（精密仪器及机械专业论文）焊缝跟踪系统关键技术研究.pdf

摘要目前，采用机器人焊接已成为焊接自动化技术现代化的主要标志。在焊接生产中采用机器人技术，可以提高生产率、改善劳动条件、稳定和保证焊接质量、实现小批量产品的焊接自动化。由于在弧焊过程中，焊接条件是实时变化的，焊接机器人需要根据焊缝位置和姿态的变化实时调整其焊接路径，以实现焊缝的自动实时跟踪。本文主要研究了焊缝跟踪系统中的两个关键技术：跟踪传感器激光扫描单元的电机驱动电路设计和机器人本体的标定方法。本文先后选用了有刷直流电机和无刷直流电机两种不同的电机作为扫描电机，并完成了相应驱动电路硬件电路板的设计、制作和调试工作，对驱动电路的整体性能进行了测试。实验表明，电机转速的稳定性基本能满足传感器的精度要求。另一方面，本文采用了基于距离误差模型的标定方法来修正机器人的连杆参数，运用了总体最小二乘算法对数据进行处理。虽然标定后的机器人定位精度仍然无法满足系统精度的要求，但是机器人的绝对定位精度有了显著的提高，为了进一步提高定位精度，还需要修正其它影响因素所引起的绝对定位误差。关键词：机器人焊接焊缝跟踪系统标定无刷直流电机距离误差最小二乘算法a b s t r a c tn o w a d a y s ，r o b o tw e l d i n gh a sb e c o m eas i g no fa u t o m a t e dw e l d i n g u s i n gr o b o t sd u r i n gw e l d i n gc a l li n c r e a s et h ep r o d u c t i v i t y , i m p r o v et h ew o r k i n gc o n d i t i o n ，g u a r a n t e et h ew e l d i n gq u a l i t ya n dr e a l i z ew e l d i n ga u t o m a t i o nf o rl o w - v o l u m em a n u f a c t u r e a sw e l d i n gc o n d i t i o nc h a n g e si nr e a lt i m ei nt h ec o u r s eo fa r c - w e l d i n g ，i no r d e rt ot r a c kt h ew e l d i n gs e a ma c c u r a t e l y , t h ew e l d i n gr o b o tn e e d st oa d j u s ti t sw e l d i n gr o u t ei nr e a lt i m ea c c o r d i n gt ot h ec h a n g e so ft h ew e l d i n gs e a mp o s i t i o na n dp o s t u r e ，n l et h e s i sm a i n l yf o c u s e so nt w oc r u c i a lt e c h n o l o g i e so ft h ew e l d i n gs e a mt r a c k i n gs y s t e m ：t h ed e s i g no ft h ed r i v i n gc i r c u i tf o rt h es c a n n i n gm o t o ri nt h el a s e rs c a n n i n gu n i to ft h es e n s o ra n dt h ec a l i b r a t i o no ft h er o b o t i nt h i st h e s i s ，t w od i f f e r e n td i r e c tc u r r e n tm o t o r s ，ab r u s ha n dab r u s h l e s sm o t o r ，w e r es e l e c t e da st h es c a n n i n gm o t o la n dc o r r e s p o n d i n gp r i n t e dc i r c u i tb o a r d sa sw e l la sr e l e v a n ts o f t w a r ep r o g r a m m i n gw e r ec o m p l e t e d m o r e o v e r , e x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e dt o t e s tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec i r c u i t s n er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ti n d i c a t et h a tt h es t a b i l i t yo ft h em o t o rr o t a t i o ns p e e dc a nm e e tt h es e n s o r sp r e c i s i o n b e s i d e s ，i nt h i st h e s i s ，t h ec a l i b r a t i o nm e t h o db a s e do nd i s t a n c ea c c u r a c yw a su s e dt oc o r r e c tt h er o b o t sl i n kp a r a m e t e ra n dt h el e a s ts q u a r es o l u t i o nw a sa d o p t e dt op r o c e s st h ed a t a a l t h o u g ht h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yo ft h er o b o ta r e rc a l i b r a t i o ns t i l lc a nn o tm e e tt h es y s t e m sp r e c i s i o n ，i th a sb e e ni m p r o v e dal o t 1 of u r t h e re n h a n c et h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c y , t h ep o s i t i o n i n ge r r o rc a u s e db yo t h e rf a c t o r sn e e d sc o r r e c t i n g k e yw o r d s ：r o b o tw e l d i n g ，w e l d i n gs e a mt r a c k i n gs y s t e m ，c a l i b r a t i o n ，b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r , d i s t a n c ea c c u r a c y , l e a s ts q u a r es o l u t i o n独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘堂或其他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。学位论文作者签名：牛匆柏书签字日期：办弦7 年，月c b 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：杨确导师签名：一刁签字日期：& 卯7 年月洳日签字日期：z 驴驴j 7 年月三p 日第一章绪论1 1 引言第一章绪论随着先进制造技术的发展，实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化已成为必然趋势。目前，采用机器人焊接已成为焊接自动化技术现代化的主要标志。焊接机器人由于具有通用性强、工作可靠的优点，受到人们越来越多的重视。在焊接生产中采用机器人技术，可以提高生产率、改善劳动条件、稳定和保证焊接质量、实现小批量产品的焊接自动化。目前，焊接机器人占据了整个工业机器人总量的4 0 以上，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境非常恶劣，焊接质量的好坏对产品质量起决定性的影响。归纳起来采用焊接机器人有下列主要意义：。( 1 ) 稳定和提高焊接质量，保证其均一性。焊接参数如焊接电流、电压、焊接速度及焊接干伸长度等对焊接结果起决定作用。采用机器人焊接时，对于每条焊缝的焊接参数都是预先设定的，焊缝质量受人的因素影响较小，降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量是稳定的。而人工焊接时，焊接速度、干伸长等都是变化的，因此很难做到质量的均一性；( 2 ) 改善了工人的劳动条件。采用机器人焊接工人只是用来装卸工件，远离了焊接弧光、烟雾和飞溅等，对于点焊来说工人不再搬运笨重的手工焊钳，使工人从大强度的体力劳动中解脱出来；( 3 ) 提高劳动生产率。机器人没有疲劳，一天可2 4 h 连续生产，另外随着高速高效焊接技术的应用，使用机器人焊接，效率提高的更加明显；( 4 ) 产品周期明确，容易控制产品产量。机器人的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确；( 5 ) 可缩短产品改型换代的周期，减小相应的设备投资。可实现小批量产品的焊接自动化。机器人与专机的最大区别就是它可以通过修改程序以适应不同工件的生产嗍。从6 0 年代诞生和发展到现在，焊接机器人的研究经历了三个阶段，即示教再现阶段、离线编程阶段和自主编程阶段。第一阶段和第二阶段的焊接机器人由于焊接路径和焊接参数是根据实际作业条件预先设置的，在焊接时缺少外部信息传感和实时调整控制功能，这类弧焊机器人对焊接作业条件的稳定性要求严格，焊接时缺乏“柔性 ，表现出明显的缺点。在实际弧焊过程中，焊接条件是经常第一章绪论变化的，如加工和装配上的误差会造成焊缝位置和尺寸的变化，焊接过程中工件受热及散热条件改变会造成焊道变形和熔透不均。为了克服机器人焊接过程中各种不确定性因素对焊接质量的影响，提高机器人作业的智能化水平和工作的可靠性，要求弧焊机器人系统不仅能实现空间焊缝的自动实时跟踪，而且还能实现焊接参数的在线调整和焊缝质量的实时控制嘲。1 2 焊缝跟踪系统关键技术焊接机器人技术是机器人控制技术和焊接传感技术的结合。在智能化焊接过程中，保证焊接结构和质量的连续性是焊接机器人系统所面临的问题。一方面，由于焊接过程中的装配误差、焊接应力和变形都能引起焊接头相对焊缝的实际位置与机器人预先给定位置的误差增大，而机器人本身又无法识别这种焊接头位置的变化，因此通常需要使用焊接传感器将焊缝的位置信息和偏差信息传送给机器人，从而实时调整焊接路径h 1 。另一方面，由于机器人是一个结构复杂的开环系统，又容易受多种因素的影响，其绝对定位精度处于毫米级别，因此机器人的定位精度成为影响焊接机器人焊接质量的另一主要因素，需要对机器人的定位精度进行标定。1 2 1 焊接传感技术1 2 1 1 常用的焊接传感技术分析现代焊接技术向自动化、智能化方向的发展离不开传感系统对焊接过程参数和焊接质量参数的实时监测。目前，用于焊缝识别与跟踪方法主要有：接触传感、电弧传感、红外传感、超声波传感以及视觉传感等。接触式传感( t o u c hs e n s i n g ) 适用于大多数焊接方法，但只用于焊缝起始点的识别。而且由于机器人执行了搜索历程增加了生产周期，焊接接头也必须含有一个可以被传感器找到的边缘；电弧传感( t h r o u g ha r c s e a mt r a c k i n g ) 是利用焊接电弧作为传感器，通过测量由于弧长的变化而导致的焊接电流或者电压的变动来实现焊缝跟踪。1 9 9 0 年，s i o r e se 就以电弧作为传感器实现了焊缝跟踪和焊接熔池几何形状的控制晦1 。超声波传感( s u p e r s o n i cs e n s i n g ) 是利用t o f ( t i m eo ff l i g h t )原理通过回波放大来获得焊缝信息，适用于远距离的参数测定；g r a h a mg e o r g em博士开发了用于超声产生的光学纤维阵列，构建焊缝表面的线性超声源，并将激光发生超声器用于机器人弧焊过程焊缝熔深的监测m 1 。而基于激光的视觉传感技术( v i s i o ns e n s i n g ) 具有图像信息量丰富，灵敏度和测量精度高，动态响应特性2第一章绪论好，抗强电场和强磁场的干扰能力强，与工件无接触，与焊接回路无关，适用于各种坡口形状，可以同时进行焊缝的跟踪和对焊接条件的实时控制等优点，是很具发展前途的焊接传感技术，特别是在机器人焊接技术广泛应用的大趋势下，机器人视觉系统对机器人智能及控制无疑具有非常重要的意义订1 。此外，这方面的工作也已经产生了大量的研究成果和实用型产品。目前，视觉传感系统已经在焊缝跟踪、焊接熔透、熔宽、保护效果、熔池行为、弧长、焊速、焊丝的伸出长度及熔滴的过渡形态、频率的控制、温度场监控、电弧诊断等领域得到应用。采用c c d 摄像机及微型计算机，配合模糊控制及模式识别等先进的控制方法和运算方法，不仅能实现焊缝自动跟踪、计算缝隙大小、识别接头等多种功能，而且可以在自动跟踪焊缝的过程中同时对焊接质量进行实时控制，实现智能化焊接嘲。基于此，有人提出了视觉机器人系统( v i s u a lr o b o t i cw e l d i n g ，v r w ) i 它与传统的焊接方法相比，具有很明显的优越性。1 2 1 2 视觉传感技术、在焊接机器人视觉系统中，根据系统中是否存在专门用于照明的光源，可以将视觉系统分为主动视觉系统和被动视觉系统。被动视觉系统中景物的照明由物体周围的光线提供，视觉系统只接受物体表面的反射信息，设备简单、隐蔽性能好，特别适合于需要保密的军事应用或者由于环境条件的约束不能使用激光或者特殊照明灯的工业应用场合，通常在焊接熔池信息提取与熔滴过渡形态分析中有广泛的应用m 。主动视觉系统通过专门光源的控制，能使系统获得更多的有用信息，降低问题难度，提高检测速度，在机器人视觉、工业检测中大多采用主动视觉技术。主动视觉技术的目的是为需要三维空间数据的特定应用场合，提供一个精确的距离图像。主要的研究方法包括傅立叶变换法、相位测量法、莫尔轮廓法、光学三角测量法等，其中以光学三角形为背景的激光三角测量方法得到了广泛的应用n 引。同时，用于焊接机器人的视觉传感器还能够避免焊接过程干扰的影响，如弧光、热、飞溅和烟尘等。目前的研究中，点状激光源主要用在较简单的高度测量、边缘提取中，在机器人系统开发中已获得广泛的应用。在大多数情况下，都是运用一定的方法，设计激光视觉传感器来识别焊缝外形或者检测焊缝位置，将主动激光光源扫描成的条状光照射到焊缝上，用c c d 摄像机接收光，通过图像处理将二维信息转化为三维信息，从而提高扫描效率和信息量1 。通常有一线、二线或五线等条形，国内大都采用的是一线的扫描方案，日本曾进行过二线扫描方案的研究，结合神经网络的模式识别实现了焊缝的识别与跟踪n 羽。德国d a s a ( d a i m l e r - b e n za e r o s p a c e )第一章绪论的b a r t h e ls e n s o r s y s t e m eg m b h 开发的一种三维五线激光传感器，机器人三维定位或沿接头的精度为i - 0 0 5 m m ，用于机器人自动激光焊接、切割、密封与定位等情况，速度可达2 0 m m i n ，图像处理频率为5 0 h z ，适合了三维实时检测n 町。传感头的光学元件有助于避免光学窗口由飞溅和烟尘所引起的污染，所用的图像传感器即使在焊接弧光照到工件表面上时也能够快速精确地处理图像数据，焊接位置检测精度可达士0 2 m m 。用于焊接的线形激光扫描传感器工作原理简单、容易实现，但这种模型扫描效率不高，而且存在解释模糊的缺点。为了提高焊接过程的自动化和人工智能，有必要开发高性能的传感器，自动构建焊缝3 d 模型，获取更多的焊缝信息。1 2 2 机器人标定技术机器人控制精度主要受机器人本体标定、手眼关系的标定和工件坐标系的标定几个环节的影响。机器人手眼关系及工件坐标系标定涉及较少的参数，而且变换关系简单，容易精确标定o 但是，机器人是一个结构复杂的开环系统，又容易受多种因素的影响，其绝对定位精度处于毫米级别，因此进行机器人定位精度的标定具有十分重要的意义。影响机器人定位精度的因素有很多，主要包括以下方面：参数因素( 制造和安装过程中造成的连杆实际几何参数与理论参数值之间的偏差) ，质量性质因素( 机器人机械手臂的重量和材料的弹性形变) ，测量因素( 分辨率，编码器的非线性等) ，使用因素( 齿轮传动误差以及由于重力和应力等引起的机械变形误差等) ，环境因素( 温度，湿度，电噪声等) ，计算因素( 计算过程中的舍入误差，稳态控制误差，跟踪控制误差等) n 钔。在上述的误差源中，除参数因素和质量性质因素产生的误差是系统误差外，其余各类误差一般情况下均可看作随机误差来处理，而系统误差是决定机器人位姿和轨迹误差的主要因素，引起的误差占机器人总误差的6 0 左右，而系统误差只影响机器人运动定位精度，并不影响其重复精度，所以机器人的重复性精度通常都很高，因此从参数因素入手开展对机器人定位精度的研究是国内外的主要研究方向，根据应用场合的不同对机器人标定方法也不相同，主要包括以下几种标定方法：( 1 ) 基于测量拟合的标定技术：它根据机器人的运动关系，控制机器人的某些关节单独运动，然后测量空间运动点的坐标，根据这些测量点拟合出机器人的连杆关节参数值。这种标定方法能够在一定程度上提高机器人的连杆关节参数精度，从而提高机器人的定位精度，它主要运用在机器人出厂的初标定以及点焊和搬运等场合。( 2 ) 基于坐标系转换的标定技术：机器人的运动空间点的坐标值是相对于机器4第一章绪论人基坐标系的，因此为了测量和标定机器人的定位精度，采用高精度测量仪器进行机器人基坐标系和测量坐标系之间的坐标转换测量方法是大家普遍比较接受的方法，它能够直观的测量出机器人相对于基坐标系三个方向的误差( d x ，e y ，比) ，而且标定方法的数据处理算法容易，它能够将机器人的定位精度控制在1 5 r a m 以内，因此能够进行弧焊和喷涂以及一些粗测量领域运用较多。( 3 ) 基于距离精度的标定技术：由于基于坐标系转换的标定技术需要进行机器人基坐标系与测量坐标系的转换，而这个转换的精度往往得不到保证，使得机器人定位精度一部分损失在测量环节上，同时进行多次测量时不能保证每一次的测量结果一致，不具有重复性。而基于距离精度的标定方法省略了坐标系转换这一个环节，它利用空间两点在不同坐标系下距离相等的原理对机器人定位精度进行标定，能够进一步提高机器人的定位精度，但是其数据处理存在一定的困难。1 3 国内外发展状况1 3 1 机器人发展状况在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备而得到工业界广泛应用，从而也形成了一批在国际上较有影响力的、著名的工业机器人公司。它们包括：瑞典的a b br o b o t i c s ，日本的f a n u c 、y a s k a w a ，德国的k u k ar o b o t e r ，美国的a d e p tt e c h n o l o g y 、a m e r i c a nr o b o t 、e m e r s o ni n d u s t r i a la u t o m a t i o n 、s tr o b o t i c s ，意大利c o m a u ，英国的a u t o t e c hr o b o t i c s ，加拿大的j c di n t e r n a t i o n a lr o b o t i c s ，以色列的r o b o g r o u pt e k 公司，这些公司已经成为其所在地区的支柱性企业。在国内，工业机器人产业刚刚起步，但增长的势头非常强劲。从上世纪8 0年代开始我国在高校和科研单位全面开展工业机器人的研究，近2 0 年来取得不少的成果。但是由于没有和企业联合，长期没能形成有规模的产业。目前国内除了一家以组装为主的中日合资的机器人公司外，具有自主知识产权的工业机器人主要由高校或科研单位组织生产，还没能形成批量。因此，我国企业装备的焊接机器人9 0 以上是从世界各知名机器人厂家进口的。近1 0 年来，进口机器人的价格大幅度降低，从每台7 8 万美元降低到2 3 万美元，使我国自行制造的普通工业机器人在价格上很难与之竞争。特别是我国在研制机器人的初期，没有同步发展相应的零部件产业，使得所生产的机器人需要配套进口的零部件，使价格难以降低。我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等几第一章绪论个主要行业。汽车是焊接机器人的摄大用户，也是最早用户。早在7 0 年代末，上海电焊机厂与上海电动工具研究所合作研制的直角坐标机械手，成功地应用于上海牌轿车底盘的焊接。汽”是我国最早引进焊接机器人的企业，1 9 8 4 起先后从k u k a 公司引进了3 台点焊机器人，用于当时“红旗牌”轿车的车身焊接和“解放牌”车身顶盖的焊接。1 9 8 6 年成功将焊接机器人应用于前围总成的焊接，并于1 9 8 8 年开发了机器人车身总焊线。8 0 年代末和9 0 年代韧德国大众公司分别与上海和一汽成立合资汽车厂生产轿车，虽然是国外的二手设备，但其焊接自动化程度与装备水平让我们认识到了与国外的巨大差距。随后二汽在货车及轻型车项目中都引进了焊接机器人。可以说9 0 年代以来的技术引进和生产设备、工艺装备的引进使我国的汽车制造水平由原来的作坊式生产提高到规模化生产，同时使国外焊接机器人大量进入中国。由于我国基础设施建设的高速发展带动了工程机械行业的繁荣，工程机械行业也成为较早引用焊接机器人的行业之一。近年来由于我国经济的高速发展，能源的大量需求，与能源相关的制造行业也都开始寻求自动化焊接技术，焊接机器人逐渐崭露头角。铁路机车行业由于我国货运、客运、城市地铁等需求量的不断增加，以及列车提速的需求，机器人的需求一直处于稳步增长态势“。作为焊接机器人的最大用户，现在的焊接装备远远满足不了生产需求。而且，我们应该承认国产机器人无论从控制水平还是可靠性等方面与国外公司还存在很大的差距。因此，进行高精度、低成本的焊接机器人研究具有很重要的现实意义。1 3 2 焊缝跟踪视觉传感器发展状况目前，国内的清华大学、哈尔滨工业大学都在研究焊缝跟踪视觉传感器，但是仍然没有实现实用化、产品化，国内所使用的传感器均是从国外进口的。而世界上焊接机器人视觉跟踪系统的生产厂商提供的激光传感器绝大部分采用的是以平面阵列成像的结构光三维视觉传感器，传感器结构如图l l 所示。传感器内置一个或两个激光管，它们发出的激光点光源经光学透镜形成一个扇面，并透射在被测工件表面。同时，按照三角测距法与激光管成一定角度安装在传感器内部的c c d 或图卜1 激光传感器第一章绪论c m o s 器件接收来自工件表面的反射光，从而获得焊接区的几何轮廓，并将图像信息实时送至中央处理器。根据激光三角法测量原理，激光传感器可以测量焊接区的高度信息和水平信息。此外，激光传感器还提供一个防止飞溅的保护罩及一次性保护膜，可以保证激光管和图像传感器不受弧焊过程中热量和烟尘的影响。整个传感器还含有气路，通过喷射干燥的压缩空气来帮助冷却和防止保护膜上的烟尘堆积。对于超高温的工作环境，还可以在激光传感器上附加单独的水冷设备。美国的s e r v o r o b o t 、英国的m e t a 和日本的f a n u c 等知名公司的焊缝跟踪传感器大多采用上述结构，通过面阵的图像传感器采集投射在工件上的线结构光以获得焊接区的几何轮廓信息，只是在激光管的数量，图像传感器的型号等方面有所不同。这种设计结构紧凑，工作效率高，性能稳定。但是由于在弧焊过程中存在弧光、电弧热、飞溅以及烟雾等多种强烈的干扰，这种结构光三维视觉测量方法在焊接过程中易受弧光干扰，测量数据精度差，可靠性低，实时性差，因此严重影响了跟踪信号的提取，影响了自动跟踪的稳定性、精度以及可靠性，因此本文在第二章提出了一种基于点扫描的焊缝跟踪视觉传感器设计方案。1 4 本文的主要任务本文采用视觉测量的方法，尝试在焊接机器人的末端关节安装焊缝跟踪视觉传感器，在焊接的同时测量出焊缝的空间位置和姿态，并实时引导机器人沿焊缝进行焊接，从而提高焊接机器人的焊接质量。本文的工作重点主要包括两方面，一方面设计出具有高稳定性的电机扫描结构，以保证焊缝跟踪视觉传感器的测量精度；另一方面，还研究了机器人定位精度的标定方法。本文主要完成了以下几方面的内容：( 1 ) 根据传感器的测量要求，选择了有刷直流电机作为扫描电机，并且完成了其驱动电路的设计，绘制了硬件线路板，并且对电路进行了调试，得到了扫描速度稳定的扫描电机机构；( 2 ) 为了进一步减小传感器的体积，又选择了体积更小的无刷直流电机作为扫描电机，完成了其驱动电路的设计，绘制了硬件线路板，并且对电路进行了调试，大大的减小了扫描结构的体积；( 3 ) 在分析了以往各种标定方法的优缺点的基础上，结合焊缝跟踪系统的实际要求，运用机器人距离精度误差模型的方法对机器人进行了标定方法的研究。第一章绪论1 5 本章小结本章首先介绍了焊接机器人在工业领域的重要意义，接着强调了焊缝跟踪系统中的两个关键技术：焊接传感技术和机器人标定技术，之后又阐述了机器人和焊缝跟踪视觉传感器的国内外研究和发展状况，最后简明叙述了本文的主要任务。第二章焊缝跟踪系统总体设计第二章焊缝跟踪系统总体设计焊缝跟踪系统的原理框图如图2 1 所示，机器人控制柜根据焊枪相对焊缝的理论位姿给定值控制焊接机器人进行运动，同时视觉传感器采集焊缝相对位姿图像信息，经信号处理获得焊枪相对焊缝的实际位置，并与理论位姿进行比较，获得焊枪相对焊缝的位置和姿态的误差补偿。然后，机器人控制柜根据误差补偿值控制焊接机器人向理论给定位姿运动，从而构成一个闭环控制结构，实现焊接机器人位姿的实时调整。焊枪相对焊缝理论位姿图2 - 1 焊缝跟踪系统原理框图由此可知，焊缝跟踪系统的设计主要包括两方面：焊缝跟踪视觉传感器的设计和机器人的标定。2 1 基于点扫描的焊缝跟踪视觉传感器的总体设计由于在弧焊过程中存在弧光、电弧热、飞溅以及烟雾等多种强烈的干扰，传统的结构光三维视觉测量方法在焊接过程中易受弧光干扰，测量数据精度差，可靠性低，实时性差，因此严重影响了跟踪信号的提取，影响了自动跟踪的稳定性、精度以及可靠性。本文综合国内外产品设计的优缺点，采用了点光源的扫描方式，利用主动激光光源对焊缝进行逐点扫描，用线阵c c d 摄像机接收反射的光斑，并通过图像处理将一维信息转化为二维信息，再结合焊接头的移动速度，即可获得焊接区的三维轮廓信息。与传统的结构光传感器比较，激光点扫描式视觉传感器由于采用点第二章焊缝跟踪系统总体设计光源，在同样激光功率的情况下，工件可以获得比结构光大得多的光照度，因而图像清晰，信噪比大，测量精度高，实时性好“町。传感器大体可分为激光扫描单元和图像采集处理单元两部分，前者采用基于激光三角测量的主动视觉技术，由电机带动扫描转镜实现激光器发出的点光源对焊缝的逐行扫描，并通过成像系统将焊接区的图像信息聚焦在线阵c c d 上；后者利用高速a d 转换芯片将线阵c c d 输出的模拟信号数字化，再由其后的f p g a 和d s p 对数据进行高速的数字化处理，并将处理后的数据实时传输给主机。2 1 1 传感器设计的基本原理传感器的设计是基于激光三角法测距这一基本原理的。三角法测量的本质是通过分析受到三维物体表面形貌调制的光场，从而获得物体表面的三维信息。下面将对这种方法的基本原理进行系统的分析。三角法测量物体表面形貌的基本结构n 刀如图2 - 2 所示。图中，激光器的轴线、成像物镜的光轴以及线阵c c d ，三者位于同一个平面内。激光光源作为测量的指示光源，将一个理想的点光斑投射在被测表面上。该光斑将随其投射点位置的深度坐标变化而沿着激光器的轴向作同样距离的位移。点光斑同时又通过物镜成像在线阵c c d 上，且成像位置与光斑的深度位置有唯一的对图2 - 2 三角法测量的基本结构应关系。测出线阵c c d 上所成实像的中心位置，即可通过几何光学的计算方法求出光斑此刻的深度坐标，从而得到被测表面该点处的深度参数。通过对若干采样点的测量，得到被测表面形貌的一组数据。由于三角法测量原理中包含有凸透镜成像过程，因此光源、物镜及线阵c c d三者的位置关系必须满足高斯定理。图2 3 所示为激光器轴线、物镜主平面及光轴、线阵c c d 三者关系，它们之间的位置与姿态关系由a o ，b o ，a ，p 四个参数确定n 钔。其中，a o 是激光器轴线与物镜光轴的交点到物镜光心的距离b o 是线阵c c d 与物镜光轴的交点到物镜光心的距离；仅为激光器轴线与物镜光轴的夹角；p 为线阵c c d 与光轴的夹角。根据高1 0第二章焊缝跟踪系统总体设计斯定理，当投射在被测表面上的光斑恰好位于物镜光轴上时( 可将这个位置作为测量的参考零点) ，要使光斑通过物镜在线阵c c d 上成清晰实像，满足lll一= 一+ 一fa ob o激光器图2 - 3 三角法测量的光路设计( 2 - 1 )式中伪物镜焦距。而对于光轴以外的光斑，也要使其在线阵c c d 上成清晰实像，此时物距为口：旦l 一1 + t a n p c o t a像距为6 = f 五b 厕ol t a 【n p c o t ( 2 - 2 )( 2 3 )a 、b 也必须满足高斯定理，因此有三+ 三；一1( 2 4 )一+ 一= 一l z 一珥，ab联立公式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 - 4 ) 可以得到a o t a n = 6 0 t a n ( 2 - 5 )该式的物理含义即，激光器轴线、物镜主平面、线阵c c d 三者的延长线交于一点( 或三者相互平行) 。满足公式( 2 一1 ) 和式( 2 - 5 ) 的三角法测量装置就可使投射光斑无论远近，皆可通过物镜在线阵c c d 上成清晰实像。这一条件实际上就是著名的s c h e i m p f l u g 条件钔。根据图2 3 所示原理，下面导出三角法测量的传递函数。取物镜光轴与激光器轴线交点为物方零位参考点。对应的线阵c c d 上像点为像方零点。某一任意情况下，投射光斑偏离零点的位移为r ，而此刻像光斑偏离零点的位移为s ，则根据几何关系有第二章焊缝跟踪系统总体设计鱼二! ：! ! 竺；兰兰坚( 2 - 6 1b 。+ sc o s f lss i n 卢显然，这是一个非线性的关系。当且仅当a = i b = 9 0 0 时( 即激光器轴线、物镜主平面以及线阵c c d - - 者平行) ，上式可简化为r ；生旦( 2 。7 )b o此时的输入与输出方为线性关系。另外可求出三角法测量的灵敏度表达式。即当线阵c c d 上像点移动a s 时，物点位移为艚；鱼：竺! ：! ! ：a s( 2 8 )【6 0s i n 口+ ss i n ( a + 所r由此式可知三角法测量的灵敏度在零点处( s - 0 ) 最高，也是非线性的。2 1 2 激光扫描单元激光扫描单元原理图如图2 - 4 所示。激光器发出的激光束从水平方向照射到扫描转镜的一端再反射到工件上。从工件反射的光经过扫描转镜的另一端反射到透镜，并在线阵c c d 组件上成像。转镜在扫描电机的驱动下不停地快速旋转而使激光束在工件焊缝处横向扫描。扫描点在线阵c c d 上成像的位置与工件深度信息有着对应的关系：工件高度不变时，线阵c c d 成像点的位置也保持不变：工件高度发生变化时，线阵c c d 成像点的位置也相应的发生变化。记录不同焊缝截面位置处扫描点所对应的线阵c c d 成像点的位置信息就可以获得该被测量位置的高度信息，从而描述出焊缝坡口的截面形式和具体尺寸1 。圈2 - 4 激光扫描单元及镜*由图2 - 4 可知，激光扫描单元主要由半导体激光器、扫描电机及其驱动电路、第二章焊缝跟踪系统总体设计扫描转镜、透镜和线阵c c d 等部件组成。焊接机器人要实现对焊缝的精确跟踪就必须准确地获得焊缝坡口的截面形式和具体尺寸，因此必须准确得到焊缝坡口上每一个扫描光点的三维坐标。由传感器的测量原理可知，平行于焊缝方向的坐标可由机器人的运动学方程求得，焊缝横截面方向的坐标可通过扫描电机的转速和测量初始点的位置计算得出，焊缝高度方向的坐标则和线阵c c d 中像点的位置一一对应。由此可知扫描电机转速的稳定性直接影响传感器的测量精度，所以扫描电机高性能的驱动控制对于保证传感器的测量精度有重要意义，因此扫描电机驱动电路的设计是跟踪系统的关键技术之一，也是本文的一个主要工作。2 1 3 图像采集处理单元图像采集处理单元负责对前端传感器的信号进行实时处理，并高速传输到后端主机，是整个焊接机器人系统不可缺少的组成部分。图像采集处理单元的原理框图如图2 5 虚线框中的部分所示，从功能上大体分成，d 模块、采集模块、处理图2 - 5 图像采集处理单元模块和传输模块四个部分。a d 模块：根据线阵c c d 输出的像素同步时钟，对c c d 输出的模拟信号进行实时同步采集，将传感器的输出信号直接数字化，以减少信号传输过程中的干扰；采集模块：根据线阵c c d 输出的像素同步时钟以及a d 转换的时序，对经过a d转换的c c d 的数字信号进行简单的预处理并实时存储，为进一步的高级算法处理做好准备；处理模块：利用焊缝上两条扫描线之间的采集间歇，对采集模块中已存储的整条扫描线的相关数据进行一些高级算法处理，并为数据传输提供支持；传输模块：利用焊缝上两条扫描线之间的采集间隙，实现处理模块输出数据的高第二章焊缝跟踪系统总体设计速传输，并能完成图像采集处理单元与主机之间的通讯。2 2 机器人系统与标定技术2 2 1i r b 2 4 0 0 型机器人简介2 211i r b 2 4 0 0 型机器人系统组成i r b 2 4 0 0 型机器人是著名的瑞典机器人生产商a b b 公司的产品，i r b 指a b b标准系列机器人。2 4 0 0 系列机器人有6 种不同型号，常用于焊接、涂刷、搬运与切割，本文研究的对象为i r b 2 4 0 0 1 0 型机器人，“1 0 一意味着该机器人的最大承载为1o 埏。整个机器人系统包括机械手臂和控制柜( s 4 c p l u s ) 各一台。图2 - 6i r b 2 4 0 0 型机器人工作范围示意图表2 1i r b 2 4 0 0 型机器人各根轴的转动范围第i 轴角度范围11 8 0 。1 8 0 。21 0 0 。1 1 0 。36 5 。 6 0 。42 0 0 。2 0 0 。51 2 0 。- 1 2 0 。64 0 0 。4 0 0 。机械手是由六个转轴组成的空间6 杆开链机构，理论上可以达到运动范围内任何一点，表2 1 列举了各根轴的转动范围，图2 6 展示了机械手臂的工作空间( w o r k i n gr a n g e ) 。每个转轴均带有一个齿轮箱，机械手运动精度( 综合) 可达0 0 5 m m 0 2 m m 。六个转轴均有a c 伺服电机驱动，每个电机后均有编码器与刹车机构。机械手带有一块串口测量板( s m b ) ，它将编码器模拟量值转换为数字量，并依靠六节可充电镍铬电池供电，机器人关机时，通过电池存储机器人当前1 4第二章焊缝跟踪系统总体设计编码器位置，一旦电池电量不足需要及时更换。s 4 c p l u s 系统主要由主计算机板、机器入计算机板、快速硬盘、网络通信计算机、示教器、驱动单元、通信单元和电力板组成，其系统组成如图2 7 所示。变压器、主计算机、轴计算机、驱动板、串口测量板和编码器组成伺服驱动系统，对位置、速度和电机电流进行数字化调整，对电机的交流控制进行同步。机器人系统从串口测量板连续地接收机器人新的位置数据，输入位置调整器中，与先前的位置数据进行比较和放大，输出新的位置和速度控制参数。同时，系统会根据重力、运动时的转动惯量和转轴之间的相互作用，不断地计算和优化调整参数。机器人控制电机参数的过程中，其中的两相数字电流参数是以位置编码器的信号为基准，根据编码器角度与转子角度关系计算得到，第三相由此两相平衡后得到。三相电流在驱动单元中由各自的电流调整器进行调整，经过脉宽调整和放大处理后，产生作用在电机上的工作电压。主计算机板主计算机一快速硬盘陬7机器人计算机板轴计算机通信计算机网络通信计算机夕ii夕驱动单元示教器通信单元控制柜s 4 c p l u s 系统1r串口钡4 量板图2 7s 4 c p l u s 系统框图除了以上提到的硬件设备之外，机器人还拥有一套b a s e w a r eo s 系统软件，其中包括冷启动软件r o b l n s t a l l 和网络通讯软件f t p 。2 212 机器人与计算机的通讯机器人共有以下四种通讯方式：( 1 ) 信息输出到示教器上，用户可以依据提示回答问题，例如回答要处理的零1 s第二章焊缝跟踪系统总体设计件的数量。( 2 ) 可以对存储器中的文本文件进行基于字符信息的读写操作。通过这种方式可以将生产中的相关数据存储起来，稍后传递给p c 机，也可以由连接到机器人的打印机直接打印出来。( 3 ) 二进制信息可以在机器人和传感器之间传递。( 4 ) 二进制信息在一定协议下可以和计算机通信。至于采取哪一种通讯方式取决于与机器人通讯的设备是如何处理信息的。例如，文件可以保存以字符或二进制形式存储的数据。如果需要双向同时通讯，那么就需要选用二进制方式。机器人的通讯协议分为3 层，如图2 - 8 所示。其中，r a p 是机器人应用协议，实现通过外部计算机来监控机器人；f t p 是文件传输协议，实现文件从一个系统到另外一个系统的完全拷贝；n f s 是网络文件系统，允许一台计算机访问另一台计算机的文件系统；p p p 是点对点传输，用于经串行线路的r a p 通讯；s l i p 是串行线路接口协议；t c p i p 是传输控制协议和网际协议；r t p l 是由于点焊的专用协议；r a w 是无握手的协议。机器人对外通讯有3 个串行通道，分别是r s 2 3 2 、带r t s c t s 控制的r s 2 3 2和r s 4 2 2 接口。另外还包含两个以太网通道，它们是连接到主计算机板的l a n接口和连接到外界计算机的s e r v i c e 接口。除此之外，还有3 个c a n 2 0 接口。应用协议ir a p1if 1 1 piln f sl传输协议r a p lr a wp p p s l i pt c f 仉p物理通道s i or s 2 3 2 r $ 4 2 2ie t h e r n e t图2 - 8 机器人的通讯协议层次如果要进行文件传输，则采用机器人以太网服务口连接较为方便。这时只需要将计算机的i p 地址设定为1 9 2 1 6 8 1 2 5 8 2 并安装一款f t p 客户端程序，就能与机器人联通，实现对机器人文件系统的访问。如果要保持计算机与机器人的实时通讯，那么应该采用串行通讯的方式。下1 6第二章焊缝跟踪系统总体设计面是一段机器人通过r s 4 2 2 总线与计算机实时通讯的程序：用v c 编写相应的计算机程序，界面如图2 - 9 所示。口i n o y1 1p o l i p o 山t 1o t f 【l l 3 0i p o i n tr “i o c2 t 0 8i p 0 1 n h 1 口h = _ i 。i1 1 q g l ：2 2 i m ：5 _ t t 3l p o l ! md t r c t l co v r l t e 目 l n r 到匣虱2 2 2 标定技术图2 - 9 计算机通讯程序界面根据应用场合的不同对机器人标定方法也不相同，目前常用的几种标定方法如下：( i ) 基于测量拟合的标定技术：它根据机器人的运动关系控制机器人的某些关节单独运动，然后测量空问运动点的坐标，根据这些测量点拟合出机器人的连杆关节参数值。这种标定方法能够在一定程度上提高机器人的连杆关节参数精度，从而提高机器人的定位精度，它主要运用在机器人出厂的初标定以及点焊和搬运等场合。( 2 ) 基于坐标系转换的标定技术：机器人的运动空间点的坐标值是相对于机器人基坐标系的因此为了测量和标定机器人的定位精度，采用高精度测量仪器进行机器人基坐标系和测量坐标系之间的坐标转换测量方法是大家普遍比较接受的方法，它能够直观的测量出机器人相对于基坐标系三个方向的误差( d x ，a y ，d z ) ，而且标定方法的数据处理算法容易，它能够将机器人的定位精度控制在土15 m m 以内，因此能够进行弧焊和喷涂以及一些粗测量领域运用较多。( 3 ) 基于距离精度的标定技术：由于基于坐标系转换的标定技术需要进行机器人基坐标系与测量坐标系的转换，而这个转换的精度往往得不到保证，使得机器人定位精度一部分损失在测量环节上，同时进行多次测量时不能保证每一次的测第二章焊缝跟踪系统总体设计量结果一致，不具有重复性。而基于距离精度的标定方法省略了坐标系转换这一个环节，它利用空间两点在不同坐标系下距离相等的原理对机器人定位精度进行标定，能够进一步提高机器人的定位精度，但是其数据处理存在一定的困难。本文将采用第三种标定方法来标定机器人的绝对定位精度，这种方法避免了测量坐标系与机器人坐标系间的坐标变换，更有利于提高机器人的绝对定位精度。2 3 本章小结本章首先介绍了焊接机器人的工作原理，了解到焊缝跟踪系统主要由焊缝跟踪视觉传感器和机器人两部分组成。然后提出了一种新型的基于点扫描的焊缝跟踪视觉传感器设计方案，并且分析了传感器的工作原理。最后介绍了本文使用的i r b 2 4 0 0 型机器人的系统组成和通讯方式以及本文采用的标定方法。1 8第三章高精度扫描电机的驱动电路设计第三章高精度扫描电机的驱动电路设计3 1 扫描电机的选择首先，根据焊接工艺，现在的焊接速度一般在0 3 - 3 m m i n 之间。按照精度要求，在一个毫米内的扫描线应为5 条，即0 2 m m 条，因此每分钟的扫描线为1 5 0 0 - - 1 5 0 0 0 条。由于所选择的转镜为三面转镜，因此对转镜的转速要求为5 0 0 5 0 0