弧焊机器人智能化技术及系统研究
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第11卷第4期 2008年12月
上海电机学院学报
JOURNALOFSHANGHAIDIANJIUNIVERSITYVol.11No.4
Dec.2008
收稿日期:2008209222
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50575144,60474036);上海市科委重点攻关项目(021111116)作者简介:陈善本(1956-),男,教授,博士生导师,专业方向为机器人智能化焊接技术,E2mail:sbchen@sjtu.edu.cn
文章编号 167122730(2008)0420243206
弧焊机器人智能化技术及系统研究
陈善本, 陈华斌, 林 涛(上海交通大学材料科学与工程学院,上海200240)
摘 要:运用人工智能技术模拟实现焊工观察、判断与操作行为功能,研究基于视觉信息传感的焊接机器人对初始焊接位置识别与自主导引、焊缝跟踪、熔池动态过程及焊缝成形智能控制等关键技术,
研制局部环境自主智能焊接机器人LAIWR集成系统,并将该系统关键技术应用于航天装备重要结构件的焊接制造。 关键词:焊接自动化;弧焊机器人;智能控制 中图分类号:TG409∶TP242.6 文献标识码:A
TheDevelopmentofIntelligentizedTechnologyforARCWeldingRobotSystems
CHENShanben, CHENHuabin, LINTao(SchoolofMaterialsScienceandEng.,ShanghaiJiaotongUniv.,Shanghai200240,China)
Abstract:Inthispaper,theobservation,judgmentsandoperationsfromtheskilledwelderwere
simulatedusingartificialintelligenttechnology.Theresearchfocuseontherecognitionoftheinitialweldposition,seamtrackingandweldappearancecontrolling.ThedevelopmentoftheLocalAutono2mousIntelligentWeldingRobotintegratedsystemwasstudied.LAIWRsystemwasthenestablishedbasedonaboveresearchesanditwasfartherappliedtothemanufacturingofthekeystructurepartsinaerospaceindustry.
Keywords:weldingautomation;arcweldingrobot;intelligentcontroller
先进制造技术发展的重要标志之一是机器人技术的应用。机器人从诞生到现在,使用最多的是在焊接领域。据统计,到2007年底全世界在役的焊接机器人安装总量已接近40万台[1-3]。目前应用中的焊接机器人仍然是“示教再现型”,其焊接路径和工艺参数是预先设置的,对作业条件的一致性要求非常严格,并且在焊接过程中缺少对外部信息传感反馈和实时调节的功能。然而,实际焊接过程中的环境和条件的变化是不可避免的,如焊接工件加工和装配误差造成接头位置、焊缝间隙和尺寸的分散性,示教轨迹与实际焊缝的差异、焊接过程中热变形、熔透及焊缝成形不稳定等因素都会引起焊接质量的波动,并导致焊接缺陷的产生。为了克服焊接过程中各种不确定性因素对精密焊接质量的影响,
迫切需要采用信息反馈、智能控制等技术提高现行焊接机器人的适应性或智能化水平,使之能实现初始焊位识别与自主导引、实时焊缝纠偏与跟踪,焊接熔池动态特征信息获取、工艺参数自适应调节和焊缝成形的实时控制,即实现机器人焊接过程的自主智能控制。本文将智能化焊接技术集成于机器人平台载体,研制具有对焊接环境感知的视觉传感、熔池的监控、初始焊位导引、焊缝跟踪、焊缝成形及质量智能控制功能的智能化焊接机器人。针对航天重要结构件精密焊接制造生产应用背景的需求,在系统上实现一些关键技术的试验验证。
1 LAIWR系统设计与研制[4]考虑到局部环境自主智能焊接机器人(Local
AutonomousIntelligentWeldingRobot,LAIWR)的主要功能要求,系统设计选取在具有一定开放程度的6自由度关节机器人机械本体外加行研制的视觉传感系统。在此基础上实施有关焊接环境与动态过程的视觉传感与特征提取、自主决策与智能控制等机器人智能化关键技术的研究方案,进而实现LAIWR系统集成。系统主要功能子系统包括:初始焊位识别与导引子系统、焊缝跟踪与纠偏子系统、熔透控制子系统、焊接任务规划与知识库子系统、焊机接口控制子系统、电焊机和送丝机控制子系统等部分构成,整个硬件系统构成如图1所示。
图1 LAIWR机器人系统功能组成Fig.1 ThefunctioncomponentsoftheLAIWRsystem
为了实现对LAIWR系统诸多硬件组件和功能软件的最优化管理和协调控制,实现机器人系统的自主控制智能功能,功能划分示意图如图2所示。
图2 LAIWR软件系统构成Fig.2 ThestructureofsoftwaresysteminLAIWR
LAIWR系统的中央监控模块,具有与机器人控制器交互信息、机器人运动控制、决策和调度各个子系统、协调各子系统的功能;各子系统功能模块主要有焊接初始位置识别与导引模块、焊缝跟踪模块、熔透控制模块、系统仿真模块、数据库/知识库模块等几部分组成;所有模块都通过网络编程接口(WindowsSockets)通讯。为了提供对机器人远程
控制的支持,设计了服务器模块,通过公共对象请求代理结构(CORBA)与主控计算机通讯。
2 LAIWR系统关键技术2.1 初始焊缝位置识别与导引实现在局部环境中利用视觉传感获取初始焊位信息并自主导引焊接机器人的焊枪准确移动到初始焊接位置,是局部自主智能焊接机器人的关键技术之一。图像处理流程如图3所示,步骤如下:首先,采用整体焊缝识别方法识别出焊缝,利用分离出的接缝和工件边缘数据拟合出曲线方程;然后,计算初始焊位的初值,以初值坐标为基准,确定搜索窗口;最
图3 初始焊接位置识别流程图Fig.3 Flowchartforrecognitionofinitialweldingposition
442上 海 电 机 学 院 学 报2008年第4期 后,确定初始焊位角点坐标。具体算法见文献[5]。 该算法采用期望灰度值的方法去除反光区域对图像的不良影响,能够很好地识别出各种类型的接缝。通过一个空间非标准工件的原始图像对,确定机器人坐标下的三维坐标图,采用平面距离误差和高度误差衡量计算准确性,图4为运用上述接缝识别算法的应用实例。
(a)空间弧形焊缝(b)空间组合形状焊缝
图4 空间复杂接缝识别Fig.4 Recognitionforcomplicatedspaceseam
2.2 基于视觉传感的焊缝跟踪系统自主焊缝跟踪方法是在自然光下,当把机器人导引到焊缝起始点后,对焊缝进行自主跟踪以生成焊缝曲线在机器人基坐标系下的坐标。算法流程为边缘检测、尺寸滤波,准固定像素个数的阈值分割以及细化,并在此基础上进一步提出了边缘检测后的图像中线条上存在的分支判别准则以及对曲率较大支线的打断算法和去除图像中短线和孤立点算法。图5为典型对接焊缝处理实例,算法见文献[6]。
图5 焊缝间隙图像处理Fig.5 Theimageprocessingfortheweldinggap 系统利用图像处理所得到的焊缝信息,并依据
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陈善本,等:弧焊机器人智能化技术及系统研究 焊缝坐标与摄像机取像位置的获取提出了用于机器人轨迹纠偏算法,其原理如图6所示。利用机器人轨迹纠偏的焊缝坐标的计算公式、视觉伺服传感器摄像机的旋转角度计算公式以及机器人第七轴的角度计算公式,在焊缝跟踪时对机器人位姿进一步修正,详细算法见文献[6]。图6 机器人运动纠偏控制原理图Fig.6 Sketchmapoftrackingcontrolofrobotmotion2.3 铝合金焊接熔池动态特征视觉计算鉴于系统主要应用于航天装备重要结构件的焊接制造,本文介绍铝合金焊接熔池动态特征视觉计算。针对铝合金焊接熔池图像的动态不确定性特点,开发了相应的图像处理算法,通过该算法获取了熔池几何形状参数。图7(a)和(b)分别是铝合金熔池二维、三维动态特征视觉计算实例,具体算法见文(a)二维(b)三维图7 焊接熔池视觉计算Fig.7 Visioncomputationforweldpool献[7,8]。 焊接熔池特征计算方法的研究结果为机器人焊接过程中实时准确地调整焊接工艺参数、运动轨迹与姿态以控制熔池动态变化、适当熔深熔透以及焊缝余高成形提供了关键依据。
2.4 铝合金焊接熔池动态过程建模智能化焊接机器人系统实现对焊接质量有效控制需要对焊接动态过程的规律或模型进行描述。由于电弧焊接动态过程是涉及大量不确定因素的复杂过程,获取其精确的数学模型是极为困难的。本文利用从焊接过程传感器测量的直接和间接实验数据,运用粗糙集知识获取算法,建立焊接过程的知识模型,并作为机器人焊接过程智能控制器设计的重要依据。 以知识模型M为核心构成的焊接过程粗糙集知识处理系统:用于根据系统输入预测系统输出,该系统包括以下几部分:系统的知识模型M、数据扩展方法、离散化方法、模型输出形式的转换方法、知识推理方法。粗糙集知识处理系统的结构如图8所示。
图8 焊接过程粗糙集知识处理系统结构图Fig.8 Sketchmapoftheroughsetknowledge
为了验证焊接过程粗糙集知识建模方法的有效性,用VisualC++6.0开发了焊接过程粗糙集建模软件系统[9,10],该软件集成了如下功能:随机决策
表生成、模型复杂程度计算、模型检验、模型精度计算等,其结构如图9所示。
2.5 焊接动态过程智能控制器设计铝合金具有散热快、氧化性强、热积累效应明显、焊接过程稳定性差,其焊接熔池动态过程控制极为困难。基于视觉传感的铝合金GTAW焊熔池动态过程智能控制方法是实现机器人焊接过程实时控制的关键瓶颈技术之一。以下就近年来笔者在铝合金GTAW(气体金属电弧焊)焊接动态过程实时控制方法的研究进行简单介绍,详细控制策略见文献[7,8,10,11]。
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