硕士学位论文-基于电弧传感的焊缝跟踪方法的研究与实现.pdf

东南大学硕士学位论文基于电弧传感的焊缝跟踪方法的研究与实现申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程20090504摘要摘要焊缝跟踪是焊接自动化的前提和重要保证，而目前国内工业中所应用的弧焊机器人基本上都是进口的，价格贵且成本高，因此为了在国内推进弧焊机器人产业化发展，降低企业成本，开发具有自主知识产权的弧焊机器人迫在眉睫。在此背景下本课题组和昆山华恒焊接设备有限公司合作进行江苏省科技成果转化项目“焊接机器人成套装备”的研究，本课题是其中的子项目之基于电弧传感的机器人焊缝跟踪方法的研究与实现。本文的主要工作是研究基于电弧传感的弧焊机器人焊缝跟踪方法，并在“昆山一号”弧焊机器人上实现焊缝跟踪。本文首先对电弧传感器进行了研究，分析和建立了电弧传感器的静态数学模型。以此为基础，分析了本课题中所用的摆动式电弧传感模型，并通过实验得到了该模型的参数。偏差信息的识别是焊缝跟踪的基础。因此如何获取准确的偏差信息是本文研究的重点。本文通过实验设计了局部均值滤波和改进的滑动中值滤波两种方法相结合的数字滤波器，实验表明，该滤波器能够较好的滤除焊接电流中的干扰信号，满足实际需要；同时利用离散积分差值法作为偏差提取算法。由于焊缝跟踪系统具有一定的时延，在偏差补偿时，设计了一种根据偏差变化趋势调节补偿速度的预补偿方案。又因为焊接过程是一个多参数影响的复杂多变量系统，对焊缝纠偏控制系统难于得到精确的数学模型，因此在进行纠偏控制时采用了适合于本课题所研究对象的不确定模型下补偿灵敏度可调的焊缝跟踪控制算法。在理论分析的基础上，围绕“昆山一号”弧焊机器人搭建了基于电弧传感的焊缝跟踪系统，设计了电焊机的llO，选择了合适的数据采集卡，并利用软件相关知识设计了系统软件的各个模块。最后，依靠搭建的试验平台，对角型焊缝进行了大量实验，解决了焊缝跟踪中摆动与采样同步这一关键问题，最后的跟踪精度达到了+lmm以内。结果表明所设计的基于电弧传感的焊缝跟踪系统已初步具备了实现焊缝跟踪的功能，为后续进一步完善系统奠定了良好的基础。关键词摆动式电弧传感软件滤波偏差提取焊缝跟踪东南大学硕上学位论文AbstractTheautoweldtrackingistheprerequisiteandallimportantguaranteefortheautomaticweldingButnowadaystheateweldingrobotsappliedinhomeindustryarealmostimported，withhighpriceandcostsSoinordertoimpelthedevelopmentoftheindustrializationofthearcweldingrobotatthedomesticandreducethecostsofthemanufacturingcompany，itisextremelyurgenttodeveloptheindependentintellectualpropertyrightsarcweldingrobotInthiscontextourschooliscooperatingwithKunshanHuahengWeldingEquipmentCoLtdtoresearchonRobotweldingequipment-theprojectofJiangsuProvincescientificandtechnologicalachievementstransationThisissueiSoneofthesubprojectswiththenameofTHERESEARCHANDIMPLEMENTOFSEAMTRACKINGBASEDONARCSENSORThemainjobofthisdissertationistodevelopaofautoweldtrackingwiththeareweldingrobotsuitabletothisissueandrealizetheautoweldtrackingwjththeareweldingrobot”KunshanNO1”TobeginwiththeresearchontheautoweldtrackingbasedonargsensorthecharacterofthearcsensorshouldbestudiedAfteranalyzingandconstructingthestaticmathematicsmodelofthearcssoBthemodeloftheoscillationaresensorisanalyzedtooAtlasttheparametersofthemodelareobtainedthroughtheexperimentsDistinguishingthedeviationfromtheinterferencesignalsisthebaseoftheautoweldtrackingSothepointofthisdissertationisgettingtheaccuratedeviationInthisdissertationafilterwhichcanfilteroutinterferenceintheweldingcurrentsignalandsatisfytherealneeds，isdesignedbyintegratingthelocalmeanfilterwithimprovedslidingmedianfilterFinallytheofdiscreteintegraldifferenceisusedtoextractthedeviationAccordingtothetimedelayintheautoweldtrackingsystem，thepre-compensationscheme，withthesensitivitylevelofthecompensationchangedaccordingtothetrendofthedeviationisdesignedAndtheweldingprocessisacomplicatedsystem州tIlalotofparameters，soitisverydifficulttoobtainanexactmathematicalmodelforthewelderrorcontrolsystemTherefore，aseamtrackingcontrolalgorithmwiththesensitivitylevelofthecompensationwhichischangedaccordingtothetrendofthedeviationisutilizedtofitinthep叫eclsundertakenbytheresearchsubjectsInthebasisoftheoreticalanalysis，theseamtrackingsystembasedonaresensorisbuiltonthe”KunshanNO1。a托weldingrobotTheIObetweentheelectricweldingmachineandrobotisdesignedandtherightdataacquisitioncardischosenAtlastthesoftmodulesofthesystemaledesignedFinallyalargenumberofexperimentsarecarriedoutonangle-grooveseamsrepliedontheabove-mentionedexperimentalplatThekeyissuethatthesynchronizationoftheoscillationandthesampleisresolvedAndthetrackingaccumeyofthesystemisin+lmmTheexperimentalresultsontrackingangle-grooveseamsindicatethatthedesignedautoweldtrackingexperimentalsystembasedonarcsensorbasicallysatisfiesseamtrackingandpavethewayforfurtherimprovementKeywords：oscillationarcsensorsoftfilterdeviationextractseamtracking东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权东南大学研究生院办理。研究生签名：导师签名：日期第一章绪论11引言第一章绪论焊接作为现代工业生产中一种非常重要的材料加工技术，已广泛地应用于包括机械制造、航空航天、能源、交通、海洋工程、建筑等众多工业领域。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，根据统计，世界上45钢铁材料需要通过焊接才成为人类可使用的产品。而弧焊技术作为现代焊接技术中非常重要的组成部分，其应用范围几乎涵盖了所有的焊接生产领域。随着用户需求的不断提高以及市场竞争的日趋激烈，提高焊接工业的生产率、保证产品质量、实现焊接生产的自动化、智能化越来越得到焊接生产企业的重视；而数字化信息处理技术、机器人技术、人工智能技术、计算机视觉技术等现代高新技术的融入，也促使弧焊技术向着焊接工艺高效化、焊接质量控制智能化、焊接生产过程机器人化的方向发展l。目前，应用于工业生产的弧焊机器人大部分是示教一再现型机器人。在机器人焊接过程中，机器人可以在其工作空间内高精度地再现已经示教好的运动过程。但这也带来了一定的局限性应变能力很差，对工件的装配精度要求较严，重复性要好比1。如果焊接条件基本保持不变，则在一定程度上机器人能够确保焊接质量。但由于实际焊接过程非常复杂(存在工件加工误差、热变形、电磁干扰及其他各种干扰因素的影响，使得机器人无法完全理想地复现示教好的运动过程)，而机器人工作时为了避免发生危险，操作人员不准或不宜进入机器人的工作区域，使得操作者不能近距离实时监视焊接过程并作必要的调节控制，再加上焊接过程中强烈的弧光辐射等原因操作者无法去近距离监视焊接过程，所以当实际的焊接条件发生变化时，例如焊接过程中的工件在加工、装配过程中的尺寸误差和位置偏差以及工件加热变形等因素的影响会使焊枪位置偏离所示教的理想路径，这样达不到期望的焊接质量甚至造成工件受损、焊接失败。所以精确的焊缝跟踪是保证焊接质量的关键，它是实现焊接过程自动化的重要研究方向。12焊缝跟踪技术的研究现状焊接过程包含很多复杂、多变的因素，良好的焊接质量不仅要求能够做到跟踪焊缝，还要保证过程中的焊接参数(焊接速度、送丝速度、焊接电压等)能够自动调节，以满足焊接工艺和质量要求。而在这些焊接传感要求中，焊缝跟踪传感技术无疑是最为基础的，并且是首先要考虑的问题，如果不能实现焊缝的自动跟踪，焊接质量是不能得到保证的，焊接过程中的焊接参数的控制也变得毫无意义。所以，焊接自动化的关键是焊缝跟踪，而焊缝跟踪中最核心的技术是传感器技术，因此研究灵敏度高、动态品质好、传感范围广、抗干扰性强且结构简单的传感器是跟踪控制系统发展中的关键。东南大学硕十学位论文121焊缝跟踪传感器的研究现状在焊缝跟踪系统中，传感器是关键，是实现焊接自动化的基础。它主要是用于监测焊接过程状态，为控制系统提供反映过程特征的信息，从而达到有效地控制焊接过程的目的。利用焊接过程中光、声、电磁、热、机械等各种物理量的变化所产生的电信号作为特征信号可以制成不同类别的焊接传感器。经过近40年的发展，焊接传感器已成为一个庞大的体系，目前用于焊缝跟踪较多的主要可分为直接式和间接式两大类型【”】。厂I摆动电弧式l直接式旋转电弧式Il并列双丝电弧式传感器I探针接触式If接触式1探针触摸式I间接式IL电极接触式1l光学式I非接触式1超声式L电磁式图1-1焊接传感器类型1)直接式传感器直接式传感器主要是电弧传感器。在焊接过程中，焊枪与工件之间的相对位置变化会引起焊接电流或焊接电压的变化，电弧传感器的原理就是采集这种焊接电信号的变化信息，从而得到焊枪与焊缝的偏差信息，为焊缝跟踪做好准备。这类传感器主要包括摆动电弧式、旋转电弧式、并列双丝电弧式。目前，直接式电弧传感器应用最多的是摆动扫描式电弧传感器和旋转扫描式电弧传感器。摆动扫描式电弧传感器是目前应用最广的一种焊接电弧传感器，这种电弧传感器需要一套摆动装置，在焊缝的横向方向来回摆动而实现焊缝跟踪。用在弧焊机器人上的摆动电弧传感器不需要摆动装置，通过机器人手臂带动焊枪作横向摆动即可。但受机器人结构因素的影响，机器人的摆动频率一般在10Hz以下。在高速焊接和焊缝弧度大的情况下，其跟踪效果会受到影响旋转扫描式电弧传感器是以旋转电弧的方式代替了摆动电弧，其旋转频率高达100Hz。20世纪80年代，日本NKK公司发明了一种旋转式电弧传感器，并应用到公司的船舶、锅炉及结构生产中，取得了显著的成效。此外，韩国的CHKim等人、德国的UDilthey等人也在这方面做了大量的研究工作pJ。在我国，从20世纪80年代末期起，以清华大学潘际銮院士为首的课题组在旋转电弧传感器方面做了大量的研究，并取得了较大的科研成果11910|。电弧传感器由于其结构简单，响应速度快，抗弧光、高温及强磁场的能力强，同时传感器的跟踪信号是通过焊接电弧本身采样得到的，检测点即为焊接点，没有因传感器位置超前而产生的误差。因此，目前仍广泛应用于工业自动化焊接中，但它主要适用于对称形状坡口的焊缝跟踪。摆动式扫描电弧传感不需要设计额外的附加装置，通过机器人手臂带动焊枪作横向摆动，实现起来相对简单，成本低，应用方便，可以说是弧焊机器人焊缝跟踪最基本的功能，是实现焊缝跟踪的第一步，目前国外许多机器人制造厂家所生产的弧焊机器人上均2第章绪论配有摆动式电弧传感跟踪装置，已达到产品化阶段。旋转扫描式电弧传感器需要设计额外的附加装置来实现旋转扫描，其扫描频率比摆动扫描式高，因此可以提高系统的灵敏度，改善系统的实时纠偏性能，适用于高速焊接的焊缝跟踪，可以作为后续进一步的研究。2)接触式传感器接触式传感器包括探针接触式、探针触摸式、电极接触式，探针式是以导杆或导轮在焊枪前方探测焊缝位置，靠焊缝形状对导杆(轮)的强制力来导向；电极接触式则是通过电子装置发出焊枪与焊缝中心线的偏差信号，再控制驱动装置使焊枪及传感器恢复平衡位置。这种传感器成本较低，但跟踪精度很差。3)非接触式传感器非接触式传感器包括光学式、超声式、电磁式。电磁式由于受环境影响大应用较少；超声式传感器由于不受电弧、电磁、光等的影响且兼有焊缝跟踪和熔池控制功能，近年来研究较多，天津大学胡绳荪教授研究了一种非接触超声传感器，并成功用于埋弧焊焊缝的跟踪；光学式以视觉传感器为主，由于获取的信息量大，能接近人类在相同环境下获取的信息量，不受坡口类型影响，因此尽管受电弧、光等影响较大，但已成为近年来研究的重要领域，发展迅速。目前国内外焊接学者正在进行大量的研究工作，并在焊缝识别、焊缝跟踪等实时控制方面取得了较大的突破，这种传感器是弧焊机器人焊缝跟踪控制系统较常用的传感方法之一。但是，由于主动式视觉传感方法使用设备较多，系统复杂，价格昂贵。被动式直接视觉传感方式抗弧光干扰能力差。在一定程度上限制了它的推广应用，并且视觉传感器需要较多的附加装置，使机器人增加较重的负荷，同时给机器人的操作及焊接的可达性带来困难。122基于电弧传感的焊缝跟踪原理基于电弧传感的焊缝跟踪原理是利用焊枪与工件距离变化引起的焊接参数(焊接电流、焊接电压)的变化来探测横向偏差和高度的变化的。在等速送丝系统中，送丝速度是保持恒定，焊接电源一般采用平或缓降的外特性，在这种情况下，焊接电流将随着电弧长度的变化而变化。o一毛2：4)JLJr7JLJLH厶tMr1父、厂y、，。Ny呷、r(a)摆动电弧扫描模型(b)电弧摆动过程中特征曲线图图卜2基于电弧传感的焊缝跟踪原理图卜2(a)为摆动电弧扫描模型，其中工件为V型坡口，当电弧以一定的频率摆动而扫描V型焊缝坡口时，焊枪与工件表面距离变化将引起焊接参数变化。以缓降外特性电源3东南大学硕士学位论文为例，电弧摆动方向为444(4)。图卜2(b)为电弧摆动过程中电弧特征曲线图。当电弧处于稳定焊接状态时，电弧静态工作点为4，弧长k，干伸长度k，电流厶；当焊枪开始向右摆动时，焊枪与工件表面距离发生变化增大q到，弧氏突然被拉长为Lo，电弧电压U增加，此时由于焊丝熔化速度受限，干伸长还来不及变化仍为k，电焊机输出电压u也来不及变化，电弧随即在新的工作点4燃烧，电流突变为，但由于上面所述的电弧自调节作用，经过一定时间，弧长逐渐变短，干伸长增大，直至电弧电压与电焊机输出电压重新相等，最后电弧稳定在一个新的工作点4t弧长k，干伸长，电流厶结果弧长和干伸长都有所增加；同理，当电弧继续向右扫描，又从4变化到下一个新的稳定工作点4由以上所述，当电弧沿着坡口水平方向扫描时，由于电弧的自调节作用，它力图使工作点恢复(恢复到原来的工作点或调整到新的工作点)，使弧长复原到k，但由于干伸长增加，电路中的电阻加大，使得焊接电流变小为厶。如图卜2(a)，因为4和A关于焊缝中心对称，所以如果焊枪与焊缝中心对中，则两个工作点的焊接电流相差不多，反之则有一定的差值，利用这个差值即可进一步获得所需要的偏差，这就是我们的目的。故当电弧位置变化时，电弧自身参数(这里是焊接电流)相应发生变化，从中反映出焊枪导电嘴至工件坡口表面距离的变化，进而根据电弧的运动形式及焊枪与工件的相对位置关系，推导出焊枪与焊缝间的相对位置偏差量。123电弧传感信号处理技术电弧传感器检测到的信号是变化的焊接电流，焊接电流波形的变化不仅反映了焊缝几何形状的有效成分，同时由于电弧负载自身的特点，还叠加了很多称为噪声的干扰信号，包括熔滴过渡、飞溅、短路、气流不稳、送丝抖动、导电嘴上接触点的变化等，特别是对于熔滴过渡形式为短路过渡的焊接，具有一定随机性的短路大电流几乎将相对较弱的有效信号淹没，其实，任何实际的焊接过程，即使排除了偶尔的断弧、引弧，其电流波形也是很杂乱的，含有丰富的谐波。电弧传感器要成功应用，必须首先在这样混有大量随机干扰的信号中提取出有本质特征的信号，这就给信号处理技术及特征信号的提取方法提出了较高的要求。1)信号滤波技术在这方面，国内外学者都做了很多研究，取得了较大的成果。其中在信号滤波方面，主要有以下几种方法Il51。4第一章绪论(1)有限消波。1996年潘际銮在对采样信号中短路峰值电流的处理上，采用了有限消波处理的方法，将C02焊接中短路峰值电流消波在焊接电流设定值的152倍(大电流规范取下限，小电流规范取上限)的焊接电流值上，这样既减少了噪声干扰的影响，又保留了扫描坡口时电流变化这一有效信号。实际证明取得了较好的效果。(2)中值滤波。对焊接电流信号进行中值滤波处理的主要立足点是信号的傅立叶分解(或严格地称为傅立叶分析或谱分析)，而事实上，傅立叶分析对信号的描述具有它的局限性，比如，傅立叶频谱无法区分高斯噪声和尖脉冲噪声，而统计特征(分布)是这两种噪声的主要区别。考虑信号处理中的一个最重要的领域一滤除噪声，为了从有用信号中去掉干扰噪声信号，只有利用二者的最主要的区别特征，才能可望得到最理想的结果，比如，噪声为高斯型时，信号与噪声的主要区别特征往往是它们的谱分布，而与之相对应的，线性滤波技术往往给出理想的结果，这正是我们实际中看到的情况。相对应地，如噪声为脉冲型，信号与噪声的主要区别特征往往是它们的统计分布，而与此相对应的一类就是最近几十年受到极大重视的基于顺序统计量的滤波器。在基于顺序统计量的滤波器中，最早被提出应用于信号处理目的、实现最为简单、实际应用最为广泛的就是中值滤波器。中值滤波器的一个重要特性是保护信号突变(边缘)，这一点是任何线性滤波技术完全不具备的，因为边缘与噪声往往有很大的谱重叠部分，这也正是中值滤波器不利用信号谱分析的结果。所以，对信号滤噪而言，中值滤波器适合这两种情形：一是噪声有较大的拖尾；二是信号有较多的突变(边缘)。正因为中值滤波具有这样的特点，因此，对于短路过渡的去除有一定的意义。(3)数学形态滤波。数学形态提供了基于形状的变换理论和方法，与传统的线性滤波和变换理论完全不同，它是一种关于信号形状的非线性滤波和变换。信号的形状是由其自身的抽样值所决定的，信号的形状信息可以通过选择合适的结构元素采用数学形状学变换的方法进行提取和处理。选择不同的结构元素将得到不同的形状变换结果，从而提取不同分量的形状信息。对于多值信号，数学形态变换是一种求极值运算，即形态和、形态差。形态和是信号关于结构元素的最大运算，形态差则是信号关于结构元素的最小运算。高频电弧传感器的产生，使形态滤波的应用成为了可能，并且。对于脉冲焊来说，形态滤波能够较好的改善焊接电流波形，克服了由于脉冲调制带来的频谱影响，可以取得满意的传感效果。2)偏差提取方法在信号处理中的提取偏差方面主要有一下几种方法I引。(1)积分差值法。焊枪相对V型坡口不对中情况下，对于MIG焊，从电弧扫描的电流波形可看出左右两个位置的积分值是有差别的以此即能判断其对中情况；而对于riG焊，可以将电弧电压作为被传感量，按同样的原理进行信号处理。此方法简单直观，应用广泛，可用于电弧摆动扫描及旋转扫描方式中。在信号处理过程中，为减小熔化金属对坡口形状的影响而造成的采集到电弧传感参数的误差，根据实际情况可选用不同的积分区间。清华大学潘际銮教授曾于1978年采用积分差值法，成功地实现了V型坡口的自动跟踪。1986年，日本学者HNornura等人在采用高速旋转电弧传感的情况下，将积分差值法应用在窄间隙角焊缝的MIOMAG电弧传感上。1990年，费跃农在对高速旋转电弧传感器的研究中，使用积分差值法实现了对V型坡口弯曲焊缝的跟踪。1993年，廖宝剑利用电弧传感，5东南大学硕士学位论文使用这一方法配合模糊控制实现了大曲率弯曲焊缝的跟踪。另外，美国VanderbiitUniversity的GEORGEECOOK，韩国的KoreaAdvancedInstituteofScienceandTechnology的Yong-Huashi等人和PukyongNationalUniversity的SangKwunJeong等人等也都是采用这种方法。(2)极值比较法。根据电弧在左右不同位置时焊接电流或电弧电压数值的不同，比较两侧扫描焊接电流或电弧电压大小变化关系(极值或者两边电流或电弧电压变化的幅值)，来获得焊枪位置信息。电弧的不稳定使这种方法没有积分差值法的信噪比高，这种信号处理方法在文献报道上多为用于摆动扫描方式的电弧信号处理。1987年HNomura等人使用这一方法，在对TIG和MIGMAG焊的应用上取得了良好的效果。1992年，哈尔滨工业大学的李严等人在摆动电弧情况下，比较电弧左右位置的电流差值，也进行了弯曲焊缝的电弧传感的研究。(3)类型比较法。当电弧在坡口摆动时，如果焊枪与焊缝中心对正，则焊接电流或电弧电压波形变化为一对称波形，若焊枪与中心发生偏差，则电流或电弧电压波形变化为一非对称波形，将采样的电流(或电弧电压)波形与标准电流(或电弧电压)波形相比较，可求出偏差的大小和方向，从而实现焊缝跟踪。(4)频谱分析法。MAG焊、C仅焊时。由于短路过渡因素的干扰，信号信噪比较低，利用上述方法提取偏差信号较为困难，因而提出了此方法，它利用电流信号在相应摆动频率下的频谱响应与偏差成正比的关系进行焊缝跟踪。日本学者JNakajima等人研究了一种在频域内分析一摆焊周期电流信号，提取位置偏差量的算法：频率响应法，并已成功用于日立弧焊机器人。国内，哈尔滨工业大学的孙华等人通过对摆动焊接电流进行频谱分析，提出了采用摆动焊接电流的频率特性进行偏差检测的方法。清华大学吴世德的博士论文较系统的研究了电弧传感器信息处理技术，通过空间变换，进行了扫描电弧传感信号的频域特征分析，提出了特征谐波向量的电弧传感的信号处理方法，用特征谐波的向量作为偏差量大小及方向的判据，较好的解决了熔化铁水对扫描信号的影响，这一方法适用于各种熔化极气体保护焊接方法(如C02焊，脉冲MIG焊等)和多种形式坡121的电弧传感，有效地克服了系统动态特性的影响。为解决CD焊接短路电流及脉冲焊过程中脉冲电流的干扰，提出了非线性数字滤波方法通过上述各项信号处理技术，大大提高了传感器的坡口识别能力和抗干扰能力，获得了较好的跟踪效果。在这些方法中，积分差值法相对于极值比较法来说能够提高偏差提取的精度，相对于类型比较法和频谱分析法而言便于实际应用，因此在满足精度的同时，又方便实用，非常适用于基于电弧传感的焊缝跟踪系统中的偏差信息提取。13课题背景及意义目前我国的焊接自动化率还不足30，同发达工业国家的80差距甚远。从20世纪末6第一章绪论国家逐渐在各个行业推广自动焊的基础焊接方式气体保护焊，来取代传统的手工电弧焊，现已初见成效。随着数字化技术日益成熟，代表自动焊接技术的数字焊机、焊接机器人已面世并已稳步地进入市场。三峡工程、西气东输工程、航天工程、船舶工程等国家大型基础工程，有力地促进了先进焊接特别是焊接自动化技术的发展与进步。汽车及零部件的制造对焊接的自动化程度要求日新月异。我国焊接产业正逐步走向“高效、自动化、智能化”。预计在未来的10年，国内自动化焊接技术将以前所未有的速度发展。同时，在焊接机器人的研究方面，我国从上个世纪80年代开始在高校和科研单位开展焊接机器人的研究，近20年来取得了不少的成果，如全位置球罐智能焊接机器人的开发研制，实现了无导轨自动焊接全位置与多层多道焊的自动跟踪，能大幅度提高生产效率和降低劳动强度。但是由于机器人的研制没有和企业联合，长期以来并没有形成有规模的产业，商品化方面有所欠缺。因此目前我国焊接机器人还处于应用阶段，并且应用的行业分布不均衡，也不够广泛，主要集中在东部沿海和东北地区，东部的上海和东北的长春这两个汽车城市是我国拥有焊接机器人最多的城市。而且我国应用的焊接机器人90以上都是从世界各知名机器人厂家进口的弘4。因此，为适应焊接自动化和机器人产业化的发展需要，开发具有自主知识产权的实用化、商品化的焊接机器人成为当务之急。在这种背景下，本课题组与昆山华恒焊接设备有限公司合作开发了国有化焊接机器人“昆山一号”弧焊机器人，但目前该机器人尚未实现焊缝跟踪，为了适应该机器人的产品化需求，推动国内弧焊机器人事业的发展，本文针对基于摆动电弧传感的焊缝跟踪方法进行研究，并以“昆山一号”弧焊机器人为平台搭建基于摆动电弧传感的焊缝跟踪系统，实现自动化焊接。14本论文主要工作与内容安排141主要工作本课题的目的是针对自主开发的昆山一号RVl6六自由度机器人机械本体，研究基于电弧的焊缝跟踪方法，设计相应的焊缝跟踪系统，实现昆山一号弧焊机器人的焊缝自动跟踪。因此，本文的主要工作如下：1分析和建立电弧传感器模型；2研究在强干扰条件下的电弧信号的采集、滤波和焊缝轨迹偏差提取方法；3研究基于焊缝轨迹偏差的焊缝跟踪控制方法；4研究焊缝跟踪开始前的示教过程与参数识别方法：5设计开发基于电弧的机器人焊缝跟踪系统硬件与软件：6实现角型坡口、直线焊缝的机器人实时跟踪。7东南大学硕士学位论文142内容安排本文分为七章，具体内容如下：第一章绪论，首先针对本论文的工作对焊接传感的研究现状进行了综述，包括国内外电弧传感器的发展状况、电弧传感原理和电弧传感信号处理技术的研究现状，接着简要介绍了我国焊接自动化的发展和现状及弧焊机器人产业化的迫切要求。最后介绍了本论文的工作和内容安排。第二章电弧传感器数学模型的建立与分析，首先进行了电弧传感器静态数学模型的理论推导，并在此基础上对本课题所研究的正弦式摆动电弧传感理论模型进行了分析，最后通过实验获得了基于摆动式电弧传感理论模型中的参数。第三章焊缝跟踪偏差信息的处理与识别，详细介绍了整个偏差信息处理与提取的过程。首先设计了采样模块，针对本课题需要设计了中断传输采样方式，并设计了数据采集卡的接口，方便软件调用；然后设计了局部均值和修正的滑动中值相结合的滤波器对采样信号进行软件滤波；最后采用离散积分差值法对偏差信号进行了提取，并设计了解决偏差提取中采样与摆动同步这个关键问题的方案。第四章弧焊机器人焊缝跟踪纠偏设计，设计了一种适合于本课题研究系统的纠偏控制算法。第五章弧焊机器人焊缝跟踪系统的设计，首先设计了整个焊缝跟踪系统的整体方案，接着从硬件和软件两个方面，详细设计了“昆山一号”弧焊机器人基于电弧传感的焊缝跟踪系统，最后介绍了本软件系统中应用的关键技术。第六章在研究基于电弧传感焊缝跟踪方法的基础上，以昆山一号弧焊机器人为平台搭建了基于电弧传感的焊缝跟踪系统，并进行了大量实验，验证了所研究方法的正确性和可行性，为进一步产品化奠定了基础。第七章结束语8第二章电弧传感器数学模型的建立第二章电弧传感器数学模型的建立21电弧传感器静态数学模型理论推导电弧传感器的静态数学模型指的是电弧处于平衡状态下焊接电流平均值同焊枪高度之间的关系。所谓的电弧传感器并不是一个孤立的元件，而是一个有扫描焊炬(即焊枪)、焊接电源、送丝机等共同组成的系统。电弧传感器的模型实际是对这一系统的数学描述l。电弧传感器系统可以简化为如图21所示的物理结构：图21电弧传感器的物理模型当电弧处于平衡状态时，系统存在如下所示的两个平衡关系：焊接电源与焊接电弧之间的能量供需平衡：焊丝熔化速度与送丝速度的平衡。211焊接电源与焊接电弧之间的能量供需平衡焊接电源同电弧之间的能量平衡要求电源静态外特性与电弧的负载特性有稳定的交点，在该点的电源输出电压Up等于电弧负载电压U。在直流非脉冲MIG焊中，电源静态外特性一般选为恒压或缓降类，可以写成如下形式：=砜一艺J(21)其中表示焊接电源空载电压，幻为电源外特性的下降斜率。电弧负载电压U包括电弧电压虬和干伸长压降以两部分：U=Uo+U|9(22)东南大学硕十学位论文干伸长压降U可以写成下述形式：Us=ksLsJ(23)式中t表示单位长度干伸长电阻。电弧电压同电流、弧长的关系又可以表示为：Uo=koLo+kpI七Uc(24)式中乞为电弧弧柱的电位梯度，为极区等效电阻，以为常数。将式(22)、(23)、(24)代入式(21)得：Uo=up+kdI=Un+Us+kdI=koLo七kpI+Uc扎LsI+kdIQ鄢212焊丝熔化速度与送丝速度的平衡焊丝溶化与送进的平衡是电弧长度维持稳定的必要条件，可以平衡关系可以写成：圪=(26)式中送丝速度巧通常是焊接前设定的固定值，溶化速度匕则由电弧电流和干伸长决定，其经验公式为：y。=kmJ+knl2L|+c(27)瓦甲日J以埋肼刀电阻热7f：用羽搭化理厦删影啊系裂，k刀电，u热作用羽冶化迷厦明影响系数。通过(26)、(27)两式可以解出干伸长为：厶2寿(_叫一引(28)将(28)式代入(25)式解出电弧长厶得：lL2专眠“Pl乩c。工。哆n：半一半，一竽专(_叫一q)kokokoknIz、Jmmj2半一半卜去矿l+瓮+去V1亿9，kokokokqJknkqkokHmf、队10第二章电弧传感器数学模型的建立=半一半卜丧y1+铃+去V1+兰，一量J一生，一zkqkqk，=半鼍+(_警去G一舻+V峨H护。，即电弧传感器的静态模型可写作：日=厶+，+(毛+乞_)厂1+(J13+毛哆)，-2(211)其中厶2半+酱，毛一半，毛2去q一等，岛一去，岛一鲁，缸=万122摆动式电弧传感理论模型本课题研究的电弧传感是摆动式电弧传感器，摆动曲线为正弦，故在分析了一般的电弧传感器静态模型后，将电弧传感器具体化，针对正弦横摆式电弧传感器这一特定模型做进一步的具体分析。221焊接电流模型推导针对角接、V型坡口焊接的情况，假定焊枪作正弦摆动，焊枪沿V型坡口摆动模型如图22所示。东南大学硕士学位论文IIIIITllII1；i1”_!-41ew暂i落ir一夯汁乙0jji-卜II巡谬I：簟uCIRL，P：、L!Cl、Irh之、7iI乏一一!i、V、i：!Z二二矗IIl：、：C月。一譬；：二J_IlIIlII图2-2焊枪沿V型坡口摆动时焊接电流的周期性变化假定摆动中心线C到焊缝中心M的偏差为e，t时刻焊枪末端偏离摆动中心线的距离为Y，则Y可表示为：y：舢in(2万华J(212)L其中，V表示焊接速度，三表示一个摆动周期内前进的距离，彳表示摆动幅度。假定焊缝边缘同水平方向的夹角为口分以下两种情况确定焊接电流随时间的关系f=厂n夕：(1)摆动中心线在焊缝中心线左侧e0：a)当Y位于L-M区域时，乃对应的焊接高度变化她为：她：(Yt+e)tan口：(彳sin2rrrVt+e)tan口L(213)已知焊接高度日同焊接电流，之间满足关系式(211)，又根据潘际銮教授等人对电弧传感器静态模型的实验验证结果，在H=【15mm，30mm】，I=【200A，280A】这个电弧实际工作范围内电弧传感器静态模型具有线性关系：H=(ol+blV)l+(口2+如)(214)其中口，、a2、a3、a4是常数，表示送丝速度。对于同一焊接过程而言这些都是常数，故焊接高度同焊接电流，之间的关系又可以写为：H=船+C(215)第二章电弧传感器数学模型的建立所以焊摄两反焚化重助同焊璜电侃父化重l1日J刖大承刀：幽=K(216)将(213)式代入(216)式可得：她圳Sin警卅tan弘K(217)故焊接电流的波动部分f可表示为：，=扣；n孕卅协口堋触孕州仁旧电弧传感器的静态工作点为r，厶，J，玩为焊枪至坡口最低点距离，厶为平均电流，则总电流为：=Io+i=厶州胁孚(219)b)当y位于MR区域时，只对应的焊接高度变化酏为：觚=cI”l一咖伽口=cl彳sin孕IP，伽口。2瑚，将(220)式代入(216)式可得：酏十；n孕卜觚口一亿2。，故焊接电流的波动部分f可表示为：c卜孕卜亿22，总电流为：M伽厶倒卜孕卜协口亿23，综合(219)、(223)两式得：H+疋p孕+P卜亿24，(2)摆动中心线在焊缝中心线右侧P0：14第二章电弧传感器数学模型的建立瓯=r肼=rc厶+疋卜孕+P卜，刃=丘(厶+KJ么sin汐+PItana)dO=皿厶+疋(彳sin秒+P)tanctdO=(厶+KPtan口)詈+K。Atan口Esin秒d乡一zlr、I。+K：tanct)+K。Atanct品=肼=c厶+疋陋孕+Pl删刃=e”(Io+K。IAsin臼+PItana)dO=f”【，o+K(一么sinOP)taIl口p=(厶一疋PtaIl口)詈一K。AtanctfsinOdO=詈(厶一tPtan口)+K。Ataaa所以：AS=瓯一SR=万疋Ptancz即左右区域积分差值笛同横向偏差e之间满足关系：AS=死KtRrlotxe=Ke(2)摆动中心线在焊缝中心线右侧P00VI10A9告誓一电探到控制ERR0V10起弧告警(地)控制到电菲COM0V电豫电琢到控制+15V电源电源到控制1SV13遘丝一控制到电源SS0V(+)15v数字地电尊到控制GND0v电源：MIG500控制：昆山一号机器人16单端或8通道差分模拟输入或条件输入。利用该通道可以获得多路MIMO系统的信号。12位AD转换，蛀高转换率100KHzSPS。每个通道增益可编程。单端或差分通道可以自由组合。扳上4K采样FIFO缓冲区，可以莸得更长时间的信号特性。同时具有两个12位模拟输出通道。我们利用该通道，可以同时提供两路任意波形发生器。包括随机信号，干扰信号等。】6个数字输，16个数字输出。通过利用数字可编程逻辑器件扩展，可以进行数字对象和控制器的模拟，从而把系统推进i0纯数字化。可编程计数器，可以进行计数，可以获得直流电机速度，可以控制模拟通道采集的触麓。东南人学m学位镕j524焊缝跟踪硬件平台为了进行焊缝跟踪实验，搭建了“昆山一弓”焊缝跟踪硬什平台如图S-4、幽55所不，包括昆山一号机器奉体及其控制柜、华匝masterS00MIG电焊机kr送丝机、缸+少量二氧化碳混合保护气、焊枪配套装置、变位机、导轨等。圉54“昆山号”弧焊机器人焊缝跟踪实验平台图5-5“昆山一号”弧焊机器人焊缝跟踪系统图53软件模块设计按照功能划分各模块我们把接个焊缝跟踪系统软件划分为如下几个模块，各模块组成的软件结构框图如图56所示。对应的各模块的职责如下：(1)信号采样模块：负责对焊接电流进行采样并将采样数据传递给信号识别模块进行进一步的软什处理：第五章弧焊机器人焊缝跟踪系统的设计(2)信号识别模块：负责对采样数据进行软件处理，以识别出有效信息，为焊缝跟踪提供偏差信息。主要包括以下两部分：a)软件滤波：设计滤波器对采样数据进行滤波处理，滤除信号中的噪声干扰，使有效信号尽量保留；b)提取偏差：对经过滤波处理后的信号进行偏差识别，辨识出焊枪偏离焊缝中心线的距离。(3)纠偏控制模块：针对提取出来的偏差，采取一定的控制算法，将偏差转化为纠偏信息提供给机器人运动控制模块；(4)机器人运动控制模块：利用获取的纠偏信息对机器人运动进行修正，完成焊缝跟踪的功能。-_一一一-_图5-6软件各模块结构框图54软件中的关键技术在本课题的控制软件设计中，涉及到动态链接库DLL技术、面向对象技术、多线程编程技术的应用等方面【2”71。541动态链接库DLL在基于电弧的焊缝跟踪系统的实际编程任务中，一方面需要实现软件对硬件资源和内存资源的访问，例如端口IO、DMA、中断、直接内存访问等等。而因为Windows具有与设备无关的特性，不提倡与机器底层打交道，如果直接用Windows的API函数或IO读写指令进行访问和操作，程序运行时往往就会产生保护模式错误甚至死机。更严重的情况会导致系统崩溃；另一方面，机器人运动伺服控制模块都封装在pmacdU动态链接库中，而且数据采集卡相关FO操作都封装在Adsapi32dll库中。因此，要想完成系统软件的编写进而控制机器人完成自动化焊接任务，就需要采用DLL(DynamicLinkLibraries)技术来解决这些问题。尽管DLL在Rin93优先级下运行，仍是43东南大学硕士学位论文实现硬件接口的简便途径。DLL可以有自己的数据段，但没有自己的堆栈，使用与调用它的应用程序相同的堆栈模式，减少了编程设计上的不便：同时，一个DLL在内存中只有一个实例，使之能高效经济地使用内存；DLL实现的代码封装性，使得程序简洁明晰：此外还有一个最大的特点，即DLL的编制与具体的编程语言及编译器无关，只要遵守DLL的开发规范和编程策略，并安排正确的调用接口，不管用何种编程语言编制的DLL都具有通用性。这一方面是程序更加模块化，方便调试；另一方面，不管本项目的监控程序用什么语言来编写，都可通过安排正确的调用接口。实现对该通信模块的调用。DLL函数的导入和导出DLL包含一个导出函数表，可以通过函数的符号化的名字和(可选)称为序号的整数识别这些函数。函数表也包含了函数在DLL内的地址。当客户程序首先装入DLL时，它并不知道它将要调用的函数的地址，但它知道符号名或序号动态连接的进程然后建立一张表，把客户的调用与DLL里函数的地址连接起来。在DLL代码中，必须显式声明导出函数，类似：declspec(dilexport)intMyFunction(intn)；在客户方面，需要声明对应的导入函数，类似：declspec(dllimport)intMyFunction(intn)；如使用普通名MyFunction则必须用如下方式书写函数声明：emem”C”declspec(dilexport)intMyFunction(intn)；extem”C”declspec(dllimport)intMyFunction(intn)；要使用户链接到一个DLL，仅仅有导入声明是不够的。客户工程必须为连接器指定导入库(LIB)，而且客户程序必须实际调用了DLL的导出函数中的至少一个函数。LIB文件包含了每个DLL的导出符号和(可选)序号，但没有代码。LIB文件是DLL的一个代理，它被加到客户程序的工程中。LIB文件也包含了DLL文件名(但不是全路径名)，文件名也被保存到文件中。当客户装载后，Windows找到DLL并进行装载，然后根据符号或序号动态连接。542面向对象技术面向对象程序设计语言将程序描述的事物看成一个整体，称为对象(object)。事物的属性基本可以分为两个部分，即内部状态(性质)和对数据的操作方法及由此造成的对外部的影响。对象的数据用于描述内部状态，而代码完成对数据的操作，程序主要以数据为中心，代码围绕着需要处理的数据而设计。这种程序设计方法具有封装性(Encapsulation)、多态性(Polymorphism)和继承性(Inheritance)的特点。软件复杂性的降低可以通过将程序划分为若干个相对独立的、可单独理解的、对程序的其它部分引用较少的部分来实现。将类作为程序的基本单位时，就有机会减少个部分之间的第五章弧焊机器人焊缝跟踪系统的设计相互联系。取而代之的是增强类中各个部分之间的相互联系：类的成员函数对同样的数据进行操作。因此，为了使软件满足低耦合、高内聚的软件设计要求，将面向对象的思想贯彻到软件设计中。在焊缝跟踪软件系统中，信号处理模块封装在类Sensor中，在设计类Sensor时考虑到多态性、隐藏性，把Sensor类设计为抽象基类，具体的实现由继承类ArcSensor实现，类ArcSensor为电弧传感类，实现采样数据的软件滤波，偏差信息的提取。这样信号处理的具体操作对用户来说被隐藏起来，实际上用户也不需要了解信号具体是如何处