爬行式弧焊機器人.doc

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______________________________________________________________________________________________________________ 工業(yè)機器人 姓名： 班級： 學號： 爬行式弧焊機器人 摘要：本文介紹爬行式弧焊機器人結(jié)構(gòu)光三維視覺傳感器的傳感原理、系統(tǒng)組成和設計依據(jù)。用會聚透鏡和柱透鏡組合產(chǎn)生線長35～ 40 mm、線寬1 mm 的光紋投向焊縫, 熱敏電阻組成橋式自功控溫電路,用5 L /s 流量的空氣(或氬氣) 吹開煙塵、蒸汽和飛濺物等, 微型CCD 攝像機加裝窄帶濾光片攝像, 經(jīng)二值化、圖像分割和中心取樣等圖像處理并計算出偏移量送控制系統(tǒng)引導爬行機器人正確施焊。 關鍵詞: 弧焊機器人; 爬行機構(gòu); 焊縫跟蹤; 圖像處理 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 processing 1. 引言 焊接是一種勞動強度比較大、工作環(huán)境比較惡劣的工藝方法。在焊接過程中伴隨著弧光、輻射、高溫及大量的飛濺和煙塵出現(xiàn)。在這樣的惡劣環(huán)境，對工人 的身體健康影響極大。但是隨著人類社會不斷進步，人們對生活質(zhì)量和工作環(huán)境的要求愈來愈高；同時科學技術(shù)和工藝水平的發(fā)展，大型重要構(gòu)件的焊接越來越多，僅僅依靠手工焊接是難于滿足焊接質(zhì)量和焊接效率的要求。用機器人代替人的操作是人類夢寐以求的理想。因此開發(fā)具有智能化的機器人以取代人在危險惡劣環(huán)境下難以完成的工作，一直是科研工作者致力解決的課題之一。 弧焊機器人主要應用于各類汽車零部件的焊接生產(chǎn)。在該領域，國際大 型工業(yè)機器人生產(chǎn)企業(yè)主要以向成套裝備供應商提供單元產(chǎn)品為主。本公司主要從事弧焊機器人成套裝備的生產(chǎn)，根據(jù)各類項目的不同需求，自行生產(chǎn)成套裝備中的機器人單元產(chǎn)品，也可向大型工業(yè)機器人企業(yè)采購并組成各類弧焊機器人成套裝備。在該領域，本公司與國際大型工業(yè)機器人生產(chǎn)企業(yè)既是競爭亦是合作關系。 弧焊機器人 圖1 弧焊機器人是焊接自動化發(fā)展的主要方向, 在汽車制造、工程機械等產(chǎn)業(yè)已有廣泛的應用。目前應用的大都是示教再現(xiàn)型弧焊機器人, 無法適應焊接過程中焊縫的變形、工件本身及其裝備的不一致, 因而限制了其在大型油罐、船舶和壓力管道等結(jié)構(gòu)件中的應用。為了對復雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品具有良好的適應性和高質(zhì)量的焊接加工, 迫切需要提高它的智能水平[ 1 ]。 　　傳感技術(shù)是提高弧焊機器人智能水平的關鍵技術(shù)之一。結(jié)構(gòu)光三維視覺傳感[ 2 ]以其大量程、大視場和光紋圖像信息提取簡單等特點, 近年來得到廣泛的 應用。本文研究了適用于爬行式弧焊機器人的結(jié)構(gòu)光三維視覺傳感器。 　　適合全位置焊接的、能夠在直壁、曲面等焊件上行走施焊的爬行式弧焊機器人, 其任務是解決生產(chǎn)實際中包括曲面焊在內(nèi)的全位置焊接自動化, 完成生產(chǎn) 現(xiàn)場豎焊、橫焊和曲面焊等焊接[ 3 ]。它的工作環(huán)境對視覺傳感器而言是非常惡劣的, 強烈的弧光干擾幾乎淹沒光紋圖樣, 燃燒的氣體、飛濺的鐵屑塵埃影響焊縫圖像信息的提取, 高溫輻射要求對激光器和CCD進行冷卻降溫, 爬行的運動方式又要求整個傳感器的結(jié)構(gòu)緊湊、體積小重量輕。為此, 我們在光源功率、波長選擇、光紋生成方法、圖像處理技術(shù)及CCD 選型和冷卻防塵等方面進行了大量的研究。 2. 爬行機器人系統(tǒng)構(gòu)成 爬行式弧焊機器人的系統(tǒng)構(gòu)成主要由移動機構(gòu)、圖象傳感系統(tǒng)、控制電路以及計算機信息處理控制系統(tǒng)組成，如圖! 所示。移動機構(gòu)是機器人的運動動力系統(tǒng)；圖象傳感系統(tǒng)與計算機信息處理系統(tǒng)組成焊縫識別系統(tǒng)，以識別焊縫；控制電路與計算機控制系統(tǒng)組成焊縫跟蹤系統(tǒng)，以實現(xiàn)焊縫跟蹤。 2.1移動機器人的結(jié)構(gòu) 全位置爬壁機器人須具備兩個基本功能：吸附功能和移動功能。爬壁機器人按照吸附方式可分為空氣吸附式和磁吸附式兩種；按照移動方式可分為輪式、履帶式、步行式三種。表! 和表’ 分別比較了不同的吸附方式和移動方式的爬壁機器人的性能優(yōu)缺點。本文所研究的機器人是用來在壁面、球面、管道等曲面上爬行焊接。必須具有較強的壁面適應能力和 承載能力。履帶式移動結(jié)構(gòu)由多個鏈節(jié)連成，接觸面積大，壁面適應能力強。爬壁焊接機器人的作業(yè)表面多為鐵磁性材料，選擇磁吸附方式可以達到機器人結(jié)構(gòu)緊湊，吸附力大的效果。為了便于機器人在完成作業(yè)時能夠容易脫離工作表面，采用電磁鐵吸附可以達到對磁吸力的控制。在鏈節(jié)上設置內(nèi)力補償式可變吸附體，與運動相對獨立，使得履帶塊運動時能自由脫 離壁面，靜止時又能夠提供足夠大的吸附力。因而本文爬壁機器人是采用雙履帶電磁鐵結(jié)構(gòu)，每條履帶上均勻分布二十個電磁鐵，工作中始終保證有八塊磁塊與壁面處于良好的吸附狀態(tài)。該結(jié)構(gòu)具有承載能力大，驅(qū)動功耗小，路面適應能力強的優(yōu)點，既能安全的吸附于壁面，又能以最小的力矩完成靈活運動，代表了新一代爬壁機器人的發(fā)展方向。 2.2 移動機器人的驅(qū)動 本機器人系統(tǒng)是采用兩輪獨立驅(qū)動的雙履帶結(jié)構(gòu)。由于直流電機具有啟動力矩大，動態(tài)性能好，調(diào)速范圍寬和控制較為簡單等一系列優(yōu)點，因此在該移動機器人實驗裝置中，采用了兩臺直流伺服電機分別作為兩履帶輪的驅(qū)動單元，包括帶有減速齒輪的直流電機、伺服放大器以及用作速度反饋的旋轉(zhuǎn)光碼盤。它們提供轉(zhuǎn)動時所需要的轉(zhuǎn)速和力矩。通過調(diào)節(jié)兩履帶輪的轉(zhuǎn)速來控制車體的運行速度和轉(zhuǎn)動角速度，使機器人能夠按照所要求方向和速度移動，完成前進、后退、按曲率半徑回轉(zhuǎn)及原地轉(zhuǎn)向等動作，但是僅僅依靠改變兩輪的速度是不能讓焊炬達到完全跟蹤焊縫的要求，因而在移動機器人的本體上附有十字滑塊機構(gòu)。這樣通過改變機器人兩履帶輪速度對焊炬進行粗調(diào)，通過十字滑塊的移動來達到對焊炬進行微調(diào)，從而達到焊炬完全跟蹤焊縫目的。 2.3 圖像傳感系統(tǒng) 履帶智能弧焊機器人的圖像傳感系統(tǒng)主要是用來檢測焊炬與焊縫中心位置的偏差，為焊縫跟蹤控制系統(tǒng)提供偏差輸入信息。研究和發(fā)展自動化、智能化焊接過程控制系統(tǒng)是保證焊接質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件的重要手段。為達到機器人自動跟蹤焊縫這一目的，首先需要獲得焊縫信息，識別焊縫。對于結(jié)構(gòu)化環(huán)境下工作的機器人，其工作路徑相對固定，可以通過離線編程或示教再現(xiàn)的方式實現(xiàn)路徑規(guī)劃。而爬壁機器人多在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中作業(yè)，機器人本體在不斷運動，同時其作業(yè)環(huán)境惡劣、作業(yè)對象存在很強的不確定性，因此必須實現(xiàn)作業(yè)路徑自主規(guī)劃。據(jù)統(tǒng)計從獲取信息的()*是來自視覺，隨著計算機、信號處理等技術(shù)的快速發(fā)展使得機器人以人類視覺的方式獲取環(huán)境信息成為了可能。這應使爬壁機器人能夠以視覺信息為基礎自主規(guī)劃作業(yè)方案、獲取作業(yè)過程中所需要的信息。本系統(tǒng)選用了激光傳感器，由激光發(fā)生器與$$% 攝像機組成，采用結(jié)構(gòu)光作輔助光源的主動式視覺傳感器，用一條光束投射到焊縫上&工件表面位置的差異使得光在焊縫上產(chǎn)生形變；用攝像機攝取形變后的結(jié)構(gòu)光，檢測其圖中光帶的形變位置，即可推算出焊縫的形狀；在標定攝像機、光源及工件距離后，可求出焊縫的實際三維位置，從而計算出我們控制系統(tǒng)中所需要的偏差量。這個偏差信息經(jīng)過控制系統(tǒng)運算后，驅(qū)動控制電路，使爬行機器人的運動得到校正，從而形成 焊縫偏差跟蹤閉環(huán)控制。 2.4控制系統(tǒng) 爬行機器人應用于焊接領域，是解決焊接自動化的一項重要課題。在焊接自動化中，需要解決的兩個主要問題是焊縫識別和焊縫跟蹤的設計。焊縫識別上面已經(jīng)討論過，而焊縫跟蹤的設計首先需要解決爬行機器人速度閉環(huán)控制，然后根據(jù)焊縫偏差信息對爬行機器人進行糾偏控制。 2.4.1速度閉環(huán)控制 由于焊接環(huán)境的復雜性，爬行機器人經(jīng)常要爬升和下降進行焊接，這就使兩個車輪電機的負載發(fā)生變化，使爬行機器人不能載著焊槍勻速運動，這必然影響焊接的質(zhì)量。而且由于焊縫經(jīng)常會出現(xiàn)是曲線形狀，形狀各異，焊縫的寬度、深度不同這樣就使爬行機器人需要依靠兩輪的速度不等來轉(zhuǎn)向拐彎，調(diào)整機器人的方位，以便實時跟蹤焊縫、進行焊接。所以有必要對爬行機器人進行速度閉環(huán)控制，使其速度有可調(diào)控制。速度控制電路框圖如圖2 所示。 2.4.2 焊縫跟蹤控制 由于焊接過程是一個高度非線性、多變量作用，同時具有隨機不確定性因素的存在，決定了對焊接過程的焊縫跟蹤等問題變得非常困難。而且履帶式爬行弧焊機器人系統(tǒng)模型是非常復雜，運動比較復雜，既有滑動又有滾動出現(xiàn)；既有雙履帶輪的運動控制，又有十字滑塊 上下左右運動控制，閉環(huán)控制中的每個環(huán)節(jié)都比較復雜。但是若采用經(jīng)典的()% 控制理論和現(xiàn)代控制理論設計一個控制系統(tǒng)，事先都需要知道被控對象的精確的數(shù)學模型，但這對履帶式爬行機器人系統(tǒng)來說是比較困難的。所以經(jīng)典控制理論控制手段幾乎無法有效地應用到本系統(tǒng)的控制過程中。而模糊控制技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展無疑給解決這一難題提供了新的思路和方法。模糊控制實質(zhì)上是由計算機去執(zhí)行操作人員的控制策略，因而可以避免復雜的數(shù)學模型。對于非線性、大滯后和帶有隨機干擾的系統(tǒng)，()% 控制往往會出現(xiàn)失效，然而采用模糊 控制則較易實現(xiàn)。()% 控制超調(diào)量大，并帶有振蕩，相反模糊控制對輸入量的突然變化并不敏感，較之()% 控制不僅對被控對象參數(shù)適應能力強，而且對模型結(jié)構(gòu)發(fā)生較大改變的情況下，在所有工作點上都能做到較穩(wěn)定的控制。模糊控制能夠獲得較好的控制效果。對于履帶式智能弧焊機器人系統(tǒng)而言，模糊控制原理可描述為：根據(jù)焊槍與焊縫中心偏離的誤差及其變化率來判定焊槍相對焊縫目前位置及其將動作的趨勢，進而確定焊車兩輪的速度變化。因此，把焊槍與焊縫中心偏差和偏差變化率作為模糊控制器的輸入，兩履帶輪的驅(qū)動電機的輸入電壓作為模糊控制器的輸出。所以該模糊控制器是兩輸入雙輸出系統(tǒng)。其控制框圖如圖# 所示： 3　結(jié)構(gòu)光三維視覺傳感器的組成 3. 1　傳感原理 圖1 為爬行式弧焊機器人結(jié)構(gòu)光三維視覺傳感器的傳感原理示意圖。激光器經(jīng)光學系統(tǒng)形成一光片, 與CCD 鏡頭保持一定角度投向搭接焊件, CCD鏡頭垂直焊件, 因而像面上將得到反映激光器相對焊件的三維位置信息的折線, CCD 拍攝的光紋圖樣經(jīng)計算機處理, 計算出正確位置, 就可以引導與傳感器固定在一起的焊槍正確施焊。 圖1　傳感原理 Fig. 1　Pr inc iple of sensor 3. 2　系統(tǒng)組成 考慮到弧焊過程的環(huán)境及機器人的爬行運動方式, 視覺傳感器要求整機結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理、重量輕、體積小、外表美觀和使用方便。其包含4 個系統(tǒng): 1) 激光光紋系統(tǒng)能產(chǎn)生明亮均勻的光片, 投射到距鋼板60 mm 到100 mm 處時, 產(chǎn)生線長35 mm～ 45mm、線寬約1 mm 的光紋; 2) 圖像攝入系統(tǒng)能即時攝取激光光紋二維圖像, 窗口大小合適。為了排除雜光弧光干擾、鏡頭前要安裝窄帶濾光片; 3) 降溫吹灰系統(tǒng)能吹開弧焊時的煙塵、蒸汽和飛濺, 具有降溫及溫度自功控制功能。當激光器和CCD 攝像機溫度高于40 ℃時, 斷開激光器電源; 4) 圖像處理系統(tǒng)能即時采集并處理圖像, 計算出焊炬對焊縫的偏移量, 引導執(zhí)行機構(gòu)實時糾偏, 保證焊接質(zhì)量。 3.3　結(jié)構(gòu)光三維視覺傳感器的設計 爬行式弧焊機器人結(jié)構(gòu)光三維視覺傳感器的激光光紋生成系統(tǒng)要解決激光器波長、功率的選定, 要研制聚光系統(tǒng)使光紋在工作距離內(nèi)達到一定的線長和線寬?？紤]到焊接開始時, 工件安裝定位, 需要用可見光引導確定焊槍位置, 我們參考了GT IG 焊的光譜分布情況[ 4 ] , 對弧光光譜進行研究。一般來講, 弧焊光譜由原子光譜、離子光譜和連續(xù)譜組成, 弧光是不連續(xù)成份, 熔池金屬輻射光是連續(xù)成份。圖2 是GTAW工藝、焊接電流50 A 和弧長3 mm 情況下低碳鋼陽極的電弧光譜線分布?？梢钥闯? 整個譜線是在較低的連續(xù)譜上疊加了許多不連續(xù)的譜線, 這些不連續(xù)的譜成份即弧光成份, 而在600～ 700 nm 波長區(qū)間弧光成份較低。因此, 在600～ 700 nm 區(qū)間開一窗口,就可以避開大部分的弧光干擾。為此, 我們選用可見光波段650 nm 系列的半導體激光器, 考慮到各種坡口對結(jié)構(gòu)光的反射, 光源功率選擇30 m W。 圖2　譜線分布 Fig. 2　Spectrum distribution 　 線結(jié)構(gòu)光的生成方法有多種, 如單縫法、柱透鏡法等。我們采用柱透鏡法。系統(tǒng)由會聚透鏡和材料為K9、5 13 mm 的柱透鏡形成。調(diào)節(jié)兩鏡之距, 使其能 在60～ 100mm 工作面上產(chǎn)生線長35～ 40mm、線寬1 mm 的光紋。 　　爬行式機器人的工作姿勢是多樣的, 它要完成平焊、立焊等全位置工作, 特別是在立焊和仰焊時, 要克服重力的作用, 所以機身上荷重有限, 這就要求傳感器盡量體積小、重量輕。為此, 我們選用JC2BS629 型CCD 攝像機, CCD 圖像區(qū)域5. 78mm ×4. 19mm , 自動曝光時間1/60～ 1/15 000 s, 鏡頭前加裝窄帶濾光片。濾光片強度透過率> 50 % , 半寬< 10 nm。并確保濾光片中心波長與激光器波長一致。 　　為了保證半導體激光器和CCD 攝像機能正常工作, 我們設計了降溫吹灰系統(tǒng)。利用5 L /s 流量的空氣(或氬氣) 吹入傳感器盒內(nèi), 然后從鏡頭前噴出, 以 吹開煙塵、蒸汽、飛濺物等。自功控溫電路如圖3。用熱敏電阻組成橋式自動控溫電路, 當傳感器盒內(nèi)溫度高于40 ℃時, 斷開傳感器電源, 伺服系統(tǒng)失去光條紋信號后, 控制焊接電源熄弧。 圖3　自動控溫電路 Fig. 3　Temperature auto controller 　CCD 攝取的圖像信號經(jīng)圖像采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后, 經(jīng)二值化、圖像分割和中心取樣等處理, 提取位置信息, 通過計算, 確定出當前焊槍相對焊縫的位 置偏差, 然后通過D/A 卡輸出給運行機構(gòu), 引導正確施焊。 　　半導體激光器、CCD 攝像機、自動控溫電路、熱敏電阻及導氣管等緊湊安裝在鋁合金盒內(nèi), 將其安裝在爬行機構(gòu)上。圖4 為爬行機構(gòu)及視覺傳感器。 圖4　視覺傳感器及爬行機構(gòu) Fig. 4　Vis ion sen sor and crawl machine 3.4結(jié)構(gòu)光三維視覺傳感器傳感實驗 　圖5 是結(jié)構(gòu)光三維視覺傳感器對V 型坡口的傳感實驗照片[ 5 ]。我們看到, 經(jīng)中心取樣后,V 型坡口的特征圖樣已經(jīng)很清楚地顯示出來, 左邊水平線段比右邊長, 反映了對中偏差, 即焊槍偏右了。V 字頂點到水平直線段的距離反映了深度信息, 若激光器與CCD 光軸成A°夾角, 則深度為這段距離與夾角反正 切的值之積。計算機在確定了V 字頂點及2 條直線段各兩端共5 個頂點的像素位置后, 就可以計算出縫寬及對中偏差值, 然后轉(zhuǎn)換為經(jīng)過標定的實際值后, 便可輸送到運行機構(gòu)驅(qū)動電機實現(xiàn)自動跟蹤。 圖5　V 型坡口埋弧焊光紋處理圖片 Fig. 5　Photo of l ight- tr ip on SAW V groove 　 圖6 是結(jié)構(gòu)光三維視覺傳感器對3 mm 厚扳材搭接弧焊的傳感實驗照片, 焊接電壓V = 21 V , 電流I = 125 A , 采樣時間T = 0. 2 s, 對比度80, 亮度 134[ 6 ]。我們看到, 經(jīng)中心取樣后, 搭接焊的特征圖樣已經(jīng)很清楚地顯示出來, 左邊水平線段比右邊長, 反映了對中偏差, 即焊槍偏右了。 圖6　搭接坡口弧焊光紋處理圖片 Fig. 6　Photo of l ight- tr ip on lap 4.結(jié)論 本文詳細地介紹了我們自行制的非完整兩履帶移動機器人系統(tǒng)的構(gòu)成及其控制系統(tǒng)。該履帶式智能弧焊機器人具有適應性強、智能化程度高的特點?？梢詫崿F(xiàn)從手工焊接到自動化焊接的轉(zhuǎn)變；實現(xiàn)從固定底座焊接機器人到移動式焊接機器人的轉(zhuǎn)變；實現(xiàn)從有軌焊接到無軌焊接機器人的轉(zhuǎn)變。對其運動與吸附機構(gòu)的設計，傳感技術(shù)的選擇，控制決策智能化技術(shù)的研究，及其在焊接領域的成功應用，必將有力地推動機器人制造與控制技術(shù)的發(fā)展。 參　考　文　獻 [1 ]　金　鋒, 等1115 Lm 人眼安全激光測距技術(shù)設計[J ]1 光電子·激光, 1998, 6 (5) : 4392441. 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