基于邊緣檢測的焊縫尋位方法研究

基于邊緣檢測的焊縫尋位方法研究

目前，焊接機器人的編程主要有兩種方法：現(xiàn)場教學(xué)和在線編程。對于現(xiàn)場示教法而言,需要先將工件夾裝在工作臺上,然后根據(jù)焊縫的位置逐點示教以形成焊接路徑,但是由于每次焊接的工件位置均可能有變動,需要重新示教,示教法得出的機器人焊接程序復(fù)用性較弱,降低了生產(chǎn)效率。對于離線編程而言,仿真環(huán)境中的待焊工件被固定在理想位置,這與焊接現(xiàn)場的條件可能有較大差別,如果沒有其它輔助手段,離線編程往往局限于實驗室條件而難以應(yīng)用于現(xiàn)場實際。因此,無論現(xiàn)場示教還是離線編程,均需要一種焊縫位置檢測方法,以提升示教程序的復(fù)用性,促進離線程序的現(xiàn)場應(yīng)用。在KUKA機器人弧焊系統(tǒng)中,針對焊接現(xiàn)場中比較常見的直線角接焊縫和圓形角接焊縫,本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于激光測距傳感器的焊縫位置檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)在槍架上附加一激光測距傳感器,通過CAN總線的DeviceNet協(xié)議將采集到的數(shù)據(jù)傳遞至機器人控制系統(tǒng)當中,經(jīng)過處理得到焊縫上的點,再根據(jù)焊縫形狀計算得到焊接路徑起點、終點、圓心等信息。1機器人光譜測量傳感器系統(tǒng)1.1光學(xué)測距傳感器激光測距傳感器通過非接觸式測量來采集物體的位置或者位移。這里,選用德國Leuzeelectronic生產(chǎn)的ODSL9/V6-450-S12光電測距傳感器,用以采集工件表面的凹凸變化。該型傳感器采用三角測量原理,適合于具有漫反射表面的物體測量,具有較高的測量頻率和精度,支持溫度補償,其各項性能參數(shù)如表1所示,適合應(yīng)用于焊接工件表面的測量。另外,該型傳感器含有5個接線端子,采用M12接頭標準來實現(xiàn)供電、接地和傳輸信號等功能。如圖1所示,1~5號端子依次為電源線、信號控制線、地線、電平輸出線、標準電壓輸出線。1.2模擬量采集模塊機器人-激光測距傳感器系統(tǒng)主要由工業(yè)機器人及其控制系統(tǒng)、MPT(MultiPowerTap)擴展板卡、DeviceNet總線耦合器及I/O端子、繼電器和激光測距傳感器組成,組件之間的連接關(guān)系如圖2所示。在這些連接關(guān)系中,每個連接都傳輸特定的信號,以實現(xiàn)指定的功能:繼電器接受控制信號輸出模塊傳出的使能信號,可以在程序中通過輸出高低電平來打開/關(guān)閉激光測距傳感器;模擬量采集模塊則接受來自激光測距傳感器輸出的反應(yīng)距離變化的電壓信號,并將其傳輸?shù)綑C器人控制系統(tǒng)中供程序使用;DeviceNet總線耦合器則根據(jù)CAN總線標準,主要負責(zé)電壓、電流等信號的信號轉(zhuǎn)換和電氣隔離;MPT接口擴展板卡自KUKA機器人控制器上的MFC(Multi-FunctionCard)卡的X801端口引出,用于擴展DeviceNet協(xié)議所定義的設(shè)備,傳輸CAN總線所定義的電氣信號,提供24V電源(X941)、診斷接口(X942)和兩個DeviceNet耦合器接口(X943.2和X943.3)。除去硬件連接之外,還需要在機器人控制系統(tǒng)內(nèi)部進行軟件配置,包括devnet.ini(DeviceNet初始化文件)和iosys.ini(I/O系統(tǒng)初始化文件)兩個文件:前者配置了DeviceNet總線耦合器的MacID及其波特率,后者則負責(zé)建立I/O端子和機器人控制系統(tǒng)的系統(tǒng)變量的映射關(guān)系。機器人才能識別外設(shè)并將其映射到機器人控制系統(tǒng)當中供程序使用。在完成上述軟硬件配置之后,即可在程序中實現(xiàn)打開/關(guān)閉傳感器、讀取所采集的電壓信號。2檢測原理2.1標準搜索姿態(tài)在機器人-測距傳感器系統(tǒng)中,利用機器人帶動傳感器來檢測工件表面的凹凸變化,以此來確定焊縫邊緣的位置。因此,激光測距傳感器按照圖3中所表現(xiàn)的方式安裝到焊槍支架上。為了更加準確地檢測到工件表面的凹凸變化,在掃描工件表面的過程中,應(yīng)盡量保證激光光束垂直于工件表面。這里,可以充分利用機器人的自由度,在校槍并確定工件坐標系之后,便可以尋找到一組歐拉角,使得機器人按此姿態(tài)運動時激光光束與工件表面垂直。這里,稱這組姿態(tài)(即ZYX歐拉角的三個值)為標準搜索姿態(tài)。以圖3所示的系統(tǒng)為例,其中的X軸、Z軸即為現(xiàn)場人員所建的滿足右手定則的工件坐標系,兩軸交點即為原點。隨后,通過調(diào)整焊槍的姿態(tài)使得激光光束垂直于XOY面,尋找標準姿態(tài)的過程為:令機器人從某點沿Z軸負方向接近工件,觀察激光光斑在工件表面的偏移狀況,并據(jù)此調(diào)整焊槍姿態(tài);重復(fù)上述過程直至光斑偏移趨近于零,所得的歐拉角的三個值即為XOY面標準搜索姿態(tài)。在標準搜索姿態(tài)下,焊槍末端位置(TCP位置)TP(tpx,tpy,tpz)和激光光斑位置LP(lpx,lpy,lpz)之間存在偏差ΔD。仍舊以圖3所示的系統(tǒng)為例,將激光反射點LP(LaserPoint)點和TCP點投影到XOY面,結(jié)果如圖4a所示。不難看出,LP點和TCP點在X軸和Y軸兩個方向上存在偏差dx、dy。同樣的,將兩點向XOZ面投影得到圖4b。再結(jié)合圖3,可以清晰地看出Z軸方向上的偏差受傳感器測量值d和安裝偏差dz兩個參數(shù)影響。綜上所述,TCP點和LP點之間的坐標變換關(guān)系應(yīng)滿足式(1),其中ΔD=[dx,dy,d-dz]T。2.2邊緣搜索算法在結(jié)構(gòu)件中,焊縫一般位于兩個部件的拼接處。圖5是某工件的三維圖,矩形鋼和平板拼接得到紅色實線所示的直線焊縫,藍色線表示剖面。圖6就是按照圖5中的剖面得出的剖視圖,虛線所包圍的區(qū)域就是焊接完成后焊料的截面圖。因此,可以通過激光測距傳感器來檢測平板表面的凹凸變化,以此來“感知”矩形鋼邊緣的位置,而矩形鋼邊緣的位置即為焊縫存在的位置。因此,邊緣搜索的目的就是尋找到平板上高度突變的位置,再將激光光斑的坐標轉(zhuǎn)換成TCP的坐標,即可找到焊縫上某點。結(jié)合圖5,邊緣搜索過程指的是從某點開始,機器人以標準搜索姿態(tài)沿指定方向搜索焊縫邊緣的突變,同時利用控制系統(tǒng)的定時中斷周期性的查詢距離模擬量(即模擬量輸入端口映射到機器人的系統(tǒng)變量),根據(jù)相鄰兩次檢測的距離變化來判斷是否找到焊縫邊緣。整個邊緣搜索的主程序流程如下:Step1:設(shè)置定時查詢周期;Step2:清空距離數(shù)組中的歷史數(shù)據(jù);Step3:啟動定時器;Step4:打開定時器中斷;Step5:啟動搜索;Step6:關(guān)閉定時中斷;Step7:激光光斑坐標轉(zhuǎn)換到TCP坐標并記錄;Step8:運動到指定位置。其中,Step5表示機器人開始沿設(shè)定的路徑搜索焊縫的邊緣,即從搜索路徑起點啟動運行至搜索路徑終點,并在這一過程中啟動了定時中斷,定時中斷的中斷服務(wù)流程如圖7所示。算法實現(xiàn)以KUKA機器人KRC2/3控制系統(tǒng)為平臺,文獻中指出:定時查詢周期一般不小于25ms,否則有可能干擾機器人的軌跡規(guī)劃;為了避免中斷套嵌,每次進入中斷服務(wù)之后首先要關(guān)閉定時中斷和定時器,然后再查詢模擬量端口。3角連接點的位置測量3.1企業(yè)基于mpj的邊緣搜索路徑一般而言,直線角接焊縫由平板相交而成。這里,以矩形鋼拼接在平板上形成的四條直線焊縫為例,來說明直線型垂直角接焊縫的位置檢測方法。按照2.2中所述的邊緣搜索方法,確定矩形鋼在平板上的焊縫的位置實際上就是確定矩形鋼四條邊上的若干點。現(xiàn)俯視平板表面,可以得到圖8所示的抽象示意圖,其中TPi(txi,tyi,tzi),i=1,2,3,4為矩形鋼頂點Ti的坐標,帶箭頭的黑色實線表示邊緣搜索路徑,黑色虛線表示搜索路徑之間的過渡路徑。如圖8所示,機器人帶動傳感器沿黑色帶箭頭直線搜索矩形鋼的邊緣上的點Mj,j=1,2,…,8,即在圖中“×”所標識的位置檢測到距離突變,再通過2.1中的測量模型將Mj的坐標變換到TCP坐標系當中,相應(yīng)的坐標記為MPj(mxj,myj,mzj)。根據(jù)點SPk,k=1,2,…,16所確定的“搜索-過渡”路徑,機器人可以搜索得出若干邊緣點的坐標。標準直線方程如式(2)所示,則由MPp、MPq兩點即可確定另外兩個參數(shù)。其中a=myp-myq,b=mxq-mxp,c=mxpmyq-mxqmyp。在式(3)中由相鄰兩直線便可以計算出交點的坐標TP(tx,ty,tz),其計算如式(4),結(jié)果即為某焊縫的起點/終點的坐標。令d=a1·b2-a2·b1,即可解得:在完成搜索之后,便可根據(jù)上述方法逐一計算出TPi(txi,tyi,tzi),i=1,2,3,4,再根據(jù)實際焊接需求,指定焊縫的起點和終點并傳送給焊接程序便可完成“搜索-計算-焊接”過程。3.2基于傳感器和tr的距離變異點標記圓形焊縫也是角接焊縫中比較常見的形式,一般為圓管或者法蘭拼裝在平板上所形成的接頭軌跡,如圖9中黑色實線所示。同樣的,仍舊俯視平板即可得到圖10所示的圓形焊縫抽象示意圖,其中TC(cx,cy,cz)表示圓心,TR表示半徑,其余的標記方式與圖8中的類似。機器人可以帶動傳感器,按照圖8中SPu,u=1,2,…,6所標記的“搜索-過渡”路徑,對圓管或者法蘭的邊緣進行尋找。通過若干次尋找,可以得到三個“×”標記的距離突變點,再經(jīng)過坐標變換,即可將激光光斑坐標轉(zhuǎn)換到TCP坐標,記為MPv(mxv,將上述三點的坐標代入式(5)所示的圓標準方程中,求解得到圓心坐標TC(cx,cy,cz)和半徑r,結(jié)果依次為式(6)~(8)。隨后可根據(jù)圓形焊縫的圓心坐標TC(cx,cy,cz)和半徑r把焊縫軌跡離散化,并將得到的離散點序列傳遞給焊接程序,進而完成圓形角接焊縫的焊接。4實驗4.1測量模型的建立實驗系統(tǒng)以KUKAKR16型工業(yè)機器人及其控制系統(tǒng)為基礎(chǔ),依次完成焊槍校準、工件坐標系建立之后,可以按照2.1中所描述的方法確定出一組歐拉角使得激光光束垂直于平板,即實驗系統(tǒng)的標準搜索姿態(tài),其具體的值為(173.60,71.98,-175.38)。隨后,需要確定2.1中所述的測量模型ΔD中dx、dy、dz三個參數(shù),確定前兩個參數(shù)的具體方法:在標準搜索姿態(tài)下,打開激光測距傳感器,移動光斑至某一定點并記錄下當前TCP的位置;隨后,移動焊槍末端至同一點,再次記錄下TCP位置;計算前后兩個TCP位置的差值即可得到一組dx、dy的值。重復(fù)上述過程若干次,對得到的數(shù)據(jù)取平均值即可算出ΔD中的dx、dy。第三個參數(shù)的確定方法:仍舊將機器人調(diào)整至標準搜索姿態(tài),移動焊槍末端使之盡量接近平板表面,記錄下此時激光測距傳感器的讀數(shù),該值即為dz;重復(fù)上述過程若干次并對讀數(shù)取均值,即可算出ΔD中的dz值。實驗系統(tǒng)中的ΔD=[-59.413,24.058,269.581-d]。4.2測量值的來源為了驗證本文所提出的方法的有效性,這里設(shè)計了兩個實驗依次用來測試直線、圓角接焊縫的位置尋找。在建立工件坐標系時,一般將平板所在平面設(shè)置為XOY面,所以實驗中焊縫軌跡點的Z坐標均設(shè)為零。對于直線角接焊縫,利用3.1所述方法獲取焊縫的起末點坐標并稱之為計算值,測量值則來自機器人的測量(即利用機器人的焊槍末端直接測量焊縫起末點的坐標)。搜索直線焊縫的實驗結(jié)果見表2,其中軸向誤差指的是測量值與計算值在X、Y軸方向上的差值。對于圓形角接焊縫,利用3.2所述的方法獲取圓形焊縫的圓心、半徑的參數(shù)并稱之為計算值,測量值的來源如下:利用機器人焊槍末端測量圓形焊縫邊緣點的坐標,將這些坐標代入式6~8即可得出圓心、半徑的測量值。搜索圓形焊縫的實驗結(jié)果見表3,其中參數(shù)含義同表2。將表2、表3中的數(shù)據(jù)可視化,可以分別得到圖11、圖12,每幅圖中紅、綠、藍色實線依次對應(yīng)第一、二、三組實驗的實際軌跡(源于測量),對應(yīng)的虛線則為理論軌跡(源于計算)。綜合數(shù)據(jù)和可視化軌跡,發(fā)現(xiàn):直線焊縫的誤差相對集中在焊縫起點,而終點處的誤差較小,這可能是測量焊縫起點時的視差造成的;圓形焊縫的圓心和半徑誤差較小。但是經(jīng)工藝人員確定,上述誤差均不會降低焊接質(zhì)量,可以為現(xiàn)場焊接所用。4.3查詢頻率的限制在使用精密儀器的測量中,對于查詢誤差實驗系統(tǒng)運行過程中,誤差主要來源于硬件限制、測量原理和人工觀察。在焊縫邊緣搜索過程中,控制系統(tǒng)在機器人運動的同時周期性查詢端口,而突變的發(fā)生在一個查詢周期中的任一時刻。由于2.2中還給出了查詢頻率的上限,因此不能通過降低查詢周期來減小上述誤差。另外,受工業(yè)現(xiàn)場條件所限,某些步驟只能人工觀察來完成,因此會在以下幾個過程中引入誤差:1)焊槍校準誤差,需要多次觀察焊槍TCP點與定點是否重