（控制理论与控制工程专业论文）爬行式弧焊机器人控制系统设计、仿真与实验研究.pdf

摘要 本文进一步针对大型工件全位置焊接的爬行式弧焊机器人的控制系统进行 研究。中心任务是重新设计一套适应于系统硬件的控制方法，从而在焊接作业中 达到焊缝平滑跟踪的目的。 本文首先介绍了全位置的爬行机器人系统构成，主要包括机器人本体、焊 接系统、焊缝识别系统及控制系统。机器人本体为永磁式履带爬行机构，结合焊 缝识别与控制系统完成焊缝跟踪和焊接。 其次，本文着重研究了机器人系统控制方法。在已有控制方法基础上提出能 够满足软硬件要求的几种控制方法，其中包括粗模糊控制、一般模糊控制、模糊 与微偏结合控制方法，文中分别表述的几种控制方法的建立，并初步探讨了方案 优劣，提出模糊与微偏结合的控制方法可能为较优方案。 之后分别对几种控制方法进行了仿真分析，结果表明，三种控制方法较已有 控制方式在跟踪的效果上都有不同程度的提高，其中模糊与微偏结合的控制方法 效果最佳，在可实现系统中一般模糊控制效果最佳。 最后介绍了机器人控制方法的实现，采用p l c 控制器和触摸屏相结合的编程 方法实现了一般模糊控制方法的控制器设计，并做了实际的跟踪与焊接实验。实 验表明：计算机仿真与实际较为吻合，新系统于已有系统在可靠性与跟踪精度上 都有较大提高；由现场实验结果表明控制系统工作良好，能够很好的实现多层多 道的跟踪焊接。 关键词：爬行式机器人，焊接机器人，p l c ，模糊控制，计算机仿真 a b s t r a c t i o n b a s e do i lt h ed e v e l o p e dc r a w lt y p ea r c w e l d i n gr o b o to ns i t e ，t h i st h e s i sf o c u s e s o i lt h ea n a l y s e sa n dp r o g r a m m i n gf o ri t sc o n t r o ls y s t e m ，a n dt h e nt h er e a l i z a t i o no f t h es y s t e m t h em a i nj o bi st or e n e wt h ec o n t r o ls y s t e mf o rt h eh a r d w a r e ，s ot h a ti t t a i lr e a l i z et h es m o o t ht r a c k i n gf u n c t i o nw h e nw e l d i n go i ls i t e a tf i r s t ，a n a l y z i n ga n d s u m m a r i z i n gt h eu s e db a s i cm e t h o d si sn e c e s s a r yt of i n dt h ee x i s t e n tf a u l t sa n d s h o r t c o m i n g s a n dt h e n ，g e tt ot h es t e po nf a u l t sr e s o l v i n ga n dn e wm e t h o d s p r o m o t i n g ，a n dp r o g r a m m i n gf o rs o f t a n dh a r dw a r e a tt h i ss t e p ，y o us h o u l db e a w a r et h a td i f f e r e n tm e t h o d so rr e s o l v ep r o j e c t sa r ee n t a n g l e de a c ho t h e r , t h e i r r e l a t i o n s h i pi sak i n do fi n h e r i t , f o rt h a tt h e i rr e a l i z a t i o ni sap r o c e s so fs t e pb ys t e p ， a n dt h e nt h ep r o b l e ms o l v i n gc a p a b i l i t yc o u l df o c u so nt h ec r e d i b i f i t ya n dp r e c i s i o no f t r a c k i n gb ei m p r o v e d t h e n , u s i n go n eo r t w op r o j e c t sa sas a m p l e ，i ts t a t e st h e p r o c e s sh o wt h eh a r da n ds o f tw a r eb ec a r r i e do u t f o rs o m ei m p o r t a n ts o f t w a r e f u n c t i o n ，t h e r ew o u l db es o m ep a r t i c u l a r l ys t a t e m e n t s t h en e x ti ss i m u l a t i o n ，b a s e d o nt h ed i f f e r e n ti d e a sm e n t i o n e da b o r e i nt h es i m u l a t i o n 、ac r e d i t a b l ek i n e m a t i c q u o t a t i o ni sv e r yi m p o r t a n t t h e r ew eu s e dad e v e l o p e dd n ea n df o u n do “ft h a ti t w o r k ss op e r f e c tt h a tc a r lm a t c ht h er e s u l t so fo u rw e l d i n ge x p e r i m e n t si nt h el a ba n d o i ls i t e l o t so ff i g u r e sh a v eb e e np r o v i d e dt op r o v et h ec a p a b i l i t yo ff l e wm e t h o d s ， a n da tt h es a r n et i m e ，t h eq u o t a t i o n ，w h i c hh a dn e v e rb eu s e db e f o r e ，a l s oi sp r o v e di t s p r e c i s i o ni nt h e s ec o n t r a s t s a tl a s t ，i tg e t si t ss t a t e m e n tt h a tw i t ht h en e wp r o m o t e d m e t h o d st h et r a c k i n gs t a b i l i t yh a sb e e ni m p r o v e dp r e c i o u s l ya n dc r e d i t a b l y a n dt h e a r cw e l d i n gr o b o tc a nd ow e l lo fi t sj o bo nm u l t i l a y e ra n dm u l t i - t r a c eo fl a r g ep i e c e s w e l d i n go ns i t e l i uz h e n g w e n ( a u t o m a t i z a t i o n ) d i r e c t e db y ：p r o f z h a n gh u a k e yw o r d ：m o b i l er o b o t w e l dr o b o t p r o g r a m m e dl o g i cc o n t r o l l e r f u z z y c o i l t r o ls i m u l a t i o i l i i 独创性声明 蓼7 8 9 9 2 0 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，也不包含为获锝壹墨叁鲎或其他教育机 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：? _ 卫k 签字目期：凇年g 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 壹墨圭鲎 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) 、 n 学位论文作者签名：务1 位久 签字目期：渺年月f 妒日 ， 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地蛙： 导师签名 签字日期珈暴 电话 由g 编 咯 i 6 月f 妇 1 1 前言 第一章绪论 机器人是一种传统的机构学与近代电子相结合的产物。 其综合了计算机科 学、控制论、机构学、信息科学和传感器技术等多个学科。对传统的工业生产和 科研产生了根本性的变化，将对人类的社会生活产生深远的影响“3 。现阶段，机 器人作为一种代替劳动者完成繁重而危险重复性的工作的自动化设备已被广泛 应用于各个行业，对生产力的发展起了巨大的推动作用。 我国从1 9 8 6 年实施国家“8 6 3 ”高科技研究发展计划以来，一直把智能机器 人确定为自动化领域主体之一【1 】，在焊接领域，研究和发展焊接过程自动化，特 别是具有先进技术、低成本的自动化焊接，以提高焊接质量、生产率，并能改善 工人劳动条件是目前急待解决的问题 2 。另一方面计算机和控制技术的发展为焊 接过程的自动化、智能化提供了十分有利的技术基础。这包括系统建模理论的完 善、仿真理论与工具的完善、基于新技术的智能控制理论的提出并完善口 。 1 2 爬壁机器人研究现状 爬壁机器人是能够在垂直陡壁上进行作业的机器人，主要用于：核工业、石 化企业、建筑行业、消防部门、造船业等【1 。按吸附机能来分，可分为真空吸附 爬壁机器人与磁吸附爬壁机器人，移动方式有轮式、履带式和足脚引式( 分两足 和多足) 等【“。自8 0 年代以来爬壁机器人的研究在国内外取得了很大的发展， 已有进入实用阶段，如日本石川岛播重工业公司开发了一种磁轮式爬壁喷涂机器 人 4 】。国内起步较早的是哈尔滨工业大学机器人研究所，其特种机器人研究室从 1 9 8 8 年开始在国家“8 6 3 ”高技术的支持下，已先后开发出两个系列共5 个品种 的爬壁机器人，有真空吸附式壁面清洗爬壁机器人、壁面清洗机器人、遥控检查 机器人、金属罐防腐用的磁吸附专用爬壁机器人、水冷壁清扫、除渣、测厚机器 人。除了哈工大外，上海交通大学、清华大学机械系和北京石油化工学院装备技 术研究所等多家单位分别对爬壁机器人进行了研究。八十年代，国内曾就m i g 焊用于球罐全位置自动焊接进行过实验研究用。加拿大于1 9 8 5 年和1 9 9 1 年开发 出用于水轮机叶片修补打磨的三轴和六轴机器人。1 9 9 3 年清华大学廖宝剑研制 了磁吸附轮式多自由度焊接小车，可实现全位置爬行和移动，可以认为是轮式磁 吸附爬壁焊接机器人的雏形。1 9 9 7 年起北京石油化工学院对引进设备进行了二 次开发，在原有基础上开了了记忆式球罐纵缝多层焊自动跟踪系统。 1 3 智能控制 控制理论的发展始于w a t t 蒸汽机调节后的1o o 年酿。从2 0 年代以返馈控 制理论到五六十年代多变量控制为特征的现代控制理论，传统控制理论随着复杂 系统的不断涌现，多地显示它的局限性。如不能适应大的系统参数和结构的变化 自适应控制和自校正控制1 8 】，而缺乏复杂系统输入要求f 1 2 】等等问题，为了克服传 统控制理论的局限性，产生了模拟人类思维和活动的智能控制。智能系统必是控 制系统，控制系统必需具有智能 列。智能控制研究的主要内容如下： 冷智能控制系统基本结构和机理的研究 夺混合系统的建模和控制 令基于模糊集合、神经元网络、遗传算法、进化算法等智能控制器的开发 和研究。 夺智能计算和软计算的开发和研究 夺自组织、自学习的结构和方法的研究 令基于多代理( m u a t i a g e n t ) 智能控制系统的开发和研究 呤智能控制系统应用的研究 1 3 1 有关焊接智能控制的现状与趋势 焊接过程的自动化和智能化是未来焊接技术的发展方向。智能控制作为种 通过定性与定量相结合的综合集成方法，是人工智能和控制系统相结合的产物， 能够针对系统环境和任务的复杂性、模糊性和不确定性，有效的实现复杂的信息 处理功能【“。智能控制系统的基本特点就是不完全依赖于受控对象的数学模型， 从而在不确定性、非线性过程或对象的控制中，比现代控制理论中系统辨识的自 适应控制具有更好的鲁棒性口 。以模糊控制、神经网络、专家系统为代表的智能 控制理论在弧焊过程控制中的应用越来越广泛。 模糊控制的最大特征是将专家的控制经验、知识表示成语言控制规则，然后 利用这些规则去控制系统。经过二十多年的发展，模糊控制已从简单模糊控制阶 段发展到现在的自我完善模糊控制阶段【引。 在运用模糊理论研究模糊现象时，主要是由人工操作经验，对模糊信息进行 综合分析，利用模糊数学方法总结出控制规则，确定推理法则，制各成模糊控制 器，于是，在不了解工业过程的情况下，只按照控制规则和推理法则做出模糊决 策，便可模拟人脑的思维，实现工业过程的智能化自动控制【9 1 。 7 0 年代，国外己开始对模糊控制问题进行深入研究，并在许多实际工业生 产中得到了成功的应用”】【1 1 】；我国于7 0 年代末正式开始这方面的研究工作，并 在模糊控制器和模糊系统理论，以及人工智能等多种应用方面取得了很有价值的 研究成果川。 1 3 2 小总 专家系统、模糊控制和神经网络各有其优缺点。随着智能控制研究的不断 深入，神经网络、专家系统、模糊控制已经开始相互渗透和结合，智能控制技术 在焊接中的应用越来越广泛 3 】。目前，在弧焊过程控制中，专家系统主要用于熔 深和熔宽控制、电弧稳定性控制、焊缝跟踪和规范参数的专家知识优化等方面 13 ：模糊及其复合控制多用于电弧稳定性控制；模糊控制和神经网络结合多用 于熔宽、熔深和焊缝跟踪上，神经网络利用其“学习”功能主要应用熔深和熔宽 的检测，再与模糊控制器结合完成焊接质量和焊缝的跟踪。随着科学技术的不断 发展，特别是计算机技术、微电子技术和电力电子技术的发展和深入应用，为焊 接过程的智能化和获得高的焊接质量奠定了基础。 1 4 本课题研究的工作 本论文以轮履式移动机器人为研究对象，从实验和理论相结合的角度出发， 设计爬行式弧焊机器人的控制系统。主要包括以下几个方面的内容： 探讨对硬件的合理改进，增加控制量的输入和精确性； 设计爬行式弧焊机器人控制系统，并开发实用的控制软件； 结合已有爬行机构的运动方程和实际的控制方案，对机器人的控制方法 进行仿真研究； 通过焊接实验来检验控制系统的稳定性、可靠性和跟踪精度。同时对爬 行机器人的焊接过程的工艺进行研究，得到多层多道焊接的工艺规范， 为下一步的产业化打好基础。 4 第二章爬行式弧焊机器人系统组成 可移动式焊接机器人的实现，其中的一个关键环节就是系统硬件部分的设 计，按功能我们可以把整个系统大致分为运动部分、控制部分及焊接作业硬件系 统三个部分【1 6 。 本项目研制的爬行式焊接机器人系统由执行机构、检测与控制系统、焊接 系统组成。该机器人的执行机构由爬行小车和十字滑块构成；检测与控制系统中 检测部分有激光图像传感器，霍尔传感器，限位开关来和位移传感器等来得到各 种可用于控制的信息与信号，控制部分有控制器、人机界面、驱动电路及设备、 远程操作盒等；焊接系统这里选用芬兰k e p p i 焊机，其中包括有焊接电源、送 丝送气机构，选用凯斯勒的摆动装置。如下图2 1 所示，以下对这三部分作一些 说明。 图2 - 1 系统整体设计及连线图示 2 1 机器人运动机构组成 2 1 1 爬行机构 爬行机构为一种新型轮履永磁吸附方式 小车，如图2 2 所示，具有足够的吸附能力， 负重能力强，可达到1 2 0 k g ( 力臂离立面 1 5 0 m m ) 。同时具有一定的柔性，因此能够适 应圆柱形，球形的储油罐的内外表面，有较 强的越障能力。小车还带有安全机构，在链 条断裂后可自动吸附于工件而不会松脱。驱 图2 - 2弧焊爬行机器人 动系统采用松下交流伺服系统，电机转速可进行精确的闭环控制。小车的转弯动 作主要通过两驱动轮间速度差来实现，给出不同的左右履带速度即可产生不同半 径的转动。 2 1 2 十字滑块 十字滑块选用英国m e t a 公司的产品，具有质量轻，体积小，密封好，响 应速度快等特点，但由于滑块运动范围很窄( 左右移动范围小于6 0 m m ，上下小 于4 0 m m ) ，单一跟踪则无法实现全位置焊接。在以下章节中我们将谈到爬行机 构与跟踪系统的配合方面问题，这也是这篇论文希望能有所突破的一个方面。十 字滑块分上下和左右两个移动方向，在左右方向移动的十字滑块上安装有5 个接 触式开关，把横向位置分成四个区间，用来确定滑块的大概位置。在这里还需加 装位置传感器，完成对滑块精确位置定位。 2 2 检测与控制系统 爬行式弧焊机器人的检测与控制是紧密联系在一起的，有的部分可以说是完 全的集成，比如它的焊缝跟踪采用了英国m e t a 公司的激光焊缝跟踪系统，这 个系统对于我们的爬行机构可以说是一个完整的封闭式系统，从而产生了两者是 否能够协调控制的问题，这里只对硬件设备做一个简单的介绍，较为详细的讨论 将在下面的各章节中进行，所以除了要对机器人进行焊缝检测与跟踪外，还要对 焊接过程进行行之有效的规划与控制。控制系统包括主控制器、人机界面、十字 滑块运动控制、电机驱动器、远程控制盒等。 2 2 1 检测部分 在本系统中用到的传感器主要有用于焊缝检测的图像激光传感器，检测电流 的电流变送器，用于位置检测的接触式开关和位置传感器。 针对本课题要求移动机器人运动路径跟踪焊缝的这一目的，本机器人采用了 由激光和c c d 摄像机组成的激光传感器 1 8 】。它是m e t a 中的一个部分，能将 局部视场内的光学图像信号转换成带有 图像空间的电信号与同步信号合成完整 的视频信号，视频信号经过a d 转换后由 处理器进行各种处理操作。得出焊缝位置 信息，通过控制执行机构的运动进行跟 踪。实物如图2 3 所示。从该系统的硬件 中我们提取了焊缝宽度的实时信号、滑块 速度信号等可用于控制的信号。 焊接电流检测的目的是为了开始焊图2 - 3 激光传感器 接时的起弧判断和观察焊接过程中电弧 是否正常。检测焊接电流常用的传感器是霍尔元件【1 9 】。该系统采用的是河源市 雅达电子有限公司生产的霍尔变送器，型号为y d g - h t d - 7 3 0 0 a 。 位置检测主要是指十字滑块左右方向的位爱检测，在十字滑块内部有五个接 触式开关元件从左到右依次排列着，并有一定间隔，作为五个限位开关信号使用； 位置传感器采用日本s a k a _ e 公司的产品，它采用普通滑线电阻原理。 2 2 2 控制部分 p l c 作为一种专用计算机，具有可靠性高，功能完善、结构模块化、易于维 护并具有较高的性能价格比等优点，再考虑到大型构件焊接环境的恶劣和整个 系统的复杂程度以及开发时间的限制，我们选用了日本o m r o n 公司的c q m l h 系列p l c 作为整个系统的主控制器来协调各个子系统并用来执行主要的控制输 出工作f 2 0 1 。 c q m l h 是一种紧凑的模块化的支持通信功能和其它先进功能的高速可编 程序控制器 2 1 ， 以下是所使用c q m l h 型p l c 的基本配置，如下表2 - 1 所示 名称型号通道数功能 1 块1 块( 带16 点数 cp u 单元 c q m i h c p u 5 1 逻辑及数学运算 字输入) plc 系统工作电 电源单元c q m l 于a 2 0 6 l 块 源 1 块( 模拟量输入： 4 路，0 5 v ， 0 _ 一1 0 v ，1 m 丰1 0 v ，速度控制，速度、电 模拟量i o 板 c q m i h q 订a b 4 2 4 _ _ 2 0 a ；模拟量输 流检测 出：2 路，1 啦一+ 1 0 v ， 旺_ 2 0 m a ) 2 块( 3 2 点，2 4 v d c ，开关、接触器状态检 数字输入单元 c q m l 1 d 2 1 2 6 m a )测 1 块1 6 点，系统逻辑控制及状 数字输出单元c o m l - 0 c 2 2 2 2 a 。2 4 v d c )态 p l c 在系统中主要是协调各个子系统能按照焊接工艺的要求进行工作。因 此，它既要完成各种逻辑控制，同时还要进行系统的监控。各种开关、按钮和指 示灯都是由2 4 v 直流电源供电的；电流变送器检测到4 2 0 m a 的电流，通过模 拟量输入口进入p l c ；p l c 与可编程序显示器的通信采用的是r s - 2 3 2 串行通信 方式。 人机交互设备是人与系统进行数据和命令交换的唯一途径，这里我们采用了 富士电机公司生产的u g 2 2 0 h l c 4 型触摸屏【2 2 1 的触摸屏产品。它由触摸式按键 和液晶显示屏组成，通过按触摸开关就可以执行操作命令和修改设定，通过液晶 屏可以直接观察到参数和工作状态。与p l c 相联后操作者可以直接观察到p l c 内部存储单元( 包括输入输出端口) 的值，也可以随设定改变这些单元及输出端 1 ：3 的值，且不需要p l c 的参与，开发调试相当便利，又便于操作者进行设定、 调整参数和观察测量结果。 触摸屏主要解决如下问题： 1 ) 参数设定。如焊炬速度、控制表相关输入、焊缝类型、钢板类型等。 2 ) 系统工作时工作状态显示。如小车左右轮的实时速度、焊缝实时宽度、 电流实时值、p l c 寄存器实值等等。 3 ) 故障显示、系统重置及系统调试。 4 ) 对数据进行处理。由于内部有运算部分，它具备对数据的快速处理能力， 从而减轻p l c 的负担，提高了程序设计的灵活性。 电动机作为机器人驱动系统中的执行元件，按其原理来分，可分为直流电动 机、交流同步电动机、步进电动机、开关磁阻电动 机、交流异步电动机等五大类2 3 1 。本机器人采用了 两套日本p a n a s o n i c 公司的m i n a s a 系列交流伺服 电机和驱动器作为驱动设备，包括带有减速齿轮的 交流电机、伺服驱动器以及用作速度反馈的旋转光 码盘。通过调节两履带轮的转速来控制车体的运行 速度和转动角速度。该电机额定功率为2 0 0 w ，额 定转速为3 0 0 0 r r a i n ，工作电压为2 0 0 v ，编码器为 增量式2 5 0 0 p r 2 “。 开发完成的控制柜如图2 - 4 所示，控制柜中集 成人机界面、十字滑块控制箱、控制器、驱动器、 监视器以及焊接电源控制板。为了提高系统的抗干 图2 - 4 控制柜 扰能力，控制柜中的布线遵循电源线和信号线分 开、强电和弱电分开走线的原则。另外本系统还采用 远程手控盒来解决大型工件的大范围作业的问题，其 中集成十字滑块的控制手柄、焊接电源的调节系统、 摆动器的控制板以及各种控制开关和状态指示灯，在 实际作业中的基本要求都能够满足。如图2 5 所示。 2 3 焊接系统 图2 - 5 手控盒 本机器人系统的焊接采用的是气体保护焊技术 1 5 1 ，焊接系统包括焊接电源 送丝机构，保护气体及焊矩摆动器。 由于大型工件的焊接一定是全位置的【1 3 】，焊接电源必须能适应此要求，最 大矛盾是如何解决焊缝成形和焊接效率之间的矛盾。系统中焊接电源采用的是一 套自适应m i g 焊接电源，利用一台动态特性非常好的i g b t 逆变电源与高动态 品质的送丝机，对熔滴过渡进行控制并利用数据库存储最好程序，在焊接过程中 根据外部条件，自适应改变焊接参数，达到高质量、高效率的焊接【1 4 l 。该焊接 电源参数设置方便，焊接过程稳定，飞溅小，同时体积也比较小，适合工她工作。 辅助焊接装置有焊炬摆动器。由于本系统针对大型工件焊接，焊件板厚在 8 m m 以上，且坡口较大，焊炬直线运动不能保证其焊缝成形。焊炬摆动器的作 用就是让焊炬模仿焊工的“手法”，使焊枪按一定轨迹摆动，并在适当位置少时停 留，从而达到提高表面成形质量和焊接质量的要求。 在该系统中焊枪摇摆器采用的是凯斯勒公司的产品，它能够对焊枪摆动形 式、摆动的停留时间、摆动幅度、摆动频率进行控制，体积小质量轻，安装方便， 摆动灵敏，可调范围大。 2 4 本章小结 本章主要介绍了爬行式弧焊机器人系统的硬件组成，对各部分硬件进行 了一般性论述。系统的硬件分为运动执行机构、检测与控制系统、焊接 系统等。 1 0 第三章机器人系统控制方法研究 3 1 引言 对于爬行式弧焊机器人，它的各个部分有不同的特点。爬行机构为轮履复合 式永磁吸附机构，自重和驱动力都较大，控制目标是使爬行机构能平稳和灵活地 运动，满足焊缝跟踪的要求：激光识别跟踪系统，这是一个较为封闭的系统，它 跟踪效果快速精确，但受有效范围限制。机器人系统控制方法研究的根本问题就 是在已往研究的基础上，寻找可行的和较优的控制方法，使爬行机构和跟踪系统 合理的结合，并能保证可靠的焊缝跟踪和良好的焊接效果，最终实现大型工件上 全位置焊接的目的。 3 2 运动控制规划 在本课题中，轮履永磁爬行机构本体与图像跟踪系统的协调和信号响应是研 究的重点。 3 2 1 控制对象 系统运动机构部分中的爬行机构可以对焊缝进行大范围跟踪，可以不限制工 作的方位和姿态，但其跟踪精度较差，单独作用无法保证焊炬与焊缝有精确的相 对静止位置关系。这与爬行机构本身施加的大驱动力和相对很大的摩擦阻力有 关，另外还需考虑工件表面的粗糙度对爬行机构运动产生的不利影响，所以想要 它单独进行平滑的焊缝跟踪非常困难。 激光跟踪系统由相对独立的控制和执行部分组成。可以单独用它进行焊缝跟 踪，这样做焊接效果很好，也有很高的精度和平滑性，但因为它的执行机构即十 字滑块运动范围很窄，故不能满足对大型工件全位置自动化焊接的目标要求。我 们所使用的激光传感器的视觉范围为左右4 5 m m ，它所能控制的十字滑块在左右 滑动方向上小于6 0 r n m ，上下小于4 5 r a m ，所以用它单独跟踪是远远不够的。 两个运动控制机构的结合以及它们的结合方式的问题就成了我们这一次研 究工作的关键。激光跟踪部分可以进行跟踪焊缝和识别焊缝形状( 接头形式，坡 口形状，间隙大小) 等工作，以往的工作已进行了大量研究：而爬行机构具有强 吸附力，又有一定的柔性，驱动系统采用交流伺服电机，小车的转弯动作主要通 过两驱动轮间速度差来实现，给出不同的左右履带速度即可产生不同半径的转动 口。在控制中输出为正负o l o v 电压方式，经过速度整定后电压差为左右速度 差，所以车体转动控制输出量可由一电压差比率表示。 3 2 2 控制方案 控制方案将采用两系统结合的方法，即将爬行小车的跟踪和带动焊炬的十字 滑块跟踪有机结合1 2 0 。两系统相结合的结构关系可以有两种，即将爬行小车大 的纵向运动和十字滑块小的左右横向运动的进行结合的两种方式： 1 并联控制方式 传感器位置信号同 时输出n - - - 者的控制器， 由于小车惯性大，所以它 只反映出焊缝方向的趋 势，而十字滑块灵敏度 高，除焊缝大趋势外，坡 口形状变化也可反映( 这 也是保证焊接质量的重 图3 - 1 爬行式弧焊机器人并联控制方式 要因素) ，叠加结果使得跟踪范围不受限制，而又有高的灵敏度和焊接质量。如 图所示图3 1 2 串联控制方式 先将传感器位置信 号传给十字滑块跟踪系 统，进行小范围的跟踪， 再将横向滑块的位移量 和方向信号传给小车控 制系统，使小车进行大范 图3 - 2 爬行式弧焊机器人串联控制方式 围的跟踪，这样就避免当跟踪范围大时，十字滑块到滑架端头而失效2 扪。如图 3 - 2 所示。 基于以上的控制方案，又由于运动机构的不同特点，选用串联控制方式，它 的优点在于层次性好，结构简单，易于实现，易于规划。下面，工作主要集中在 爬行机构的控s t f = l 题上，即需确定合理的控制方法使两组相对独立的运动机构能 协调动作，最终达到焊缝跟踪的精确要求。 3 4 爬行机器人运动控制方案 该系统的主体运动机构爬行小车是一种较为新型的轮履永磁吸附式小车，在 设计上是一种创新，虽然与其它爬行机构或装置也有一些类似 2 7 。 它的转弯是靠改变两驱动轮之间的速度差来实现，当左轮速度大于右轮时小 车向右转弯，反之亦然。使爬行小车实时改变速度差的方法有很多，可以通过数 据分析的方法同图像偏差和速度变化建立一定的关系式，或直接做成数据库控制 的形式。爬行小车本身重量大，又有强的磁力吸附，惯性很大，跟踪精度差【1 7 】， 与十字滑块的平滑精密跟踪相结合后，因为十字滑块机构重量轻，体积小，机械 和电磁惯性都很小，跟踪精度高( o 3 m m 以内) ，既可以获得很高的跟踪灵敏 度和精度，又可使跟踪范围不受限制。 这里我们考虑用多种不同的控制方式达到所期望的要求，下面将对各控制方 式进行详细的探讨。 3 4 1 倍速差值法 倍速差值法是系统最初所使用的控 制方法，它是基于并联控制方式的一种 控制方法，现称为基于模糊控制理念的 速度差 图3 - 3 爬行小车的控制原理 倍数差值法【1 6 1 【1 7 1 1 2 0 l 。限于系统最初所具有的硬件条件，采用单输入单输出方式。 它参考了模糊控制的思想，以取到的滑动方向与左、左中、右中、右四个大概的 滑块位置信号作为输入信号，设计时用软件的方法延伸出等于或大于3 的转动比 值，并以此值结合焊接速度大小得到实时的小车转动用速度差值。 这种方法虽然简便，但对于这套系统来说还是比较实用的。方案原理如图 3 - 3 所示。 1 输入信号 爬行机的输入信号为十字滑块左右方向的位移信号，位移信号包括位置信号 和移动方向。滑块移动方向可由滑块驱动电机的转向得到，是正负的开关量信号。 四个位置信号可由安装在滑块上的5 个限位开关得到，如图3 - 4 所示。在p l c 中又定义了4 个定时 器，当滑块处在2 到 3 区间时，十字滑块 横向移动 由2 向3 连续移动 1 5 秒和2 5 秒为计 时长度；当在3 到4 璐 7 口纵向彰 骨块 1 2 口3 口4 口 5 d 1 左极限开关 动滑块2 。左控位开关 3 冲位开关 4 - 右控位开关 5 右极限开关 图3 - 4 十字滑块的结构示意图 之间时，十字滑块由3 向4 连续移动1 5 秒和2 , 5 秒为计时长度。以滑块处于某 一区间的停留时间的长度来判断滑块在其中的大概位置。在硬件条件不充足的情 况下，用软件的办法解决位置信号过少的问题，这在一定程度上也是可行的2 “， 从而使爬行小车能够根据这些信号来判别滑块偏离中心的程度。 嚣篡纛篙竺雾彖搿喜 夼幛向 是在焊缝与爬行小车的水平中心线成口角的情v 小军月u 迸万同 况下进行，如图3 5 所示。对于同一个口角分 焊缝。 h 瑟冕箸淼淼篡世 此角度下的最佳4 n 然后改变口角的大小，重i 复以上步骤，最终得到在某个焊接速度下不同8 盲 角时的最佳值，然后根据以上数据确定在给定 【十字滑块与【 焊接速度下的z l v 。最后对于不同的速度段重复 爬行小车 速度差值。速度段从15 c 珀，m 面开始，5 c t n 瑚i n 图3 _ 5 机器人跟踪示意图 为一段，最大值为7 0 c n g m i n 。下面给出的是实验数据表的结构和部分内容。 表3 1 焊接速度为3 5 c m m i n 时的实验数据。 焊接速度精度速度差4 v ( c m m i n )地m ) 婶 o358l o1 2 蕊矿r 立 oo 3 50 - 30 60 6 1 4 3 5 l o0 5o 70 81 4 1 5o 5o 70 91 4 2 0 0 6o 8o 91 6 因在实际大型工件的焊接作业中小曲率半径一般不做要求，即该点的切向角 不超过1 5 度，因此做实验时2 0 度能满足精度要求就可以满足实际焊接作业。同 样由于目前的实际焊接工艺大部分采用的是单面焊双面成型或采用双面焊自由 成型法，焊接速度只要最高能够达到7 0 c m m i n 就能满足要求。 对表3 - 1 进行数据处理：对于每个分段焊接速度，选出一个最佳的a v ，原 则是保证跟踪精度和跟踪过程的稳定性、可靠性的情况下选择最小的一比其中 要避免j 矿过小或过大。如此可确定出在不同焊接速度下的最佳彳“最终得到 在各个焊接速度段下的最佳a v , 表3 2 为对实验数据进行分析后的在不同焊接 速度下的a v 。 表3 2 中数据只是一个速度段中的某个速度对应的最佳一y 值，对于连续的 焊接速度并不适用，因此需要作线性拟合。我们采用m a t l a b 进行次曲线拟合 的方法进行处理，从而得到速度差与焊接速度v 之间的关系式如式( 3 1 ) 所示， j v - - o 1 6 7 1 3v - o 5 1 9 8 3 1 ) 对式( 3 1 ) 进行圆整得式( 3 2 ) 彳y = y 6 一j 尼( 3 2 ) 式( 3 2 ) 就是我们所要求的关系式。 表3 2 不同焊接速度下的速度差值表 【焊接速度( c m m i n ) 1 52 02 53 03 54 04 55 05 56 06 57 0 i两轮速度差 33 55588881 01 01 2 i( c m m i n ) 得出上式后，就可以在爬行机构的控制中直接使用。控制系统将根据焊接速 度用公式3 2 得出在该焊接速度下合适的j v ，在激光跟踪系统开启并跟踪的过 程中，十字滑块左右方向滑架将产生位移信号，分别为位置与滑动方向信号，控 制软件部分对这些信号做出判断，决定爬行机构的动作。 3 4 2 简单模糊控制法 速度差值法虽然满足了设计的某些要求，但还存在很多缺陷。在实验的过程 中可以发现，它对微偏的焊缝很难做出细致的运动判断，在滑块位置区间改变时 速度会发生突变，直线焊接时由于误差积累产生突然转向，速度改变时不能平滑 变速等问题。 分析原因是由于输入信号少且对滑块运动状态反映不足造成的。差值法的实 质是在滑块跟踪过程中控制爬行机构的运动方向，使滑块尽量能保持在中部两区 间内。 改进的办法，首先要增加变化率信号，即滑架左右滑动时的实时速度值，这 是o i o v 的电压信号，可从十字滑块跟踪系统中直接取得；其次要考虑这个速 度量输入和原有四个区间位置信号如何产生对爬行机构的控制。参考倍速差值法 的控制策略和程序编排方法，考虑在利用原有区间信号基础上增加区间内滑 块状态的分级数。因为有了速度值的连续输入量，在一个区间内，滑块的运动状 态可以清楚的反映出来，增加分级数实质就是在单位区间内细分滑块速度量输 入，从而使状态分级大大提高口9 1 。这样做利用了滑块速度变化反映运动趋势， 并间接反映焊缝偏差信息的原理，从而大概确定焊枪对焊缝的跟踪状态。 考虑用模糊控制的方法对系统进行设计【3 “。在决定该方案前查阅的大量资 料中，用p l c 控制器做模糊控制算法的类似课题并不多见【3 【2 8 】【3 2 j ，新控制系统 的设计具有很大的试验性质。 1 模糊控制原理 图3 - 6 模糊控制原理图 在自动控制系统中，控制器的输入、输出是精确量。但是在用模糊理论设计 控制器时，用到的却是模糊量。因此，模糊控制器首先要将控制器的输入量模糊 化，转化为模糊量，然后根据模糊控制规则进行模糊推理，并将推理结果非模糊 化，转化为精确量，作为馈送到被控对象的控制输出 6 】【3 3 】。模糊控制的基本原理 如图3 - 6 所示，核心部分为模糊控制器控制规律。一般在模糊控制中，分级越细， 用于计算的量越大，使系统运行减慢，故可采用简单的查询表方式模糊控制器。 它具有结构简单，使用方便的特点。一般步骤分别为确定模糊控制器的结构、建 立模糊控制规则、确定模糊变量的赋值表及最后的建立可用的模糊控制表。前部 分的工作可以由离线推导，也可采用m a t l a b 软件工具中的模糊控制工具箱 ( f u z z yl o g i cc o n t r o lt o o lb o x ) 进行设计，十分便捷：由此得出的模糊控制表 就可以直接拷入实际控制系统中了。 2 模糊控制器的设计 确定采用双输入单输出的模糊控制方法【3 】f 6 1 。位置信号是四个区间信号，可 直接视为模糊化后的模糊语言值；滑架滑动速度信号需要进行模糊化处理，从而 建立起二维的模糊控制器；经非模糊处理后可得精确的速度差值输出，为易于实 现控制器可做成模糊控制表，以查表的方法实现模糊控制。 1 ) 模糊集、论域 模糊控制器输入变量为十字滑块四区间位移信号e 和滑块滑动速度v ，输出 变量为爬行机器人左右轮之转速差比率u 。滑块位移信号的划分如表3 3 所示， 十字滑块速度v 由其驱动电机的电压u 来表征，基本论域为 一1 0 v ，+ 1 0 v ，转速比 u 为数字差值输出。对位移信号e 、十字滑块速度信号v 及转速差比率u 的模 糊集定义如下： e 的模糊集为 n b ，n s ，p s ，p b ) v 和u 的模糊集为 n b ，n m ，n s ，o ，p s ，p m ，p b ) ( n = n e g a t i v e ，p = p o s i t i v e ，b = b i g ，m = m e d i u m ，s 2 s m a l l ，z o = z e r o ) 它们的论域定义如下： e 的论域为 _ 2 ，- 1 ，1 ，2 ) v 基本论域为 一1 0 ，1 0 ，量化因子为k v = o 6 ， u 基本论域为 一1 0 ，1 0 ，量化因子k u = 1 0 6 ， v 和u 的论域均为 - 6 ，- 5 ，- 4 ，一3 ，一2 ，一1 ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ， 表3 - 3偏差e 离散量e e 2 112 l 十字滑块位置 1 至 j 2 限位点2 至 j 3 限位点 3 到4 限位点4 到5 限位点 2 ) 模糊控制规则、隶属度函数 模糊推理是模糊控制器的核心部分旧。所谓模糊推理是依据特定的规则或模 糊关系，对模糊输入值进行模糊逻辑运算3 卦，从而得出相应的模糊输出的过程。 推理规则的一般形式是： i f e i s a la n d v i s b l ，t h e n 捌u i s c l ； l f ei s a 2a n d v i sb 2 ，t h e n 掣ui sc 2 ； i f e i s a na n d v i s b n ，t h e n 4 u i s c n ； 其推理规则如表3 _ 4 所示 掣迭 n bn s p sp b n bp b p mp sz e n mp bp m p sz e n sp b p sz en s op mp sn sn m p sp sz en s n b p m z en s n mn b p bz en s n mn b 将某个具体的模糊变量值转换成具体的模糊语言值，所依靠的是隶属度函 数。隶属度函数是用来反映模糊变量值和模糊语言值之间的依存关系程度。经过 测量可知在一般在跟踪过程中，滑块如在小范围保持跟踪，没有大偏差的情况下 速度信号输出总保持在一2 v 2 v 之内，而4 v 7 v 常为出现较大偏差的中间过渡 态，v 信号这时会在短时间内跳变到7 v 以上，并且这种情况也非常极端。正常 条件下会保持在一4 v 4 v 之内。论域均匀分布将不能反映信号在小范围的波动， 从而失去v 信号对e 的补充作用。故隶v 属度分布考虑取为向中间聚缩的形式。 在实际实验也证明能大大减小了小车运行的波动，有利于跟踪实现。 模糊变量e 、v 、u 的隶属度赋值表别见表3 - 5 、表3 - 6 、表3 7 所示。 表3 - 5 糊变量e 的隶属度函数赋值表 e _ 2 1012 语言碹 n b 1o 3000 n s o 1l0 4oo p s0o0 410 1 p booo0 31 表3 - 6 模糊变量v 的隶属度函数赋值表 哕 存言夺 - 65 - 4 3 - 2 1o+ 1+ 2 + 3 + 4 + 5 + 6 n b l1o 5 ooo0000o0o n m00o 510 5o0000o0o n s 0 oooo 510 3000o0o z o00ooo0 310 300ooo p s00o0o00 310 5o00o p mo0o0 oo o 00 510 5o o p b0ooo0000000 5 1 1 表3 7 模糊变量u 的隶属度函数赋值表 撤， 一65 _ 4321 o + 1+ 2+ 3 “ + 5+ 6 语言谊 n b1o 5ooo0ooooo o o n m 0 0 510 5o0oo00o00 n s0o00 5 10 5 o0o 0oo0 z oo00o0o 510 5o0oo0 p s000o 00 00 510 5 o00 p mo000o000o0 5l0 50 p b00o0 0o00o000 51 3 ) 解模糊、控制查询表 经过模糊推理机后，可得控制输出u 的模糊语言值，我们还须把这种模糊语 言值转换成执行机构能够执行的精确的量。解模糊主要是根据输出模糊语言值和 输出模糊变量之间的隶属度关系，根据一定的算法得出精确的输出