張曉明

（唐山市人事考試中心，河北 唐山 063000）

引言

焊接實訓(xùn)中，焊接參數(shù)是教學重點也是難點，要求準確地選擇并設(shè)置合適的參數(shù)[1-3]。大多數(shù)情況下，這個工作仍然需要經(jīng)驗豐富的技術(shù)工人按照給定的邊界條件來優(yōu)化選擇焊接參數(shù)。對于剛接觸焊接的學生來說，理解較為困難[4-5]。因此，采用三維運動仿真實現(xiàn)實驗測試的數(shù)字化分析，完成焊接過程的視覺表現(xiàn)，并構(gòu)建最佳的三維重構(gòu)系統(tǒng)，為焊接實訓(xùn)難點的解決提供可靠的解決方案。

1 數(shù)字化視覺系統(tǒng)

1.1 視覺系統(tǒng)

如圖1所示，創(chuàng)新性的氣體金屬電弧焊接系統(tǒng)配備有包括攝像機激光頭和帶通濾波器的視覺系統(tǒng)。

通過得到的激光條紋圖像計算目標的幾何形狀，這對根據(jù)特定焊接任務(wù)焊接焊縫的幾何形狀尺寸等特征實現(xiàn)自動化選擇合適焊接參數(shù)非常有用，尤其有利于多道焊接和復(fù)雜的焊縫跟蹤等。視覺系統(tǒng)的CCD攝像機提供分辨率為658×494像素的圖像，用IEE1394a接口和電腦連接，傳輸速率為100、200、400兆比特/秒，幀速率具有超過60 fps。功率為15 mW，波長約為640 nm的3級紅色激光二極管發(fā)射激光，為了得到條紋，需要再添加一個圓柱形的光學透鏡。為了較少噪聲，帶通濾波器作用于激光源頻率（637 441~648 359 nm）附近的一個頻率范圍。圖2是根據(jù)激光和攝像機構(gòu)建的視覺系統(tǒng)的示意圖。

1.2 圖像處理

為了實現(xiàn)氣體保護金屬極電弧焊的自動化，已經(jīng)開發(fā)了適當?shù)能浖ぞ?，基于視覺系統(tǒng)提供的圖像等輸入數(shù)據(jù)得到數(shù)學函數(shù)的算法，處理后能夠輸出對應(yīng)特征，根據(jù)這些特征，適當?shù)臎Q策過程可以確定焊炬的位置，焊炬速度或電參數(shù)等工藝參數(shù)[6-7]。

圖像處理是通過獲取的圖像及數(shù)據(jù)分析工具來重建焊縫輪廓，特定的任務(wù)可能用到每一個工具，例如：邊緣檢測可根據(jù)像素強度的局部變化識別焊縫輪廓；閾值，即過濾器可以削減定義閾值的灰度，能夠獲得更加清晰的圖像[8]；查表可通過過濾器將圖像轉(zhuǎn)換成黑白（二進制）圖像[9]。

圖3為數(shù)字濾波后得到的圖像，圖中進行了進一步處理提取了所需的特征，特別是：圖像歸一化：用以糾正旋轉(zhuǎn)矩陣導(dǎo)致的照相機的傾斜；圖像穩(wěn)定：通過低通濾波器設(shè)置誒1.5 Hz；所需特征的檢測：在焊縫間隙部分檢測到所需的特征（見下頁圖4）。

根據(jù)檢測到的特征，以焊接過程參數(shù)作為例子，比如焊縫跟蹤的焊接位置設(shè)置在焊縫間隙的中心位置，而多通道焊接的焊接位置設(shè)置在焊接焊縫的最小高度，因為這是進行下一次循環(huán)的部分。然后，通過執(zhí)行閉環(huán)控制完成所選參數(shù)的自動調(diào)整。

1.3 實驗室設(shè)備

焊接實訓(xùn)實驗室設(shè)備的包括焊槍和視覺系統(tǒng)設(shè)備，該配置的局限性有：

1）零部件的最大尺寸：可運行的工作空間是3 000 mm×400 mm×400 mm；

2）零部件和所需焊接焊縫的幾何復(fù)雜性：只有三軸也就是六個方向，所以焊槍的取向有很多限制。

2 系統(tǒng)參數(shù)分析

本次研究工作的目的是研究創(chuàng)新的數(shù)字化視覺實訓(xùn)系統(tǒng)在零件焊接實訓(xùn)中的使用，由三維運動仿真的方法確定實驗室設(shè)備的最佳系統(tǒng)配置和實際工業(yè)應(yīng)用的重構(gòu)。

2.1 零件焊接

零件焊接實訓(xùn)包含嵌條和轉(zhuǎn)向架側(cè)架核心的自動化焊接過程，這個焊接過程一般是經(jīng)驗豐富的技師操作完成的，實現(xiàn)這一過程的自動化，對生產(chǎn)效率和可重復(fù)性方面有很大優(yōu)勢，但會面臨以下兩個難題：復(fù)雜的焊接路徑（如圖5所示的粗線條）；沿著焊接路徑焊縫間隙寬度。

兩部分輪廓并不是完全重合的，因為彎曲輪廓是根據(jù)所需輪廓從金屬片上切割得到的，而嵌條輪廓是金屬板彎曲得到的，沿焊接路徑兩個輪廓之間的間隙完全不一樣，不能精確的預(yù)測焊縫間隙尺寸。根據(jù)焊接路徑每個點的焊縫間隙寬度，焊槍位置、送絲率和電參數(shù)等工藝參數(shù)能夠相應(yīng)調(diào)整，使得焊槍軸線與焊縫間隙的軸線重合，并且給予適量的熔融金屬，這個調(diào)整能夠快速自動地獲得機械性能良好的焊珠。

工藝參數(shù)如應(yīng)調(diào)整以使焊槍的軸線與關(guān)節(jié)間隙的軸線重合，并交付適量的熔融金屬。這種適應(yīng)允許獲得焊珠在一個快速自動的方式良好的機械性能。

2.2 三維數(shù)字仿真

為了研究上述轉(zhuǎn)向架組件的最佳設(shè)置，采用視覺系統(tǒng)的三維模型（見圖6）進行數(shù)字仿真。

可用的視覺系統(tǒng)的第一個限制與焊接部件的尺寸相關(guān)，相對于視覺系統(tǒng)來說轉(zhuǎn)向架框架部件尺寸相當大，所以部分考慮進行焊接實驗。試驗片的自動化焊接執(zhí)行的三維模型如圖7所示，三維運動仿真是為了找到焊接和焊槍的最佳位置。

考慮到一個很重要的限制條件，即為了識別焊接軌跡和間隙寬度，視覺系統(tǒng)應(yīng)該總是在焊槍之前，然后根據(jù)視覺系統(tǒng)的輸出調(diào)整焊接參數(shù)，焊接過程仿真中的碰撞測試發(fā)現(xiàn)焊槍到達所需位置后但沒有擊中該位置的路徑。進行幾個不同零部件定位和焊槍取向的仿真模擬后，確定了自動化實驗測試的最終設(shè)置（見圖8）。為了能夠使焊槍到達xy平面上焊縫所有的點，焊槍的取向沿X軸旋轉(zhuǎn)45°，相當于視覺系統(tǒng)傾斜45°。

2.3 焊接系統(tǒng)參數(shù)

通過安裝在視覺系統(tǒng)收集到的信息完成了工藝參數(shù)的自動調(diào)節(jié)，比如焊槍位置、速度、送絲速度和電參數(shù)等。根據(jù)視覺系統(tǒng)得到的圖像，計算處理之后得到焊槍路徑。在焊接過程中，視覺系統(tǒng)得到一個xy平面上的軌跡圖，通過花鍵在連續(xù)的兩點之間插入10個點，對于每個xy坐標，圖像處理計算后輸出對應(yīng)間隙寬度的值，如表1所列了一些例子，而下頁圖9和圖10是通過視覺系統(tǒng)得到的路徑以及焊接路徑的間隙寬度值。

表1 每個XY坐標對應(yīng)的間隙寬度的值 mm

根據(jù)視覺系統(tǒng)捕捉到的圖像經(jīng)過處理后提取特征，自動調(diào)整焊接參數(shù)，以便提高焊接焊縫的質(zhì)量。特別是焊縫間隙寬度的尺寸，一方面在焊縫中間校準焊槍位置，另一方面能調(diào)整其他的過程參數(shù)，比如送絲速率、焊槍速度和電參數(shù)等。當間隙寬度變大，焊槍速度減小或者送絲速率變大，相應(yīng)電參數(shù)做適當調(diào)整（比如設(shè)置更高的電壓等）。本實驗的結(jié)果用于轉(zhuǎn)向架側(cè)架焊接過程中軟件參數(shù)的自動調(diào)整。

該過程是要應(yīng)用于工業(yè)上的鐵路制造方面，但是實驗室的三軸配置局限性比較大，因為整個轉(zhuǎn)向架框架的焊接尺寸（3 000 mm×3 500 mm）比較大，找到合適的焊槍位置也比較復(fù)雜，所以需要改進運動軸和工作空間。

3 視覺系統(tǒng)三維數(shù)字重構(gòu)

數(shù)字仿真模擬環(huán)境可以重現(xiàn)較高水平的細節(jié)問題，這是焊接實訓(xùn)比較看重的。所以三維運動仿真必不可少，它能夠完成虛擬驗證，比如依靠機器人這樣一個裝置進行。為了確定最佳設(shè)計，即機器人和周邊設(shè)備之間的合適距離，并設(shè)計沒有碰撞機器人的安全路徑，機器人仿真模擬是非常有用的。通過動學模型和碰撞測試進行該仿真模擬，目標遍布工作區(qū)的適當位置，并給每一個目標設(shè)定合適的動作并復(fù)制給機器人。在全數(shù)字化基礎(chǔ)上對其可行性和性能進行分析對不同的系統(tǒng)配置進行測試，最終建立合適配置的機器人焊接系統(tǒng)。

這種類型的仿真與零部件和設(shè)備的幾何及功能特征相關(guān)，在數(shù)字化環(huán)境中構(gòu)建轉(zhuǎn)向架框架的三維模型，并用來進行機器人焊接最佳設(shè)置的數(shù)字測試，本次應(yīng)用程序選擇的是六軸機器人。

機器人應(yīng)該配備焊槍和視覺系統(tǒng)，視覺系統(tǒng)應(yīng)該隨焊槍移動，主要是因為它總是聚焦在接縫間隙處，把視覺系統(tǒng)連接到焊槍上是確保視覺系統(tǒng)總是在焊槍之前的一種方式。用這種方式它可以隨機器人的第六軸一起旋轉(zhuǎn)，這種旋轉(zhuǎn)可以確保視覺系統(tǒng)在路徑的每一個點都在焊槍之前，以便得到焊縫間隙的圖像，并完成焊接參數(shù)的自動調(diào)整。如圖11所示，整個焊接過程中激光和攝像機的位置，兩個設(shè)備軸線是高亮部分的直線表示的：焦點是兩個軸線的交點。

通過識別三維空間中的目標進行機器人焊接行為的仿真模擬：一個特定的機器人對應(yīng)一個目標任務(wù)。識別產(chǎn)品上合適的目標不僅要考慮焊槍的位置，還要將激光和攝像機聚焦，兩個高亮軸線的交點表示的幾何形狀如圖12所示。

轉(zhuǎn)向架側(cè)架整個目標任務(wù)的焊接過程如圖13所示，一旦確定了產(chǎn)品上的所有目標任務(wù)，并進行可行性分析，這些分析可以驗證選擇的機器人從當前位置開始是否能夠到達所有的目標位置。如果一些目標位置無法到達，可以嘗試以下幾種解決方案：修改機器人的起始位置；更換機器人模型（比如更大的機器人）；利用輔助設(shè)備，比如導(dǎo)軌或是機架。

在這個案例研究中，因為零部件尺寸較大，要求機器人最遠要達到3 500 mm：為了確保其能夠到達整個轉(zhuǎn)向架側(cè)架，將其放置在合適的位置，根據(jù)三維運動仿真實驗的結(jié)果確定最小長度。根據(jù)現(xiàn)有的標準模塊，軌道的最佳尺寸設(shè)定為3 900 mm。采用這種方法更容易克服零部件尺寸的限制，機器人焊接系統(tǒng)能夠處理完成整個轉(zhuǎn)向架側(cè)架，圖14所示是機器人焊接系統(tǒng)的整體設(shè)置。

隨著重構(gòu)的設(shè)置，目標任務(wù)分配給機器人。目標任務(wù)是再現(xiàn)整個焊接過程，即每個目標點的行為，這些目標任務(wù)的三維運動仿真驗證其可行性，并且能夠確保該路徑上焊接機器人和產(chǎn)品之間沒有碰撞。根據(jù)機器人運動學和碰撞試驗?zāi)K進行仿真模擬后，經(jīng)由機器人完成目標任務(wù)后得到焊接路徑。該路徑可以應(yīng)用于離線機器人編程，仿真模擬的目的是確定最佳系統(tǒng)重構(gòu)并驗證自動化視覺系統(tǒng)的可行性。

4 結(jié)論

本文創(chuàng)新性的將數(shù)字化視覺技術(shù)與焊接實訓(xùn)相融合，并以工件焊接實訓(xùn)實際案例進行研究。該系統(tǒng)能夠通過軟件程序根據(jù)視覺系統(tǒng)收集的信息來自動調(diào)整焊接工藝參數(shù)。為了該視覺焊接系統(tǒng)應(yīng)用于實際的工業(yè)生產(chǎn)及實訓(xùn)中，按照零部件的尺寸及三軸運動裝置限制對系統(tǒng)進行了最佳重構(gòu)。視覺傳達過程的仿真能夠確定并驗證焊接方案的最佳配置。