基于機器視覺與力控的發動機彎管焊縫自動化打磨系統研究

黃 鈺,陸永華,官文超,劉京京,楊海波

(1.南京航空航天大學機電學院,江蘇 南京 210016;2.南京工業職業技術大學機械工程學院,江蘇 南京 210023)

0 引言

火箭發動機是火箭的心臟,為整個火箭飛行提供動力和控制力矩,而彎管則相當于輸送血液的血管[1]。在生產過程中,除了彎管的制造及裝配焊接,焊縫的打磨也占據重要地位。由于火箭發動機的工作環境較為復雜,如果彎管內有焊縫殘留會導致應力集中,輕則造成彎管承載能力下降,重則導致彎管產生裂紋、斷裂[2-4],影響整個發動機的運行。因此,彎管類焊接零件的打磨工作具有重要的意義。

在焊縫的磨削方面,國內外學者均運用了CAD、力控、機器視覺和工業機器人等技術。Gracia等[5]實現了機器人的混合位置力控制,使用等式約束來定義打磨參數,從而獲得打磨表面的期望刀具壓力,以保持打磨表面始終與刀具方向垂直,提高了打磨的材料去除率。Feng等[6]提出了一種基于點云數據的特征導向軌跡生成方法,用激光輪廓掃描儀獲取工件的三維輪廓,通過移動平均濾波對每條掃描線的母曲線進行擬合,從分散的點云中可靠地提取焊縫特征點,采用B樣條擬合方法生成光滑的三維曲線,通過優化的插值算法將曲線離散為實際刀具接觸點,并通過交叉乘法算法計算刀具姿態,從而引導機械手的運動軌跡,并通過力控方式控制每個刀具接觸點的打磨力,以補償加工路徑的誤差。

綜合上述方法,焊縫打磨系統基本都包含了CAD、力控、機器視覺、激光技術和工業機器人技術中2種及以上的技術,工業機器人可作為運動承載機構,CAD、機器視覺和激光技術可用于打磨路徑的規劃和實時監測,力控技術主要用于打磨過程中的柔性化協助。

1 平臺搭建

現有某系列火箭發動機彎管,如圖1所示 (模擬的三維模型),整個彎管由2半在中間對焊而成,其型號、尺寸多樣,直徑最大和最小分別為198 mm和 44 mm,角度最大和最小分別為90°和30°,需要打磨其內壁的2條焊縫。對于這類彎管零件,目前大多采用人工方式進行打磨,存在打磨質量與標準不一、效率低、勞動強度大等問題。

圖1 彎管示意

對該系列火箭發動機彎管進行分析可知,彎管自身不存在基準,且不同型號之間尺寸差別較大;彎管在加工和焊接時存在輕微的變形;焊縫存在高低不平和質量不一的現象。

根據以上分析,本文提出了基于機器視覺技術和力控的發動機彎管焊縫自動化打磨系統。根據彎管的形狀特征和焊縫打磨需求,設計并搭建了系統的試驗平臺和配套的操作軟件。如圖2所示,將本文系統分為旋轉工作臺模塊、視覺模塊和磨削模塊。為提高系統效率,以旋轉工作臺為運動載體,均勻布置6個工位,實現流水形式作業,其中1號為上下料工位,3號為視覺檢測工位,5號為磨削工位;根據不同型號彎管的尺寸和制造公差范圍設計不同形狀的仿形夾具,并均在相同位置提供定位基準;利用電動旋轉臺和電動滾珠絲杠滑臺帶動工業相機和光源模組正對彎管兩側端面,并拍攝圖像,發送給工控機;使用圖像處理算法對圖像進行處理計算,得到彎管兩側端面焊縫起始位置相對于定位基準的坐標,并將該坐標發送給機械臂;機械臂根據該坐標調整打磨軌跡,且其末端執行器搭載浮動主軸和金屬球形打磨工具,利用浮動主軸的浮動特性,保持打磨力的恒定并對焊縫不規則區域進行補償,實現基于位置控制和力控的打磨自適應調整。

圖2 系統整體示意

系統整體工作流程如圖3所示,應按照以下步驟,對彎管進行打磨。

圖3 系統流程

a.設備初始化:運行上位機軟件與機械臂程序,選擇待打磨彎管型號并初始化所有設備。

b.上料:按照要求在上下料工位正確裝夾彎管。

c.獲取焊縫起始點:工業相機模組拍攝彎管端面圖像,傳輸回上位機,經過彎管端面圖像處理算法處理計算輸出焊縫起始點坐標,并將該坐標發送給機械臂。

d.打磨:機械臂收到上位機傳輸的彎管型號和焊縫起始點坐標,對打磨運動軌跡進行調整,搭載浮動主軸和金屬球形打磨工具對焊縫進行打磨。

e.下料:彎管打磨完成,將彎管取下,系統自動保存該彎管的打磨參數。

f.依次類推,當完成所有彎管打磨后,關閉上位機軟件,設備自行回到初始位置,關閉所有設備。

2 圖像處理及打磨軌跡自適應調整算法

2.1 圖像處理算法

本文主要使用模板匹配算法對圖像進行處理。模板匹配[7]是一項在一幅圖像中尋找與另一幅模板圖像最匹配(相似)部分的技術,是在整個圖像上移動模板并計算模板與圖像上被覆蓋窗口之間的相似度的過程。使用時,需提供1個基本模板和待匹配的源圖像,其大致的思路為將源圖像通過索引與基本模板依次進行比較,在匹配過程中將相似度數據存儲在矩陣中,通過評分算法給出該模板在源圖像中的最佳位置,可以實現基于圖像灰度或基于圖像邊緣的匹配。本文根據彎管端面圖像的實際情況,對原有的圖像處理流程進行調整,調整后流程如圖4所示。

圖4 圖像處理流程

圖像預處理的步驟包含直方圖均衡化[8]、雙邊濾波[9]和圖像形態學操作[10],得到灰度分布更加合理、邊緣更加明顯和對比度更高的圖像。在模板匹配階段,本文采用歸一化方差匹配法作為評分算法計算模板與源圖像之間的相似度,相似度越高,輸出的結果越趨于0。

在使用過程中,將工業相機模組獲取的彎管端面圖像的左上角設置為原點,以向右為X軸正方向,向下為Y軸正方向建立圖像坐標系。挑選人工手動示教之后打磨效果較好的彎管,經圖像處理算法計算得到其端面焊縫起始位置相對于定位基準的坐標值,并截取焊縫起始位置處與端面交點處的大小為300×900的圖像,將該坐標值和該圖像分別設置為坐標標準值和模板。后續使用中,計算與模板相似度最高的圖像和模板之間的相對位置,再結合上述坐標標準值即可得到當前彎管的準確焊縫起始位置坐標。

2.2 打磨軌跡規劃

綜合分析彎管的形狀特征、焊縫的位置特征和打磨需求,采用金屬球形打磨工具沿著彎管內壁輪廓進行打磨。由于彎管內部空間有限,因此需要從彎管兩側各打磨1次?？紤]到裝夾、機械臂重復運動等可能帶來的誤差,2次打磨軌跡的交匯處留有重復區域,保證整條焊縫的全覆蓋打磨,具體打磨軌跡如圖5所示。

圖5 打磨軌跡

本文選擇的金屬球形打磨工具外輪廓是圓形,彎管的內輪廓也是圓形,且打磨工具的直徑遠小于彎管的直徑,故二者的接觸面積很小,且焊縫具有一定的寬度,一次走刀不能打磨完整條焊縫。根據現場打磨的實際情況,本文提出多次走刀、微動調整的打磨方式,如圖6所示。

圖6 打磨走刀方式

圖6為打磨過程中的剖面圖,所選彎管直徑為155 mm,打磨工具直徑為26 mm,帶有剖面線的封閉區域為焊縫,寬度為10 mm,深度為2 mm,加粗線為對中走刀的打磨工具外輪廓。由圖6可知,當焊縫寬度一定時,若只使用打磨工具對中走刀1次,不能完成整條焊縫的打磨,需要將打磨工具進行上、下微動調整,才能完成整條焊縫的精確打磨。

2.3 浮動主軸自適應調整

針對焊縫可能存在高低不平和質量不一的現象,通過機械臂搭載基于力控的浮動主軸和金屬球形打磨工具,利用浮動主軸的浮動特性,保持打磨力的恒定并對焊縫不規則區域進行補償,實現打磨自適應調整。

浮動主軸的總裝外殼與主軸之間存在1個空腔,主軸與總裝外殼下側的偏心保持板固連,可繞著偏心保持板在空腔內進行360°浮動。浮動主軸包含2路進氣入口,分別為主軸供氣入口和浮動供氣入口。其中,主軸供氣入口與葉片式馬達相連,提供的壓縮氣體用于驅動主軸旋轉,浮動供氣入口與空腔相連,其提供的壓縮氣體用于實現主軸的浮動。在空載時,空腔內充滿壓縮氣體,主軸表面受到來自側面各方向的相等的壓力,保持對中狀態。在打磨時,主軸末端裝夾的金屬球形打磨工具的一側受到焊縫的反作用力,使得主軸偏離對中位置,進入浮動狀態。

偏離的距離由空腔內壓縮氣體的壓力與焊縫的反作用力共同決定。當空腔內壓縮氣體的壓力一定時,主軸在空腔內部受力一定,偏離的距離與焊縫的反作用力呈正相關關系,焊縫的反作用力越大,主軸偏離的距離越長,同樣地,焊縫的反作用力越小,主軸偏離的距離也就越短。正是由于主軸偏離的距離跟隨焊縫的反作用力的變化而不斷變化,使得系統穩定后浮動主軸末端裝夾的金屬球形打磨工具作用于焊縫的力始終保持不變,實現所述基于力控的恒力打磨。

3 打磨試驗與結果分析

為了驗證本文所設計的發動機彎管焊縫自動化打磨系統的可行性和打磨精度,按照上述介紹的系統流程對該系列彎管進行相關試驗,并對試驗結果進行分析。

3.1 系統試驗

根據上述介紹的圖像處理算法對視覺模塊拍攝的彎管端面圖像進行處理,其中,圖像大小為300×900的模板如圖7所示。

圖7 模板

將源圖像通過索引與模板依次進行比較,處理結果如圖8所示。

圖8 圖像處理結果

由圖8可知,該算法尋找到的圖像中與模板相似度最高的區域在圖像的右側,置信度為0.1,并能輸出焊縫所在位置的坐標。根據該坐標調整機械臂運動軌跡并進行打磨,實現良好的打磨效果。因此該算法能夠準確識別圖像中與模板相似度最高的區域并準確輸出焊縫所在位置坐標。

根據上述介紹的打磨軌跡規劃方法,設置不同的打磨工具上、下微動調整位移量和次數進行試驗,結果如圖9所示,分別展示了走刀11次(左圖)和17次(右圖)的效果對比。

圖9 不同走刀次數打磨效果

從圖9中可以明顯觀察到,焊縫寬度一定時,走刀次數為11次時打磨痕跡之間存在較明顯的小凸起,不滿足要求;走刀次數提升至17次時,打磨痕跡之間的過渡平滑,滿足技術要求。因此,打磨走刀次數為17次,每次上、下微動距離為0.5 mm。

針對上述介紹的浮動主軸浮動力與浮動氣壓之間的關系,本文通過減壓閥調節氣壓大小,采用上述打磨軌跡進行試打磨并測量浮動力。經過試驗測試,可以得到浮動主軸的浮動力F與浮動氣壓P的經驗關系式如下所示,其中P∈[0.01,4.10]。

F=13.830 59P3-12.633 68P2+

14.873 07P+0.312 38

3.2 打磨質量

對該系列彎管中某型號彎管進行打磨,打磨效果如圖10所示。

圖10 某型號彎管打磨前后效果

使用檢測工具對上述彎管打磨前后的焊縫高度進行檢測,數據如圖11所示。

圖11 某型號彎管打磨前、后焊縫高度

由圖11可知,打磨前該型號彎管的焊縫高度基本在0.6 mm以上,最厚的地方能夠達到0.9 mm,且焊縫的高度隨著位置的變化而變化,一致性較差。打磨之后,焊縫高度維持在0.2 mm左右,且焊縫與母材之間過渡平滑,滿足要求。將該系列彎管全部打磨之后,使用檢測工具對焊縫高度進行測量,按照打磨要求,焊縫高度在[-0.3,0.5] mm區間內為合格,打磨合格率如表1所示。

表1 打磨合格率分析

由表1可得,對于該系列彎管本系統的打磨合格率為96.03%,滿足要求。

3.3 整體效率

本文所涉及的效率對比的對象為工廠中單個工作日時間內(8h)單個工人利用電動打磨工具手動打磨所完成的彎管數量,該數據來源于工廠中的相關記錄。由于本文所設計的系統為流水線作業形式,難以計算8h的彎管打磨數量,故使用一小批彎管進行試驗,記錄消耗的總時間,再進行等比換算,即可得出8h的彎管完成數量。效率對比數據如表2所示。

表2 打磨效率分析

由表2可知,對于該系列彎管,相比于人工打磨,本系統效率平均提升95.90%,滿足要求。

4 結束語

針對發動機彎管焊縫打磨問題,本文提出了一種基于機器視覺技術和力控的發動機彎管焊縫自動化打磨方法,且基于該方法設計并搭建了打磨系統。試驗結果表明,該系統可以在較少人工的參與和干預下完成彎管焊縫的自動化打磨,具有良好的穩定性和使用柔性,并且允許彎管存在一定的變形。系統整體打磨合格率為96.03%,相比人工打磨效率提升95.90%,滿足發動機彎管焊縫打磨要求。