（信号与信息处理专业论文）旋转电弧传感器焊枪位姿识别方法研究.pdf

abs tract b e c a u s e o f t h e w e ld i n g c o m p l i c a t i o n o f a r c w e l d i n g r o b o t , i t n o t 。 吻 r e q u i r e s w e l d i n g - g u n a t t h e r i g h t p o s i t i o n , b u t a l s o r e q u i r e s t h e w e l d i n g - g u n m o v in g t h r o u g h t h e w e l d i n g s e a m t r a c e , s o a s t o a d a p t t o s o m e r e s t r i c t i n g c o n d i t i o n i n g e o m e t ry . a n d t h e c h o i c e o f w e l d i n g g e s t u re i s t h e k e y t o g e t b e t t e r w e l d i n g q u a l i t y . t h e e x t r a c t i o n o f w e l d i n g - g u n p o s e s i n f o r m a t i o n f o r a r c w e l d i n g r o b o t i s l i m i t e d i n r i g h t o r l e ft d e v i a t i o n a n d t h e h e i g h t o f w e l d i n g - g u n . t h e a d d e d s e n s o r i s u s e d t o e x t r a c t t h e w e ld i n g - t o r c h s a n g l e . t h i s m e t h o d i s o n l y s o l v e t h e l i m i t o f g e o m e t ry re s t r i c t , t h e a n g l e i n f e c t i o n t o t h e w e l d i n g q u a l i t y a n d e x t r a c t i o n o f w e l d i n g - g u n p o s e s i n f o r m a t i o n fr o m a r c w e l d i n g s e n s o r i n f o r m a t i o n . s o w e d o t h e r e s e a r c h a s f o l l o w s : f i r s t l y , w e i n t r o d u c e t h e a r c w e l d i n g s e n s o r r o t a t e d i n h i g h s p e e d a n d t h e m e a n s t o e x t r a c t w e l d i n g - t o r c h g e s t u r e s i n f o r m a t i o n i n a n d a b r o a d . t h e n , s i m u l a t i n g t h e w e ld i n g - g u n p o s e b y u g s o ft w a re , g e tt i n g t h e w e l d i n g b l o w l a m p h e i g h t w a v e f o r m i m a g e a n d f i n d i n g e v e ry g e s t u r e s f e a t u r e fr o m t h e i m a g e p r o v i d e t h e o ry f o u n d a t i o n t o r e a l w e ld i n g e x p e r im e n t . w e d o re s e a r c h i n t h e w e l d i n g e x p e r i m e n t s i n t e r f e r e n c e , s o a s t o c o m p a re e v e ry fi l t e r a l g o r i t h m w i t h e a c h o t h e r . f i n a l l y , e x t r a c t i n g o f w e l d i n g - t o r c h p o s e s i n f o r m a t i o n b y c h a r a c t e r i s t i c h a r m o n i c jn d i n g o u t t h e ru le p r o v id e t h e i m p o r t a n t i n f o r m a t i o n t o a u t o c o n t ro l t h e w e l d i n g - g u n p o s e . k e y wo r d s : a r c s e n s o r , w e l d i n g - g u n p o s e ; d i g i t a l fi l t e r , p h y s i c a l s i m u la t e ; c h a r a c t e r i s t i c h a r mo n i c 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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 南昌大学 或 其他教育 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谢意。 学位论文作者签名 ( 手写) : 签 字 日期 : 叩年 ( a ?.v fi 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了 解南昌大学 有关保留、 使用学 位论文的 规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。 本人授权南昌大学可以 将学位论文的 全部或部分内 容编入 有关数 据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 ( 手写)导师签名 ( 手写) 签 字 日 期 :叫年 月 “ 日 签字日期:呷年 i “ 沁 日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 电话: 邮编: 第 t 章绪论 第 1 章绪论 1 . 1课题来源及其意义 1 . 1 . 1课题的提出 随着科技水平的 进步，人们对焊接质量的要求也越来越高。众所周知，焊 接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经验、稳定的焊接水 平;另一方面，焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高的工 作。工业机器人的出 现使人们自 然而然首先想到用它代替人的手工焊接，减轻 焊工的劳动强度，同时也可以保证焊接质量和提高焊接效率。然而，焊接又与 其它工业加工过程不一样，比如，电弧焊过程中，被焊工件由于局部加热熔化 和冷却产生变形，焊缝的轨迹会因此而发生变化。手工焊时有经验的焊工可以 根据眼睛所观察到的实际焊缝位置适时地调整焊枪的位置、姿态和行走的速度， 以适应焊缝轨迹的变化。 然而机器人要适应这种变化， 必须首先像人一样要“ 看” 到这种变化，然后采取相应的措施调整焊枪的位置和状态，实现对焊缝的实时 跟踪。由于电弧焊接过程中有强烈弧光、电弧噪音、烟尘、熔滴过渡不稳定引 起的焊丝短路、大电流强磁场等复杂的环境因素的存在，机器人要检测和识别 焊缝所需要的信号特征的提取并不像工业制造中其它加工过程的检测那么容 易。 近年来，焊接自 动化程度在不断的增加，到2 0 0 0 年，中国焊接生产的机械 化自 动化率， 按熔敷金属计算约为3 0 0/ a ， 而发达国家的焊接自 动化率己 经达到6 5 % 以 上， 焊接自 动化生产已 是 必然的 趋势川 。 焊接机器人是焊接自 动化的 革命性的 进步，它突破了焊接刚性自动化的传统方式，开拓了一种柔性自动化的生产方 式。据统计，全世界有 1 0 0多万台机器人应用于各个领域，其中有 4 5 %以上是 用于完成各种焊接作业的焊接机器人。采用离线编程技术可以改善劳动环境、 减轻劳动强度、 提高生产效率、 保证焊接质量f3 。 而焊枪姿态的信息也是焊接机 器人离线编程的一个重要的内容，因为焊枪姿态是影响焊缝成形和焊接质量的 一个重要因素。但目前，国内对焊枪姿态信息的提取研究还不是很成熟，对焊 枪左右偏姿态和高度姿态研究的较多，对焊枪前后倾斜的姿态还几乎没有考虑， 但随着具有几何约束限制的焊缝或焊件越来越多的出现，要求焊枪以仰焊、立 第 1 章绪论 焊、上坡焊、下坡焊等特殊的姿势进行焊接时，我们对及时调整焊枪姿态的要 求就更为明显了。 1 . 1 . 2课题的意义 随着大型构件生产需求的日渐增加，空间焊缝将大量出现.空间焊缝制造 的自 动化是当前焊接自 动化的重点及难点之一，空间焊缝的主要困难不仅是需 要焊枪跟踪焊缝，还要保证焊枪相对焊缝的姿态。如在集装箱边板和面板的焊 接中，由于波纹板的起伏，使得焊枪相对于工件的垂直距离没变，但相对于焊 接面的角度发生了变化，这时有必要主动调节焊枪倾角，有时还要同时调整焊 接工艺参数，以保证焊接质量，所以研究焊接机器人焊枪位姿信息的提取有很 大的理论意义和实用价值。在本文中首次利用旋转电弧传感器检测焊枪的实时 倾角，为空间焊缝的跟踪打下了基础。 1 . 2弧焊机器人在国内外的研究现状 自 从6 0 年代机器人进入工业领域以来，发展较为迅速。从1 9 9 9 - 2 0 0 3 年， 世界实际装备工业机器人数量将由1 9 9 9 年的7 4 3 , 0 0 0 台增加到8 9 2 ,0 0 0台， 其 中在“ 机器人王国” 日本有 3 7 0 , 0 0 0台，世界其他地区通用工业机器人的实际装 备数量将由3 4 0 , 0 0 0 台增加到5 0 8 , 0 0 0 台。在美国，实际装备通用工业机器人的 数量2 0 0 3 年将达到 1 5 5 , 0 0 0台，欧洲达到2 6 2 , 0 0 0 台， 其中半数以上为焊接机 器人11 ,3 - 5 1 焊接是工业机器人应用最重要的领域之一，随着国外对工业机器人在焊接 方面的研究应用， 我国也开始了 焊接机器人的研究应用。 在数量上， 根据到2 0 0 1 年的统计，全国 共有焊接机器人 1 0 4 0台 ( 不包括港、澳、台 ) ，其中弧焊机器人 多于点焊机器人。汽车制造和汽车零部件生产企业中的焊接机器人占全部焊接 机器人的7 6 %， 是我国焊接机器人最主要的用户。 汽车制造厂的点焊机器人多， 弧焊机器人少:而汽车零部件厂则相反。 焊接机器人的技术水平在不断的进步，目前，焊接机器人几乎全部采用交 流伺服电机驱动，这种电机因为没有电刷，故障率很低。控制器中普遍采用 犯 位的计算机，除可以控制机器人本体的5 - 6 个轴外，还可以使外围设备和机器 人协调联动。在2 0 0 4 年的中国焊接会议上，日本安川公司的新型焊接机器人控 制器n x 1 0 0 技术中， 一台控制器能同时控制四台机器人共3 6 轴( 每台机器人有 第 章绪论 本体6 个轴， 3 个外部轴) ，并且使用软p l c对周围装置进行控制。示教盒也采 用了功能强大的wi n d o w s c e 操作系统。 配套焊接系统也有很多新的进展，在 1 9 9 3 年的埃森展览会上，日 本松下公 司把旋转电弧焊技术用于弧焊机器人。 由于采用旋转电弧焊时， 焊丝能够以s o h z 以上的频率旋转，所以用这种技术进行焊缝跟踪时，其跟踪精度比机器人经常 采用的摆动焊 ( 摆动频率小于 i o h z ) 要高的多。该公司还于 1 9 9 3年首先销售 在控制柜中内藏焊机的机器人， 依靠数字通讯技术实现焊机和机器人的结合。 并于2 0 0 4 年实现焊机和机器人的融合，既由机器人控制器直接控制焊接波形。 采用频率为 1 0 0 k h z的逆变电源，体积小巧，控制精度高。焊机和机器人融合 的优点主要有焊机和焊枪的动作能够实现同步的精确控制，便于实现填密的焊 接条件控制，并使焊接系统小型化。另外，该机器人把送丝机和机器人手臂做 成一体， 送丝机能 够配 合焊枪的 动作进行旋转动作， 以 保证送丝始终 顺畅 1 . 3 - 5 1 . 3电弧传感器 1 . 3 . 1电 弧传感器的 优点 电弧传感器具有以下优点:电弧传感器是利用焊接电弧特性的传感器，与 其它传感器相比，电弧传感器具有以下优点:不存在传感器和电弧间的距离， 且信号处理也比较简单，是完全的实时传感:不怕焊接电弧的光、电磁、热的 干扰，工作稳定，寿命长;传感器基本不占额外的空间，焊枪的可达性好:扫 描不仅可以跟踪传感，还可以改善成形效果，特别是可以明显改善斜角焊缝、 搭接焊缝及厚板开坡口多道焊的表面成型及两侧熔合;不需要附加装置成本低。 电弧传感器的这些特点使得它在8 0 年代倍受重视，得到很大的发展，尤其在日 本，电弧传感器和光学传感器并列为生产和研究中的两大主流类型，但在我国， 这种传感器尚处在发展时期。 但是电弧传感器也有它的缺点:识别坡口能力有局限性;抗电流干扰能力 差;薄板件的对接和搭接接头，很难跟踪。 1 . 3 .2电弧传感器的传感原理 电弧传感器的基本原理是利用焊枪与工件距离变化而引起的焊接电流参数 变化来探测距离高度和左右偏差。 图1 . 1 说明了焊枪导电嘴与工件表面距离变化 第 i 章绪论 引起焊接参数变化的过程。以缓降外特性电源为例，在稳定焊接状态时，电弧 工作点为a o ，弧长1 0 ，干伸长l i ，电流1，当焊枪与工件表面距离h o 发生阶跃 变化增大到h i 时， 弧长突然被拉长为1 1 ， 此时l i 还来不及变化，电弧随即在新 的工作点燃烧， 电流突变为n ， 但经过一定时间的电 弧自 调节作用， 弧长逐渐变 短， 刊申 长增大， 最后电 弧稳定在一个新的工作点a 2 ， 弧长1 2 ，干伸长l 2 ，电 流1 2 ， 结果是干伸长和弧长都比原来增加。 在上述变化中， 有两个状态过程即调 节过程的动态变化 ( a i d ) 和新的稳定点建立后的静态变化归 i s ) 。动态变化的原 因是焊丝熔化速度受到限制，不能跟随焊炬高度的突变，静态变化的原因是由 于电弧的自调节特性。由以上所述，当电弧沿着焊缝的垂直方向扫描，焊接电 流将随着扫描引起的焊炬高度变化而变化，从而获得焊缝坡口信息，达到传感 的 目 的 16 - 7 1 图 1 . 1 电弧传感工作原理 1 . 3 . 3电 弧传感器的分类及其国内外的发展现状和趋势 自八十年代以来，电弧传感作为一种焊接传感手段倍受各国重视，国外许 多焊接设备研究和制造机构都在努力开 发这一 领域。文 献【 8 1 表明， 工业发达国 家研究起步较早，其中以日 本、德国、美国、加拿大等国家在研究与生产应用 上水平较高，己 研制出多种形式的电弧传感器，主要有电弧扫描的形式和电弧 不扫描的形式。电弧扫描的形式主要有电弧摆动式和电弧旋转式，电弧不扫描 的形式主要有双丝并列式，这些方法应用历史较长，适合于埋弧焊、t i g . m i g / m a g等不同焊接方法， 并己用于焊接生产。 近几年来， 美国一研究机构开 发出了c t a w焊自 适应控制系统，利用电弧电压进行焊接质量的控制焊缝 熔透控制， 已 用于 军用设备的生产上， 获得了 理想的 效果 【9 - 10 1国内 ， 以 清华大 学潘际蜜教授领导的研究小组这方面工作开展最早，也最有代表性，近二十年 第 1 章绪论 来，先后在电弧传感数学模型及基础理论、旋转电弧机构的设计，以及以电弧 为传感器的多自由度智能焊接系统等方面，进行了深入研究，取得了卓有成效 的成果。与国外相比，在对电弧传感器的研究上，国内的研究水平并不落后， 但在其生产应用上，与发达国家相比有着较大的差距，应积极推广使用。电弧 传感器是利用电弧的自 调节特性，不是独立于焊接电源电弧系统之外，而 是与焊接电源电弧系统特性密切相关的，其传感机制比其他形式传感器更 为复杂独特，对它的研究及应用因涉及许多影响因素，关系到电弧扫描的实现 方式、焊接电源特性、焊接工艺条件、规范及信号提取处理方法等诸多方面。 经过十多年的发展，电弧传感器在理论研究和开发应用上都取得了很大的进展。 电弧传感器具体分类如图1 . 2 所示。 图1 . 2 电弧传感器分类示意图 ( 1 )并列双丝式 利用两并列的电弧施焊时，也可由它们焊炬位里的变化来获取电流信号。 两个电弧彼此独立，但可共用同一特性焊接电源。焊炬的中心线未对准坡口中 心时，其左右两焊丝具有不同的干伸长度，因而造成不相等的焊接电流，根据 两个电流之差即可进行焊炬左右跟踪，根据两个电流之和即可进行焊炬高度跟 踪。并列双丝式电弧传感完全是利用电弧的静态特性，灵敏度较低，如果焊接 不对中， 两电 弧高 度不同 将反 应在电 流 ( 电 压 ) 的 差异上， 这种形式较适用于埋弧 焊，但因同时要用两个参数相同的独立回路电弧并列进行坡口焊接，实现困难， 使上用受到一定的限 制e , o l ( 2 ) 静态电弧式 第 1 章绪论 该电弧传感方式是近几年研究出来的，用于焊接过程控制中焊接质量的控 制一熔透控制。 常规的电弧长度控制是采用a v c ( 弧压控制) 方法， 这种控制方法 的缺点是:电弧电压受焊接电流、保护气的成分、焊接回路的电阻等因素的影 响，而且由于焊接电源外特性的差异，使得工艺规范难以具有普遍性，以及当 电弧电压/ 弧长接近最小值时a v c控制效果极差。 g t a w焊电弧传感熔透控制装置如图1 . 3 所示。 静态电弧式熔透控制传感系 统的工作原理为: 不采用a v c法控制电弧长度， 而采用一邻近传感器( 如图1 .3 ) 来检测控制焊喷嘴与工件距离，此方法独立于焊接参数与工艺过程的变化，克 服了前述缺点;焊接过程中，焊距高度保持恒定，电弧电压的变化与熔深相关， 因此可利用弧压的变化来进行熔透控制。图1 . 4 显示出了 这种关系，很典型地， 焊接电流的调整使工件的热输入童增加或减少，熔深随之增大或减小，因此电 弧电压可作为闭环反馈控制的响应变化量，进行焊接电流的调节，从而实现熔 透 控 制 !u 一 12 1 电抓长度 到工件的巨离 工仲 图1. 3 g t a w焊电弧传感熔透控制装置 ! 3 . 叮 叮 门曰山 臼 姐状况 奋状奋下娜姐.与 工件巨脚 相移 图 1 .4 电弧电压与焊接接头熔透状况测试图 3 ) 摆动电弧双向跟踪式 在 v 型坡口对接焊或丁字接头焊接时，利用机头作横向摆动。对于 mi g / ma g焊山左右两边千伸长长度的变化情况， 可求出焊炬相对于焊缝左右位 第 1 章绪论 置和焊炬高度变化的跟踪信号。对于 t i g焊，传感信号来自 焊炬高度变化时的 弧压变化，因此引入弧压闭环反馈控制。因机构原因，使用时扫描频率被限制 在 5 h z以内，灵敏度不能进一步提高，跟踪精度受影响。因扫描速度低， 熔池 内液态金属的流动和填充金属给焊缝坡口 尺寸识别也带来了 难度1 11 - 1 2 1 ( 4 )旋转式扫描电弧传感器 旋转扫描式焊炬最早出现在日 本n k k的关于窄间隙焊文献中用来改善两侧 熔合和角焊缝及多 道焊的成形， 后来发现高速旋转电弧还可用于焊接跟踪传感， 且灵敏度更高，就积极致力于高速旋转电弧在传感跟踪上的发展，研究成功了 高速旋转电弧传感器。 八十年代末期， 潘际蜜院士在旋转传感器的结构及控制方面进行了大量的 研究工作。 费跃农提出了圆锥摆动方案， 研制出了r a t -1 型旋转电弧传感器。 导电杆 作圆锥摆动，而不绕自 身转动，在锥顶处运动的幅度很小，气、电、焊丝都可 直接接入，这样避免了焊丝与导电嘴之间的摩擦，该旋转电弧传感器采用直流 电机驱动，由于有齿轮传动，结构较大，影响了焊炬可达性，传动件引起的噪 声严重，传动件的安装精度低且易受烟尘污染而使得转动时因受力不均而不平 衡。因此，这种结构的传感器实用性差。 1 9 9 3 年， 清华大学廖宝剑作了 进一步发展， 创造了 一种空心轴电机驱动的旋转扫描焊炬， 采用了空心马达 结构设 计， 使得结构更 加简单， 最大外径(p = g 5 m m ， 最 大旋转直 径4p = 8 m m , 焊炬长度l = 2 0 0 m m ， 最大旋转频 率户3 0 h z ， 这种新型 机构采用电 机直接驱动， 省去了 传动齿轮， 从而减少传动损耗降低电机功耗， 焊炬小巧 灵活， 调节方便， 机械振动小， 焊接可达性好，可以像 正常焊炬一 样使用。 这 种传感器己 获得国 家 专利i 1 5 - 1 飞 其结构如图1 . 5 所示。 近年来南昌大学机器人与焊接自动化实验室发展 图 15 空心轴电机驱动 旋转焊炬结构示意图 了这一研究领域，经过多年不断的改进，这种旋转扫描焊炬在结构上进一步小 型化，重量减轻，机械振动和噪声明显减小，已成功用于弧焊机器人焊缝跟踪。 旋转电弧传感器是一种特殊的焊炬，在结构上虽然比摆动式电弧传感器复 杂，但是具有突出的优越性:高速旋转增加了焊枪位置偏差的检测灵敏度，极 第 1 章绪论 大地改善了跟踪的精度:高速旋转提高了快速响应特性，适用于高速焊接和薄 板搭接的焊缝跟踪。旋转电弧传感器将在弧焊过程自动控制领域占有重要的位 置 1 13 - 14 1 综上所述，电弧传感器以电弧本身为传感器，因此结构简单，方便灵活， 不受弧光、磁场、飞溅、烟尘等的干扰，具有响应快，精度高，抗干扰性强的 特点。但焊炬的摆动或旋转机构比较复杂，电弧各参数之间祸合性很强，实际 得到的波形远不如想象般的理想，要对得到的数值进行滤波，并根据大量的经 验来确定控制量。 1 . 4电弧传感信号处理现状 1 . 4 . 1对电弧传感信号的滤波方法 电弧传感器获得的焊接电流信号不仅含有用的特征信息，而且包含了许多 的干扰信息，如熔滴短路过渡噪声、送丝速度变化噪声、脉冲焊噪声、焊接熔 池形状噪声、焊接电源引起的噪声、高频辐射噪声等。因此，滤波处理至关重 要，可以抑制噪声干扰，提高信噪比，改善信号品质。数字滤波将是滤除噪声 的有效手段，滤波是必要的手段，由于数字滤波是在数字信号进入控制系统之 前，用数字计算的方法来实现对数字信号的处理，将一组输入的数字序列转化 为一组输出的数字序列，是信号频率范围内的信息被通过，而其它频率范围内 的信息被阻止，从而达到增强信号，压低干扰，把信号和干扰分开，提取有用 信息的目的。数字滤波的过程，实际上就是采用数字系统实现一种运算的过程， 与一般的模拟滤波器相比，它具有可靠性高，精度高，灵活性高的优点，在数 字控制系统中，一般均采用数字滤波，其方法有很多，滤波效果也各异，有些 效果很好，但算法复杂，很难用于实时控制，因此在实时控制中寻求一种既简 单效果又好的滤波算法有很好的实际意义。近年来用于电弧传感信号处理中最 常用的滤波的主要方法有: 1 、平均滤波 平均滤波是一种统计滤波方法，对于抑制随机信号的干扰、 提高信噪比具有较好的效果，一般在旋转电弧焊接中比较常用。通过计算可以 证明: m个重复 信号被平均以 后， 其信噪比 不重复的 信号 会提高召 丽倍。 通过 计算还可知道，对于窗长度为3 和5 的均值滤波，设采样频率为 i o o o h z ，则滤 波器对应的3 d b截止频率分别为 1 5 5 h z和9 0 h z ， 即它们都为低通滤波器，且窗 第 1 章绪论 长 越 大 ， 截 止 频 率 越 低 e . 8 1 2 、中值滤波 中值滤波也是一种统计滤波，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，实现也最为简单，所以在实际应用最为广泛 的。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) 。在中值 滤波应用中，我们最熟悉的一个恐怕要数在体育或音乐比赛中对裁判报分的处 理， 也就是“ 去掉最高和最低分， 余下取平均” ， 正因为中值滤波具有这样的特点， 因 此， 对于高 速旋转电 弧焊中的 短路过渡的去除有一定的 意义 i 8 3 、有限削波 1 9 9 6年潘际蜜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 c 0 2 焊接中短路峰值电流消波在 1 . 5 2倍 ( 大电 流规范取下限，小电流规范取上限)的焊接电流值上，这样既减少了干扰，又 保留了 扫描坡口 时电 流的 变化， 实际 证明取得了 较好的效果 1 1 9 1 4 、形态滤波 在高频坡口扫描时，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。 数学形态学是由iv l a t h e r o n . s e r r a 等提出的、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 【2 0 1 1 . 4 . 2特征信息的提取方法 用于电弧传感的 特征信息提取的方法主要有如下几种形式。 ( 1 )积分差值法: 如图1 . 6 所示，焊炬旋转相对v型坡口不对中情况下:对于mi g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 ( 如图1 .6 中s l ,s r ) . 以此即能判断其对中情况;而对于 t i g焊，可以电弧电压作为被传感量，按同 第 1 章绪论 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。 拼瞥一 l c . 瞥一lc谬 左中 .时 .右 c a ) 扫描情况ro ) 理想电流变化 图1 .6 用积分差值法处理m i g焊电弧传感器信号图解 ( 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) ， 来获得焊炬位置信息。电 弧的不稳定使这种方法没有积分差值法的信嗓比 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. ( 3 ) 类型比 较法 当电弧在坡口摆动时，如果焊炬与焊缝中心对正，则焊接电流或电弧电压 波形变化为一对称波形，若焊炬与中心发生偏差，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 m a g、 c 0 2 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，它利用电流信号在摇动频率 处的频谱响应与偏差成正比的关系进行焊缝跟踪。 ( 5 )电流一电压双控检测法 以上的几种方法是提取焊缝位置的焊接电流偏差，根据焊接电流偏差来调 节执行机构以达到焊缝纠偏的目的，即常说的电流检偏法。但对一个时变、多 因数、非线性复杂系统而言，仅靠单独采用传统的电流检偏法难以实现精确的 第 1 章绪论 焊缝跟踪信号的处理和控制。为了提高跟踪的准确性，当根据焊接电流或电弧 电压单独检测出来的焊缝的偏差小于某一给定的偏差时，由于偏差值过小，无 法保证调节机构及时响应而影响跟踪精度的情况下，利用物理学中的波形叠加 原理，综合焊接电流和电弧电压两者，使两者形成优化配置，相当于在相同的 焊接条 件下放大偏差值 ， 这有利于提高 执行机构响应速度和跟踪精 度2 1 - 2 4 1 1 . 4 . 3特征信息的 提取方法的国内外研究现状 1 9 7 8年， 潘际安教授在德国 作访问学者时首先提出 左右积分差值法，并用 其方法解决了v型及角焊缝的识别，用削波的方法解决了c 0 2 焊接中电流噪声 问 题。 而且还进行了 熔化极摆动电 弧传感的 焊缝跟踪实 验2 5 1 1 9 8 6年，日 本学者野村博一等人利用旋转电弧， 对焊炬正前方左右两边小 于9 0的区域进行积分， 其差值反映了焊炬偏离焊道的大小2 6 1 1 9 8 7 年， 针对c 0 2 短路过渡， 潘际蜜教授采用了以 短路电 压作为控制信号， 对短路峰值电流进行抑制的削波处理6 ,1 6 1 1 9 9 0年，清华大学的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形坡口 弯曲焊缝的跟踪，为了避免熔池后半部分铁水对弧长 和焊接电流的影响，其扫描电流信号的采样处理是在扫描熔池的前半周进行的。 而且还首先提出了采用计算机防止的办法研究电弧传感系统的识别方法，取得 t重要结果2 n 1 9 9 1 年，韩国 学者j . wk i m研究了 摆动电 弧传感器在水平角接接头中的应 用，使用左右极值比 较法，在摆动频率 1 h z 左右，焊缝为水平放置倒t型角焊 缝，c 0 2 焊接电流3 4 0 a的情况下实现焊缝跟踪。给出一种曲线拟合滤波方法， 以求得在电弧摆动到左右位置的电流值。此方法是根据实际的熔池形状呈下凹 平滑状， 假设 坡口 的 熔池扫描线为y = k 沪 ， 由电 流和焊炬高 度变化的 一一对应的 比例关系，将半周内扫描电流信号向二次曲线拟合 i = k o + k l t + k 2 +2 。然后将拟 合曲线左右两端计算值， 代替实际电流信号的采样值，作为摆动扫描时两侧转 向点处的焊接电 流理论值，比 较其大小关系确定偏离情况，以 跟踪调整2 3 1 1 9 9 2年，哈尔滨工业大学的李严教授采用摆动电弧传感器进行了 大量的坡 口断面形状检测试验，发现在坡口根部出现一奇异区，焊炬的摆幅必须大于奇 异区才可以检测出 坡口。通过焊炬摆动到坡口两侧处的电流差来判断焊炬偏离 焊道中心的程度，并进行了弯曲焊道的 c 0 2 焊实时跟踪，取得较好的实验结果 第 1 章绪论 1 9 9 3 年， 韩国的j .wk i m, s .j .n a 通过使用二次曲线拟合法， 即焊接电流信 号能被拟合成曲线，此曲线中焊接电流信号值与焊炬到工件的距离成反比。在 摆动方向改变处，曲线拟合焊接电流信号即焊接电流值，因而能作为焊缝跟踪 的控制信号2 8 1 1 9 % 年，潘际奎、吴世德利用计算机仿真的方法，深入研究传感系统的信 息输入和输出，首次提出变换信息空间，采用特征谐波识别坡口的办法，又提 出数字滤波技术， 使电 弧传感系统的信息处理技术发生了 突破性的 进展6 1 1 9 9 7年，清华大学吴世德的博士论文较系统地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检测坡口的信号处理方法，用特征谐波的向量作为偏差量 大小及方向的判据，较好解决熔敷铁水对扫描信号的影响，这一方法适应于各 种熔化极气体保护焊接方法 ( 如c 0 2 焊、脉冲mi g焊等) 和多种形式坡口的电 弧传感，有效地克服了系统动态特性的影响。为解决c 0 2焊接中短路电流及脉 冲焊过程中脉冲电流的干扰 ， 提出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，获得了良好的跟踪效 果2 9 1 1 9 9 8年，卢道华采用高速旋转电弧传感器进行了角 接焊缝跟踪实验，从焊 接电流峰值获取焊接距离信号，通过对称峰值点左右进行一定相位的积分，再 取差就可获得焊缝偏差信号3 0 1 。 哈尔滨工业大学的 孙华 应用 频谱法对焊接电 流 与摆动焊炬偏差之间的关系进行了研究，结果表明:在无偏差时，焊接电流的 频谱响应中二倍摆频处的幅频响应值最大;在有偏差时，一倍摆频处的幅频响 应随着偏差的 增大 逐渐增大3 1 1 。因 此，可以 通过计 算一 倍摆频处的 幅频响应来 判断偏差的大小，并且可以通过判断一倍摆频处的频谱响应的虚部正负来判断 偏差的方向。摆动焊接电流在一倍摆频处幅频响应值与偏差在一定范围内近似 呈线性关系，并用频谱法提取焊缝偏差信息，设计了短路过渡 c 0 2 气体保护焊 焊缝跟踪系统，跟踪精度达到预期标准。 2 0 0 0 年， 华东船舶工业学院何祖清研制了基于8 0 c 1 %单片机的焊缝跟踪控 制系统，采用坡口左右区域积分差值法识别焊炬与焊缝之间的偏差。以左右采 样电流之和与给定值比较来表征焊炬高低偏差，给定值由试验确定。极值比较 法和积分差值法在比较理想的条件下可得到满意的结果，但在非 v型坡口及非 第 章绪论 射流过程焊接时， 坡口 识别能力差，信噪比 低， 应用遇到很大困 难3 2 2 0 0 1 年，哈尔滨工业大学机器人研究所朱延功等使用小波分析方法提取焊 缝位置信息，针对焊缝特征提取中普遍采用曲线拟合计算量大的问题，探讨了 基于小波变换的焊缝特征提取方法，将离散小波变换和奇异分析理论引入焊缝 特征提取问题，利用多尺度小波分析计算量小及对信号奇异点敏感的特征，采 用 d b 2小波对焊缝特征进行分析，通过采用小波变换模极大值传播规则，大大 减少了 计算量， 实 验证明 此方 法具 有较好的 性能3 3 2 0 0 4 年， 江苏科技大学周方明等人研究开发了p c机和单片机双机控制的焊 缝跟踪控制系统， 它兼有p c机和单片机各自 的优点， 并且它的柔性更好， 更能 适 应多 种 焊 缝 跟踪 场 合的 要求 【3 4 2 0 0 5年，湘潭大学的洪波等人基于直接电弧式传感器埋弧焊焊缝自 动跟踪 系统， 针对传统的焊接电 流检偏法精度不高的缺点，提出了一种全新的电弧信 号处理方法和控制策略，即电流一电压双控检测法。研究了不同情况下的调整 因子对检测效果的影响，使焊缝跟踪精度得到了显著地提高， 从而为研究埋弧焊 焊缝自 动 跟踪系统提 供一个强有力的 工具3 5 1 . 5焊枪姿态信息提取现状 自 从2 0世纪6 0 年代在美国安装使用第一台工业机器人以来，具有操作功 能多样性的工业机器人就倍受关注，成为新的自 动化时代的核心技术。在工业 企业界， 越来越多的厂家采用机器人充当生产过程的重要角色。焊接是一项技 术要求高，劳动环境恶劣的工作，在很多情况下人们采用焊接机器人代替人工 作业。目 前焊接机器人在船舶、化工、汽车、机械制造等行业得到应用， 这些 场合多数为平板焊或点焊，机器人能很好地完成焊接的工作。但随着科学技术 的高速发展越来越多的各种形状的焊件都随之而来，在一下特殊焊缝位置施焊 时，由于位置所受重力与焊件构成不同的角度，造成熔滴与坡口接触不同，从 而导致焊缝的质量差异较大，直接影响生产效率和生产质量。现在大多数情况 是忽略它的影响或者依靠工人的经验进行调整，没有很好的解决办法。目 前， 国内对焊枪姿态规划的研究还很不成熟，因此研究焊接机器人焊枪姿态的提取 具 有 一 定 的 理 论 意 义 和 实 用 价 值 3 6 3 n 目前，中国科技大学专门针对管道机器人对焊枪进行了姿态规划，但用的 第 t 章绪论 是a d x r s 3 0 0 微机械陀螺作为焊枪位置传感器，获取焊枪的空间位置后，通过 专家系统的经验推理， 得到合适的俯仰角， 并采用t i 公司的d s p 2 8 1 2 作为控制 器驱动焊枪俯仰角步进电机动作，实现对焊枪俯仰角的实时调节。国内许多弧 焊机器人也采用旋转电弧传感器获取空间位置信息，但只是获取了焊枪横向位 置偏差和高 度方向的位置偏差为检测量， 以电 弧或焊枪位移量为操作量的焊枪位 置传感控制系统，但以直接从电弧传感量中以焊枪前后偏差为检测量，以焊枪 倾斜的角度为操作量的焊枪位置传感系统还没有人考虑。在本文中就是要实现 不在焊枪上添加另外的位置传感器而要充分利用电弧传感量检测出焊枪前后姿 态 偏 差 的 信 息 3 8 - 4 1 1 .6本章小结 本章提出了课题的来源及意义，对电弧传感器的优缺点、原理及其分类、 国内外的发展现状、趋势等做了详细的阐述，对国内外弧焊机器人中的对电弧 传感信号处理方法的进行了较全面的阐述，专门对处理电弧传感信号所用的滤 波方法、特征信息提取方法做了较详细的归纳，最后还专门对目前国内对焊枪 姿态信息提取现状进行了总结，为本文打下了坚实的理论基础。 第3 章焊枪姿态的静态物理仿真 第3 章焊枪倾角的静态物理仿真 旋转式电弧传感器其传感原理是从电弧参数的变化中获取电弧扫描时焊炬 高度的变化，并根据焊炬、焊枪姿态与焊缝的几何关系导出焊炬与焊缝和焊枪 的相对位置等被传感量。因此焊炬高度与电弧参数之间的传递关系构成了电弧 传感器最基本最核心的输入输出关系。本章所要讨论的电弧传感器静态物理仿 真就是对焊枪姿态和焊炬高度这一关系的探讨。在机器人实际焊炬过程中我们 要从电弧传感量中找出焊枪的各种姿态的信息，但实际上存在许多不易确定的 干扰因素，这些因素阻碍了我们提取所需要的信息的方法的寻找，所以我们可 以通过实际焊接过程中焊炬高度变化的规律来做各种焊枪倾角姿态的仿真模 型，从而测出各种仿真的焊枪姿态的焊炬高度，进而寻找出各种不同倾斜姿态 所表现出的焊炬高度的变化规律，最后找出合适的数字信号处理方法来从焊炬 高度的变化中提取出焊枪倾斜的信息，为实际焊接实验寻找信息提取方法和理 论依据。 3 . 1焊枪的各种姿态的定义 对于焊枪位姿的描述，根据焊接过程当中焊枪相对于焊缝的位置的不同， 按焊枪垂直的状态可分为焊枪垂直工件焊接和焊枪倾斜一定角度的焊接.其中， 把焊枪倾斜的姿态可以分为焊枪前倾， 焊枪后倾两种类型， 如图3 . 1 所示; 按焊 枪垂直焊缝位置时又可分为焊枪完全对中焊接、焊枪完全偏左焊接、焊接完全 偏右焊接以及焊枪部分偏左焊和焊枪部分偏右焊五大类， 如图3 .2 所示。 图中的 焊接方向为垂直纸面向里，观察方向与焊接方向相同，从上往下看，旋转电弧 的旋转方向为逆时针，旋转电弧传感器旋转一周数据采集系统可采集到6 4 个数 据，这些数据中起始数据的位置是由光电祸合开关的安装位置和实际安装情况 确定，本论文中数据起始点的位置和焊枪旋转的方向，如图3 . 3 所示。 . 完全对中焊接是指旋转电弧的旋转中心正好处于焊缝的正上方; . 完全偏左焊接和完全偏右焊接是指旋转电弧的旋转中心偏离了 焊缝，且 其偏差值大于旋转电弧的旋转半径，从而使旋转面在工件上的投影完全落在 v 型坡口的左侧或右侧: 第3 章焊枪姿态的静态物理仿真 . 部分偏左和部分偏右焊接则是指旋转电弧的旋转中心偏离了焊缝，且其 偏差值小于旋转电弧的旋转半径，旋转面在工件上的投影大部分在 v型坡口的 一侧，少部分在另一侧。 娜= 1 ( a 焊枪前 倾姿态示意图ro )焊枪后倾姿态示意图 图3 . 1 焊枪倾斜时的姿态示意图 焊枪 坡 口 坡 口 ( e ) 焊枪部分偏左 焊枪 ro ) 焊枪完全偏左 焊枪 坡 口坡 口 ( c ) 焊枪部分偏右( d ) 焊枪完全偏右 焊 枪 左 右 坡 口 ( e ) 焊枪对中 图3 .2 焊枪垂直时相对焊缝的姿态示惫图图3 . 3 旋转电弧点号分布示意图 第3 章焊枪姿态的静态物理仿真 为了寻找各种焊接条件下的特征，首先要确定焊接条件，然后要保证在一 次试验中焊接条件要前后相同，不能一部分是对中的另一部分又是偏左或右的。 所以在实验中没有选取部分偏左和偏右的姿态。在本章中只对焊枪倾斜的姿态 进行静态物理仿真，而对焊枪的左右偏和高低姿态没有进行仿真，这是因为旋 转电弧传感中的焊枪左右偏和高低姿态信息的提取和跟踪控制技术目前已经有 很成熟了，但对于要直接从电弧传感信号中提取焊枪倾斜的姿态却是一个全新 的课题。 3 .2基于v型坡口的焊枪倾角的静态仿真 3 . 2 . 1静态仿真模型的建立及其仿真结果 焊枪的倾斜角度是相对焊炬 ( 或电弧)而言的，由于电弧传感原理是利用 焊炬高度变化引起的焊接电流 ( 电弧参数)变化来获得传感信息，所以当焊枪 以各种不同姿势进行旋转时，焊炬的高度随之变化。这一过程可以表述如下: 焊炬的位置 ( h , 8 )和焊枪倾斜的角度在焊炬的扫描激励下被调制成焊炬的高 度变化h ( t ) ， 经过电源一电 弧系统的 传感作用， 焊接电 流 i ( t ) 要随 h ( t ) 产 生相应的变化，其传递关系如图3 .4 所示。 焊枪高度变化 h( s ) g ( s ) 焊炬电流变化 - 一 一- 巾 及 s) 图3 . 4频域的电弧传感模型 也就是说，在传感系统中，反映焊枪倾斜角度的变化也就是焊炬位置的扫 描高度变化最终是通过焊接电流变化反映出来的，其变化关系决定于系统的传 递函数g ( ) 。然后根据扫描激励位置信号解调电 弧传感信号来获得焊炬位置( h , 8 ) 0 为了 探索焊枪倾斜各种不同的角度时焊枪高度变化的规律不同， 从而使我 们直接能从电弧传感器中采集到的数据提取出焊枪倾斜的