（机械电子工程专业论文）基于视觉传感的专机型焊缝跟踪控制的研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：稻盎 日期：垒f 垒! 篁 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：军屯址导师签名： 摘要 摘要 实现焊接自动化不仅可以解放劳动力，而且能够提高生产效率和产品质量。 各种传感器的出现和应用，使焊接过程中焊枪能够自主跟踪焊缝成为可能。但焊 接环境通常非常恶劣，常伴随着很强的弧光、飞溅、烟雾、高温、电磁现象。因 此借助可靠性高、适应性强的检测手段来实现焊缝自主跟踪，一直是学术界和工 业界研发的热点。视觉传感技术因具备众多优点，在焊缝跟踪领域展现出了绝对 的优势。 本文的研究工作正是基于上述背景，以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号处理芯片为 数据处理平台，建立了一套专机型焊缝实时跟踪控制系统。系统采用视觉传感器 前置安装的方式，在焊接区域前方不断检测焊枪与焊缝的相对位置偏差。d s p 处理平台采用异步串口与视觉系统进行通讯，实现控制指令的发送和应答信息的 接收。具体通讯方案采用查询发送和中断接收结合的方式，通过c p u 定时器中 断和串口接收中断的灵活使用，实现了位置偏差的定时获取和数据接收完毕的正 确判定。此外通过对焊接调整过程的分析，给出了前视距离下实际跟踪量的求解 算法，消除了传感器前置安装造成的影响。跟踪系统的执行机构采用十字滑架结 构，传感器与焊枪一起固定在支架的滑块上。当焊枪与焊缝出现位置偏差时，滑 架两端的伺服电机依据偏差的大小驱动滑块整体在横向和高低方向做出相应的 调整，以确保焊枪能够始终沿着焊缝进行焊接操作。 通过实验验证，采用上述方案建立的专机型焊缝跟踪控制系统具备了初步的 跟踪能力，有一定的应用价值，对于后续研究工作也有一定的借鉴意义。 关键词专机型；焊缝跟踪；激光视觉；d s p i i a b s t r a c t a b s t r a c t a c b i e v 啪既to fw e l d i n ga u t o m a t i o nc 觚n o to i l l yl i b e r a t et l l el a b o r ，b u ta l s o 妇p v ep r o d u c t i o ne 伍c i e l l c y 锄dp r o d u c tq u a l 诹n e 锄e r g e i l c e 觚da p p l i c a t i o no f v a i i o u ss e i l s o r sm a l ( ei tp o s s i b l em a tw e l d i n gt o r c hs e l f 二仃a c ks e a md 耐n gt 1 1 ew e l d i n g p r o c e s s b u tt h ew e l d i n ge n v i r o 】：1 l i l e n ti su s u a l l yv e 叫p o o r o r e na c c o m p a i l i e dw i t ha 螂a r c ，s p l a s h ，s m o k e ，h e a t ，e l e c 仃o m a 印e t i cp h e n o m e n a s o6 n d i n gak i n do f 出嘘e c t i o nm e a n sw i mh i g hr e l i a b i l i 够a n da d a p t i v ec a p a c i t yt 0a c h i e v es e l f - s e 锄 t r a 越n gh 嬲b e e nd e v e l o p e df o c u si na c a d e m i aa l l di n d u s 仃yd o m a i n v i s u a ls 吼s i n g t | b l l o l o g yh a u sm a i l ya d v a i l t a g e s ，s os h o w sm ea b s o l u t es u p 甜o r i 够i nt h es e 锄 昀c k i n g 丘e l d t h i sp a p e re s t a b l i s h e das e to fs p e c i a lr e a l t i m es e a mt r a c l 【i n gc o n t r o ls y s t 锄 b a s e do na b o v 蛳吼t i o n e db a c k g r o u n d ，孤ds e l e c t e dt m s 3 2 0 f 2 8 12d i 百t a ls i 弘a 1 p r o c e s s i n gc l 邱嬲d a t ap r o c e s s i n gp l a t f o m s y s t e mu s e dp r e i n s t a l l e dv i s u a ls e n s o r m 铋n s ，c o n t i n u o u s l yd e t e c t e dp o s i t i o ne r r o rb e t w e e ns e a ma 1 1 dt o r c hi n 丘o n to ft l l e w e l d i n ga r e a d s pp r o c e s sp l a t f o mu s e da s y n c h r o n o u ss e r i a lc o m m u n i c a t i o n w i t l lt h e v i s u a ls y s t e m 五时c o n t r o li n s 饥l c t i o ns e i 】【d i n g 锄dr e s p o n s e sm e s s a g cr e c e i v i n g c 伽1 i i l u n i c a t i o ns c h e m ea d o p t c dq u e r ys e n t 孤d 硫c n 唧tr e c e i v e 鲫n b i l l e dm e a l l s ， d s pc a ng e tp o s i t i o ne 盯o rt i m e l y a i l dv e r d i c tm ec n do fd a t ar e c e i v e dm r o u g l lm e f l 函b l eu s eo f 妇1 ec p ut i m e ri n t 唧ta 1 1 ds e r i a lp o r tr e c e i v ei n t e m l p t i na d d i t i o n ， 觚a l y z c d l ea d j u s 仃n e n tp r o c e s so fw e l d i n g ，百v e nt l l es o l u t i o na l g o r i t l l mo f m ea c t u a l t r a c kv a l u eu n d e rl o o k a h e a dd i s t a n c e ， a n de l i m i n a t e dt h ei m p a c to fs e n s o r p 静：i i l s t a l l e d a d j u s t i n ga g e n c yo fm es y s t e ma d o p t e dc r o s ss 1 i d e 咖c h 鹏，s e l l s o r t o g e t h e rw i t ht h e 哥mw 嬲m o u n t e do ns l i d 既w r l l e nm ew e l d i n gt o r c h a i l ds e 锄 o c c u r sp o s i t i o ne r r o r ，s e r v om o t o r6 x e do nc r o s ss l i d ew i l l 嘶v es l i d e rm o v ei nm e h o r i z o n t a la j l dv 叫i c a ld i r e c t i o n ，b ym ea p p r o p r i a t ea d j u s t m e n tt oe n s u r em et o r c hc a n a l w a y sm o v ea l o n gm e s e 锄 e x p 舐m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es p e c i a ls e 锄t r a c k i n gs y s t e mb a s e d o n 洳em e l l t i o n e da b o v ep o s s e s si n i t i a lt r a c kc a p a c i t y ，h a sc e n a i n 印p l i c a t i o nv a l u e 锄dc e r t a i nr e f e r e n c es i 9 1 l i f i c a n c ef o r 如r t h e rr e s e a r d l 1 ( e yw o r d ss p e c i a lm a c h i n e ；s e 锄n a c k i n g ；l a s e rv i s i o n ；d s p 一i 一 一i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第1 章绪论1 1 1 焊缝跟踪的背景意义1 1 2 焊缝跟踪系统的发展现状1 1 3 视觉传感式跟踪系统基本架构和原理7 1 4 课题研究内容8 第2 章系统方案及硬件平台1 l 2 1 系统方案l l 2 1 1 视觉传感系统方案1 1 2 1 2 焊缝跟踪系统总体方案1 2 2 2 硬件平台1 3 2 2 1 激光视觉传感器1 3 2 2 2 传感器控制盒1 4 2 2 3 控制面板1 4 2 2 4 “十”字滑架1 5 2 2 5 行走工作台1 5 2 2 6 伺服系统1 6 2 2 7 控制平台1 8 2 3 系统接口2 l 2 3 1 脉冲接口电路2 l 2 3 2 电机测速接口电路2 2 2 3 3 坡口类型选择及指示灯接口电路2 3 2 4 本章小结2 3 第3 章d s p 与视觉系统串口通讯的实现2 5 3 1d s p 程序开发软硬件平台2 5 3 1 1d s p 程序开发的软件平台2 5 3 1 2d s p 程序开发的硬件平台2 5 3 2d s p 串口通讯机制2 6 3 3 指令输入按键的消抖2 7 3 4 通讯协议2 8 3 5 串口模块的软件实现2 9 3 5 1 非实时性指令的发送2 9 3 5 2 实时性指令发送3 l 3 5 3 应答信息的接收3 3 3 5 4c p u 定时器2 定时周期的确定方法3 6 3 6 本章小结3 6 第4 章焊缝搜索及跟踪3 7 北京工业大学t 学硕士学位论文 4 1 系统工作流程3 7 4 2 焊缝搜索及焊枪定位3 8 4 2 1 高低搜索定位3 8 4 2 2 横向搜索定位3 9 4 3 焊缝跟踪4 0 4 3 1 位置应答信息的数据处理4 0 4 3 2 焊接速度检测模块4 0 4 3 3 前视距离下跟踪量的求解算法4 2 4 3 4p w m 脉冲的产生机制4 4 4 3 5 跟踪模块4 6 4 4 本章小结4 7 第5 章系统测试4 9 5 1 实验平台4 9 5 2 通讯测试4 9 5 2 1 定时发送模块测试4 9 5 2 2 中断接收模块测试5 0 5 2 3 接收完毕判定模块测试5 2 5 2 4d s p 与传感器联机测试5 3 5 3 跟踪脉冲产生模块测试5 4 5 4 本章小结5 4 结论5 5 参考文献5 7 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 1 致j 谢6 3 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 焊缝跟踪的背景意义 据统计，我国2 0 0 4 年的焊材生产总量高达2 1 0 万吨，焊接机械化、自动化率 的比例为3 5 ，比日本1 9 7 9 年时的焊接自动化程度还要低。而现在工业发达国 家，如美国、日本、德国的焊接自动化、机械化程度更是高达6 0 7 0 心1 。 这两组统计数据表明：国内焊接生产的机械化、自动化水平与国外相比仍然有很 大的差距。在工程机械、车辆制造、船舶和航空航天这些批量化生产和成本代价 极高的产业领域，焊缝不仅要求美观更需要高质量、高性能，同时还要尽可能的 利用自动化焊接技术解放劳动力。实现自动化焊接，无疑将提高产品焊接质量和 生产率，改善焊接作业现场环境，促进焊接产业的升级。目前，焊接产业的自动 化升级已经成为相关企业现阶段对制造技术自主改造的一个重要选择，中国的焊 接产业自动化进程也发展到了新的阶段。 在实际焊接过程中，焊接质量往往受到诸多综合因素的影响口4 庙1 ，出现多种 焊接缺陷，致使焊接质量无法保证。如何保证焊接质量，提高焊接生产率是摆在 我们面前的一项重大课题。传统的人工参与的半自动化焊接方式显然难以满足高 生产率的要求，跟不上现代化批量生产的步伐。为了获得良好的焊缝成形，保证 焊接质量，必须试图对焊接操作加以控制。 焊接控制一般可分为两大方面拍1 ：一方面是关于焊接质量控制，通过对焊接 工艺参数在线监测并做出实时调整，来减少气孔、未焊透、夹杂等焊接缺陷，改 善焊接质量；另一方面是焊接过程控制，也就是现在被广泛关注的焊缝自动跟踪 技术。在自动化、智能化焊接过程中，两者缺一不可。从技术层面来说，要实现 焊接过程的自动化和智能化，其中的重要问题就是实现焊缝自动跟踪，解决好这 个问题将对焊缝成形起到明显的改善作用。焊缝自动跟踪就是在无人干预下实时 纠正焊枪和焊缝之问的位置偏差，解决在焊接过程中焊得“准”的问题。 焊缝跟踪技术作为一种提高焊接自动化水平的先进技术，已经成为学术界和 工业界争相研发的热点口8 9 m j ，对促进焊接工业自动化的发展有着重要的工程 意义。 1 2 焊缝跟踪系统的发展现状 在自动化、智能化焊接的各种应用领域中，适应能力是制约各种专用技术应 用的重要因素之一。高适应性要求一种技术能够在不同的作业环境下依然保持可 靠有效的检测能力，以适应变化了的焊接条件和环境n 2 1 3 。4 1 驯。自动化焊接往往 北京工业大学工学硕士学位论文 依附于焊接机器人来完成，主要涵盖三个阶段，即示教再现阶段、离线编程阶段 和自主跟踪阶段n 6 l 。示教再现技术和离线编程技术均因为缺乏很好的适应能力， 逐渐被自主跟踪技术所取代。对于焊缝跟踪技术来说，其适应能力主要取决于焊 缝位置偏差信息的检测手段。图卜l 展示了焊缝跟踪传感系统的发展历程。 扯接到坐粤圈 叫双电弧式叫匾 h 阿卅一r 丽摸玎 j 百船压丽翮 l 1 1粤堡苎卜_ ，111 坚哆唑苎l 叫 光学式 一：巫：卜一匝皇困 一 电磁式 图卜l 焊缝跟踪传感系统发展历程| 1 副 f i g 1 - 1d e v e l o p m e n to f s e l l s o rs y s t e m 矗竹s e 锄胁c k i i l g 其中，视觉传感技术因具有适用性广、稳定性好、精度高、抗干扰性好等诸 多优点，为焊缝跟踪提供了一种全新的思路并占据了主导地位n 7 1 8 19 2 0 2 。视觉传 感器安装到焊接机器人或者在焊接专机上，好比为它们装上了“眼睛 ，为实现 焊接自动化奠定了良好的基础。目前，世界少数几种比较先进成熟的焊缝跟踪系 统多是基于此项技术开发的。 在国外，加拿大的s e o r o b o t ( 赛融) 公司、荷兰的o s t s m a r t “n e 公司、 英国的m e t a 公司、德国的p r e c i t e c 集团都开发出了成熟的视觉传感型焊缝跟踪 系统。 图卜2 装在机器人上的d i g i l a s m d l 激光焊接头 f i g 1 - 2d i g i - l a s m d ll 弱e rw b l d i n gh 铋df i x e d r d b o t 刁引引引引 第l 苹绪论 s e r v o r 0 b o t 公司作为行业公认的领跑者，运用独特的3 d 激光视觉技术先后 开发了r o b o t r a c 系列、a u t r r a c 系列等激光视觉传感系统，这些视觉系统与 焊接机器人或焊接专机搭配使用，可在不同场合下实现焊缝搜索、跟踪、自适应 控制。d i g i l a s m d l ( 图卜2 ) 是s e n ，o r ( ) b o t 公司近期研发的新型智能激光焊 接头，前后两个传感器可分别实现焊缝跟踪和焊缝检测。特殊设计的数字传感器 可以精确地定位激光的焦点位置，自动补偿工件尺寸的变化及装配的误差。对已 成形的焊缝的实时检测，可为实现6 0 的质量控制与管理提供有力的支持口羽。这 一系统配备精密的高速执行器，能够用在关节机器人或数控专机上，焊接曲线焊 缝和复杂的空间三维工件，焊接速度高达1 0 m m i n 。 o s t _ s m a r t l i i l e 公司主要侧重于视觉传感器的开发，其典型产品就是 c s s ( c i r c u i a rs c a l l l l i n gs e i l s o r ) 系列传感器( 图1 3 ) 。与主流的激光条纹式传感器 不同，c s s 是利用激光点作环形扫描来探测焊缝位置，可用于多种焊缝形式。虽 然每秒可作4 0 0 0 次高度测量，但获取的焊缝轮廓频率或精度较低。若将c c s 与 焊接机器人配合使用可以实现焊缝跟踪。 图1 3 环形扫描传感器 f i g 1 3c i r c u l a rs c a n n i n gs e i l s o r m e t a 公司开发的l a s e rp r o b e ( 图卜4 ) 激光焊缝跟踪系统。也可用于t i g ， m i g m a g ，埋弧焊等，在直线焊缝上所允许的最大焊接速度可达8 m m i n 。 控制盒传感头 图卜4l a s e rp r o b e 焊缝跟踪系统 f i g 1 - 4l a s e rp r o b es e 锄t r a c k i n gs y s t e l i l 北京丁业人学t 学硕上学位论文 图卜5 是p r e c i t e c 集团开发的一套完整的用于激光焊接的焊缝实时跟踪系 统，包含l p f 跟踪控制系统和l p f 传感系统。该系统依靠自身独立的闭环检测， 通过高精度的l d 5 0 w 驱动单元定位激光焊接头和激光束焦点，可消除由于工件 本身或工件定位带来的误差，从而保证激光束焦点和焊缝完全一致，并且具有系 统跟踪错误补偿功能。为迎合焊接多元化的需求，p r e c i t e c 集团也推出了一款集 预先监测( 跟踪) 、实时在线监测、后监测为一体的综合性在线监测系统( 图卜6 ) ， 实现了焊接自动化的全面监控。 跟踪控制系统 传感器系统 图卜5l p f 激光焊缝跟踪系统 f i g 1 - 5l p fl 嬲e rs e 锄1 h c k i n gs ) ，s t i e m 图1 6 集成了预处理、实时处理和后处理监控功能的高功率y w 5 0 焊接头 f i g 1 - 6y w 5 0p r e 一，i n & p o s t p r o c e s s 【启s e rw ，e l d i n gh e a d 而在国内，焊缝跟踪系统的研究尝试了很多方法，但大多处于实验室阶段， 成熟应用的报道比较少。北京石油化工学院的蒋力培教授等人3 经过多年努力， 先后开发了机械式、c c d 光电式、光纤式焊缝跟踪传感器。光纤式传感器利用光 第l 苹绪论 纤长距离传光传像功能，使得探头可独立于半导体激光器及c c d ，具有体积小、 不用水冷等优点，可与焊枪紧密安装在一起。图l 一7 为应用该传感器组建的焊缝 跟踪系统的框图，该系统已应用在北京石油化工学院研制的管道预制焊接机器人 系统中，水平实时跟踪精度为0 5 咖。 图卜7 焊缝跟踪系统框图口1 f i g 1 - 7s e a m 愀i n gs y s t e md i a 鲜锄 中国科学院的方灶军等人采用基于d s p 的智能摄像头，以p l c 为控制器，步 进电机执行焊枪位姿纠偏，建立一套适用于集装箱薄板对接焊缝的跟踪系统。 系统工作原理如图卜8 ，经实验验证，在水平方向上的焊缝最大偏差在0 4 2 咖 左右。山东建筑大学的范文利等人，也基于p l c 开发了一套经济型角焊缝跟踪系 统乜射。系统采用探杆加光学传感器的方式，光学传感器通过探测内部拉杆伸缩距 离的变化来获取焊缝的位置偏差信息。在车桥、罐体支架、机架的焊接应用中取 得了较好的效果。 参 图卜8 系统原理图瞄3 1 f i g 1 8s y s t e f i lp r i n c i p l eb l o c kd i a g r 砌 常州的施建明自行研制了一种接触式光电跟踪传感器，并进行了详细的控制 电路设计，最终组建了一套焊缝跟踪控制器瞳5 j 。将其与国产m z 1 1 0 0 0 型焊机组 合安装在悬臂式操作架上，实现了对v 型和u 型坡口的焊缝跟踪。跟踪误差在垂 直方向0 6 m ，在水平方向o 4 咖。 湘潭大学的来鑫等人嘶1 ，通过分析对比使用电弧传感器进行高低跟踪时求电 流参考值的几种传统方法的优缺点，提出了一种“依次替换自学习法”。其核心 思路是：抛弃焊接开始电弧不稳定时的前几次采样值，然后分别按式卜1 和式卜2 求出采样值。如果s ，s h + 万，则s ，为标准值，其中6 为允许的最大误差；否 北京。i ：业人学 ：学硕士学位论文 则，按式卜l 计算结果为标准值。实验取得了较为理想的结果。 。s ：，：鱼三警( 4 f ，z ，- ，1 ) ( 1 一1 ) 墨= 墨 ( 1 哪 北京联合大学的曹丽婷等人，采用了英国m e t a 公司的m l p 2 6 0 型激光传感 器，由摆动扫描装置带动其在焊缝上方横向扫描，进而检测出传感器与焊缝的横 向偏差和高低偏差。然后以d s p 为处理平台，采用f l l z z y - p 双模分段控制方法建 立一套应用于管道焊接机器人的焊缝跟踪系统。其系统框图见图卜9 。 图卜9 焊接机器人焊缝自动跟踪系统框图瞄 f i g 1 - 9w e l d i n gr 0 b o ts e 锄t r a 出n gs y s t 黜b l o c kd i a g r a m 南昌大学的高延峰等人汹1 采用了图卜1 0 所示的4 自由度轮式移动焊接机器 人。焊接时，由机器人本体带动十字滑块和焊枪一起移动对焊缝进行粗略跟踪， 同时十字滑块自身带动焊枪做调整运动，实现精确跟踪。借助于对机器人和十字 滑块的分别控制，成功实现了最大为6 0 。的折线焊缝和z 形焊缝的自动跟踪焊 接。图卜1 l 是所采用的十字滑块控制原理图，与常用的双模控制不同，控制过程 增加了变速积分的环节，以此来消除系统的静态偏差。 图卜l o 移动机器人结构2 8 1图卜1 1 十字滑块的控制原理矧 f 溏l l os 协l e t u r eo f m 0 b i l er o b o tf 嘻1 - 1 1c r o s ss l i d eb l o c kc o n 的lp 血c i p l ed i a g r a m 通过对比国内外焊缝跟踪的发展现状，不难发现：一、国外成熟的跟踪系统 多是基于视觉传感的，这是市场发展的主流。但一套成熟的视觉系统目前成本还 第1 辛绪论 比较高，而且多是配合在焊接机器人上使用，使得在国内的应用推广受限。二、 国内开发的跟踪系统尝试采用了多种方案，但由于一些传感器本身在跟踪过程中 表现出的不足，使得开发的系统局限性很大，可靠性也很难保证。即便采用了视 觉传感控制方案，控制器又多采用p l c 和单片机，对于实时性的焊缝跟踪系统来 说，这些处理器的处理能力显得有些难以胜任。综上分析，开发出一套基于视觉 传感和高速处理平台，并且成本代价较低的跟踪系统迎合了国内的市场的需求。 1 3 视觉传感式跟踪系统基本架构和原理 基于视觉技术的焊缝跟踪系统的基本架构啪3 如图卜1 2 所示，主要包含3 部分： 视觉传感、图像处理和跟踪控制。在跟踪过程中，视觉传感器不断采集反映焊缝 坡口轮廓形状的图像，交给专门的处理模块采用一系列复杂的图像处理算法，提 取出焊缝特征点。控制器会根据初始位置信息与所提取的特征信息驱动执行机 构，实现焊枪对焊缝的实时跟踪。 图卜1 2 基丁视觉焊缝跟踪系统的基本架构1 2 训 f 嘻1 - 1 2b a s i cs 眦t u r eo fs e 锄1 r a c k i n gs y s t 锄b 勰e do nv i s u a ls 饥s o r 要实现焊缝的正确跟踪，必须能实时准确地检测出焊枪与焊缝之间的实际偏 移距离船邺1 踢剃。激光视觉传感器主要由激光发生器和图像传感器件组成，激光 发生器发出的激光经过光学器件后以线状结构光形式照射到工件坡口表面，经过 光学成像后在c c d 成像平面内得到反映坡口截面形状的激光条纹图像，如图 卜1 3 所示。焊缝位置偏差的求取是基于一种激光三角测量原理的光学技术。图 卜1 4 中被测目标表面上的p 点、q 点经图卜1 3 所示的成像过程后，在成像平面 内分别对应于p 1 点和q 1 点。三维空间中线段p q 的长度与成像面内p l q l 间的 距离有着一定的三角对应关系，这样通过对传感器与三维空间坐标系的标定可以 明确二者之间的比例关系。跟踪过程中为了获取焊枪与焊缝的相对位置偏差，只 需要将焊枪调整到尽可能对中焊缝的位置，将此时图像平面内提取的特征点作为 北京t 业大学t 学硕l 学位论义 参考点。然后将每次图像处理提取的特征点坐标与成像平面内设定的参考点坐标 作比较求出成像面内的偏移距离，如图卜1 5 ( 图中方框表示参考点，“+ 表示 跟踪点) 。按照标定的关系就可以获得三维空间中焊枪与焊缝间实际的横向位置 偏差和高低位置偏差，将此偏差信息作为校正系统输入，便可用于指导焊枪跟踪 焊缝。 广一。一。一一一一一一。一i 件a 图1 1 3 坡口成像示意图 f i g 1 - 1 3 ( h o v eh a g i n gd i a g r a m 商 图1 1 4 三角测量原理 f i g 1 一1 4t r i a n g i em 鲫侧n e n tp r i n c i p l e 图1 1 5 成像面内的偏差求解示意图 f i g 1 一1 5d i a 铲锄o f e 舯rs o 0 n i ni m a g ep l a n e 1 4 课题研究内容 论文在对比分析国内外焊缝跟踪的发展现状的基础上，确定了系统开发的基 第l 章绪论 本思路。具体研究工作从以下几方面开展： ( 1 ) 确立视觉系统传感方案，结合视觉传感器的安装方式，给出跟踪过程中 焊枪跟踪量的求解算法； ( 2 ) 通过对焊缝跟踪过程的分析，确立合理的执行机构方案，根据需要设计 相关接口电路，最终完成基于视觉传感的专机型焊缝跟踪控制系统实验平台的搭 建； ( 3 ) 根据d s p 的异步串口通讯机制及视觉传感器通讯协议，编程实现d s p 与激光视觉传感系统间的指令传送和数据交换； ( 4 ) 结合d s p 的p w m 产生机制和定时器工作模式，通过编程为焊枪的初始 定位和实时跟踪提供上位脉冲，实现d s p 对伺服电机的控制，进而实现焊枪对 焊缝的跟踪； ( 5 ) 结合实验对所搭建的跟踪系统进行有效性评估，分析存在的问题，为以 后研究提出合理化建议。 1 0 第2 章系统方案及硬件j f 台 2 1 系统方案 第2 章系统方案及硬件平台 在专机型自动化焊接过程中，实时检测出焊枪与焊缝之间的相对位置偏差是 实现焊缝跟踪的重要保障。通过对比分析焊缝跟踪领域采用的各种传感器的优缺 点，不难发现激光视觉传感技术是一种包含焊缝信息丰富、适应性好、可靠性高 的检测手段。基于上述优越性，本章将应用激光视觉传感技术建立一套焊缝跟踪 系统。 2 1 1 视觉传感系统方案 视觉传感系统根据传感器的安装位置可分为：视觉传感器前置式和传感器在 工作区域中位置固定的方式等d 引。在工作区域固定安装的方式，被控对象与传感 器的三维空间对应关系很复杂，会随着被控对象的移动而发生改变。要将传感器 采集的位置信息用来指导被控对象运动，需要根据标定矩阵进行大量的运算。这 种方式的优势在于传感系统独立于焊枪，使得焊枪不用附加任何装置，可达性比 较好，在极特别的场合下才会使用。视觉传感器前置式就是将传感器安装在焊枪 前方并与焊枪刚性连接( 如图2 1 ) ，这样传感器与焊枪的三维空间对应关系固 定不变，传感器处理得到的位置信息比较直观的反映了焊枪与所要跟踪的焊缝间 的偏移趋势及偏移量。 图2 1 视觉传感器安装 f i g 2 - l s i o ns e i l s o ri n s t a l l a t i o n 通过上述两种方案的分析，课题采用了传感器前置的安装方式。但这种安装 方式会使得传感器与焊枪之间存在一段长度通常为2 0 4 5 m m 的“前视距离”。也 就是说传感器在焊枪前方提前检测出了焊枪与焊缝间的位置偏差，显然这个偏差 不能立刻被使用。另外由于焊缝跟踪是一个实时调整的过程，当焊枪到达视觉传 北京工业大学t 学硕十学位论文 感器的采像位置时焊枪已经做过多次调整，因此传感系统处理得到的焊缝位置偏 差必须经过合理的处理才能使用。此部分内容在第四章会展开讨论。 2 1 2 焊缝跟踪系统总体方案 在专机型焊缝跟踪作业环境下，x 轴通常为焊接方向，待焊接工件放置到焊 接平台上，焊缝沿x 轴方向。实际焊接过程中，焊缝跟踪可以有两种实现方式： 一是工件固定不动，焊枪与传感器一起沿着焊接方向移动，完成焊缝跟踪工作； 二是工件由焊接平台带动逆着焊接方向运动，而焊枪与传感器在三维空间中位置 保持不变，这样也可以完成焊缝跟踪。本课题搭建的硬件平台采用的是第二种方 式，由电机通过滚珠丝杆机构使焊接平台逆着焊接方向运动。这样，如果需要改 变焊接速度仅需调节电机转速即可。 y 轴通常设定为工件平面内垂直于焊缝的方向，z 轴设定为垂直于工件平面 的方向，与视觉传感器的光学中心线和焊枪平行。这样，焊枪与焊缝的相对位置 偏差就可分解为y 轴方向的横向偏差和z 轴方向的高低偏差。为此，机械执行 部分采用了“十 字滑架机构，将前方装有视觉传感器的焊枪固定到“十 字滑 架的滑块上。在跟踪过程中，控制器通过串口通讯定时获取焊缝的位置偏差，经 过一系列处理后计算出焊缝的实时跟踪量，指导“十 字滑块分别在y 轴和z 轴方向实施纠偏行为，达到焊缝跟踪的目的。系统总体方案见图2 2 。 图2 2 专机型焊缝跟踪控制系统总体框图 f 培2 - 2s e 砌t r a c l ( i i l gc o n 仰ls y s t 锄f o rs p e c i a lm a c h i n ed i a g r a m 第2 章系统方案及硬件平台 2 2 硬件平台 2 2 1 激光视觉传感器 视觉传感器是视觉传感系统的重要组成部分，其成像质量的好坏和图像处理 的结果对焊缝跟踪的精度有着很大的影响。北京工业大学刘振国研究生嘲在吸收 了国内外现有视觉传感器优点的基础上，从传感器光学基础、抗干扰设计、图像 处理实时性等方面进行了深入研究。设计出了基于面阵c c d 的小型化传感器， 尺寸约为1 4 5 1 1 1 【i l 6 4 1 i 】m 4 5 m m ，重量约为6 5 0 克。并在此基础上，以典型的v 坡口焊缝为例，分析了v 型焊缝的特点并设计出了高效的图像处理算法，成功 实现了焊缝特征点的提取。通过大量实验验证，其所设计的视觉传感器和基于 1 m s 3 2 0 d m 6 4 3 的d s p 图像处理平台性能稳定可靠，这为本课题的研究打下了 良好的基础。但在跟踪过程中，焊缝实际位置偏差的获取还要通过一系列的视觉 标定转化，这部分工作尚未完成。因此，本文的后续研究工作是在采用加拿大 s e r v or 0 b o t 公司生产的型号为m i n i i 6 0 的视觉传感器的基础上展开的。 m i n i i 6 0 型传感器同样采用的是激光结构光三角测量技术，其主要参数见 表2 1 。 表2 1 t a b l e 2 1 c a m e rt y p em i n i i 6 0 p 五n c i p l e a c t i v eo p t i c a l 砸a n g u l a t i o nu s i n g s 蜘l c t l l r e dl i g h tl a s e rb e 锄i 1 1 啪i n a t i o n d e t c = c t o rp h o t 0 s e n s i t i v ed e v i c e l i g h ts o u r c e b u i l t i n5 0 m wv i s i b l e1 a s e rd i o d e s t a i l d o f r5 6 5 m m d 印mo f f i e l d 6 5 m m f i e l do fv i e w ： c l o s ep l a n e2 4 m m f a r p l a n e 3 5 m m a v e r a g ed 印t hr e s 0 1 u t i o n 0 0 8 m m s 砌p l ep o i n t sp e rp r o f i l e 4 7 8o r 2 3 9 s p e e d 3 0 6 0p f o f i l e sp e rs e c o n d d a t a m t e1 4 3 4 0p o i n t sp e rs e c o n d d i m e n s i o n s1 1 2 m m 5 6 m m 3 0 m m 北京工业大学丁学硕l 学位论文 w e i g l l t5 0 0 9 e n 访r o i u n e n t a lp r o t e c t i o nn e m a 3i p “ 2 2 2 传感器控制盒 s m a r t b o x 控制单元是专为与m i n i i 6 0 型号的传感器配合使用而设计 的，其前后面板主要集成了激光器使能的钥匙开关、相机空冷系统输出、控制盒 电源供应接口、相机接口、用户使用的r s 2 3 2 接口、机器人连接用的r s 2 3 2 串 口和8 路数字输入输出接口。在跟踪过程中，视觉控制单元通过传感器接口与传 感器头交换信息。传感器采集的焊缝激光结构光图像交给s m b 。b o a r d 处理板， 依照p c 界面指定的图像处理算法进行处理，提取焊缝特征点的坐标信息。然后 通过r s 2 3 2 串口将信息传送到d s p 中进行后续处理。激光传感头、传感器控制 单元和p c 界面构成了一套完成的视觉系统，为课题后续研究提供了跟踪所需的 原始数据。本文后续研究中提到的特征点坐标均指光学坐标系下的值，以后不再 另作说明。 2 2 3 控制面板 图2 3 控制面板 f i g 2 3c 0 n 仃o lp 锄e l 系统控制面板如图2 3 所示，该面板集成了激光控制开关、跟踪控制开关、 急停开关、速度设定、控制轴选择、控制模式选择、焊缝搜索按键及激光状态指 示灯、跟踪状态指示灯和限位报警指示灯。其中，急停开关带有自锁功能，用于 第2 章系统方案及硬件3 f 台 紧急停止，切断伺服信号；焊缝搜索按键是由四个不带自锁的方向按键构成，用 来控制“十 字滑块上的传感器搜索焊缝位置，进行初始定位；速度设定用于设 定焊缝搜索定位时“十字滑块的移动速度；参考点设置用于在焊缝初始定位结 束后，发送位置请求信号给传感器，提取特征点坐标作为焊缝跟踪参考点。 2 2 4 “十 字滑架 “十”字滑架是实现横向跟踪和高低跟踪的机械执行机构重要组成部分，见 图2 _ 4 。伺服电机通过同步带带动滚珠丝杆将电机的旋转运动转化为丝杠上滑块 的直线运动，y 向和z 向的运动范围均为1 5 0 咖。滑台两侧装有型号为t l q 5 m c l 的三线制光电限位开关，用来提供跟踪过程中的超程保护。“十 字滑架的调整 精度势必也会对跟踪质量产生一定的影响。 2 2 5 行走工作台 图2 4 “十”字滑架 f i g 2 4c r o s ss l i d e s 为满足焊接过程自动化的需要，本文采用了图2 5 所示的焊接工作台。焊接 工作台由基座、电机、直线导轨、滚珠丝杠以及放置工件的工作台等组成。外部 控制器按期望的焊接速度给电机发送脉冲序列使其转动，电机通过挠性连轴器带 动丝杠转动，最终转化为工作台的水平移动。改变了电机的转向和速度也就控制 了焊接的方向和速度。 2 2 6 伺服系统 图2 5 行走工作台 f i g 2 _ 5m o v e w b r k m l b l e “十 字滑块的动力是由日本的富士伺服系统提供的，该伺服系统包括伺服 电机、编码器、伺服驱动器，如图2 6 。r y c v v t 型的伺服驱动器有很多扩展 功能，可以借助触摸面板进行参数编程来使用，扩展功能的使用简化了本文控制 部分的难度。 伺服驱动器有三种控制方式刚：位置控制、速度控制、转矩控制。根据焊缝 跟踪的目的和调整需要，本课题选用了位置控制模式。位置控制模式下只需要为 伺服驱动器提供上位脉冲便可实现电机的控制，脉冲个数决定了位移量，脉冲频 率决定了电机的转速。伺服电机后侧自带的1 7 位光电编码器会根据电机的转动情 况输出两路反馈脉冲，在驱动器内部构成位置闭环，从而实现高精度的定位。 图2 6 富士伺服系统 f i g 2 6f u j is e r v os y s b e m 第2 章系统方案及硬件平台 在使用编码脉冲反馈构成位置闭环时，由于输入的命令脉冲当量与反馈脉冲 当量不一致，因此需要找出二者之间的比例关系眵7 1 。其关系可用式2 一l 来表示。 噬t = 嵋 ( 2 1 ) 其中，只表示命令脉冲当量( 即，每个命令脉冲对应的终端执行机构的直 线位移) ，k ，表示二者之间的比例关系，嵋表示反馈脉冲当量( 即，每个反馈 脉冲对应的终端执行机构的直线位移) 。 在伺服驱动器内部，k ，被分解为两个变量：命令脉冲补偿a 、命令脉冲补 偿b ，式2 一l 可转化为式2 2 。 哒口= 嵋 ( 2 2 ) 通常，必取l 、0 1 、0 0 1 等单位量作为设定参数，根据焊缝跟踪精度的 需要，此处取必为o 0 l 。经测定，十字滑块机构在电机旋转一周时的直线位移 量为5 咖。命令脉冲补偿系数由式2 3 计算后，分别取q = 2 6 2 1 4 ，b = 1 0 0 。 命令脉冲补偿口伺服电机旋转1 周时的机械系统移动量 命令脉冲补偿 1 3 1 0 7 2 脉冲转 单位量 ( 2 3 ) 伺服驱动器的脉冲输入方式有两种：差动输入、集电极开路输入。最大输入 频率在差动输入时为1 0 m h z ，在集电极开路输入时为2 0 0 k h z 。从输入形式来 说也有三种：命令脉冲命令符号、