基于激光传感器的弧焊机器人焊缝跟踪研究

韩沛文，周 靖，蒋 林，李家波，郭小羽

（深圳市鸿栢科技实业有限公司，广东深圳518105）

基于激光传感器的弧焊机器人焊缝跟踪研究

韩沛文，周 靖，蒋 林，李家波，郭小羽

（深圳市鸿栢科技实业有限公司，广东深圳518105）

采用激光扫描式传感器，设计了一套机器人焊缝自动跟踪系统。开发了相应的焊缝跟踪算法，包括直线、圆弧和直线圆弧组合连续焊缝的跟踪算法。探讨实现这些算法的相关技术问题。计算机仿真结果表明，该算法合理有效，可用于弧焊机器人焊缝在线跟踪作业，改善和提高机器人的焊接精度和质量。

弧焊焊接机器人；焊缝跟踪；激光传感器；圆弧焊缝；连续焊缝

0 前言

焊缝跟踪是在机器人进行焊接作业时实时检测出焊缝的偏差，并调整焊接路径和焊接参数，改善焊接质量的技术。由于加工误差、装夹精度以及热变形等因素的存在，以示教-再现方式工作的弧焊机器人在焊接时常常因为焊缝和示教轨迹有偏差导致焊接质量下降。所以焊缝跟踪是保证弧焊机器人焊接质量的关键技术。

为实时检测焊缝位置，通常采用视觉焊缝跟踪传感器。在弧焊过程中，由于存在弧光、电弧热、飞溅以及烟雾等强烈干扰，会影响传感器的检测精度，进而使焊缝跟踪精度降低。为此，近年来人们开始研究激光扫描式主动视觉方法。此种方法使用的激光束具有强抗干扰性[1-7]，因而具有很高的位置检测精度和可靠性。本研究将采用激光扫描式的主动视觉方法解决焊缝高精度跟踪问题。

激光扫描式的主动视觉方法原理是：首先激光管发出的激光点光源通过光学扫描镜投射到被测工件表面，激光由工件表面反射后被CCD摄像头所接收。通过测量反射光束与CCD主光轴的夹角，并结合已知的透射光束与扫描镜面的夹角以及CCD与扫描镜面的距离等数据，可以求得每一束激光在工件表面投射点与CCD镜面的距离，从而得到焊缝的端面剖面图。通过适当的图像处理算法，就能实现对焊缝进行视觉跟踪的目的。

本研究采用激光扫描式传感器，设计了一套机器人焊缝跟踪系统，并详细描述该焊缝跟踪系统的组成，直线、圆弧和连续焊缝跟踪算法，算法的实施过程以及基于该算法的焊缝跟踪计算机仿真结果。

1 弧焊机器人焊缝跟踪系统

如图1所示，弧焊机器人焊缝跟踪系统由机器人控制器（柜）、机器人本体、焊枪和激光焊缝跟踪器（激光传感器）所组成。其中焊枪为机器人的作业工具，激光传感器与焊枪固连，并形成一个前置距离LP，如图2所示。实际焊接作业时，先通过示教和计算得出焊缝的理论位姿，激光传感器在线测量出焊缝的实际位置与理论焊缝对应位置的偏差，由机器人控制器根据这个偏差实施误差补偿，在线驱动焊枪头沿实际焊缝移动，达到提高焊接精度和质量的目的。

图1 弧焊机器人焊缝跟踪系统组成

应注意的是，为正确实现焊缝在线（实时）跟踪，实际作业时，焊枪走过的行程为焊缝长度加上沿焊缝延长线的长度。此时，虽然激光传感器也走过了同样的行程，但其中只有沿实际焊缝的行程是有效的，即激光传感器的有效测量数据在焊缝的起点和终点之间。实际控制时，机器人控制器会驱动焊枪沿焊缝延长线开始移动，在与前置距离对应的点到达焊缝起点时打开激光传感器，以后保持数据采样输出，直到与前置距离对应的点到达焊缝终点时关闭激光传感器，停止采样输出。

图2 弧焊机器人焊缝跟踪过程

2 焊缝跟踪算法

2.1 坐标系统与坐标变换

为简化算法，建立如图3所示的坐标系统。其中x0y0z0为机器人基座坐标系（世界坐标系），它与焊接机器人基座固连；x6y6z6为机器人手部坐标系，与机器人手部法兰盘固连；xTyTzT为工具坐标系，与机器人焊枪头固连；xmymzm为激光测量坐标系，与激光传感器固连；xwywzw为焊缝坐标系，与工件固连。此外，要求 zw与 zm重合，zw与 zT、xw与 xm平行。对直线焊缝xT与xw重合，对圆弧焊缝xT与xw成交角φ，如图4所示。

图3 弧焊机器人焊缝跟踪坐标系统

采用齐次变换矩阵来描述各坐标系间的位姿变换[3]，由图3和图4可得

式中0Aw为焊缝坐标系原点的位姿在机器人基座坐标系中的表示。直线焊缝取φ=0；圆弧焊缝取s（φ/2）=Lp/2R。通过示教焊缝上的若干点（确定直线焊缝需要2个点，确定圆弧焊缝需要3个点），利用式（1）即可计算出理论焊缝（理想焊缝或校准焊缝）上任意点的位姿。

图4 圆弧焊缝时工具坐标系与焊缝坐标系的关系

2.2 焊缝跟踪

通过设置或调整使激光传感器的输出值为采样时刻实际焊缝在ywzw平面上的偏差，即

由于在焊接时期望机器人的焊枪头沿实际焊缝做精确移动，所以要求机器人控制器移动焊枪头的位姿指令必须综合考虑和实测焊缝轨迹与理论焊缝轨迹之间的偏差。换言之，此时机器人控制器驱动焊枪头的位姿指令须包含基于激光传感器采样数据的误差补偿。为此，定义齐次补偿矩阵

由式（3）和式（1）可得机器人控制器驱动焊枪头带误差补偿的位姿指令

其中Ac可将激光传感器采样数据代入式（3）求得；TAw由式（1）计算；0AT可根据焊缝几何特性通过示教和计算得出。为讨论方便，令

2.2.1 直线焊缝跟踪

此时，为确定0AT，可在工件上示教3个点P1、P2、P3，如图 5 所示。

式中 TL为沿直线焊缝采样的总时间。

图5 直线焊缝跟踪算法

2.2.2 圆弧焊缝跟踪

设示教点取圆心P1，焊缝起点P2和圆弧上且与P1、P2不在一条直线上的点P3，如图6所示，则有

式中 R为旋转变换；j为与加减速轨迹规划相应的采样点序列编号；φj为与之对应的绕zT由起点转到j点的转角。

图6 圆弧焊缝跟踪算法

2.3 焊缝跟踪实现

为取得预期的焊缝跟踪效果，除了考虑式（4）～式（8）以外，还须解决以下问题。

2.3.1 激光器寻位校准

由式（2）和式（3）所知，要得到齐次补偿矩阵，应事先求得校准焊缝位置坐标。校准焊缝位置坐标在机器人基座坐标系中的表示应与作业时的焊缝起点位置（由示教得出的位置）重合。激光器寻位校准的任务就是在机器人坐标系中，使校准焊缝位置坐标与焊缝起点位置坐标重合。一种可供选择的寻位过程如下：

（1）将机器人工具控制点移动到焊缝轨迹延长线上的前置距离点（见图3），打开激光器，读取此时焊缝在测量坐标系中的位置，并计算机器人坐标系中的位置。

（2）调整机器人工具控制点，使与之对应的焊缝位置与焊缝起始点位置（由示教得出的位置）重合。

（3）存储此时焊缝测量坐标系中的位置坐标。此即校准焊缝位置坐标。

2.3.2 前置距离处理与补偿数据同步

为了克服弧焊电弧对激光测量精度的影响，在焊枪和激光器之间加入一个挡弧板。这样就导致在焊枪与激光器之间出现了一个前置距离（约20mm），参见图3和图7。由于运动控制的目标点是焊枪头，而实际激光测量点与控制目标点有一个前置距离，为准确控制焊枪头跟踪焊缝，需要考虑焊接作业时存储前置距离间的激光焊缝测量点的坐标值。这些值可以输入缓冲区（FIFO），然后由机器人运动控制系统根据图8所示的同步信号记录实施补偿。

图7 焊缝跟踪过程中的前置距离

图8 补偿数据同步

2.3.3 连续轨迹控制

在实际焊接作业中，焊缝通常是由多段轨迹组成。此时为了保证各线段间平滑连接，须对各线段交接处进行以下处理（见图9）：

（1）在拐角的前置距离点关激光器。

（2）从前置距离关激光器开始到拐角点的运动时间段，连续插补改变机器人工具坐标姿态，使激光扫描线垂直于轨迹前进方向。

（3）读取测量数据后对过渡段做插补运动。

图9 连续焊缝处理

3 机器人焊缝跟踪计算机仿真

为验证上述焊缝跟踪算法的有效性，针对6关节串联焊接机器人[8]进行计算机仿真，仿真结果如图10～图12所示。仿真具体过程为：先按本研究算法通过机器人示教计算出焊缝理论轨迹；再在理论焊缝轨迹上加入偏差，生成实际焊缝轨迹；该偏差作为激光传感器测量数据输入到补偿算法模型中；最后调用算法式（4）进行跟踪。

仿真结果表明，本算法在实际焊缝和理论焊缝有偏差的情况下，能实时准确跟踪实际焊缝轨迹，从而大大提高弧焊作业质量。由于是根据激光传感器测量值实时补偿偏差，所以本算法的补偿效果可达到传感器的检测分辨率。

图10 直线焊缝跟踪

图11 圆弧焊缝跟踪

4 结论

采用激光扫描式传感器，设计了一套机器人焊缝自动跟踪系统。开发了相应的焊缝跟踪算法，包括直线、圆弧和直线圆弧组合连续焊缝的跟踪算法，并探讨了实现这些算法的关键技术问题。计算机仿真结果表明该算法合理有效，且补偿精度可达到激光传感器的分辨率。可用于弧焊机器人焊缝在线跟踪作业，改善和提高机器人的焊接精度和质量。

图12 连续直线圆弧焊缝跟踪

[1]范俊峰，景奉水，方灶军.基于视觉传感的焊缝跟踪技术研究现状和发展趋势[J].热加工工艺，2017（5）：6-10.

[2]谢志孟，高向东.基于视觉传感的焊缝跟踪技术研究和展望[J].焊接，2005（4）：5-9.

[3]林三宝，秦克礼，ZHAO Jing，等.基于激光视觉的螺旋焊管内外焊焊缝跟踪系统[J].焊管，2007，30（4）：41-43.

[4]袁海龙，刘建春，易际明，等.中厚板复杂焊缝机器人自动跟踪系统[J].电焊机，2015，45（7）：35-39.

[5]党向盈，黄小林，厉丹.基于模板匹配的焊缝自动跟踪系统[J].电焊机，2015，45（10）：94-107.

[6]刘凌云，钱新恩.弧焊机器人焊缝跟踪系统的应用研究[J].湖南科技大学学报（自然科学版），2010，25（3）：63-66.

[7]席文明，郑梅生，颜景平.视觉引导下的机器人跟踪复杂焊缝的研究[J].东南大学学报自然科学版，2000，30（2）：79-83.

[8]韩沛文，周靖，蒋林，等.焊接机器人运动控制算法研究[J].制造业自动化，2017，39（7）：152-156.

Seam tracking for arc welding robots based on laser sensor

HAN Peiwen，ZHOU Jing，JIANG Lin，LI Jiabo，GUO Xiaoyu
（Shenzhen Hongbai Technology Industrial Co.，Ltd.，Shenzhen 518105，China）

A robot welding seam automatic tracking system is constructed by using a laser scanning sensor.The corresponding seam tracking algorithms for line，arc and combination of line and arc seam is developed.The related technical problems of implementing these algorithms are discussed.The computer simulation results show that these algorithms are effective，which can be used in online welding seam tracking tasks to improve the welding accuracy and quality of arc welding robots.

arc welding robots；seam tracking；laser sensor；seam with arc；contour of weld seam

TG409

A

1001-2303（2017）10-0094-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.20

本文参考文献引用格式：韩沛文，周靖，蒋林，等.基于激光传感器的弧焊机器人焊缝跟踪研究[J].电焊机，2017，47（10）：94-98.

2017-06-22

深圳市科技计划技术攻关重点项目（JSGG201603 01151929860）

韩沛文（1984—），男，硕士，主要从事焊接机器人的研究工作。E-mail：123266@qq.com。