智能機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)中得到廣泛應用。由于諸多因素的推動，焊接過程自動化、機器人化已成為趨勢。尤其是研究開發(fā)具有智能的焊接機器人及其智能化技術，實現(xiàn)焊接路徑自動規(guī)劃、實時自動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世紀焊接工藝技術實施的發(fā)展方向。

 焊接質(zhì)量控制的研究是焊接過程自動化的重要組成部分。由于對焊接過程自動化和智能化水平的要求日益提高，對焊接質(zhì)量的控制變得尤為重要。近年來，隨著計算機視覺技術的發(fā)展，利用機器視覺直接觀察焊接熔池，通過圖像處理獲取熔池的幾何形狀信息，對焊接質(zhì)量進行閉環(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，而熔池是對焊縫尺寸參數(shù)影響最為直接的因素。因而，研究焊接過程中熔池的變化以及實現(xiàn)熔池某些參數(shù)的控制對焊接質(zhì)量的控制有實際的意義。同時，根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，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)來保證焊接質(zhì)量的。因而，根據(jù)焊接熔池變化來控制焊接質(zhì)量也是實現(xiàn)焊接智能化的一個重要部分。

 1 局部自主智能脈沖GTAW焊縫熔透實時控制弧焊機器人系統(tǒng)結(jié)構介紹

 　　實驗系統(tǒng)的硬件主要部分是一套局部自主智能焊接機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)以沈陽新松機器人有限公司的機器人產(chǎn)品RH6為本體[5]。在機器人本體末端(第6關節(jié))增加了一個攝像機隨動裝置（第7關節(jié)），通過皮帶傳動可以帶動兩個攝像機繞焊槍轉(zhuǎn)動[6-7]。

　　局部自主智能焊接機器人(Local Autonomous Intelligent Welding Robot)系統(tǒng)的核心是一臺PIII850的通用計算機，它提供完成機器人系統(tǒng)坐標變換，軌跡生成，插補運算及外部信息綜合和焊接系統(tǒng)的控制，狀態(tài)管理，任務調(diào)度等。它的作用是一臺中央監(jiān)控計算機，它與機器人控制柜通過CAN總線通訊。它與導引、焊縫跟蹤模塊以及熔透控制模塊之間通過Ethernet通訊。導引、焊縫跟蹤模塊的功能是通過視覺傳感實現(xiàn)焊接機器人焊接初始位置的導引和焊縫跟蹤。LAIWR機器人第七軸上的一個CCD攝像機通過視頻電纜與導引、焊縫跟蹤計算機上的圖像采集卡相連。LAIWR機器人第七軸上的另一個CCD攝像機通過視頻電纜與熔透控制計算機上的圖像采集卡相連（硬件配置同導引、跟蹤模塊）。同時熔透控制計算機還通過自行開發(fā)的控制/采集接口電路與焊接電源相連，以實現(xiàn)焊接參數(shù)的實時控制和焊接參數(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)還包括水箱和保護氣瓶等輔助設備。

　　熔透控制試驗系統(tǒng)的核心部分是一臺PⅡ350型臺式計算機，其對焊接電源、送絲機構和焊接運動機構的控制是通過數(shù)據(jù)采集卡、步進電機控制卡和接口電路實現(xiàn)的。焊接電流和送絲速度的控制是通過調(diào)節(jié)焊接電源控制端的輸入電壓來實現(xiàn)的。焊接速度的控制是通過改變步進電機的單位時間的脈沖輸入數(shù)目來實現(xiàn)的。圖像采集卡與計算機相聯(lián)，計算機通過接收焊接電源傳送的焊接電流的時刻與形狀等特征信息，可以控制取像的時刻。送絲機構位于機器人第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起弧、焊接工藝參數(shù)設置、熔池圖像自動采集、熔池圖像尺寸計算、控制算法實現(xiàn)、焊接規(guī)范自動調(diào)節(jié)，直到自動熄弧的完整的焊接工作過程。整個機器人脈沖GTAW傳感與過程控制控制試驗系統(tǒng)結(jié)構框圖如圖1所示。

 圖1 機器人脈沖GTAW試驗系統(tǒng)結(jié)構框圖

2 基于連續(xù)光譜的寬帶復合濾光系統(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)律是在強度相對較低的連續(xù)光譜上疊加許多強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。通過分析鋁合金實際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。

　　利用視覺傳感方式對鋁合金脈沖GTAW焊縫成形進行控制，獲取能反映焊接過程焊縫成形的信息是至關重要的，通過圖像處理的方式獲得可描述熔池狀態(tài)的特征參數(shù)，對焊縫穩(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。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)絡模型的建立

　　模型是認識系統(tǒng)、研究系統(tǒng)的一種工具或手段。近年來，隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡研究的興起，為焊接過程動態(tài)模型的建立開辟了新的道路。由于焊接過程具有很大的熱慣性，在建立ANN模型時，我們不僅應該考慮當前時刻的焊接規(guī)范輸入，還應該考慮焊接規(guī)范的歷史值對當前時刻熔池形態(tài)的影響。

針對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)范的當前值和規(guī)范的前三個歷史值。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，前面熔池的大小和形態(tài)也要影響當前時刻的熔池，因而，本文也將前三個時刻熔池的特征參數(shù)（熔池最大寬度、熔池半長度）作為網(wǎng)絡的輸入。綜上，本文模型的共有14個輸入?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度）的當前值，一共有2個輸出。建立脈沖GTAW熔池正面參數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡模型如圖3。對于BP神經(jīng)網(wǎng)絡中間層節(jié)點數(shù)的選擇問題，不同文獻上有不同的選擇原則。本文隱含層確立為一層，因為一個三層BP網(wǎng)絡已經(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)絡模型

4 PID控制器的設計

　　PID控制是過程控制中應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，它是對誤差實施一種變換輸出控制量。本文選擇了增量式算法。為了提高運算精度，本文用梯形積分代替矩形積分，用四點差分代替單點差分以減小數(shù)據(jù)誤差和噪聲，改進后的增量型PID算法如式（1）[8]： 

　　其中，Kp為比例系數(shù),Ti為積分時間常數(shù),Td為微分時間常數(shù)，T為采樣周期。由此可見，實現(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控制器對兩種形式的工件進行了變散熱條件下的單變量控制實驗。所用的材料為LF6，工件厚度為2.5mm,接頭形式為對接，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。在控制實驗中，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接得到的焊接工件正反面照片。圖6是PID控制過程曲線。

　　梯形工件實際焊后正面寬度最大絕對誤差為0.781mm，平均誤差為0.052 mm，均方根誤差為0.01822 mm；啞鈴形工件實際焊后正面寬度最大絕對誤差為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控制焊接過程控制曲線

5結(jié)論

　　試驗結(jié)果表明，單變量PID控制方式具有調(diào)節(jié)速度快的特點，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上下波動的，但是隨著散熱條件的逐漸變差，背面熔寬的波動性也逐漸加劇，同時穩(wěn)態(tài)誤差也逐漸增大。對于啞鈴形工件，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。