柴鹏1,2，王月2，齐铂金1
(1.北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191；
2.中国航空制造技术研究院，北京100024)
摘
要：机器人搅拌摩擦焊以及焊缝跟踪控制技术可大幅度提高焊接质量和效率。本文以机器人搅拌摩擦焊缝焊工艺为基础，设计 了一种基于激光视觉传感器与PD 纠偏算法的焊缝跟踪控制系统，针对3mm 的2A12-T4铝合金板材，进行了直斜线和折线两种结构的焊缝跟踪控制试验，并分析了焊缝宏观形貌、不同焊接速度下的行进轨迹以及跟踪控制的偏移量。结果表明：在焊缝跟踪控制系统控制下，两种焊缝结构的焊接接头表面均匀平整、质量较高；同种焊接结构不同焊接速度下的焊接轨迹基本重合；所有参数下跟踪控制偏移量整体位于±0.2mm 内。
关键词：焊缝跟踪控制系统；搅拌摩擦焊；激光视觉传感器；PD 纠偏算法；焊缝偏差中图分类号：TP249
文献标识码:B
文章编号:1003-7241(2021)005-0023-06
虹膜识别芯片
Design and Realization of Robot Friction Stir Welding Seam Tracking Control System
CHAI Peng 1,2,WANG Yue 2,QI Bo -jin 1
(1.School of Mechanical Engineering and Automation,Beihang University,Beijing 100191China;
2.A VIC Manufacturing Technology Institute,Beijing 100024China )
Abstract:Robotic friction stir welding and weld seam tracking control technology can greatly improve welding quality and efficien-cy.Based on the robot friction stir welding process,a weld seam tracking control system based on the laser vision sensor and the PD correction algorithm is designed.For the 3mm 2A12-T4aluminum alloy sheet,the weld seam tracking control experiments are performed under the straight-line and polygonal-line conditions.The macroscopic morphology of the weld seam and the trajectories and offsets of tracking control at different welding speeds are analyzed.The results show that under the control of the weld seam tracking control system,the welding joint surfaces under the two conditions are even and flat and of high quality.The welding trajectories unde
r the same condition at different welding speeds are basical-ly coincident,and the tracking control offsets under all parameters are in the range of ±0.2mm.
Key words:weld seam tracking control system;friction stir welding;laser vision sensor;PD correction algorithm;weld deviation
收稿日期:2019-12-09
1引言
作为现代制造业中最重要的加工技术之一，焊接在生产制造中发挥着越来越重要的作用[1-2]。在焊接过程中，焊接环境和焊接条件及工况的复杂性，容易导致实际焊点偏离焊缝位置，因此需要实时调整焊接路径及参数，以纠正焊缝位置偏差[3]。焊缝跟踪控制技术通过对焊缝的识别和提取[4-5]，并分析数据，得出焊缝的偏离量，且以
此对焊接过程的编程轨迹进行自动修正，从而提高焊接质量。基于激光视觉[6-7]的焊缝跟踪技术是目前世界上应用较广泛的焊缝跟踪技术，极大地提高了焊接自动化水平[8]。Villan 等人[9]设计了一种激光视觉焊缝跟踪系统，应用于重工业自动焊接，可以解决焊接缺口尺寸发生变化时，焊缝跟踪发生偏离的问题，而且可以在焊缝图像噪声干扰非常严重的情况下完成焊缝跟踪。盛宇佳等人[10]设计了一
种基于工业CCD 相机焊缝图像处理的弧焊自动焊接控制系统，该系统采用双工位结构，首先通过CCD
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相机采集被焊工件的图像，然后通过图像处理算法识别工件的焊缝，并将焊缝的坐标信息保存到文件中，从而完成焊接机器人的行走路径规划。
搅拌摩擦焊(Friction stir welding,FSW)是一种新型固相焊接方法，可分为搅拌摩擦缝焊和搅拌摩擦焊点焊[11]。与弧焊工艺相比，搅拌摩擦焊焊接过程不需要添加焊料和保护气体，焊接过程无污染，效率高，因此广泛应用于航空航天、车辆、造船等领域。随着自动化与智能化的发展，机器人搅拌摩擦焊接成为焊接发展的重要方向之一[12]。然而，目前机器人自动化搅拌摩擦焊接的精度不是很高，这对焊接接头质量会造成不利影响，因此焊缝跟踪技术在机器人搅拌摩擦焊中的应用同样重要[13]。本文以机器人搅拌摩擦焊缝焊工艺为基础，设计了一种基于激光视觉传感器和PD纠偏算法的焊缝跟踪控制系统，对同种焊缝结构不同焊速以及不同焊缝结构同种焊速下的焊接跟踪控制试验数据进行分析，验证焊缝跟踪控制系统的控制效果。同时，焊缝跟踪控制系统的设计可为机器人搅拌摩擦点焊过程中焊点实时识别提供技术支持[14]。
2焊缝跟踪控制系统设计
2.1焊缝跟踪控制硬件系统组成
本文设计的焊缝跟踪控制系统由META激光视觉传感器、焊缝纠偏控制算法及机器人本体组成。
激光视觉传感器采用英国Meta Vision Systems Ltd 公司生产的Smart Laser Sensor(SLS)25V1传感器，其识别精度可达0.2mm。激光焊缝跟踪采用结构光学原理，激光传感器中主要包含两个核心部件：激光条纹发生器和工业摄像机。激光条纹照射到带有立体特征(例如焊缝)的工件表面，摄像机则呈一定角度来摄取激光条纹图像，从而将工件表面立体特征直接反应到激光条纹上。焊缝跟踪和扫描系统的具体参数如表1。
表1焊缝跟踪扫描系统参数
参数
跟踪精度
最大偏转角度激光束扫描频率激光束扫描范围
分辨率
数值±0.1mm ±10°≥20Hz 50mm ≤0.8mm
采用库卡机器人，其主要技术指标如表2。
烟花生产表2机器人本体技术参数
参数
负荷
最大工作范围
重复精确度
轴数
重量
数值
1000kg
3200mm
±0.1mm
6
4950kg
2.2焊缝跟踪控制软件系统组成
通过Smart Laser Sensor Tools软件对传感器进行系统和焊缝形式设置，以实现传感器对焊缝的稳定识别。在实际工作中，META激光视觉传感器在获取焊缝图像后，经滤波、细化、分段、特征提取等一系列数字图像处理，将代表焊缝特征的模型提取出来，确定其在图像中的坐标，与设置好的跟踪参考点作比较，计算出当前焊缝位置的偏差通过其内部算法转化为区间为[-10V，10V]的电压模拟量信号发送至机器人控制系统。即当焊缝无偏差时，输出值为0V，偏差在负方向达到最大时，输出信号为-10V，相反则为10V。电压信号在NC中进一步转化为数字信号，采集一系列偏差值与数字信号，如图1所示，发现二者呈线性关系，对其进行线性拟合如式(1)：Y=0.0025×U-0.8928
(1)
图1偏移量与数字量的线性关系
其中Y为偏移的距离值，U为电压在NC中的数字量，
从而通过式(1)将偏差信号再次转化为距离值。
图2基于Simulink的焊缝轨迹纠偏仿真模块
24
为提高控制系统的稳定性，减少过程中的超调现象，焊缝跟踪采用比例-微分(PD)焊缝纠偏控制方法，在MA-TLAB 软件中Simulink 仿真模块如图2所示，其中输入量offset signal 为焊缝位置的偏移信号，即式(1)中的U，通过式(1)方程计算得到偏移量offset value，即式(1)中的Y，经PD 控制处理后得到输出量Y 轴补偿速度V y 。
焊缝跟踪系统的实现通过Simulink中的Build model 功能将仿真模块编译为TwinCat3可识别的TMC 格式文件，并将其导入至TwinCat3中。根据仿真模块中的输入输出变量进行变量配置及关联，从而实现对机器人运动的交互及控制，控制周期为20ms。通过此控制系统，可实现在设定时间内，根据不同偏差距离自动调整纠偏速度，从而适应不同焊缝偏移程度下的焊缝跟踪控制要求，并尽可能减小超调。焊缝跟踪控制系统框图如图3所示[15]。
3
焊缝跟踪焊接实验设计
(a)
直斜线焊缝
(b)连续折线焊缝
图4
两种不同结构的焊缝
为了验证焊缝跟踪控制的适用性，设计了直斜线和连续折线的焊缝结构，如图4所示，分别进行同焊缝结构不同焊速和同焊速不同焊缝结构的试验，并通过数据采集系统记录焊接轨迹，该组试验选取3mm 厚2A12-T4铝合金板材进行对接焊接。焊接时旋转速度为固定值1000rpm，焊接速度分别200、500、800、
1000mm/min。
图5
sgt
折线焊缝伪偏差示意图
(a)
传感器支架(b)现场装配图
图6激光传感器支架及其现场装配图
相比于直斜线结构焊缝，连续折线焊缝结构要复杂一些。在焊接行进过程中，当焊缝结构发生突变时，由于前置距离(引导头至搅拌头的水平距离)的存在会导致传感器产生伪偏差。为尽量减少伪偏差(如图5)，实验设计了激光视觉传感器的卡具(如图6a)，使用该卡具可以使激光
束位置尽可能地靠近搅拌头轴肩前沿(如图6b)，从而将激光视觉传感器的前置距离降到最小，如此便能在焊缝结
图3
焊缝跟踪控制系统框图
25
构发生突变时尽量减少由焊缝斜率变化而带来的伪偏差。
在焊接过程中，通过数据采集系统对搅拌头的X、Y 轴坐标进行采集记录，采样周期为200ms，通过坐标可还原实际焊接路径，经与设计轨迹比对可以分析得出跟踪控制效果。焊后观察焊缝表面宏观形貌，通过实际焊缝轨迹与设计焊缝结构的比对分析焊缝跟踪控制效果。
4焊缝跟踪焊接试验结果分析
4.1
直斜线焊缝焊接结果分析
(a)
焊缝焊接行进轨迹
(b)
跟踪控制的偏移量
(c)
平均偏移量
图7
不同焊速下直斜线焊缝焊接行进轨迹和
跟踪控制的偏移量及平均偏移量
对于直斜线结构焊缝的待焊工件，采用焊缝跟踪引导的方式进行焊接，即在程序中只编程搅拌头X 方向的运动速度和位移，而Y 方向的运动单纯靠焊缝跟踪系统控制，其焊接行进轨迹如图7(a)所示。当采用焊缝跟踪控制时，搅拌头前的激光视觉传感器不断检测到焊缝的偏差量，通过跟踪算法控制搅拌头Y 轴以一定速度进行补偿运动，从而达到自动检测焊缝引导焊接的效果。此外，图7(a)中显示不同焊接速度下跟踪焊接的行进轨迹几乎重合，表明该焊缝跟踪系统可适应直斜线焊缝的不同焊接速度下的焊缝跟踪控制。
图7(b)为不同焊接速度下跟踪控制过程中采集的偏移量，即调整误差，可以发现焊接起始位置的偏移量较大，出现震荡现象，随后振荡逐渐减弱，并且随焊接速度的增加，振荡的幅度逐渐增强，振荡减弱的速率越慢。这是由于在焊接的起始阶段，搅拌头平行X 轴运动，此时的偏差较大，焊缝跟踪系统控制搅拌头移向焊缝中心的速度较快，易出现超调导致系统出现震荡，并且焊接速度越大，在运动过程中形成的偏差越难修正，因此振荡减弱的速率越慢。
尽管如此，由于偏差始终保持在±0.2mm内，且平均偏移量均小于0.05mm(如图7(c))，当焊速为800mm/min时，跟踪控制的精度最高，为-0.00460mm，焊速为200mm/min 时精度最低为0.04140mm，均满足焊接的条件。因此，可认为该焊缝跟踪系统能够满足直斜线焊缝的引导焊接。
其中焊接速度为200mm/min 时的接头宏观形貌如图8(a)所示，接头焊缝良好地覆盖了切割的直斜线焊缝，图8(b)为接头局部放大图，可看到接头均匀平整，焊缝表
面质量良好。
图8焊速为200mm/min 时直斜线焊缝跟踪控制的焊接接头
4.2
连续折线焊缝焊接结果分析
连续折线焊缝采用PD 纠偏控制的方式进行焊接，目mvr蒸发浓缩
的是减少焊接时搅拌头的轨迹偏差。图9(a)为其在不同焊接速度下获得的搅拌头轨迹，黑折线为不采用焊缝
26
空气喷嘴跟踪控制时搅拌头的运动轨迹，其余折线为在不同焊接速度下焊缝跟踪控制的运动轨迹，两种轨迹存在最大约13.5mm 的偏差，同时可看到不同焊接速度的轨迹基本重合，
焊缝跟踪系统对不同焊接速度的适应性较好。
(a)
焊缝焊接行进轨迹
(b)
跟踪控制的偏移量
(c)
平均偏移量
图9
不同焊速下连续折线焊缝焊接行进轨迹和跟
踪控制的偏移量及平均偏移量
图9(b)为连续折线焊缝在不同焊接速度下焊缝跟踪控制过程中的偏移量，在搅拌头由一段线段运动至下一段线段的时刻，搅拌头的X 轴与Y 轴均停止运动，此时机器人的旋转轴带动搅拌头和激光传感器转动，在转动过
程中激光光栅仍在扫描焊缝，不断地产生伪偏差，并且由于投影半径的影响出现了图9(b)中偏差量在七个不同的位置发生突变的现象，同时，在旋转轴转动过程中不进行纠偏运动，因此偏差量突变的区域可忽略。除偏差突变的区域外，其余部分均较稳定，无明显超调发生，偏差量基本分布在±0.1mm 内，而在焊接过程中出现偏差量的跳变与激光视觉传感器对焊缝识别的稳定性有关。
图9(c)为四种焊接速度下跟踪控制的平均偏差量，焊接速度为200mm/min 时跟踪精度最高为0.00484mm，焊接速度为800mm/min 时跟踪精度最低为0.02404mm，表明进行连续折线焊缝的纠偏焊接时，该焊缝跟踪控制系统具有较高的精度和稳定性。
图10(a)为焊速为200mm/min 时接头的宏观形貌，图10(b)为其直线段局部放大图，可以看到接头表面光滑平整，接头轨迹覆盖了原始焊缝，由图10(c)看到，在两个线段相交处，搅拌头在机器人旋转轴转动时，由于投影半径的影响，搅拌头位置偏离交点，但在转动完成后受纠偏萝卜切条机
运动作用再次运动至焊缝位置。
图10焊速为200mm/min 时连续折线焊缝
跟踪控制的焊接
综上可知，由直斜线和折线焊缝跟踪控制试验结果可以看出，焊缝焊接表面质量良好，因此焊缝跟踪控制系统的设计与应用有利于提高不同焊接结构的焊接质量，设计的焊缝跟踪控制技术可行性较好。
5结束语
焊缝跟踪控制技术对于提高搅拌摩擦焊接质量具有
重要意义。本文设计的基于激光视觉传感器和PD 纠偏算法的焊缝跟踪系统，实现了200-1000mm/min 不同焊接速度下，直斜线结构焊缝的引导焊接和连续折线焊缝的纠偏焊接，焊接后的焊缝较好地覆盖原始焊缝，且宏观形貌均匀平整；控制系统动态性能及纠偏性能良好，所有参数下的跟踪控制偏差量整体位于区间±0.2mm 内，该焊缝跟踪控制系统具有控制精度高、实时性强、适用性好
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