【《无轨爬行焊接机器人熔滴-焊缝视觉测控系统的构建分析案例》5700字】

无轨爬行焊接机器人熔滴-焊缝视觉测控系统的构建分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u31108无轨爬行焊接机器人熔滴-焊缝视觉测控系统的构建分析案例 1318351.1无轨爬行焊接机器人结构设计 1218281.2视觉系统的构建 2308271.1.1光谱分析及硬件选型 2201561.1.2焊缝视觉系统光学设计 4287151.1.3熔滴视觉系统光学设计 5132271.1.4双视觉系统的位置关系 6294251.3焊接纠偏模型设计 7215701.4焊接偏差量的测定原理 91.1无轨爬行焊接机器人结构设计通过现场调研发现，在管道和板材焊接过程中，焊缝突变的情况较少，多是同方向上的缓慢变化。因此，在无轨爬行焊接机器人的结构设计时，可设计成无转向功能的焊接机器人。无转向功能与带转向功能[62-64]的无轨爬行焊接机器人相比，结构上会更加简单、小巧，质量也更轻，在施工现场更便于来回搬动，有较强的适应性。无转向焊接机器人在爬行方向只能直行，因此焊接纠偏动作只能在摆动方向完成，可通过滑动导轨的伸缩量来控制焊枪移动位置进而实现焊接纠偏。本文设计的无轨爬行焊接机器人为磁吸附式四轮机器人，无转向功能，整体结构如图1.1所示。焊接机器人本体长宽高为240mm×148mm×90mm，净重约11kg，非常的小巧轻便。磁轮直径70mm，轴距146mm，满足直径280mm以上的管道焊接。磁轮总磁力可达60kg，可防止在高空作业时掉落。焊接机器人整体的运动由三个步进电机完成，可实现爬行(x)、横摆(y)、上下(z)三个方向运动。焊接机器人内部结构如图1.2所示，步进电机B驱动皮带轮使螺杆转动，螺杆与磁轮间通过齿轮啮合，实现四个磁轮同步、同速运动。当零件加工精度与装配精度合适时，焊接机器人可沿x方向保持偏移量较小的长时间爬行。经平面爬行测试，本文设计的焊接机器人爬行3000mm的距离其x方向上的重复偏移量在38mm以内，满足实际应用中对爬行精度的要求。步进电机C驱动皮带轮带动螺杆，螺杆与滑动导轨使用结构件相连接，可通过控制步进电机C的交替正反转来实现滑动导轨沿y方向的来回运动，进而实现焊枪的摆动，其摆动行程为140mm。焊枪沿z方向上的升降由步进电机A驱动，升降有效行程为50mm，满足不同焊接条件下对调整焊枪高度的要求。图1.1无轨爬行焊接机器人图1.2无轨爬行焊接机器人内部结构1.2视觉系统的构建如何获取清晰稳定的图像是构建视觉系统的第一步，而影响图像清晰度的因素有很多，例如工业相机感光芯片的光谱灵敏度、相机分辨率、相机帧率、镜头的配合、视野的大小、光学的设计以及安装的稳定性等等。本文从底层光学进行研究，通过分析MAG电弧摆动焊焊接过程中弧光光谱分布和工业相机感光芯片的光谱灵敏度特性，选择出价格低且能获得清晰图像的工业相机及相关光学器件。1.1.1光谱分析及硬件选型分析焊接过程中的光谱分布非常重要，焊接光谱中有非常多的有效信息，能够指导试验的硬件选型，影响最终试验结果。很多学者采集并分析了焊接过程中的光谱分布情况，同时得出了很多重要结论。Ye[65]等人通过MAG脉冲焊接试验，发现620nm~680nm光谱是连续的，且强度低于其他光谱，进一步试验得出了中心波长为660nm的滤光片适合该焊接系统。Xu[49]等人对1.5mm厚的Q235钢板进行了GMAW焊接试验，发现在620nm~720nm波长范围内弧光强度最弱，相对稳定。Chen[50]等人发现中心波长630nm的窄带滤光片和10%+30%+50%的中性滤光片适合于采集光谱分布在580nm~720nm的铝合金焊接熔池图像。表1.1MAG电弧摆动焊焊接参数材料和工艺参数1参数2母材Q235AQ235A焊丝H08Mn2SiAH08Mn2SiA保护气Ar80%+CAr80%+C保护气流量q/(L∙1518焊枪摆速v/(mm∙3028焊接机器人爬速v/(mm∙1.51.8焊接电流I/A140150焊接电压U/V1819表1.1为MAG电弧摆动焊焊接Q235A钢材时常用的两组焊接参数。为了获得该焊接参数下弧光的光谱分布，分别对表1.1中的焊接参数进行了堆焊试验，并使用便携式光谱仪对焊接时的弧光进行了光谱采集。由于便携式光谱仪只能采集可见光光谱，因此本试验只采集了380nm~780nm区域内的焊接光谱，其采集结果如图1.3、图1.4所示。焊接试验使用的焊接材料为Q235A板材，保护气体为Ar80%+CO220%在不可见光谱区域，闫志鸿[66]等人通过脉冲熔化极气体保护焊(P-GMAW)试验，发现在602nm~697nm区域和922nm以上的近红外区域有强度较弱的连续谱，并对中心波长分别为665nm和1064nm滤光系统的成像质量进行了比较，得出了中心波长为665nm的滤光系统能够获取清晰熔池图像的结论。另外，目前市场上的主流工业相机多为可见光光谱成像，近红外相机价格相对较贵，因此在相机选型时选择了可见光成像工业相机。图1.3参数1弧光光谱分布图1.4参数2弧光光谱分布量子效率(QuantumEfficiency)为CCD芯片在一定波长入射光的照射下，由光电效应产生的平均光电子数与入射光子数之比，表征了CCD芯片对不同波长入射光的敏感程度，不同波长的光量子效率不同。由于在本研究中相机直接用来采集高强度的弧光，因此在相机选型时，相机感光芯片的量子效率是重要的参考参数。不同品牌工业相机采用感光芯片的品牌和型号各有不同，所以量子效率也不相同，在相机选型时需要对比分析，最终选出满足要求且性价比高的相机。表1.2为三种常见品牌的工业相机，并选取对应三种不同品牌和型号的感光芯片。DaHua和HIKROBOT为国产品牌工业相机，Basler为德国知名品牌工业相机，三种相机的分辨率均为1280×1024，传感器类型为CMOS，图像颜色为黑白。由于论文的目标是在620nm~700nm区域采集清晰稳定的熔池图像，因此相机在此光谱区域内应有较强的抗弧光能力，即相机感光芯片的量子效率在此区域应相对较低。图1.5为该三种相机传感器量子效率曲线图，从图中可以看出，Basler相机传感器的量子效率在620nm~700nm区域相对较低，但相对波动最大，相机价格也最贵。因此，论文选择了性价比较高的DaHua相机。表1.2工业相机传感器比较表相机品牌相机型号传感器厂家传感器名称参考价格DaHuaMV-13MGOnsemiPYTHON13001.8K-1.2KHIKROBOTMV-CE013-80UMAPTINASS1.8K-1.2KBasleracA1300-60gmE2VEV76C5603.0K-3.7K图1.5传感器量子效率曲线图1.1.2焊缝视觉系统光学设计在MAG电弧摆动焊焊接过程中，弧光和焊渣的飞溅对图像采集影响很大，需要将光学器件组合使用才能有效削弱弧光和焊渣飞溅的影响。焊缝轮廓信息是利用弧光在V型坡口上反射产生的，因此削弱弧光的同时要保留少量弧光。图1.6为焊缝视觉系统的示意图，采用滤光片和偏振片的组合方式，削弱弧光的同时保留了焊缝轮廓信息。由于620nm~700nm区域为较为理想的取像窗口，因此选取了中心波长650nm(±30nm)的窄带滤光片，该滤光片为常用型滤光片，价格相对便宜。650nm(±15nm)和650nm(±5nm)窄带滤光片属于定制类型滤光片，价格相对较贵，且带通越窄价格越贵。偏振片按应用可分成透射、透反射及反透射三类，是可以使自然光变成偏振光的光学元件，对入射光具有遮蔽和透过的功能。焊接材料多为表面反射较强的金属，反射光对图像采集具有一定的干扰，因此选择了对入射光具有遮蔽功能的反透射偏振片。根据相机视野大小要求，选择了12mm的镜头，玻璃片的作用是阻挡焊渣飞溅，以免损坏偏振片。图1.6焊缝视觉系统示意图1.1.3熔滴视觉系统光学设计如图1.7所示，熔滴视觉系统与焊缝视觉系统结构和组成基本一致，不同之处为熔滴视觉系统中增加了焊接减光片。熔滴是焊接过程中弧光的中心点且亮度最大，受干扰也最为严重，因此需要增加减光能力较强的焊接减光片来削弱弧光。焊接减光片的型号有很多种，不同型号对应的可见光透射比不同。为了验证哪种型号焊接减光片最适合本视觉系统，论文对8种型号的焊接减光片进行了采图试验，试验结果如表1.3所示。从表中可以看出，减光片的型号越大，可见光透射比越小，即透过减光片进入相机的光通量越少。采图试验发现，加上9号减光片后，仅采集到少量弧光信息，10号以上的减光片无弧光通过，图像为全黑色。5号、6号减光片可见光透射比较大，透过的弧光较多，熔滴图像受干扰严重。最终试验结果表明，7号焊接减光片最适合熔滴图像采集，在削弱弧光的同时能够保留熔滴轮廓信息，且受到的干扰最少。图1.7熔滴视觉系统示意图表1.3焊接减光片参数及采图试验结果焊接减光片型号可见光透射比380nm～780nm采图试验结果最大最小50.0320.012图像过爆，干扰严重60.0120.0044熔滴轮廓信息较少，干扰较多70.00440.0016熔滴轮廓清晰，干扰较少80.00160.00061熔滴轮廓信息丢失，图像不清晰90.000610.00023仅有少量的熔滴图像100.000230.000085图像全黑，无信息110.0000850.000032图像全黑，无信息120.0000320.000012图像全黑，无信息1.1.4双视觉系统的位置关系如图1.8所示，在熔滴-焊缝双视觉系统中，左相机采集熔滴图像，右相机采集焊缝图像。在后续的图像处理中，有图像标定和融合的过程，因此左、右相机的成像区域必须有一定的重合，且重合区域不应小于单个相机视野的三分之一。在相机安装时，为了能够采集到熔滴和焊缝图像，左、右相机应成倾斜状态。但倾斜度越大，相机距离越远，导致安装机构变大，不利于施工现场的使用，因此需要选择合适的相机安装角度，经试验发现，左、右相机与焊枪安装夹角在45°图1.8双视觉系统位置关系示意图1.3焊接纠偏模型设计焊缝纠偏是视觉系统与运动控制系统紧密结合的过程，涉及到采图点的选择、焊枪轨迹控制和纠偏点的选择。根据MAG电弧摆动焊焊接工艺要求，焊枪在运动到焊缝两侧边缘时，需停顿300ms-350ms的时间以充分熔透两壁，故焊枪在左右摆动方向呈加减速运动状态。对于通过控制滑动导轨的伸缩量来实现焊接纠偏的焊接机器人，焊接纠偏动作只能在焊缝两侧的停顿点完成，停顿时无法执行焊接纠偏动作，而停顿后执行纠偏则会出现咬边或成形不良等焊接缺陷问题。因此，焊接纠偏应在停顿点前完成，即焊接偏差量需提前获取。如何设置采图点，提前获取到焊接偏差量是焊接纠偏模型设计时应考虑的问题。对于由滑动导轨控制焊枪移动位置完成焊接纠偏任务的焊接设备，目前主要采用两种焊接纠偏模型，分别是图1.9焊接纠偏模型1和图1.10焊接纠偏模型2。如图1.9所示，对于焊接纠偏模型1，采图点与纠偏点都设置在停顿点的一侧，在一个摆幅周期内只采集一帧图像，执行一次纠偏任务，程序逻辑控制上比较简单，但焊缝跟踪精度相对较低。由于焊接偏差量需提前获取，因此在T2时刻的纠偏量实际上是T1时刻的测量值，存在一个摆幅周期的滞后。在图1.10焊接纠偏模型2中，采图点设置在摆幅中间。该模型的优点是熔滴在焊缝中间时轮廓最为清晰，且均匀对称，不会因焊缝边缘的遮挡导致熔滴轮廓的变形。且焊接偏差量在摆幅中间时刻获取，在焊枪停顿点之前即可完成纠偏，仅有四分之一摆幅周期的滞后，实时性较高。该模型的缺点是对硬件性能要求较高，导致设备成本增加。由于在运动中采集图像，需要高帧率相机，低帧率相机无法采集到清晰稳定的图像。且每次需在摆幅中间采图，需精度较高的伺服电机控制滑动导轨，普通步进电机无法满足对精度的要求。为了控制焊接设备的成本，本文设计的无轨爬行焊接机器人由步进电机驱动，相机帧率≤60fps，因此无法采用焊接纠偏模型2。鉴于此，论文对模型1进行了优化，优化结果如图1.11所示。并比较了三种焊接纠偏模型的优缺点，比较结果如表1.4所示。焊接纠偏模型3将焊缝两侧的焊枪停顿点均作为采图点与纠偏点，使一个摆幅周期内有两次纠偏过程。虽然焊接纠偏模型3在程序逻辑控制上增加了难度，但提高了焊缝跟踪精度，同时避免了模型2中对硬件性能的高要求。图1.9焊接纠偏模型1图1.10焊接纠偏模型2图1.11焊接纠偏模型3表1.4焊接纠偏模型优缺点对比焊接纠偏模型采图点位置优点缺点模型1停顿点11.停顿点采图，图像稳定清晰；1.停顿点采图，相机帧率和运动控制精度要求不高。1.单个采图点，焊接偏差量测定精度相对较低；1.纠偏量滞后一个摆幅周期；3.焊缝边缘遮挡，熔滴图像不对称，图像处理较复杂。模型2摆幅中间1.摆幅中间采图，熔滴图像均匀对称，特征明显；1.一个摆幅周期内两个采图点，焊接偏差量测定精度相对较高；3.纠偏量仅滞后四分之一摆幅周期。1.移动中采图，对相机帧率要求较高；1.摆幅中间采图，对运动控制精度要求较高。模型3停顿点1停顿点21.停顿点采图，图像稳定清晰；1.停顿点采图，相机帧率和运动控制精度要求不高；3.一个摆幅周期内两个采图点，焊接偏差量测定精度相对较高。1.纠偏量滞后一个摆幅周期；1.焊缝边缘遮挡，熔滴图像不对称，图像处理较复杂。1.4焊接偏差量的测定原理从石油化工施工现场调研发现，不管采用坡口机还是人工加工坡口，加工后的焊缝坡口形状多变，宽窄不一。在实际焊接过程中，如果焊枪的摆幅是固定值，则焊接宽度不一致的焊缝时会出现咬边、成型不良等缺陷。因此，在焊缝跟踪过程中既要保证焊枪位置不偏离焊道，又要使焊枪摆幅适应焊