超长筒段内壁螺旋焊缝跟踪打磨控制研究*

钱 晨 李芳昕 文珊珊 陈 艳 匡婷玉 张 勇 赵维刚

(①上海航天设备制造总厂有限公司，上海 200245;②上海航天工艺与装备工程技术研究中心，上海 200245)

随着气体绝缘开关设备GIS 和气体绝缘金属封闭输电线路GIL技术在国内外被广泛应用[1]，其主体部分大口径铝合金管需求量越来越大，在电力领域年产值达到8 亿元左右，使用铝卷螺旋焊接的大口径铝合金螺旋管长达18 m，需要进行内外壁焊接飞边打磨，其中人工内壁打磨效率低、环境恶劣及打磨质量差，而市场上并没有符合要求的打磨加工装备，因此设计全自动打磨装备成为必然，其中内壁螺旋线焊缝的打磨更是此装备的重点。

为满足此螺旋管的加工要求，针对内壁螺旋线焊缝的精确跟踪打磨，本文设计了焊缝精确跟踪的控制方法，结合速度匹配和视觉图像补偿等方法，建立了实时跟踪检测机制。

经国内外调研，基于视觉识别的打磨应用技术应用广泛，文献[2]将视觉相机与缺陷检测结合在一起，建立了全自动打磨工作站。文献[3]将视觉相机与毛坯检测结合在一起，拟合出磨削边缘，从而建立了复杂打磨轨迹。文献[4-7]亦将轨迹规划与视觉相机相结合，从而获取机器人运行路径。视觉检测方式分为主动光视觉和被动光视觉[8]。激光视觉检测方式是一种主动光视觉技术，此方式能够更好地捕捉待焊接的边沿和高低差等三维信息，经过调研激光跟踪方式更多地应用于焊接过程，而非打磨过程中[9]。当前所设计的被动式视觉相机检测技术更适合于打磨应用，优点在于受干扰小、体积小、成本低，在当前的应用中更具优势。

本文将结合控制方案设计、软硬件设计及相关的实验验证，实现超长筒段内壁螺旋焊缝精确跟踪打磨的目的。

1 控制方案设计

焊缝的形状是圆柱内壁螺旋线，如图1所示，螺旋线对应方程为[10]：

(1)

其中：a为圆柱的半径；P为螺距；ω为筒段运动时的角速度。为了实现内壁螺旋打磨，设计了导向杆，导向杆前端固定了柔顺打磨工具，导向杆以Vz的速度前进，筒段以n的速度旋转，带动打磨工具前进，在筒段内壁形成与焊缝重叠的螺旋线轨迹，其速度匹配的对应方程为：

Vz=nP

(2)

针对上述内壁螺旋焊缝，设计了打磨控制方案，在打磨开始前通过视觉系统预存焊缝起点的图像作为模板，运行过程中筒段旋转速度及打磨头的前进速度相匹配，形成焊缝打磨轨迹，同时实时获取焊缝的图像，与起点图像的模板进行对比，在该偏移量超过阈值的情况下，在线实时修正该偏移量，进而实现螺旋线焊缝的高精度、高效率的自动打磨。

2 控制系统设计

为实现内壁打磨控制需求，设计控制系统如图2所示，包括上位机系统、控制器、伺服驱动、伺服电机、输入输出模块、报警阀、限位开关、视觉控制器、相机、模拟量模块、柔顺压紧系统和旋转编码器等[11]。上位机系统分别与运动控制器、视觉控制器相连接。运动控制器将各轴、各IO状态及位置信息反馈至上位机系统，运动控制器与伺服驱动、输入输出模块、模拟量模块及旋转编码器等相连接；伺服驱动接收控制指令控制电机运动，并检测电机位置进行反馈；输入输出模块接收输出指令进行输出控制，同时反馈输入的变化；模拟量模块接收控制指令，控制柔顺压紧系统并反馈压紧信息；旋转编码器检测筒段的转速，将实际转速反馈至运动控制器。视觉控制器与相机相连接，接收相机的图形进行分析，通过算法比对获得相应的偏移情况，反馈至上位机系统。

3 焊缝跟踪设计

焊缝跟踪设计结合旋转编码器的反馈和视觉检测反馈两种检测手段，形成了全闭环的跟踪方案，如图3所示。

系统运行过程中，筒段的旋转是依靠表面阻力驱动的，驱动电机反馈的位置信息是电机自带编码器的位置信息，并不能反映筒段的真实位置，为了真实反馈筒段的旋转速度，以防旋转过程中存在打滑或停滞的情况，设计了一个旋转编码器，用于真实反馈筒段的旋转速度。运行过程中，判断旋转编码器的反馈速度是否与电机输出的速度相匹配，若前者反馈速度为0，则停止打磨，排除异常；若旋转速度小于设定的速度，则调整进给的速度，使进给的速度匹配旋转的速度，以继续加工。

同时，在系统运行过程中，控制系统发送指令驱动相机启动视觉检测，在视觉控制器内进行图像处理。在应用视觉检测系统前，通过Halcon标定获得二维图像与世界坐标系中物体的对应关系，并将焊缝起始点的图像标定为模板图片[12]。实时图像处理过程如图4所示，实时图片经过图像预处理、边缘提取算法、直线拟合等，获得当前焊缝中心线的位置。Halcon算子的处理过程如下：

read_image(Image,’image’)//读取图像

equ_histo_image(Image,ImageEquHisto)

//直方图均衡

mean_image(Image:ImageMean:MaskWidth,MaskHeight)//滤波

sobel_amp(Image,EdgeAmplitude,’sum_abs’,3)//边缘提取

select_shape_xld(SelectedXLD,SelectedXLD1,’phi’,’and’,0.1,0.1)

fit_line_contour_xld(SelectedXLD1,’huber’,-1,0,5,2,RowBegin,ColBegin,RowEnd，ColEnf，Nr，Nc，Dist)//直线拟合

将当前的焊缝中心线位置L′与模板图片的中心线位置L进行偏差计算，获得相应的偏差值ΔL反馈至控制系统，如式(3)所示[13]。控制系统根据判断结果驱动执行机构进行修正,系统内将|ΔL|与阈值LTH进行比较，若|ΔL|小于阈值LTH，则不作处理；若|ΔL|大于等于阈值LTH，则进行修正，修正方向通过ΔL的正负确认，修正结束后继续控制焊缝识别反馈，形成焊缝跟踪闭环设计。阈值LTH由砂带的覆盖宽度LSHA与焊缝LHAN的宽度决定，如式(4)所示。

ΔL=L-L′

(3)

LTH=1/2(LSHA-LHAN)

(4)

自动加工软件控制流程设计如图5所示。控制系统完成初始化上电操作，系统确认通讯是否正常；通讯正常的情况下，进行筒段调平，将筒段吊至装备[14]的固定基座上进行调平，调平后控制气缸固定；调平后，标定打磨起始点，启动主动托架的电机，旋转筒段，使得焊缝起始点位于筒段圆形面最下方中心点；然后启动导向机构，使得打磨头前进至焊缝打磨的起始点，使得打磨砂带的中心点与筒段对应的焊缝中心线重合；此时启动自动运行程序，打磨启动，柔顺装置换向，打磨砂带与焊缝表面接触，同时以匹配的速度启动前进和旋转电机，开启内壁螺旋焊缝打磨，打磨过程中启动旋转编码器监测和视觉监测，调节进给速度与之匹配，若检测速度有问题，则停止打磨，排查异常，同时根据检测的焊缝偏移量，进行在线补偿，直至打磨完成。

5 实验验证

基于上述设计过程，搭建实物验证平台，选用西门子数控系统、伺服电机、编码器、输入输出模块、自制的柔顺压紧系统和视觉控制系统等硬件系统。硬件框图如图6所示，配置表如表1所示。视觉相机选用的参数如表2所示。打磨的焊缝宽度为30 mm左右，视野范围在100～200 mm内，经分析相机选用松下的400万像素的黑白相机，选择定焦镜头的焦距是16 mm，其安装的最佳距离为323 mm，相应的分辨率为73.2 μm/像素，标准视野范围是15 mm×150 mm，满足实验所需精度要求。

表1 硬件配置列表

表2 相机配置列表

调试过程中，首先建立西门子系统与各伺服电机之间的以太网通讯，为实现螺旋焊缝跟踪打磨功能，设计双通道NC程序，以实现旋转与进给同步功能[15]。程序段1是通道1内进给轴程序，实现打磨头旋转与导向杆进给功能；程序段2是通道2内筒段旋转功能。通道1内通过指令START(2)启动通道2内的程序，通过WAITM(1,1,2)实现同步，铝管开始旋转，此时打磨头SP1以某一速度旋转，Z轴前进；打磨头以类似攻丝的程序CYCLE840运行，实现螺旋管的打磨目的；打磨结束后，再以3 000 mm/s的速度往回退出至安全位置，完成一遍打磨功能。通道2内筒段的旋转利用1个虚拟轴实现，4个真实轴通过指令TRAILON跟随虚拟轴运动，从而确保电机同步。在系统运行过程中，若焊缝位置发生偏移，通过程序段3进行修正。通过输入变量判断进给轴将要偏移的方向，然后驱动Z轴移动偏移量R进行位置修正。

程序段1：

通道1内进给轴程序：

START(2)

WAITM(1,1,2)

M1=3 S1=50

G95

CYCLE840(-3009,-3009,0,-1500,,0.001,0,4,11,,1410,0,1,0,,,,,1001,2)

G94

G01Z100F3000

M00

M30

程序段2：

通道2内筒段旋转程序：

WAITM(1,1,2)

TRAILON(C1,C)

TRAILON(C2,C)

TRAILON(C3,C)

TRAILON(C4,C)

M03S0.9

M00

WAITE(1)

M30

程序段3：

进给Z轴TRACK程序：

ID=1 WHENEVER $A_IM[1]==1 DO MOV[Z]=1

ID=1 WHENEVER $A_IN[2]==1 DO MOV[Z]=-1

ID=1 WHENEVER $A_IN[3]==1 DO FA[Z]=R

调试完毕后，进行工艺实验，打磨所用砂带及打磨实验数据如表3所示。砂带宽度根据打磨头的设计定制为60 mm，目数挑选3种类型进行实验，分别是80、120和150，材料为堆积氧化铝，打磨采用恒力方式，压力设置为200～250 N，电机旋转速度实验范围为1 000～1 500 mm/s,打磨前进速度实验范围在0～200 mm/s。经实验分析，采用打磨工艺参数为砂带目数120，打磨压力250 N，电机旋转速度1 500 mm/s，前进速度为50 mm/s,可获得符合工艺需求的最佳效果。

表3 打磨砂带配置列表

6 结语

本文针对超长筒段内壁螺旋焊缝打磨需求，提出了筒段速度、图像检测等多重反馈的全闭环控制方案的研究，解决了筒段内壁焊缝打磨过程中精确跟踪的难题，并通过实验搭建了软硬件控制系统，验证了实时焊缝跟踪的打磨效果，研究表明，此方案可有效应用于此类特殊打磨需求中。