爬行式弧焊机器人.docx

1、爬行式弧焊机器人本文介绍爬行式弧焊机器人构造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3540 mm、线宽1mm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（或氯气）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。1. 引言焊接是一种劳动强度比拟大、工作环境比拟恶劣的工艺方法。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 的身体安康影响极大。但是随着人类社会不断进步，人们对生活质量和工

2、作环境 的要求愈来愈高；同时科学技术和工艺水平的开展，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。强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给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，根据各类工程的不同需求，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

3、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开展的主要方向，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 道等构造件中的应用。为了对复杂构造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。构造光三维视觉传感 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构造光三维视觉传感器。适合全位置焊接的、能够在直

4、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进展冷却降温，爬行的运 动方式又要求整个传感器的构造紧凑、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展了 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

5、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移动机器人的构造全位置爬壁机器人须具备两个根本功能：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！和表分别比拟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。履带式移动构造由多个链节连成，接触面积大，壁面适应能力强。爬 壁焊接机器人的

6、作业外表多为铁磁性材料，选择磁吸附方式可以到达机器人构造 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外表， 采用电磁铁吸附可以到达对磁吸力的控制。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 电磁铁构造，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。该构造具有承载能力大，驱动功耗小，路面适应能力 强的优点，既能平安的吸附于壁面，又能以最小的力矩完成灵活运动，代表了新 一代爬壁机器人的开展方向。2.2移动机器人的驱动本机器人系统是采用

7、两轮独立驱动的双履带构造。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应的旋转光码盘。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 到达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展粗调，通过十

8、字滑块的移动来到达对焊 炬进展微调，从而到达焊炬完全跟踪焊缝目的。2.3图像传感系统履带智能孤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。研究和开展自动化、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 到达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。对于构 造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构造化环境中作业，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

9、统计从获取信息的()*是来自视觉，随着计算机、信号处理 等技术的快速开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根底自主规划作业方案、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，采用构造 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&工件外表位置的 差异使得光在焊缝上产生形变；用摄像机摄取形变后的构造光，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

10、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展纠偏控制。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展焊接，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

11、不等来转向拐弯，调整机器人的 方位，以便实时跟踪焊缝、进展焊接。所以有必要对爬行机器人进展速度闭环控 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，运动比拟复杂，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拟复杂。但是假设采用经典的0% 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准确的 数学模型，但这对履带式爬行机器人系统

12、来说是比拟困难的。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 开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，因而可以防止复杂的数学模型。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，然而采用模糊控制那么较易实现。（）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 构造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

13、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构造光三维视觉传感器的组成1传感原理图1为爬行式弧焊机器人构造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

14、与传感器固定在 一起的焊枪正确施焊。图1传感原理Fig. 1 Pr 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构 造紧凑、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 mm45mm、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，窗口大小适宜。为了排除杂光孤光干扰、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

15、度高于40笆时，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构造光三维视觉传感器的设计爬行式弧焊机器人构造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到达一定的线长和线宽。 考虑到焊接开场时，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 ,对弧光光谱进展研究。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

16、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600700 nm波长区间弧光 成份较低。因此，在600700 nm区间开一窗口，就可以避开大局部的弧光干 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 对构造光的反射，光源功率选择30 m Wo图2谱线分布Fig. 2 Spectrum distribution线构造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60100mm工作面上产生线长3540

17、【nm、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，要克制重力的作用，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 X4. 19mm ,自动曝光时间1/601/15 000 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5L/s流量的空气（或氯气）吹入传感器盒内，然后从镜头前喷出，以 吹开烟尘、蒸汽、飞

18、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笆时，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. 3 Temperature 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. 4 Vis ion sen sor and crawl machine3. 4构造光三维视觉传感器传感实验图5是构造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