焊炬进行粗调，通过十字滑块的移动来达到对焊炬进行微调，从而达到焊炬完全跟踪焊缝目的。2.3 图像传感系统 履带智能弧焊机器人的图像传感系统主要是用来检测焊炬与焊缝中心位置的偏差，为焊缝跟踪控制系统提供偏差输入信息。研究和发展自动化、智能化焊接过程控制系统是保证焊接质量，提高生产效率，改善劳动条件的重要手段。为达到机器人自动跟踪焊缝这一目的，首先需要获得焊缝信息，识别焊缝。对于结构化环境下工作的机器人，其工作路径相对固定，可以通过离线编程或示教再现的方式实现路径规划。而爬壁机器人多在非结构化环境中作业，机器人本体在不断运动，同时其作业环境恶劣、作业对象存在很强的不确定性，因此必须实现作业路径自主规划。据统计从获取信息的()*是来自视觉，随着计算机、信号处理等技术的快速发展使得机器人以人类视觉的方式获取环境信息成为了可能。这应使爬壁机器人能够以视觉信息为基础自主规划作业方案、获取作业过程中所需要的信息。本系统选用了激光传感器，由激光发生器与$% 摄像机组成，采用结构光作辅助光源的主动式视觉传感器，用一条光束投射到焊缝上&工件表面位置的差异使得光在焊缝上产生形变；用摄像机摄取形变后的结构光，检测其图中光带的形变位置，即可推算出焊缝的形状；在标定摄像机、光源及工件距离后，可求出焊缝的实际三维位置，从而计算出我们控制系统中所需要的偏差量。这个偏差信息经过控制系统运算后，驱动控制电路，使爬行机器人的运动得到校正，从而形成焊缝偏差跟踪闭环控制。2.4控制系统 爬行机器人应用于焊接领域，是解决焊接自动化的一项重要课题。在焊接自动化中，需要解决的两个主要问题是焊缝识别和焊缝跟踪的设计。焊缝识别上面已经讨论过，而焊缝跟踪的设计首先需要解决爬行机器人速度闭环控制，然后根据焊缝偏差信息对爬行机器人进行纠偏控制。2.4.1速度闭环控制 由于焊接环境的复杂性，爬行机器人经常要爬升和下降进行焊接，这就使两个车轮电机的负载发生变化，使爬行机器人不能载着焊枪匀速运动，这必然影响焊接的质量。而且由于焊缝经常会出现是曲线形状，形状各异，焊缝的宽度、深度不同这样就使爬行机器人需要依靠两轮的速度不等来转向拐弯，调整机器人的方位，以便实时跟踪焊缝、进行焊接。所以有必要对爬行机器人进行速度闭环控制，使其速度有可调控制。速度控制电路框图如图2 所示。 2.4.2 焊缝跟踪控制 由于焊接过程是一个高度非线性、多变量作用，同时具有随机不确定性因素的存在，决定了对焊接过程的焊缝跟踪等问题变得非常困难。而且履带式爬行弧焊机器人系统模型是非常复杂，运动比较复杂，既有滑动又有滚动出现；既有双履带轮的运动控制，又有十字滑块上下左右运动控制，闭环控制中的每个环节都比较复杂。但是若采用经典的()% 控制理论和现代控制理论设计一个控制系统，事先都需要知道被控对象的精确的数学模型，但这对履带式爬行机器人系统来说是比较困难的。所以经典控制理论控制手段几乎无法有效地应用到本系统的控制过程中。而模糊控制技术的产生和发展无疑给解决这一难题提供了新的思路和方法。模糊控制实质上是由计算机去执行操作人员的控制策略，因而可以避免复杂的数学模型。对于非线性、大滞后和带有随机干扰的系统，()% 控制往往会出现失效，然而采用模糊控制则较易实现。()% 控制超调量大，并带有振荡，相反模糊控制对输入量的突然变化并不敏感，较之()% 控制不仅对被控对象参数适应能力强，而且对模型结构发生较大改变的情况下，在所有工作点上都能做到较稳定的控制。模糊控制能够获得较好的控制效果。对于履带式智能弧焊机器人系统而言，模糊控制原理可描述为：根据焊枪与焊缝中心偏离的误差及其变化率来判定焊枪相对焊缝目前位置及其将动作的趋势，进而确定焊车两轮的速度变化。因此，把焊枪与焊缝中心偏差和偏差变化率作为模糊控制器的输入，两履带轮的驱动电机的输入电压作为模糊控制器的输出。所以该模糊控制器是两输入双输出系统。其控制框图如图# 所示： 3结构光三维视觉传感器的组成3. 1传感原理图1 为爬行式弧焊机器人结构光三维视觉传感器的传感原理示意图。激光器经光学系统形成一光片, 与CCD 镜头保持一定角度投向搭接焊件, CCD镜头垂直焊件, 因而像面上将得到反映激光器相对焊件的三维位置信息的折线, CCD 拍摄的光纹图样经计算机处理, 计算出正确位置, 就可以引导与传感器固定在一起的焊枪正确施焊。 图1传感原理 Fig. 1Pr inc iple of sensor3. 2系统组成考虑到弧焊过程的环境及机器人的爬行运动方式, 视觉传感器要求整机结构紧凑、布局合理、重量轻、体积小、外表美观和使用方便。其包含4 个系统:1) 激光光纹系统能产生明亮均匀的光片, 投射到距钢板60 mm 到100 mm 处时, 产生线长35 mm 45mm、线宽约1 mm 的光纹; 2) 图像摄入系统能即时摄取激光光纹二维图像, 窗口大小合适。为了排除杂光弧光干扰、镜头前要安装窄带滤光片; 3) 降温吹灰系统能吹开弧焊时的烟尘、蒸汽和飞溅, 具有降温及温度自功控制功能。当激光器和CCD 摄像机温度高于40 时, 断开激光器电源; 4) 图像处理系统能即时采集并处理图像, 计算出焊炬对焊缝的偏移量, 引导执行机构实时纠偏, 保证焊接质量。3.3结构光三维视觉传感器的设计爬行式弧焊机器人结构光三维视觉传感器的激光光纹生成系统要解决激光器波长、功率的选定, 要研制聚光系统使光纹在工作距离内达到一定的线长和线宽。考虑到焊接开始时, 工件安装定位, 需要用可见光引导确定焊枪位置, 我们参考了GT IG 焊的光谱分布情况 4 , 对弧光光谱进行研究。一般来讲, 弧焊光谱由原子光谱、离子光谱和连续谱组成, 弧光是不连续成份, 熔池金属辐射光是连续成份。图2 是GTAW工艺、焊接电流50 A 和弧长3 mm 情况下低碳钢阳极的电弧光谱线分布。可以看出, 整个谱线是在较低的连续谱上叠加了许多不连续的谱线, 这些不连续的谱成份即弧光成份, 而在600 700 nm 波长区间弧光成份较低。因此, 在600 700 nm 区间开一窗口,就可以避开大部分的弧光干扰。为此, 我们选用可见光波段650 nm 系列的半导体激光器, 考虑到各种坡口对结构光的反射, 光源功率选择30 m W。 图2谱线分布 Fig. 2Spectrum distribution 线结构光的生成方法有多种, 如单缝法、柱透镜法等。我们采用柱透镜法。系统由会聚透镜和材料为K9、5 13 mm 的柱透镜形成。调节两镜之距, 使其能在60 100mm 工作面上产生线长35 40mm、线宽1 mm 的光纹。爬行式机器人的工作姿势是多样的, 它要完成平焊、立焊等全位置工作, 特别是在立焊和仰焊时, 要克服重力的作用, 所以机身上荷重有限, 这就要求传感器尽量体积小、重量轻。为此, 我们选用JC2BS629 型CCD 摄像机, CCD 图像区域5. 78mm 4. 19mm , 自动曝光时间1/60 1/15 000 s, 镜头前加装窄带滤光片。滤光片强度透过率 50 % , 半宽 10 nm。并确保滤光片中心波长与激光器波长一致。为了保证半导体激光器和CCD 摄像机能正常工作, 我们设计了降温吹灰系统。利用5 L /s 流量的空气(或氩气) 吹入传感器盒内, 然后从镜头前喷出, 以吹开烟尘、蒸汽、飞溅物等。自功控温电路如图3。用热敏电阻组成桥式自动控温电路, 当传感器盒内温度高于40 时, 断开传感器电源, 伺服系统失去光条纹信号后, 控制焊接电源熄弧。 图3自动控温电路 Fig. 3Temperature auto controllerCCD 摄取的图像信号经图像采集卡转换成数字信号后, 经二值化、图像分割和中心取样等处理, 提取位置信息, 通过计算, 确定出当前焊枪相对焊缝的位置偏差, 然后通过D/A 卡输出给运行机构, 引导正确施焊。半导体激光器、CCD 摄像机、自动控温电路、热敏电阻及导气管等紧凑安装在铝合金盒内, 将其安装在爬行机构上。图4 为爬行机构及视觉传感器。 图4视觉传感器及爬行机构 Fig. 4Vis ion sen sor and crawl machine3.4结构光三维视觉传感器传感实验图5 是结构光三维视觉传感器对V 型坡口的传感实验照片 5 。我们看到, 经中心取样后,V 型坡口的特征图样已经很清楚地显示出来, 左边水平线段比右边长, 反映了对中偏差, 即焊枪偏右了。V 字顶点到水平直线段的距离反映了深度信息, 若激光器与CCD 光轴成A夹角, 则深度为这段距离与夹角反正切的值之积。计算机在确定了V 字顶点及2 条直线段各两端共5 个顶点的像素位置后, 就可以计算出缝宽及对中偏差值, 然后转换为经过标定的实际值后,便可输送到运行机构驱动电机实现自动跟踪。 图5V 型坡口埋弧焊光纹处理图片 Fig. 5Photo of l ight- tr ip on SAW V groove 图6 是结构光三维视觉传感器对3 mm 厚扳材搭接弧焊的传感实验照片, 焊接电压V = 21 V , 电流I = 125 A , 采样时间T = 0. 2 s, 对比度80, 亮度134 6 。我们看到, 经中心取样后, 搭接焊的特征图样已经很清楚地显示出来, 左边水平线段比右边长, 反映了对中偏差, 即焊枪偏右了。 图6搭接坡口弧焊光纹处理图片 Fig. 6Photo of l ight- tr ip on lap4.结论 本文详细地介绍了我们自行制的非完整两履带移动机器人系统的构成及其控制系统。该履带式智能弧焊机器人具有适应性强、智能化程度高的特点。可以实现从手工焊接到自动化焊接的转变；实现从固定底座焊接机器人到移动式焊接机器人的转变；实现从有轨焊接到无轨焊接机器人的转变。对其运动与吸附机构的设计，传感技术的选择，控制决策智能化技术的研究，及其在焊接领域的成功应用，必将有力地推动机器人制造与控制技术的发展。参考文献1 金锋, 等1115 Lm 人眼安全激光测距技术设计J 1光电子激光, 1998, 6 (5) : 4392441. 2 K Kato. 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