基于焊缝跟踪光电传感器控制系统的设计【通过答辩论文设计及图纸】
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tt 1 tt 0 2 2 se s1t差3糊控制调整焊枪方向跟踪焊缝焊接结束？系统结束比例控制76351 2手控开关/手控机控手控方向98765432123456789 301012092825475432)16 )12 0)2)3)6)721098765432 11007 1906 1805 1704 1603 1502 1401 1300 1211湘 潭 大 学 兴湘学院 本科毕业设计（论文）开题报告 题 目 焊缝跟踪光电传感器控制 姓 名 学号 2007964207 专 业 机械设计制造及其自动化 班级 07 机械一班 指导教师 李卫 职称 副教授 填写时间 2011 年 3 月 12 日 2011 年 3 月 说 明 1根据湘潭大学 毕业设计 (论文 )工作管理规定 ，学生必须撰写 毕业设计（论文）开题报告 ，由指导教师签署意见，系主任批准后实施。 2 开题报告是毕业设计 （论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。学生应当在毕业设计（论文）工作前期内完成，开题报告不合格者不得参加答辩。 3毕业设计 (论文 )开题报告各项内容要实事求是，逐条认真填写。其中的文字表达要明确、严谨，语言通顺，外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现缩写词，须注出全称。 4本报告中，由学生本人撰写的对课题和研究工作的分析及描述，应不少于 2000 字。 5开题报告检查原则上在第 2 4 周完成，各系完成毕业设计开题检查后，应写一份开题情况总结报告。 6. 填写说明： (1) 课题性质：可填写 A 工程设计； B 论文； C. 工程技术研究； (2) 课题来源：可填写 A自然科学基金与部、省、市级以上科研课题； B企、事业单位委托课题； C 校 级基金课题； D自拟课题。 (3) 除自拟课题外，其它课题必须要填写课题的名称。 (4) 参考文献不能少于 10 篇。 (5) 填写内容的字体大小为小四，表格所留空不够可增页。 本科毕业设计 (论文 )开题报告 学生姓名 学 号 2007964207 专 业 机械设计制造及其自 动化 指导教师 李卫 职 称 副教授 所在系 工程 课题来源 自拟课题 课 题性质 工程设计 课题名称 焊缝跟踪光电传感器控制 一、选题的依据、课题的意义及国内外基本研究情况 （ 1） 选题依据 该项目主要是解决现有的控制系统结构和运算复杂、成本高等问题。由于采用了多重比较和译码的方式，降低了焊炬的高度和人工白色标志带精度对焊缝自动跟踪控制系统精度的影响，使计算过程和电路结构极大简化。实际焊接工艺试验系统跟踪精度高，运行稳定可靠，实用性强。系统主要用于自动角焊机，在一定范围内进行焊缝水平跟踪，用于水平高低调节机构固定、工件旋转的环焊缝自动跟踪，在多种焊接专机上作为标准配置，用于焊 缝自动跟踪，装配在普通焊接设备上，实现焊缝自动跟踪，用于焊接机器人智能焊缝跟踪。 （ 2） 课程意义 制造业的不断发展，对自动化焊接与机器人焊接技术提出了更高的要求。作为焊接自动化的重要内容，焊缝自动跟踪在焊接生产中具有非常重要的作用。论文设计并研制了一套光电传感器式焊缝自动跟踪系统，该系统由光电传感器、控制系统和执行机构等组成，并根据系统的要求开发了基于 片机的跟踪系统软件。 （ 3） 国内外基本研究情况 在金属制造业中，焊接是仅次于装配和机械加工的第三大产业。在工业发达国家，每年钢铁产量的 40%以上 要通过焊接才能转化为最终产品。自动化焊接技术问世以来，焊接生产的机械化、自动化和机器人一直在不断发展之中。据统计，日本在 1975 年共有焊接工人 460， 930 名，而 1985 年减少为 335， 600 名， 1990 年则为 210， 800 名，在过去的二十多年中，焊接工作不断地由手工操作转化为自动、半自动焊接乃至机器人焊接。随着现代焊接生产的自动化程度越来越高以及机器人焊接技术的发展，对焊接自动跟踪技术的要求也越来越迫切。 二、研究内容、预计达到的目标、关键理论和技术、技术指标、完成课题的方案和主要措施 （ 1） 研究内 容 缝跟踪作为一门综合性应用技术，具有多学科交叉融合的特点，包括电子技术、计算机焊、焊接、结构、流体、光学、电磁等学科，国内外众多研究工作者投入到这一领域进行研究，从示教型焊接机器人到程序控制焊接系统，再到移动式自动焊缝跟踪技术，焊接自动化的每一次进步都显著提高了生产效率。焊接技术的自动化、柔韧性和智能化是未来焊接技术发展的必然趋势。焊接自动跟踪主要由传感器、控制器、执行机构三大部分组成，并构成一个闭环反馈系统 。 （ 2） 关键理论和技术 传感器是焊缝自动跟踪系统的关键部分。其作用是精确检测出焊缝的 位置和形状信息比转化为电信号。控制系统才能对信号进行处理，并根据检测结果控制自动调节机构调整焊枪位置，从而实现焊缝自动跟踪。 （ 3） 完成课题的方案和措施 接触式传感器是最早使用的传感器，其特点为不受电弧干扰、工作可靠、成本低，曾在生产中得到广泛应用，但由于跟踪精度不高，目前正在被其他传感器方法取代。声学传感器尤其是超声波传感器结构简单、精度高、价格便宜。超声波传感器由超声波发生及接受装置组成。超声波传感器的测量精度主要取决于超声波的频率，频率越高，误差越小，一般超声波的频率在 弧传感器的工 作原理是在焊接过程中，当焊枪与工件之间的相对位置发生变化时，会引起电弧电压和电流的变化，这些变化都可以作为特征信号被提取出来实现焊枪高低和左右两个方向的跟踪控制。 三、主要特色及工作进度 第 1 4 周： 搜集资料，掌握 用方法。 第 5 8 周：了解焊缝跟踪光电传感器控制系统。提出可行性控制方案。 第 9 12 周：选择元器件、画梯形图。 第 13 16 周：编程调试 第 17 周：制图、写论文准备答辩 四、主要参考文献 （按作者、文章名、刊物名、刊期及页码列出） 1 B o b I r v i n g S e n s o r s a n d c o n t r o l s c o n t i n u e t o c l o s et h el o o pi n a r cw e l d i n _ g J We l d i n g J o u r n a l ， 1 9 9 9 ， 7 8 ( 4) ： 3 1 3 6 2 潘际銮 现代弧焊控制 M 北京：机械工业出版社， 2 0 0 0 3 陈 强， 潘际銮， 大岛健司 焊接过程的模糊控制 J 机械工 程学报， 1 9 9 5 ， 3 1 ( 4 ) ： 8 7 9 1 4 蒋力培，张甲英，马宏泽传感器超前检测式焊缝自动跟踪系 统的控制模型 J 焊接学报， 1 9 9 8 ， 1 9 ( 3 ) ： 1 8 4 1 8 9 5 陈伯蠡 焊接冶金原理 M 北京：清华大学出版社， 1 9 9 1 6 张文钺 焊接冶金学 ( 基本原理 ) M 北京：机械工业出版 社 ， 1 9 9 6 7 陈武柱 ,王勇 ,林青松 焊管 M, 1992(5) :1 - 10. 8 潘际銮 ,陈武柱 . 焊缝棱边双向激光自动跟踪系统 N. 焊接学报 , 1984(2) :34 - 40. 9 李士勇 经控制和智能控制论 J 哈尔滨工业 大学出版社 ,1996. 指导教师 意 见 指导教师签名： 年 月 日 系意见 系主任签名： 年 月 日 院意见 教学院长签名： 年 月 日 湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）工作中期检查表 系 机电系 专业 机械设计制造及其自动化 班级 机一 姓 名 学 号 指导教师 指导教师职称 副教授 题目名称 基于焊缝跟踪光电传感器控制系统的设计 题目来源 科研 企业 其它 课题名称 基于焊缝跟踪光电传感器控制系统的设计 题目性质 工程设计 理论研究 科学实验 软件开发 综合应用 其它 资料情况 1、选题是否有变化 有 否 2、设计任务书 有 否 3、文献综述是否完成 完成 未完成 4、外文翻译 完成 未完成 由 学 生 填 写 目前研究设计到何阶段、进度状况： 分析确定了光电传感器控制系统的基本方案；认真学习了自已在设计过程中所要用到的 传感器的基本知识及应用，同时也学习了自已在本次毕业设计中可能要用到的 件，在整体设计开发背景下，完成了电气硬件按 线图，并通过绘图软件绘制完成，同时完成了相应的大部分程序编制工作。 由 老 师 填 写 工作进度预测（按照任务书中时间计划） 提前完成 按计划完成 拖后完成 无法完成 工作态度（学生对毕业论文的认真程度、纪律及出勤情况）： 认真 较认真 一般 不认真 质量评价（学生前期已完成的工作的质量情况） 优 良 中 差 存在的问题与建议： 指导教师（签名）： 年 月 日 建议检查结果 ： 通过 限期整改 缓答辩 系意见： 签名： 年 月 日 注： 1、该表由指导教师和学生填写。 2、此表作为附件装入毕业设计（论文）资料袋存档。 毕业论文（设计）任务书 设计（论文）题目： 焊缝跟踪光电传感器控制系统的设计 学 号： 姓名 专 业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 系主任 ： 一、主要 内容及基本要求： 1、检索国外 焊缝跟踪光电传感器控制系统 的发展动态，分析国内的现状； 2、 分析焊缝跟踪光电传感器控制系统设计 的 关键技术问题 ； 3、完成 焊缝跟踪光电传感器控制系统的设计的一体化 设计； 4、完成 焊缝跟踪光电传感器控制系统 设计； 5、完成 焊缝跟踪光电传感器控制系统的设计中硬件设计 ； 6、 完成焊缝跟踪光电传感器控制系统的设计中软件设计 ； 7、完成毕业论文的文稿工作，要求：总字数不低于一万字，使用 辑及打印装订成册； 8、 技术图纸：控制系统原理图 1 张（ 0 号）、控制系统程序流程图 1 张（ 0 号）、 电动机结构原理图 1 张（ 1 号）； 9、翻译英文技术资料：翻译国 焊缝跟踪光电传感器控制系统的设计 的 （或相关课题）开发及设计的英文资料。 要求： 3000 单词，复印原稿与翻译 (打印 )稿同册装订。 二、重点设计的问题： 1、 焊缝跟踪光电传感器控制系统的设计 方案 选择 设计； 2、 焊缝跟踪光电传感器控制系统的设计软件 设计； 3、 焊缝跟踪光电传感器控制系统的设计中外围设备硬件的设计。 三、进度安排 四 、应收集的资料及主要参考文献 1贾剑平，张华，徐建宁 J2005（ 11）北京 2左士强， J2008,84(3)北京 3姚河清 ,焊缝跟踪模糊控制器系统的设计 J2004(6)北京 4康丽，焊缝跟踪系统及焊接过程智能控制技术的设计 J2008(3)：北京 5叶建雄，张华，谢剑锋，神经网络在焊缝跟踪中的应用设计 J，焊接技术， )(2006)北京。 6丁度坤， 经网络在焊缝位置识别中的应用，焊缝技术， )(2007) 各阶段完成的内容 起止时间 1 资料检索、查询 2 系统总体方案构思及设计 3 完成焊缝跟踪光电传感器控制系统的设计方案选择设计 4 完成 焊缝跟踪光 电传感器控制系统的设计硬件设计； 5 完成 焊缝跟踪光电传感器控制系统的设计软件的设计 6 毕业设计论文撰写和编辑 7 交毕业设计 说明书和图纸 ，答辩准备 毕业论文（设计）评阅表 学号 姓名 专业 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计）题目： 焊缝跟踪光电传感器控制系统的设计 评价项目 评 价 内 容 选题 现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综 合训练的目的； 量是否适当； 研、社会等实际相结合。 能力 合归纳资料的能力； 计方法和手段的运用能力； 论文 （设计）质量 述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范； ，有无观点提炼，综合概括能力如何； 无创新之处。 综 合 评 价 评阅人： 毕业论文（设计）鉴定意见 学 号： 姓名： 专 业： 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计说明书） 56 页 图 表 3 张 论文（设计）题目： 焊缝跟踪光电传感器控制系统的设计 内容提要： 该题目主要是解决现有的控制系统结构和运算复杂等问题。由于采用了多重 比较和译码的方式，降低了焊炬的高度和人工白色标志带精度对焊缝自动跟踪控制系统 精度的影响，使计算过程和电路结构极大简化。系统主要用于自动角焊机，在一定范围 内进行焊缝水平跟踪，实现焊缝自动跟踪，用于焊接机器人智能焊缝跟踪。 焊缝跟踪作为一门综合性应用技术，具有多学科交叉融合的特点，包括电子技术，计算 机焊接，焊接，结构，流体，光学，电磁等学科，国内外众多研究工作者投入到这一领 域进行研究，从事教型焊接机器人到程序控 制焊接系统，再到移动式自动焊接跟踪技术， 焊接自动化的每一次进步都显著提高了生产效率。传感器是焊缝自动跟踪系统的关键部 分。其作用是精确检测出焊缝的位置和形状信息比较化为电信号。控制系统才能对信号 进行处理，并根据检测结果控制自动调节机构调整焊枪位置，从而实现焊缝跟踪。 因此为了适应以上要求，本课题将对弧焊机器人光电传感器式智能焊缝跟踪系统进行设 计，与其它系统相比较，从理论上它具有以下几个方面的优点，光电传感器跟踪精度高， 控制系统多重选择，系统经过理论分析，在大范围内采用 制，在小范围 内则转化 成模糊控制，两者的转化由微机程序根据事先给定的误差范围自动选择切换，相关的焊 接实验与仿真表明，光电传感器式焊缝自动跟踪系统总体上达到了设计要求，具有深入 开发的潜力。 指导教师评语 指导教师： 年 月 日 答辩简要情况及评语 答辩小组： 年 月 日 答辩委员会意见 答辩委员会主任： 年 月 日 基于 光电传感器的智能焊缝 跟踪系统的设计 摘要 焊接自动化具有提高生产效率，优化产品质量和改善劳动条件等优点，能够大力促进制造业经济的发展，而焊缝跟踪技术是实现焊接自动化的必要技术，因此，发展焊缝跟踪技术具有重要意义。 本文设计的光电传感器式焊缝自动跟踪系统有三个主要部分组成，即光电传感器，控制系统和执行机构三个主要部分。控制系统是基于 单片机系统，跟踪执行机构系统由焊接小车和双十字滑架组成。 对于常态表面状态和打磨表面状态下的工件，系统针对性地采用两种不同的信号采集和处理方法：对于表面常态下的工件 ，采用了加权比较的信号处理方法；对于表面打磨的工件，采用了另一种信号处理方法 信号差值比较的方法。因此，这两种方法的综合使用可以有效地提高传感器的准确性和适应性。 在分析前人实验经验的基础上，本系统的执行机构采用的是小车配合双十字滑架的模式。系统经过理论分析，建立了相应的数学模型，并在此基础上设计了符合系统要求的模糊制系统。模糊 制系统采用开关切换控制的方式，在大误差范围内采用 小误差范围内则转换成模糊控制，两者的转换由微机程序根据事先给定的误差范围自动选择切换。仿真设计表明 ，该模型不仅简单可靠，而且跟踪精度高。 相关的焊接实验与仿真表明，光电传感器式焊缝自动跟踪系统总体上达到了设计要求，具有深入开发的潜力。 关键词 ：光电传感器；焊缝跟踪；单片机；模糊 制 of s it of of is a a In a of is of is is of or of it of of it of it of by on is up by of we of to is is is of is by it on of it in 目 录 摘 要 .一章 绪论 . . . .焊缝自动跟踪技术概述 . . .焊缝跟踪传感器的发展状况 .焊缝自动跟踪中控制理论发展概况 . .焊缝跟踪伺服系统和执行机构 . . . .二章 光电传感器的设计 . . . .光电传感器的元件组成 . . .光电传感器的电路设计 . . .传感器元件的选择和工作特性 . . .光电传感器的工作原理 . . . .传感器高度实验 . .工件表面状况影响实验 . . .人工辅助线影响实验 . . .弧光影响实验 . . . 18 . . . . .三章 硬件选择及系统整体组成 . . . .焊接小车 . . .执行机构 . . . . . .单片机的 . . . . .四章 焊缝跟踪控制系统 . . .控制原理 . . .数学模型 . . . . . 合控制器 . . . . . .模糊控制器的设计 . . . . .五章 结论和分析 . . . . . .考文献 . . .录：中文翻译和外文资料 .谢 . . .第一章 绪论 题依据及课题意义 焊接技术作为一门综合性应用技术，具有多学科交叉融合的特点。焊接技术的自动化、柔性化与智能化是未来焊接技术发展的必然趋势。采用机器人焊接不但可以提高生产率、改善劳动条件、稳定和保证焊接质量、而且可以实现小批量产品的焊接自动化。 近几年来，国内外对焊接自动化的设计主要集中以下几个方面： (1)具有焊缝智能识别与跟踪功能 的焊接机器人系统，是目前设计的热点和难点，在智能识别方面以电弧传感器和光电传感器为两大典型代表，且目前已出现了比较成熟的系统。 (2)焊接多自由度的焊接机器人系统。 (3)多机器人组成的焊接柔性制造系统。 随着科学技术的不断发展，和对产品质量要求的不断提高，弧焊机器人正朝着“高效化、自动化、智能化、柔性化”的方向发展，所采用的传感器多是电弧传感器或光电传感器。但从整体上看，目前国内外大量应用的弧焊机器人系统基 本都属于示教再现阶段或离线编程阶段的成果，虽然这类机器人能够完成大量的重复性的工作，具有简单、直观、易 于操作和重复定位精度高等优点，但当工件变更种类时，一般都要求系统更换工装，这在小批量、多品种的生产中必然会导致成本提升的问题。而且，由于焊接是一种热加工工艺过程，一些尺寸较大、刚性较差（如薄板）的工件在焊接过程中很可能会产生热变形，或者由于大型焊件的焊缝开口一致性不好，可能会导致实际的焊道偏离了预先示教的轨迹，此时，示教再现法就难以保证焊接质量。造成这个局面的主要原因是由于焊接过程是一个多参数相互耦合的时变的非线性系统，影响焊接质量的因素众多，并带有显著的随机性，很难用精确的数学模型来描述，这使得已往的一些 线性分析方法，在不同程度上存在适应性差、对经验依赖性大等缺点。因此，虽然 传 统型的机器人己经有所应用，但是在精度要求更高和产品经常变化的场合是不合适的，仍需要设计开发能灵活移动，有一定智能的焊接机械，以适应不同结构、不同地点的焊接任务。所以有必要加入自动跟踪装置以增强它们的适应性，发展配带传感器、智能化更加灵活的制造系统的需求非常迫切。由于待焊工件存在下料加工及装配的误差，焊接热过程引起的变形事先也难以预料，因此给定轨迹的目标控制（或离线编程）方式己无能为力，具有焊缝自动跟踪能力的自适应系统自然成为首选目标。 因此，为了适应以上要求，本课题将对弧焊机器人光电传感器式智能焊缝跟踪系统进行设计和改进。 与其它系统相比，从理论上讲它具有以下几个方面的优点： （ 1）传感器方面 光电传感器跟踪精度高，动态响应快，信息丰富，是目前设计得最多的传感器之一。 传感器包括信号光源和接收器两部分，结构形式种类繁多。所用信号光源有白炽灯、激光、红外光等；按接收器件的特征可分为单点式光电传感器和图 像传感器两大类。前者以单个或几个分支光电器件为接收元件，后者以集成光电器件 (如 )为接收元件。单点式光电传感器以人工辅助线塑 料胶带，白漆线等、坡口面或坡口棱边作为跟踪基准，据此可获得跟踪信号。单点式光电传感器还有许多其它形式，其结构和控制电路都比较简单，成本低，容易产业化，所以本课题采用单点式光电传感器。 （ 2）控制系统方面 由于焊接过程的特殊性，其往往表现为一些复杂的非线性系统，难以找到合适的数学物理模型，对此传统的控制方法就容易显现出它自身的局限性。因此，在自动焊接过程如何模仿人类特有的智能来实现复杂的焊接控制是目前和将来焊接自动化的重要内容。目前，在焊缝跟踪设计领域涉及的人工智能方法主要有模糊逻辑、人工神经网络和遗传算法 三种，目前运用最多的是模糊控制方法。模糊控制可以不需要建立被控对象的精确数学模型，它是一种基于规则的非线性控制方法。它所采用的语言型控制规则是基于现场操作人员的控制经验或相关专家的知识。因此，在处理一些复杂性、不确定性问题的性能方面，就单一方法来讲，相对于传统经典控制方法，选择模糊控制方法要更加的合适。 但是，模糊控制也有其自身的不足，由于模糊控制表的量化等级有限，造成其精确度不高，还有就是自适应能力有限和易产生震荡现象等缺点。 因此，单一控制方法都有其不足之处，往往达不到较理想的效果，所以本课题计划把两种 控制方法综合起来应用：即模糊控制 中，最常见的一种就是 这种复合控制方法的原理是在大偏差范围内采用经典比例控制，而在小偏差范围内则采用模糊控制，二都之间的转换由程序根据事先给定的误差范围自动转换来实现的。这种改进的控制方法的优点主要是比例控制可以进行高速的纠编，而在小偏差范围内模糊控制则可以很好的消除稳态误差。因此，它可以提高控制的速度和控制的稳态性能。 国内外设计现状 缝自动跟踪技术概述 焊缝自动跟踪系统一般有传感器、控制器、执行机 构三大部分组成，常构成一个闭环反馈系统。焊缝自动跟踪系统是一定程度上的智能控制系统，要提高焊缝跟踪系统的精度，除了在软件方面的改进之外，还需要以上三大部分硬件方面的提升： 1、自动跟踪传感器方面。设计更加灵敏的传感器，使系统具有更强的实时性。 2、控制器方面。 设计功能强、成本低的控制器硬件，设计更加合理有效的协调各自由度运动控制的原理与方法。 3、执行机构方面。需要设计出更为合理的自由度配置形式和结构，以保证机构更为轻便、运动灵活。 缝跟踪传感器的发展状况 设计和发展智能化的焊接自动化系统是保证焊接 质量、提高生产效率、改善劳动条件的重要手段，也是目前焊接技术的发展方向。世界上许多著名的焊接设备设计和制造机构都在努力开发这一领域。焊接过程自动控制系统首先要解 决的问题是焊缝跟踪。经过几十年的设计和实践，焊缝跟踪技术已经取得了长足的进步，而新型传感器的不断出现正是这一进步的标志。 对于焊接传感器，目前还没有形成统一的定义。大家普遍认为，一个传感器，如果能够检测到焊接质量的外部和内部状况（比如坡口变化、溶池子尺寸、温度变化、电弧声光等特征信息），并能将检测值作为信号输出，以监测和控制焊接生产过程，就可以称之 为传感器。 焊接传感器是焊缝自动跟踪系统的关键组成部分。在整个系统中的作用是精确检测出焊缝的位置和形状信息并转化为电信号。控制系统之后再对信号进行处理，并根据检测结果，控制自动调节机构调整焊枪位置，从而实现焊缝自动跟踪。 跟踪传感器从原理上来分有多种形式。其中比较重要的有接触式传感器、电磁传感器、直接式的电弧传感器和间接式的光电传感器。 最早使用的是接触式传感器。但是由于磨损大，易变形等，所以不适用于高速焊接。 针对压力容器中采用最多的 用电磁传感器的焊缝自动跟踪系统能较好的实现压力容器焊接过程中 的焊缝自动跟踪。其理论基础为电磁理论。对于液压支架的焊接，此种传感器不适合。其原因在于传感器与焊丝之间有一定的距离，难以实现液压支架角型焊缝的实时跟踪。 电磁式传感器按频率分为高频式（涡流传感器）和普通频率式两种，高频式（涡流）传感器的频率为 30普通式的频率低于 10的不足是容易受到焊接过程中的电磁噪声和工件错边的影响产生电磁误差信号。 声学传感器尤其是超声波传感器结构简单，精度高，价格便宜。超声波传感器主要由超声波发生和接收装置两大部分组成。超声波传感器的测量精度主要取决于超声波 的频率，频率越高，误差越小，一般超声波的频率在 超声波传感器不易受焊接中的电磁、光、烟尘等干扰，但需要贴近工件，又对噪声比较敏感，因而容易受到噪声干扰，如 接的应用中就有一定的限制。 电弧传感器的工作原理：在焊接过程中，焊枪与工件之间的相对位置发生变化时，会引起电弧电压和电流的变化，这些变化都可以作为特征信号被提取出来，用于实现焊枪高低和左右两个方向的跟踪控制。电弧传感器以电弧本身为传感器，相对其它传感器 来说，它结构更加简单，保用方便灵活，它的最大优势是它能抗弧光，高温及强磁场 能力很强。因为它不受弧光、磁场、飞溅、烟尘等干扰，因而，它具有响应快、精度高，抗干扰强等特点。它的缺点如下：由于它是以电弧本身作为检测元件，所以只有在焊接过程中才能发挥作用。另外，焊枪的摆动或旋转机构比较复杂，电弧各参数间耦合性很强，实际得到的波形未达到预期的效果，故需要对所得的数据进行滤波，且控制量需要根据大量的实验经验来确定，对于无对称侧壁或根本无侧壁的接头形式，现有的传感器不能识别，也不能实现对焊接起始点与终止点的自动检测。国内外已做了很多电弧传感器的焊缝跟踪方面的工作。 电弧摆动的实现有多种方法，可 以通过摆动焊炬，也可以是焊炬不动，通过电磁力来驱动电弧摆动，或者将气体吹入电弧中，利用热收缩效应使电弧摆动。 光学传感器精度高、再现性好，可以实现对坡口形状、宽度和截面的检测和焊缝跟踪 ,为焊接参数的自适应控制提供依据。光电传感器又可以分为基于分立光电元件的单点式光电传感器和能够获得坡口图像信息的视觉传感器。 视觉传感器能够检测坡口二维图像信息，由于其包括的信息多、灵敏度高、动作相应快 ,成为最新式、功能最强、性能最先进的焊缝自动跟踪传感器。利用视觉传感器的焊缝自动跟踪系统是未来焊接自动化的发展趋势。根据辅助光 源形 式的不同，焊缝跟踪视觉传感器可以分为基于结构光的视觉传感器和基于光点扫描的视觉传感器。与采用结构光的视觉传感器相比较 ,采用光点扫描获得二维图像信息的视觉传感器的缺点是所使用的振镜结构复杂 ,价格昂贵。 视觉传感器所能获得的信息量大，同时，随着计算机技术和图像处理技术的迅速发展，大大提高了焊接系统的外部适应能力。特别是 晰直观的图像和良好的使用效果而得到了普遍的重视。例如，线阵 它的白炽灯光通过光导纤维投射在工件上形成圆形光斑，其反射光成像于上方的器件上，由于 是线阵（包含个光敏单元），仅获得光斑中与焊缝垂直的一条线的信号，与工件表面对应的光敏单元信号强，与缝隙对应的光敏单元信号弱，用微机处理 256这个信号，即可求出焊线中心线的位置，用于自动跟踪。这类传感器由于光斑面积大，如何提高其光照度以获得必要的信噪比是其关健。其工作原理如图 1 1所示。 图 1阵 像传感器 单点式光电传感器相对视觉传感器来说，它的结构更加简单，对相应设备的要求条件没那么高，价格更加便宜，在满足跟踪精度要求的条件下，更容易实现产 业化，对提高国内的焊接自动化水平大有裨益。但它采集的信息量相对视觉传感器要少，对实验的条件和环境要求较高，抗干扰能力有待提高。 焊缝自动跟踪中控制理论发展概况 发达国家对弧焊过程的焊缝跟踪已进行了很多年的设计和探索，取得了可观的成绩。近代由于电子技术、计算机技术的发展和模糊数学、神经网络的出现，并将其应用到焊接这一复杂的不确定性的非线性系统，使焊缝跟踪跨入一个崭新 的朝代 智能焊缝跟踪时代。所谓现代智能控制就是主要利用人的操作经验、知识和推理规则，同时利用控制系统所提供的某些信息得出相应的 控制动作，以达到预期控制目的的一种控制方法。 目前，采用的控制方法主要可以分为经典控制方法和现代智能控制方法两大类，而经典控制方法主要有 能控制则主要有模糊控制、神经网络、专家系统等等。 1）经典控制方法的发展应用 经典控制方法中应用最普遍的是 种方法的实质是检测出被控对象的某个或某些状态参数，与期望值进行比较，得出偏差值，输送到采用 出控制量，控制执行机构的动作，从而减小甚至消 除偏差。 0年历史，它以其结构简单、稳定性好、 工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。这种控制方法也是工程中较为成熟的一种方法。 常规 中最主要的问题就是 制器参数的整定问题，且一旦整定计算好后，在整个控制过程中都是固定不变的，而实际中，由于实际系统参数等发生变化，而使系统很难达到最佳的控制效果。现代工业控制过程中，许多被控对象机理复杂，它不仅表现在控制系统具有多输入、多输出的强耦合性、参数时变性和严重的非线性特性，而且从系统对象所能获得的知识讯息量也相对地减少，然而对控制性能的要求却日益提高。因此，采用常规 的发展趋势是与智能控制相结合，形成控制性能更优的复合控制。 2) 模糊控制方法在焊缝跟踪中的发展状况 模糊控制是基于丰富操作经验总结出的、用自然语言表述控制策略，或通过大量实际操作数据归纳总结出的控制规则，用计算机予以实现的自动控制。它与传统控制的最大不同，在于不需要知道控制对象的数学模型，而需要积累对设备进行控制的操作经验或数据。由于模糊控制是以人的操作经验为基础，而不依赖于控制系统的数学模型，实际上是把人的智能融入了控制系统，自然实现了人的某些潜能，所以它属于一种智 能控制。 1965 年，美国加州大学自动控制系 授把经典集合与 数字或函数表述和运算含有像“冷”、“热”之类纯属主观意义的模糊概念，创立了模糊集合理论，这就开创了模糊控制数学基础的设计。其后，出现 了许多设计模糊集合理论和模糊逻辑推理的成果： 1968 年提出了模糊算法概念， 1970年提出模糊决策， 1971 年提出模糊排序， 1973 年， 出模糊 议把模糊逻辑应用于控制 领域，从而奠定了模糊控制的理论基础。 1983年，日本富士电机开创了模糊控制在日本的第一项应用 水净化处理。日本的 人设计了基于模糊控制的焊缝跟踪系统，根据语言规则设计了模糊滤波器和模糊控制器，控制效果很好。 1989年日本将模糊控制 应用于电冰箱、洗衣机、微波炉等消费产品上，把模糊控制的应用推向了高潮。 1985年，保加利亚的 助于配置的非接触式激光传感器，它能按示教内容对焊缝进行跟踪，实验结果表明，采用模糊集概念可以进行在线评估、预 测和控制。 随着计算机及其相关技术的发展和模糊控制的广泛应用，出现了许多模糊硬件系统，进一步推动了模糊控制理论的发展和应用。模糊控制也由最初的经典模糊控制发展到自适应模糊控制、专家模糊控制和基于神经网络的自学习模糊控制。 3) 神经网络控制方法在焊缝跟踪中的发展状况 人工神经网络控制是在设计人脑结构和功能的基础上，通过简化、抽象和模拟，建立神经网络模型，再通过相应的计算机系统，实现反映人脑结构和功能来处理问题的过程控制。神经网络擅长于从输入 结出规律性的东西。神经网络控制是把模仿 人脑生理结构和工作机理的数学模型 人工神经网络跟自动控制相结合的产物，它具有人脑可以并行处理信息、模式识别、记忆和自学习的能力，因而对于多维、非线性、强耦合和不确定的复杂系统能够很好地实现自动控制。 神经网络控制技术的设计主要集中在以下几个方面：模糊神经网络的设计；模糊神经网络与遗传算法 (结合；模糊神经网络与其他控制方法综台的选择；闭环系统稳定性的设计；新型神经网络和快速算法及其在控制系统中的应用 的设计。尽管神经控制相对于常规控制在某些方面有无可比拟的优势 ,它可以用来处理常规控制方法难以处理的复 杂非线性系统的控制问题，而这并不意味着对所有的非线性系统的控制问题，神经控制就一定比常规控制好。对有些可以用常规控制解决的非线性系统的控制问题，究竟采用哪一种方法好，目前尚无定论。因此，可将神经控制和常规控制用于相同的非线性系统，并对它们的控制效果进行比较设计。它可为人们选择合适的控制方案提供指导。 目前，误差传播神经网络及 络是应用最广、且它的基本思想也最直观的， 根据网络的希望输出与网络实际输出之差的误差信号，由输出层经中间层向输入层逐层修正连接权及各单元的输出阈值， 过样本的反复训练并朝减少偏差的方向修改权值，直到达到满意的精 度为止。 在国内焊缝跟踪领域方面，华南理工大学把神经网络技术应用于弧焊机器人中，利用神经网络在笛卡尔空间轨迹的补偿作用，设计出了一种基于笛卡尔空间轨迹调整的机器人焊缝跟踪神经网络控制器，这种控制器具有良好的控制特性和较强的鲁棒性，显著提高了弧焊机器人的焊缝跟踪精。 上海交通大学设计了基于高斯基模糊神经网络的移动焊接机器人焊缝实时跟踪系统，对所设计的焊接移动机器人建立了运动学模型并设计了基于高斯基模糊神经网络的焊缝跟踪 控制器。采用 次坐标变换法 分析了机器人本体和滑架对焊炬点位姿的运动学行为 ,采用高斯函数作为隶属函数 ,以滑架位置和小车方位角作为输入 ,焊炬的转向调整角作为输出 ,利用神经网络的自学习和自适应能力 ,实现模糊隶属函数和控制规则的在线修改。焊缝跟踪 试验验证了所设计控制器的有效性 ,其跟踪精度可控制在 0.5 内。 广东工业大学把 ,使用视觉传感器采集焊接熔池图像 ,选取图像中熔池前端部分进行处理 ,先对其进行中值滤波与灰度变换 ,在此基础上 ,获取每一幅熔池图像的质心值、质心位移、质心速度及电弧与 焊缝的偏
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