波纹板自动焊接机器人系统

刘常

（青岛杰瑞工控技术有限公司，山东 青岛 266061）

由于波纹板比较薄，在焊接前形状不能很好的保持，所以每次焊接的焊接轨迹都是不同的。这就需要一种方法来检测轨迹，并指导机器人各个运动轴的运动和配合。要实现这种功能目前主要有电磁感应、超声传感、浮动接触、电弧跟踪、电弧感应、激光测距等方法。在浮动接触中有一种滚轮接触法，是当机器人在沿X轴行走时，由滚轮压在板面上，带动焊枪被动的沿波纹起伏。除上述滚轮接触法外，其余的形式均需要对焊缝信息进行采集，然后由机器人根据采集到的轨迹进行主动式动作，来实现沿焊缝轨迹的焊接。此种焊接的实现形式可以称为焊缝跟踪，焊缝跟踪的关键是对焊缝信息的采集是否准确可靠。

电磁感应式，是通过两个变压器共用一侧线圈，根据输出电压的差值来反应偏差信号的。该种方法距离要求较近，在波纹板搭接、错边处容易出现误判，并且在焊接时产生的强磁场会对其进行干扰。超声传感式，是采用了超声波可以在金属中传播，并在界面处会发生反射这一现象，通过获取反射波的时间来计算界面位置的方法。这种方法主要限制在于超声设备体积较大，设计起来结构复杂，而且对于薄板不能很好的进行探测。浮动接触式，浮动结构是由滚轮和弹簧组成的，滚轮在波纹上行走时引起了机械结构的起伏，传感器将机械运动转化成了轨迹信息。该方法成本低廉，结构耐用，可是跟踪精度低、响应差，只能对变化较大的波纹板进行焊接。电弧跟踪式，是机器视觉的一种，通过相机对焊接过程进行拍摄，识别出的焊枪电弧的偏差，以此调节焊抢的位置，主要是对焊接过程形成闭环控制，对于轨迹变化较大的波纹板难以适用。电弧感应式，是使电弧在焊接坡口中横向摆动，通过检测电弧电流参数等的变化来获取焊接位置的方法，该方法对于行进路线上有波动的结构并不适用。激光测距式也属于机器视觉的一种，是将激光二极管发射的光点经光阑或扫描棱镜射到波纹板和边梁上，形成激光线或扫描激光线，然后相机利用光学三角法对激光的反射光进行成像，测得距光点的距离，进而计算出焊接轨迹的偏差值。在激光测距时主要的不利因素是焊接产生的弧光和烟气，可以通过选择光源或进行物理隔离的方法来减少干扰，光源方面主要是在频率和强度上来进行调整。综上分析，激光测距是在波纹板焊接中较为稳定准确的焊缝信息提取方法，本系统中激光跟踪器安装在焊枪运行方向的前端，并采用挡板对强光进行物理隔离。

在通讯时，相较于模拟量输出的形式，串口RS-232输出的数据平滑性更好，受干扰少，所以本系统中采用串口RS-232的形式做跟踪器与运动控制器的通讯。激光跟踪器需要在接收到测量指令后进行测量，设测量指令发送的时间间隔为t，考虑到激光跟踪器对指令的响应速度和串口RS-232的通讯时间，依据串口的波特率和传输的数据格式估算，t的设定值需要大于30ms。但当采集间隔大于0.1s后，焊枪会产生比较大的抖动，所以测量指令需由时钟精度更高的运动控制器来发送。激光跟踪器控制器收到测量指令后对数据进行采集和处理，再发送给运动控制器。设从运动控制器发出测量指令到收到回复的时间间隔为t1，其通讯流程如图1。

在实际应用时可能出现收到的字符串格式顺序不正常的情况，如激光跟踪器控制器按照A、B、C的顺序发送结果，运动控制器收到的却是B、A、C的顺序。当这种情况发生时，先记数为C1，然后再次发送测量指令，等待3ms后再次读出数据，如果数据正确则将记数清零。如果数据仍是错误的，要按照上面方式继续执行，当发生的错误次数等于指令发送周期和读取间隔的比时，则为C2开始记数。然后将当前的数据用前一个测量值进行替换，替换后为C3开始记数。设定当C3记数大于某一数值，还没有得到正常的格式顺序时，则发出警报停止工作，其程序流程如图2。

图1 通讯流程图

在正式开始焊接之前需要进行焊接试验，第一步机器人沿X轴将激光线移动到焊接起始位置；第二步，机器人沿X轴采集焊缝信息，直到焊枪运动到X轴焊接位置后停止；第三步，手动调整Y轴、Z轴，使焊枪到焊接位置，打开焊枪，随后Y轴、Z轴根据偏差数据运动至X轴终点，关闭焊枪，Y轴、Z轴回到安全位置。在前两步中，为了防止机器人在运行时撞枪，要先检查焊枪是否在安全位置。激光跟踪器从起点开始扫描，并记录扫描数据，此时X轴运行采用的是位置-时间模式，为的是使测量结果均匀准确。第三步中调整好焊枪后要在系统中记录下来。焊接时激光跟踪器继续采集数据，焊枪按照前段的扫描数据和新扫描的数据在Y轴和Z轴上以位置-时间模式运动。位置-时间模式是机器人运动控制器中控制各个轴运动的一种方式，能够实现对到达位置和运行速度两个参数的规划，其位置的设置是相对于起点的位置，时间也是相对于起点的时间。

正式生产更换波纹板后，新波纹板的起始位置不可能都和试验用的波纹板完全相同。因此更换后的波纹板以试验用板的起点作为起点时，会出现对不准焊缝的情况，如果焊缝的起点不能对准，那么按照位置-时间模式运动时，Y轴、Z轴也会出现对不准焊缝的情况。为避免出现上述问题，可以在更换波纹板后每次都对起点进行校准，但如果能将校准起点的步骤省略，则可以大幅提高生产效率。

图2 格式判断流程图

根据位置-时间模式的工作原理，焊接时偏移数据是以焊接起点为参考目标的，每次更换波纹板后只要能将起点位置和焊缝对准，那么在焊接过程中焊枪轨迹就可以对准波纹焊缝。要实现上述功能，需要将试验用波纹板的焊接起点位置偏差信息记为Y1、Z1，更换波纹板后在将在新板起点时扫描到位置偏差信息记为Y2、Z2，那么Y2-Y1和Z2-Z1就是两块板之间起点位置的偏差。每次换板后将此偏差加到试验时起点Y轴和Z轴的位置上，焊枪即可找到新波纹板的起点位置。