智能機(jī)器人的焊接熔池控制

0 引言

 　　焊接作為材料加工的一種重要手段在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。由于諸多因素的推動(dòng)，焊接過(guò)程自動(dòng)化、機(jī)器人化已成為趨勢(shì)。尤其是研究開(kāi)發(fā)具有智能的焊接機(jī)器人及其智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)焊接路徑自動(dòng)規(guī)劃、實(shí)時(shí)自動(dòng)校正路徑及焊縫跟蹤、焊接熔深、熔透以及焊縫成形等質(zhì)量控制功能，將是21世紀(jì)焊接工藝技術(shù)實(shí)施的發(fā)展方向。

 焊接質(zhì)量控制的研究是焊接過(guò)程自動(dòng)化的重要組成部分。由于對(duì)焊接過(guò)程自動(dòng)化和智能化水平的要求日益提高，對(duì)焊接質(zhì)量的控制變得尤為重要。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展，利用機(jī)器視覺(jué)直接觀察焊接熔池，通過(guò)圖像處理獲取熔池的幾何形狀信息，對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行閉環(huán)控制，己成為重要的研究方向。

 　　焊縫的熔寬、熔深等尺寸參數(shù)是影響焊接質(zhì)量的重要因素，而熔池是對(duì)焊縫尺寸參數(shù)影響最為直接的因素。因而，研究焊接過(guò)程中熔池的變化以及實(shí)現(xiàn)熔池某些參數(shù)的控制對(duì)焊接質(zhì)量的控制有實(shí)際的意義。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，焊工是根據(jù)熔池的變化調(diào)整焊接工藝規(guī)范以及焊槍姿態(tài)來(lái)保證焊接質(zhì)量的。因而，根據(jù)焊接熔池變化來(lái)控制焊接質(zhì)量也是實(shí)現(xiàn)焊接智能化的一個(gè)重要部分。

 1 局部自主智能脈沖GTAW焊縫熔透實(shí)時(shí)控制弧焊機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

 　　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件主要部分是一套局部自主智能焊接機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)以沈陽(yáng)新松機(jī)器人有限公司的機(jī)器人產(chǎn)品RH6為本體[5]。在機(jī)器人本體末端(第6關(guān)節(jié))增加了一個(gè)攝像機(jī)隨動(dòng)裝置（第7關(guān)節(jié)），通過(guò)皮帶傳動(dòng)可以帶動(dòng)兩個(gè)攝像機(jī)繞焊槍轉(zhuǎn)動(dòng)[6-7]。

　　局部自主智能焊接機(jī)器人(Local Autonomous Intelligent Welding Robot)系統(tǒng)的核心是一臺(tái)PIII850的通用計(jì)算機(jī)，它提供完成機(jī)器人系統(tǒng)坐標(biāo)變換，軌跡生成，插補(bǔ)運(yùn)算及外部信息綜合和焊接系統(tǒng)的控制，狀態(tài)管理，任務(wù)調(diào)度等。它的作用是一臺(tái)中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)，它與機(jī)器人控制柜通過(guò)CAN總線通訊。它與導(dǎo)引、焊縫跟蹤模塊以及熔透控制模塊之間通過(guò)Ethernet通訊。導(dǎo)引、焊縫跟蹤模塊的功能是通過(guò)視覺(jué)傳感實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)器人焊接初始位置的導(dǎo)引和焊縫跟蹤。LAIWR機(jī)器人第七軸上的一個(gè)CCD攝像機(jī)通過(guò)視頻電纜與導(dǎo)引、焊縫跟蹤計(jì)算機(jī)上的圖像采集卡相連。LAIWR機(jī)器人第七軸上的另一個(gè)CCD攝像機(jī)通過(guò)視頻電纜與熔透控制計(jì)算機(jī)上的圖像采集卡相連（硬件配置同導(dǎo)引、跟蹤模塊）。同時(shí)熔透控制計(jì)算機(jī)還通過(guò)自行開(kāi)發(fā)的控制/采集接口電路與焊接電源相連，以實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的實(shí)時(shí)控制和焊接參數(shù)采集。焊接電源采用了日本DAIHEN公司生產(chǎn)的INVERTER ELESON 500P型交直流兩用GTAW焊接電源。此外，系統(tǒng)還包括水箱和保護(hù)氣瓶等輔助設(shè)備。

　　熔透控制試驗(yàn)系統(tǒng)的核心部分是一臺(tái)PⅡ350型臺(tái)式計(jì)算機(jī)，其對(duì)焊接電源、送絲機(jī)構(gòu)和焊接運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制是通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡、步進(jìn)電機(jī)控制卡和接口電路實(shí)現(xiàn)的。焊接電流和送絲速度的控制是通過(guò)調(diào)節(jié)焊接電源控制端的輸入電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。焊接速度的控制是通過(guò)改變步進(jìn)電機(jī)的單位時(shí)間的脈沖輸入數(shù)目來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖像采集卡與計(jì)算機(jī)相聯(lián)，計(jì)算機(jī)通過(guò)接收焊接電源傳送的焊接電流的時(shí)刻與形狀等特征信息，可以控制取像的時(shí)刻。送絲機(jī)構(gòu)位于機(jī)器人第3軸上端，送絲位置為熔池的斜前方。該系統(tǒng)可以完成從焊接自動(dòng)起弧、焊接工藝參數(shù)設(shè)置、熔池圖像自動(dòng)采集、熔池圖像尺寸計(jì)算、控制算法實(shí)現(xiàn)、焊接規(guī)范自動(dòng)調(diào)節(jié)，直到自動(dòng)熄弧的完整的焊接工作過(guò)程。整個(gè)機(jī)器人脈沖GTAW傳感與過(guò)程控制控制試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

 圖1 機(jī)器人脈沖GTAW試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 基于連續(xù)光譜的寬帶復(fù)合濾光系統(tǒng)確定和鋁合金熔池參數(shù)定義

　　利用圖像傳感的方法控制焊縫質(zhì)量，首先要獲得熔池圖像。為了獲得清晰的熔池圖像，必須采用濾光系統(tǒng)。鋁合金GTAW焊接條件下的弧光光譜分布基本規(guī)律是在強(qiáng)度相對(duì)較低的連續(xù)光譜上疊加許多強(qiáng)度不等的其它譜線所組成的，在不同的工藝參數(shù)下(焊接電流，焊接電壓)，光譜分布會(huì)有輕微變化，但基本規(guī)律不變。近熔池表面區(qū)光譜主要由鋁原子光譜，鋁離子光譜和熔池金屬黑體輻射產(chǎn)生的連續(xù)光譜組成，弧柱區(qū)的光譜主要由氬原子和離子的譜線組成，此外還含有其它金屬的蒸汽譜線。因此采用窄帶濾光的方式獲取鋁合金GTAW焊熔池圖像的方法是不可行的。通過(guò)分析鋁合金實(shí)際GTAW焊接光譜分布，本文采用的寬帶濾光片的通光范圍是590nm-710nm，峰值透過(guò)率25%，減光片通光率20%，熔透控制傳感器置于熔池的正后方，使傳感器的中線與焊接方向成45º角的方向，可清晰獲得熔池圖像。

　　利用視覺(jué)傳感方式對(duì)鋁合金脈沖GTAW焊縫成形進(jìn)行控制，獲取能反映焊接過(guò)程焊縫成形的信息是至關(guān)重要的，通過(guò)圖像處理的方式獲得可描述熔池狀態(tài)的特征參數(shù)，對(duì)焊縫穩(wěn)定成形的控制也就是控制這些參數(shù)的穩(wěn)定。因此本文定義鋁合金GTAW焊熔池圖像的特征參數(shù)為：正面熔池的寬度、正面熔池的長(zhǎng)度。另外，在本文所獲取的鋁合金GTAW焊熔池正面圖像中，不能看到熔池的全部，因此所利用的是正面熔池的半長(zhǎng)。如圖2。 

圖2 熔池圖像及特征參數(shù)示意圖

(a) 熔池正面圖像 (b) 熔池特征參數(shù)示意圖

3 脈沖GTAW熔池正面參數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立

　　模型是認(rèn)識(shí)系統(tǒng)、研究系統(tǒng)的一種工具或手段。近年來(lái)，隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究的興起，為焊接過(guò)程動(dòng)態(tài)模型的建立開(kāi)辟了新的道路。由于焊接過(guò)程具有很大的熱慣性，在建立ANN模型時(shí)，我們不僅應(yīng)該考慮當(dāng)前時(shí)刻的焊接規(guī)范輸入，還應(yīng)該考慮焊接規(guī)范的歷史值對(duì)當(dāng)前時(shí)刻熔池形態(tài)的影響。

針對(duì)鋁合金散熱快的特性，本文在模型的輸入中考慮了焊接規(guī)范的當(dāng)前值和規(guī)范的前三個(gè)歷史值。這里采用的焊接規(guī)范包括脈沖峰值電流和脈沖占空比（焊接過(guò)程中保持焊接速度和脈沖基值電流恒定，所以這里不作考慮）。同時(shí)，前面熔池的大小和形態(tài)也要影響當(dāng)前時(shí)刻的熔池，因而，本文也將前三個(gè)時(shí)刻熔池的特征參數(shù)（熔池最大寬度、熔池半長(zhǎng)度）作為網(wǎng)絡(luò)的輸入。綜上，本文模型的共有14個(gè)輸入?yún)��?shù)。模型的輸出為熔池特征參數(shù)（包括熔池最大寬度和熔池半長(zhǎng)度）的當(dāng)前值，一共有2個(gè)輸出。建立脈沖GTAW熔池正面參數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型如圖3。對(duì)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中間層節(jié)點(diǎn)數(shù)的選擇問(wèn)題，不同文獻(xiàn)上有不同的選擇原則。本文隱含層確立為一層，因?yàn)橐粋�(gè)三層BP網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)可以完成任意N維到M維的映射。隱含層單元的選取根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定為19最合適。 

圖3 鋁合金脈沖GTAW熔池正面參數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

4 PID控制器的設(shè)計(jì)

　　PID控制是過(guò)程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律，PID控制就是比例（P），積分（I），微分（D）三種控制作用的綜合，它是對(duì)誤差實(shí)施一種變換輸出控制量。本文選擇了增量式算法。為了提高運(yùn)算精度，本文用梯形積分代替矩形積分，用四點(diǎn)差分代替單點(diǎn)差分以減小數(shù)據(jù)誤差和噪聲，改進(jìn)后的增量型PID算法如式（1）[8]： 

　　其中，Kp為比例系數(shù),Ti為積分時(shí)間常數(shù),Td為微分時(shí)間常數(shù)，T為采樣周期。由此可見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)PID控制，必須求出Kp,Ti,Td三參數(shù)，即控制參數(shù)的整定。

　　利用這種PID控制器對(duì)兩種形式的工件進(jìn)行了變散熱條件下的單變量控制實(shí)驗(yàn)。所用的材料為L(zhǎng)F6，工件厚度為2.5mm,接頭形式為對(duì)接，采用脈沖不送絲方式[9]。以焊接電流峰值為控制量，以焊縫正面熔寬為被控制量，給定理想熔寬8mm。對(duì)于梯形工件，控制參數(shù)采用仿真參數(shù)　　　Kp=17.45, Ti=0.75, Td=0.605；啞鈴形工件控制參數(shù)Kp=22.45, Ti=0.585, Td=0.795。在控制實(shí)驗(yàn)中，為了保證起弧階段的良好成形，起弧后停止3秒鐘，熔透后再施加焊接速度，前十個(gè)脈沖采用恒規(guī)范的焊接參數(shù)，另外為了限制超調(diào)的發(fā)生，電流峰值的調(diào)節(jié)范圍限制在160～180A。最小的電流調(diào)節(jié)單位設(shè)為1A。圖4，圖5分別是用PID控制在有散熱條件變化的梯形和矩形工件上對(duì)接得到的焊接工件正反面照片。圖6是PID控制過(guò)程曲線。

　　梯形工件實(shí)際焊后正面寬度最大絕對(duì)誤差為0.781mm，平均誤差為0.052 mm，均方根誤差為0.01822 mm；啞鈴形工件實(shí)際焊后正面寬度最大絕對(duì)誤差為0.935mm，平均誤差為0.0135 mm，均方根誤差為0.0226 m。 

圖4 PID控制梯形工件焊件正反面照片

圖5 PID控制啞鈴形工件焊件照片

(a)梯形工件(Trapezoid workpiece) (b)啞鈴形工件(Dumbbell-shape workpiece)

圖6 變散熱工件PID控制焊接過(guò)程控制曲線

5結(jié)論

　　試驗(yàn)結(jié)果表明，單變量PID控制方式具有調(diào)節(jié)速度快的特點(diǎn)，但是系統(tǒng)輸出的超調(diào)量大，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定。從圖6(a)中可以看出梯形工件控制量總的趨勢(shì)是隨著散熱條件的變差而減小，背面熔寬基本上是圍繞8mm上下波動(dòng)的，但是隨著散熱條件的逐漸變差，背面熔寬的波動(dòng)性也逐漸加劇，同時(shí)穩(wěn)態(tài)誤差也逐漸增大。對(duì)于啞鈴形工件，正面熔寬的值是圍繞給定理想熔寬8mm上下波動(dòng)的�；�本維持在8mm左右。在中部熔寬有微量突起，這是由于散熱條件在此突然變差引起的，同時(shí)控制量也急速調(diào)小以維持熱輸入輸出的平衡，保持正面熔寬的穩(wěn)定一致�？傊�，對(duì)于單變量的PID控制仍然存在超調(diào)量大和穩(wěn)態(tài)誤差大的特點(diǎn)。