洪 波 尹 力 李 毅 李湘文

1.湘潭大学机械工程学院,湘潭,4111052.焊接机器人与应用技术湖南省重点实验室,湘潭,411105

基于激光位移传感器的角焊缝位姿检测

洪 波1,2尹 力1,2李 毅1,2李湘文1,2

1.湘潭大学机械工程学院,湘潭,4111052.焊接机器人与应用技术湖南省重点实验室,湘潭,411105

针对工字梁、箱梁等焊接结构自动化生产中工件偏移和偏转问题，提出了一种基于激光位移传感器的角焊缝位姿检测方法。建立了角焊缝位姿的弧长模型，分析了角焊缝位姿对弧长的影响规律;基于傅里叶分析，提出了角焊缝位姿解耦算法，实现了对角焊缝横向偏差、纵向偏差、坡口角度和工件偏转角度的检测；通过对存在坡口间隙和定位焊缝的角焊缝进行位姿检测试验。结果表明，所提出方法具有检测误差小、抗干扰能力强等优点，在焊接自动化生产中具有良好的应用前景。

激光位移传感器；角焊缝；位姿检测；坡口间隙；定位焊缝

0 引言

在焊接结构件生产过程中，由于下料和装配误差等原因，工件的位置和姿态会发生变化[1]。特别对于工字梁、箱梁等大型结构，因工件质量大、结构跨度大，故多采用半自动装夹方式，使得焊缝容易发生偏移和偏转。由此，需要在焊前进行自动化检测，通过检测结果修正焊接规范和焊枪姿态，从而保证焊接质量[2]。

焊缝坡口检测中，电弧传感器和激光传感器的应用较为广泛。电弧传感研究方面，范宇等[3]研究了基于旋转电弧立焊装置设计与轨迹规划，所设计装置能够平衡地完成竖直焊缝的焊接与成形；乐健等[4]研究了基于机器人旋转电弧传感器跟踪仰焊焊缝，实现了仰焊焊缝终点和通过流水孔的精确识别；毛志伟等[5]分析了电弧传感焊炬空间姿态及工件坡口夹角对焊炬高度变化的影响，但电弧传感焊炬空间姿态信息之间相互影响，使得姿态信息解耦困难。激光传感研究方面，激光视觉传感是一个重要的研究领域，石玗等[2]采用激光线光源进行焊接坡口间隙视觉检测；石永华等[6]通过双目视觉测量和图像处理进行波纹板角焊缝的角点检测；顾帆等[7]研究了基于激光视觉多层多道焊接坡口特征点提取方法；激光视觉由于其非接触、信息量大等优点得到广泛应用，但是基于视觉传感的图像处理复杂，降低了实时性[8]。

激光位移传感器具有测量精度高、测量速度快、数据处理简便等优点，在测量和控制领域应用广泛[9]，也可用于焊缝检测和焊枪姿态调整[1,8,10]。本文提出一种基于激光位移传感器的角焊缝位姿检测方法，建立了角焊缝位姿的弧长模型；基于傅里叶分析，提出了角焊缝位姿计算方法。

1 角焊缝位姿模型

1.1 角焊缝位姿的弧长模型

以工字梁结构为例，图1为典型角焊缝位姿示意图。以垂直于焊缝方向的平面oyz为焊缝坡口截面，坐标轴oy与水平面呈45°。由于装配误差，导致焊缝截面由坐标系oyz平移至坐标系o′y′z′，同时也导致焊接工件有一定角度(θ)的偏转。

图1 角焊缝位姿示意图Fig.1 Schematic diagram of fillet weld pose

采用线阵激光位移传感器,以传感范围b内的角焊缝坡口区域的位移作为弧长信号，设线阵激光位移传感器的测量宽度为b，以z方向(最右侧)为测量起点，沿宽度方向从右往左扫描至最左侧。根据角焊缝位姿特征，建立角焊缝弧长h(t)数学模型如下：

(1)

r=b/2v=2b/T

(2)

式中，r为扫描半径；v为扫描速度；T为扫描周期;HC为传感器至坡口中心的纵向距离;Δz、Δy分别为角焊缝横向和纵向偏差；B1、C1分别为底板平面法向量n1和n2的分量；B2、C2分别为立板平面法向量n1和n2的分量；α为角焊缝坡口角度。

1.2 角焊缝位姿的弧长仿真

根据式(1)和式(2)，建立角焊缝位姿的弧长仿真模型，分析位姿对弧长h(t)的影响规律。当改变Δz、Δy、α、θ中单个参数而其他参数保持不变时，对弧长h(t)的影响如图2所示。

(a)Δz对h(t)的影响

(b)Δy对h(t)的影响

(c)α对h(t)的影响

(d)θ对h(t)的影响图2 角焊缝位姿对弧长的影响Fig.2 The influence offillet weld pose on groove depth

由图2可以看出，当角焊缝没有位姿偏差时，弧长波形沿横坐标轴T/4处对称分布；横向偏差Δz使弧长波形左右移动，并且使波形不再沿T/4处对称分布；纵向偏差Δy使弧长波形上下移动，不影响弧长波形形态；坡口角度α影响弧长波形变化幅度，α越小，弧长的变化幅度越大；偏转角度θ破坏弧长波形在T/4处的对称分布，使弧长波形在T/4左右两侧呈现相反的变化规律。

因此，角焊缝位姿的变化将给弧长带来更加复杂的变化，一方面影响角焊缝的焊接质量，另一方面给角焊缝位姿的检测和解耦带来困难。

2 角焊缝位姿检测方法

从前面分析可知，角焊缝位姿变化导致时域弧长波形变化，从时域信号中寻找反映焊缝位姿的特征量，用来确定焊缝位姿是一种困难的方法，因而可以采用变换域方法。当选择的变量空间是正交线性空间时，变换误差小，变换求解简单，傅里叶变换不仅满足要求，而且具有明确的物理意义[11]。

2.1 角焊缝横向偏差检测

首先，对角焊缝弧长信号h(t)作傅里叶变换，计算特征谐波幅值an(n=1,2,3,…)，其计算方程如下：

(3)

式中，n为谐波次数；ω为传感扫描角频率。

根据式(3)，并利用变换空间各谐波分量之间线性空间关系，得到横向偏差Δz计算方程如下：

(4)

2.2 角焊缝坡口角度和偏转角度检测

根据式(2)可知，坡口角度α和偏转角度θ隐含在底板和立板平面法向量n1和n2中，耦合在一起共同影响角焊缝弧长h(t)，给位姿检测带来困难，必须对两者进行解耦，才能进行检测。根据式(3)，可得法向量n1和n2的解耦方程如下：

(5)

联立式(2)和式(5)，即可检测出角焊缝的坡口角度α和偏转角度θ。

2.3 角焊缝纵向偏差检测

根据角焊缝横向偏差Δz、坡口角度α和偏转角度θ的检测结果，可以建立角焊缝无纵向偏差Δy时的弧长H(t)模型如下：

(6)

由此，焊缝纵向偏差Δy的计算方程为

(7)

3 试验分析

为了检验本文所提出的角焊缝位姿检测方法的可行性，采用线阵激光位移传感器对某集装箱箱梁角焊缝进行不同条件下的位姿检测试验，并分析坡口间隙、定位焊缝对位姿检测误差的影响。本文所用线阵激光位移传感器的主要参数如表1所示。

表1 激光位移传感器主要参数Tab.1 Major parameters of laser displacement sensor

3.1 坡口间隙对位姿检测的影响

角焊缝焊接结构生产过程中，由于下料加工精度或装配精度不够，容易造成立板和底板之间产生一定尺寸的间隙，这将对焊缝偏差检测结果和自动化焊接质量带来不利影响。本文试验测量了角焊缝坡口间隙d=2,3,4,5 mm时的弧长h(t)，如图3中实线所示。由图3可以看出，实际弧长h(t)波形在间隙处发生急剧变化，且间隙尺寸越大，弧长突变幅度也越大。

图3 不同间隙尺寸下的角焊缝坡口弧长Fig.3 The groove depth in different root gap

图3所示的虚线为通过角焊缝位姿检测方法建立的模拟弧长H(t)。由图3可以看出，模拟弧长H(t)较好地反映了实际弧长h(t)的角焊缝坡口位姿特征，并且，对坡口间隙导致的弧长波形突变具有良好的抗干扰能力。由于坡口间隙的存在，模拟信号与实测信号产生了一定程度的偏离，故为了评价坡口间隙对角焊缝位姿检测结果的影响，分析了不同间隙尺寸下的位姿检测误差，结果如表2所示。

表2 不同间隙尺寸下的位姿检测误差Tab.2 Pose detection error in different root gap

从表2可以看出，坡口间隙主要影响角焊缝横向偏差的检测，当间隙尺寸d≤3 mm时，位姿检测误差很小;当d>3 mm时，位姿检测误差有所增加，横向误差eΔz增大较快，纵向误差eΔy、坡口角误差eα、偏转角误差eθ变化均不大。在实际焊接生产中，一般角焊缝的间隙容许误差为5 mm，由表2的位姿检测结果可知，本文提出的方法满足大多数角焊缝结构的自动焊工艺要求。

3.2 定位焊缝对位姿检测的影响

对角焊缝焊接结构进行自动化焊接前，需要将立板和底板按照要求进行装配，然后用定位焊进行固定或定位，定位焊点或焊缝的存在对位姿检测将产生不利影响。本文试验测量了定位焊缝焊脚尺寸k=5,6,7,8 mm时的实际弧长h(t)，如图4中实线所示。由图4可以看出，定位焊缝使实际弧长h(t)波形发生畸变，焊脚尺寸越大，畸变的区域和程度越大，甚至使实际弧长h(t)失去了原来的坡口特征。

图4 不同焊脚尺寸下的角焊缝坡口弧长Fig.4 The groove depth in different leg length

图4所示的虚线为通过角焊缝位姿检测方法建立的模拟弧长H(t)。由图4可以看出，模拟弧长H(t)能够较好地反映出实际弧长h(t)的角焊缝坡口位姿特征，但随着定位焊缝焊脚尺寸的增大，模拟信号与实测信号的偏离程度增大。通过试验分析，定位焊缝对角焊缝位姿检测结果的影响如表3所示。

表3 不同焊脚尺寸下的位姿检测误差Tab.3 The pose detection error in different leg length

由表3可以看出，定位焊缝主要影响角焊缝纵向偏差的检测，当焊脚尺寸k≤7 mm时，角焊缝位姿检测误差较小；当k>7 mm时，位姿检测误差增大，其中纵向误差eΔy增加较快，其次为横向误差eΔz和坡口角误差eα，偏转角误差eθ很小。在角焊缝焊接结构自动化生产中，为了保证焊缝质量的均匀稳定，定位焊缝的焊脚尺寸一般都比较小，故焊脚尺寸k应小于7 mm，本文方法满足大多数结构的自动焊工艺要求。

4 结论

(1)建立了基于激光位移传感器的角焊缝位姿弧长模型，并提出了角焊缝位姿解耦算法，为角焊缝焊接结构位姿检测提供理论依据。

(2)坡口间隙对角焊缝横向偏差检测的影响较大，而定位焊缝对角焊缝纵向偏差、横向偏差、坡口角检测均有较大影响。若考虑具体焊缝结构的实际焊接工艺要求，焊接工件的装配间隙误差应控制在5 mm以内，定位焊缝焊脚尺寸应控制在7 mm以内，提高焊件的装配精度和降低定位焊缝尺寸可以极大地降低角焊缝的位姿检测误差。

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PoseDetectionofFilletWeldsBasedonLaserDisplacementSensor

HONG Bo1,2YIN Li1,2LI Yi1,2LI Xiangwen1,2

1.College of Mechanical Engineering, Xiangtan University,Xiangtan,Hunan,411105 2.Key Laboratory of Welding Robot and Application Technology of Hunan Province,Xiangtan,Hunan,411105

To solve workpiece offset and deflection problems of welded I-beam and box beam structures in automation production, a pose detection method of fillet welds was proposed based on laser displacement sensors. An arc length model of fillet welds was established, the effects of weld poses on arc length were analyzed. Based on Fourier analysis, a decoupling algorithm was put forward for pose detection, which realized the detections of lateral deviations, longitudinal deviations, groove angles and deflection angles of fillet welds. The pose experiments on the fillet welds with root gaps and tack welds were detected. The results show that the method has small detection error and good anti-interference capability, which has good application prospects in welding automation productions.

laser displacement sensor; fillet weld; pose detection; root gap; tack weld

2016-12-17

国家自然科学基金资助项目(51575468，51405414)；湖南省自然科学省市联合基金资助项目(2015JJ5013)；湖南省科技厅重点研发计划资助项目(2015GK3122)

TG409

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.24.018

(编辑胡佳慧)

洪波，男，1960年生。湘潭大学机械工程学院教授。主要研究方向为焊接机器人和自动化、焊接工艺及装备。发表论文70余篇。E-mail：hongbo@xtu.edu.cn。尹力，男，1982年生。湘潭大学机械工程学院讲师。李毅，男，1975年生。湘潭大学机械工程学院副教授。李湘文，男，1982年生。湘潭大学机械工程学院副教授。