中厚板复杂焊缝机器人自动跟踪系统

袁海龙，刘建春，易际明，柯晓龙，林彦锋

（1.厦门理工学院机械与汽车工程学院，福建厦门361024；2.厦门思尔特机器人系统有限公司，福建厦门361023）

中厚板复杂焊缝机器人自动跟踪系统

袁海龙1，刘建春1，易际明1，柯晓龙1，林彦锋2

（1.厦门理工学院机械与汽车工程学院，福建厦门361024；2.厦门思尔特机器人系统有限公司，福建厦门361023）

针对中厚板复杂焊缝轨迹变化的不确定性、焊枪位姿难以实时调整的问题，开发了一套用于中厚板复杂焊缝自动焊接机器人自动跟踪系统。利用激光位移传感器采集复杂曲线焊缝信息，建立工件坐标系，根据采样点对焊缝路径进行函数拟合，使得焊缝路径的曲线轨迹变得圆滑连续。根据曲线轨迹函数采用齐次坐标变换矩阵实时改变焊枪位姿，并结合导轨和机器人的运动，完成复杂焊缝曲线轨迹的插补。根据多层多道焊的焊接工艺要求，确定各焊道的偏移量，实现轨迹再现，完成中厚板复杂焊缝的多层多道自动跟踪。

焊缝跟踪；曲线轨迹；激光位移传感器；齐次变换矩阵；多层多道焊

0 前言

当前中厚板广泛应用于各个领域，对其焊接自动化水平的要求也越来越高。在焊接结构件生产过程中，由于下料和装配误差等原因，造成工件坡口的位置和外形发生偏差、坡口路径发生弯曲等现象。对于一些结构复杂的工件如波纹板等，其焊接坡口也经常呈现复杂曲线变化。对于复杂的曲线焊缝而言，焊缝的位置以及路径的切线方向都呈不规则变化。而中厚板焊接焊枪姿态，如焊枪的行走角度等，对于控制焊缝成型尤为重要。目前，国内外学者在中厚板自动焊接方面的研究日益广泛，如韩国汉城国立大学研发基于激光位移传感器检测工件坡口特征点的焊接机器人系统，根据采集的特征点信息自动生成机器人焊接路径，实现了V型坡口多层多道焊的焊缝跟踪[1]。然而，针对焊接姿态控制方面的研究相对较少。湘潭大学的李湘文等人基于电弧传感采用多自由度焊接小车实现中厚板复杂焊缝的跟踪[2]；徐州工程学院党向盈等基于图像处理对焊缝采样点进行直线和圆弧拟合实现焊缝跟踪[3]。

在复杂的曲线焊缝焊接过程中，依靠调整焊枪的位置而不改变焊枪姿态会影响焊缝成型效果，不利于保证焊接质量。因此，本研究针对中厚板复杂曲线焊缝的机器人跟踪系统，可对曲线路径进行函数拟合并实时改变焊枪位置和姿态，使得焊枪的倾斜方向与焊缝路径切线方向重叠。克服了之前有关焊缝跟踪研究只改变焊枪位置而不改变焊枪姿态的缺点，保证了中厚板复杂轨迹的焊接质量。

1 坡口信息获取与坐标系建立

焊缝坡口信息的提取是机器人自动跟踪系统的前提。激光位移传感器采用激光技术测量工件与传感器的距离。它能实现无接触测量，相比传统的用于焊缝跟踪的接触传感器测量，其更精确且效率高。

1.1 二维激光位移传感器测量方法

系统采用二维激光位移传感器，其工作原理如图1所示。传感器中的激光发射器1发出激光经透镜2形成平面光幕，在工件坡口附近形成轮廓条纹3，工件坡口轮廓线产生漫反射经成像物镜4接收，并将采集到的坡口轮廓条纹信息投射到二维光电探测器5上。光电探测器5接收到的激光条纹尺寸与坡口轮廓条纹2的尺寸呈正比关系[4]，光电探测器5接收的轮廓条纹信息能够反映焊接工件表面的变化。对轮廓条纹各像素点信息进行处理，将坡口轮廓条纹各点在y方向上的位置坐标矩阵存储于y（i）中；相对应的各点在z方向的位置坐标矩阵存储于z（i）中。

1.2 工件坡口中心点的确定

工件坡口的几个拐点对于坡口识别、尺寸测量尤为重要，为了找出坡口拐点，需要获得斜率突变点[5]。采用平均斜率算法可获得各点的平均斜率

式中N为斜率平均因子，取N=5。坡口拐点的平均斜率相对于附近的点有较大突变。找出V型坡口的三个拐点，再结合拐点的高度，高度最低的拐点即为坡口中心点。

图1 传感器的结构以及测量原理

1.3 工件坐标系及辅助坐标系的建立

在工件坡口检测过程中，以焊缝起始点为原点、以导轨移动方向为x轴、垂直向上方向为z轴并根据右手定则确定y方向，建立焊接工件坐标系，如图2所示。工件坐标系的建立确立了坡口检测的初始位置以及实际焊接过程中机器人与导轨运动的基准坐标。

建立焊缝辅助坐标系Oixiyizi，其原点Oi位于当前扫描点，激光扫描坐标变换。沿焊缝基准线的法线方向为焊接方向（x向），垂直于工件表面的为z向。根据右手定则确定y方向。

在进行焊接时要实时转换焊缝辅助坐标系，使得工件坐标系x轴与焊缝切线保持一致。焊接过程中根据建立的辅助坐标系实时调整焊枪姿态。

2 复杂焊缝跟踪路径规划

中厚板复杂焊缝的自动跟踪最关键的问题就是焊缝的路径规划。实现坡口路径的自动规划，需要机器人系统准确识别坡口起始点位置；对于不确定的曲线路径检测，激光位移传感器扫描路径需要根据曲线坡口的变化趋势自适应偏移。中厚板复杂焊缝路径规划流程如图3所示。

2.1 焊缝起始点定位

由于工件的加工和装配误差，大批量的工件难以保证坡口起始点的位置一致，机器人难以进行正常焊接。应用机器人实现焊缝起始点的定位，大批量的工件焊接采用激光检测确定焊缝起始点位置是实现机器人自动跟踪的第一步。

图3 复杂焊缝路径规划流程

起始点定位包含在工件表面纵向和横向的定位，焊接机器人以工件坐标系中x轴和y轴方向在起始点附近前进或者后退时，激光传感器实时采集工件坡口截面的几何尺寸信息[6]，由于坡口起始点处尺寸会发生明显变化，采集坡口沿x方向上坡口深度的信息，当找出坡口深度变化的端面时则说明激光位移传感器完成了焊缝起始点的定位。系统则进入焊缝路径轨迹规划阶段。

2.2 焊缝路径离散点的提取

焊缝路径离散点的提取采用分段扫描选取焊缝路径的控制节点。激光位移传感器沿焊缝路径移动对V型坡口进行扫描，提取坡口最低点的位置坐标。由于复杂焊缝的方向变化未知，每次识别的坡口中心点焊缝切线方向都存在偏差[7]。因此，在激光扫描过程中需要实时改变行走路径。提取曲线路径控制节点示意如图4所示。

图4 提取曲线路径控制节点示意

（1）激光扫描从焊缝起始点O（x0，y0）以工件坐标系x轴方向向前移动一小段距离到寻找到下一个焊缝点O1（x1，y1）。

（2）从O1点（x1，y1）为起点起构建向量ai=（xixi-1，yi-yi-1），焊缝路径上的Oi点（xi，yi）以向量移动到Bi点，传感器投射以Bi点为中心、垂直于向量且长度为L的激光束。记录激光束中寻找到的最低点所对应的坐标（xi+1，yi+1）即为焊缝路径上的Oi+1点。继续以点（xi+1，yi+1）为起点构建向量ai+1=（xi+1-xi-1，yi+1-yi）寻找到焊缝上的点（xi+2，yi+2），一直到焊缝尾端。（x0，y0）、（x1，y1）、……、（xn，yn）为焊缝路径上的离散点。为焊缝路径的拟合提供了原始坐标数据。

2.3 焊缝路径离散点数据函数拟合

路径的曲线拟合是根据一组已知的离散点集（xi，yi）（i=0，1，2，…，n）确定的一条近似曲线尽量实现这些离散点在总体上接近曲线的方法。这条曲线称为数据（xi，yi）的拟合曲线。有多种插值运算，牛顿插值法是一种自适应插值运算[8]。本研究采用三点二次局部牛顿插值，可以获得较为精确的路径方程。

根据激光扫描得到的离散数据（xi，yi）（i=0，1，…，n），采用插值算法对离散数据进行插值拟合，计算出焊缝坐标x与y的近似函数。从而得到焊缝路径的近似曲线方程。

式（2）为f（x）关于节点xi-k，xi-k+1，…，xi的k阶均差。各离散点（xi，yi）的三点二次局部牛顿插值如式（3）所示。

曲线路径中，最后三点（xn-2，yn-2），（xn-1，yn-1），（xn，yn）组成的函数方程为

3 焊枪位置姿态调整

3.1 焊枪行走偏转角度

如图5所示，在实际焊接过程中，中厚板打底焊沿焊缝轨迹以一定的偏转角度θY行走，焊枪指向的方向必须与焊缝的切线方向重合。焊枪以焊缝起始位置方向垂直于工件表面的姿态为基准，根据给定的θY旋转焊枪行走。焊枪的倾斜方向要与焊缝的切线方向保持一致。以焊枪垂直于工件表面的姿态为基准，焊枪姿态采用齐次坐标变换绕y轴旋转角度θY。

图5 焊枪行走角度示意

3.2 焊缝轨迹插补

焊缝复杂轨迹的插补过程就是在曲线上找到若干个离散点，在相邻两个离散点之间用线段代替原曲线，当两点距离足够小时，各条线段形成的曲线逼近原曲线，插补选取的点集即为激光采集离散点集（xi，yi），插补算法是按导轨在x轴方向上以δx距离移动。机器人在y轴坐标以δy的偏移量调整，以达到复杂轨迹的插补；同时，根据轨迹函数的切线方向以夹角δθ实时调整焊枪姿态。

以工件坐标系为基准，焊接过程中焊枪位置和姿态相对于前一点做齐次坐标变换，齐次坐标变换矩阵如下：

整理后有

3.3 多层多道焊轨迹再现

中厚板焊接过程复杂，其焊接参数、焊接顺序、层数、道数、焊枪姿态等都不确定，对多层多道轨迹规划都有影响。中厚板多层多道焊焊缝填充策略通常采用每一层递增一道焊道进行焊接[9]。中厚板多层多道的路径规划需要根据已知的焊道轨迹进行平移和调整焊枪姿态。如图6所示，ΔY、ΔZ分别为以打底层为基准，焊枪在水平y方向和高低z方向的移动。θX为焊枪绕x轴的转动角度。

图6 多层多道焊枪姿态示意

如图6所示，可推断出焊缝位移增量ΔY、ΔZ分别为[9]：式中ΔYij、ΔZij为第i层第j道的水平增量和垂直增量；n为层数；mi为第i层共m道；Si为第i层每道焊缝的熔敷面积为坡口角度。

由于x轴偏转量θX直接影响焊缝成形中的熔深、熔宽，θX通常根据现场经验给定。以打底层焊接为基准，焊枪移动和偏转的齐次坐标变换矩阵为：

整理后有

4 试验

试验工件采用数控铣削加工一条部分直线、部分圆弧的曲线，坡口角度60°，由于采用数控铣削根据三维模型自动加工，能够降低加工误差，保证实际工件路径与三维模型的一致。通过试验提取机器人与导轨运动插补点，分析各路径插补点与三维模型路径的误差，得出焊缝跟踪精度。

根据中厚板焊接成形要求，工件采用三层六道焊，各焊道的焊枪位置和姿态规划如表1所示。

表1 各焊道焊枪偏移量及转动角度

根据拟合的坡口尺寸变化模型并采用合理的焊接参数进行实际焊接操作，焊接结果符合中厚板焊缝成形的质量要求。图7a为打底层焊接之后的焊道，分析打底层路径各插补点偏离实际轨迹的误差得出焊缝跟踪精度如图7c所示。三层六道焊成型效果如图7b所示，焊缝成形美观满足焊接要求。打底层焊接路径上各插补点与实际工件的误差收敛于±0.15mm之间，满足跟踪精度的要求。

图7 焊接试验效果

5 结论

（1）应用机器人自动跟踪技术检测工件坡口位置和外形的偏差，通过激光扫描提取焊缝离散点，采用函数拟合出焊缝轨迹方程。根据焊缝轨迹方程进行插补运算实时调整焊枪姿态。经实验验证，经系统规划的焊接路径与实际误差较小。较为精确的完成复杂焊缝的自动跟踪。

（2）根据机器人运动学运用齐次坐标变换矩阵完成机器人沿焊缝轨迹位置和姿态的实时调整。并结合中厚板焊接层数、道数及焊枪角度等参数的决策，实现中厚板复杂焊缝的多层多道焊接。

[1]Doyoung Chang，Donghoon Son，Jungwoo Lee，etal.A new seam-trackingalgorithm through characteristic-pointdetection foraportableweldingrobot[J].Roboticsand Computer-Integrated Manufacturing，2012，28（1）：1-13.

[2]李湘文.中厚板复杂轨迹焊缝跟踪的关键技术研究[D].湖南：湘潭大学，2012.

[3]党向盈，杨莉.基于图像处理的高精度激光-MIG复合焊焊缝跟踪系统[J].热加工工艺，2012，41（23）:176-178.

[4]田义普.基于FPGA二维激光位移传感器的研究[D].黑龙江：哈尔滨工业大学，2012.

[5]张华军，张广军，蔡春波，等.机器人多层多道焊缝激光视觉焊道的识别[J].焊接学报，2009，30（4）:105-108.

[6]张轲，吕学勤，吴毅雄，等.自寻迹舰船甲板焊接移动机器人[J].焊接学报，2005，26（4）：55-59.

[7]蒋力培，黄继强，邹勇，等.焊接机器人自动跟踪系统研究[J].电焊机，2009，39（1）：39-44.

[8]林放，黄文超，陈小峰，等.基于局部牛顿插值的数字化焊机参数自调节算法[J].焊接学报，2011，32（3）:33-36.

[9]张华军，张广军，蔡春波，等.厚板弧焊机器人自定义型焊道编排策略[J].焊接学报，2009，30（3）：61-64.

Robot automatic tracking system of comp lex weld for medium thick plate

YUAN Hailong1，LIU Jianchun1，YIJiming1，KE Xiaolong1，LIN Yanfeng2
（1.School of Mechanical and Automotive Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China；2. RobotSystems for Xiamen SiertCorporation，Xiamen 361023，china）

Aiming at the uncertain change of the complex weld track formedium thick plate and the problem that it's hard to adjust welding gun's position and posture in time，a robot automatic tracking system is developed.Laser displacement sensor is used to collect the weld data of complex curve and build the coordinate system of workpiece.The function fitting of the weld path ismade according to the sampling points，so as to ensure the weld path curve become smooth and continuous.The homogeneous coordinate transformation matrix is used based on the function of the curve path to change welding gun's position and posture in time，and the interpolation of the curve path of complex weld is completed in combination with themovements of guide rail and robot.On the basis of the welding technology requirements ofmulti-layer and multi-pass welding，the offset of each weld pass is defined to realize the track reappearance，and themulti-layer and multi-pass automatic tracking of the complex weld formedium thick plate is realized in finally.

weld-tracking；curve track；laser displacement sensor；homogeneous transformation matrix；multi-layer and multi-pass welding

TG409

A

1001-2303（2015）07-0035-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.07.08

2014-09-22；

2015-05-21

福建省重大产学研项目（2012H6025）；厦门市科技计划项目(3502Z20133036）；福建省教育厅产学研资助项目（JA13232）

袁海龙（1988—），男，湖南隆回人，硕士，主要从事焊接工艺及机器人智能焊接技术的研究。