（控制理论与控制工程专业论文）移动机器人旋转电弧传感搭接焊研究.pdf

摘要 摘要 焊接是现代工业生产中的一个重要的加工环节，随着工业技术的不断发展， 传统的手工焊接方法已不能满足现代高技术产品制造的质量、数量的要求。焊 接自动化、智能化是焊接技术的发展方向。本文针对大型结构件的焊接生产中 存在的大量搭接焊缝，以及其焊缝跟踪智能化水平低的现状，对移动机器人旋 转电弧搭接焊进行研究，实现搭接焊缝的自动跟踪，这对于提高生产效率和保 证产品质量具有非常重要的意义。本论文包括以下几部分内容： 首先，本文概括介绍了移动焊接机器人，并对搭接焊缝的研究情况作了系 统的介绍，对搭接焊缝的焊接、跟踪传感器及跟踪控制研究现状进行了详细地 阐述；并介绍了用于焊接自动化的自动控制技术。 其次，研究适用于旋转电弧搭接焊信号去噪的方法。针对旋转电弧搭接焊 信号的特点研究了均值滤波、带有削波性质的最小值滤波、中值滤波、数学形 态滤波，总结出了组合式多重滤波方法，该方法能有效地抑制旋转电弧信号的 干扰、保留有用的信号特征信息。 其中，研究搭接焊缝的偏差识别方法，运用积分差值法、特征谐波检测法 及神经网络法对旋转电弧搭接焊信号进行偏差提取，并采用融合算法对三种方 法提取的偏差进行融合，实验表明，使用融合算法可以较好的提取搭接焊缝偏 差信息，为搭接焊缝跟踪打下坚实的基础。 最后，针对焊接过程难以建模的问题，采用模糊控制的方法，设计焊缝跟 踪控制器，对二维运动平台的横向滑块进行控制，实现了直线搭接焊缝、小曲 率折线搭接焊缝的跟踪。通过设计的控制器进行焊缝跟踪实验，实验结果表明， 采用该模糊控制器能够取得较好的跟踪效果。 关键词：旋转电弧传感；信号处理；焊缝跟踪；模糊控制；搭接焊缝 a b s t r a c t a b s t r a c t i nm o d e mi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，w e l d i n gi sa ni m p o r t a n tp r o c e s s i n gl i n k ，w i t h t h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lt e c h n o l o g y , t r a d i t i o n a lm a n u a lw e l d i n g m e t h o dc a nn o tm e e tt h em o d e mh i g h t e c hp r o d u c tm a n u f a c t u r i n gq u a l i t ya n d q u a n t i t yr e q u i r e m e n t s w e l d i n ga u t o m a t i o n a n di n t e l l i g e n ti st h ed i r e c t i o no f d e v e l o p m e n to fw e l d i n gt e c h n o l o g y i nt h el a r g es t r u c t u r e sw e l d i n gp r o d u c t i o n p r o c e s s ，t h e r ea r eal a r g en u m b e ro fl a pj o i n t s ，a n dt h es e a mt r a c k i n go fl a pw e l d si s i nl o wl e v e lo fi n t e l l i g e n t ，a c c o r d i n gt ot h i sc u r r e n ts i t u a t i o n , t h i sp a p e rs t u d yo f m o b i l er o b o t 谢t hr o t a t i n ga r es e n s o ro nl a pj o i n t sw e l d i n g ，a n da c h i e v e da u t o m a t i c t r a c k i n go fl a pj o i n t s ，t h i s i st h eg r e a ts i g n i f i c a n c et oi m p r o v ep r o d u c t i v i t ya n d p r o d u c tq u a l i t y t h ec o n t e n t so ft h i sp a p e ri n c l u d et h e s ep a r t s ： f i r s t l y , as u m m a r yo ft h ew e l d i n gm o b i l er o b o tw a si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h e nt h er e s e a r c ho fl a pj o i n t sw a sm a d eas y s t e m a t i ci n t r o d u c t i o n ，t h el a pw e l d i n g ， t r a c k i n gs e n s o r s ，a n dr e s e a r c hs t a t u so fw e l d s e f l n lt r a c k i n gc o n t r o lw e r ec a r r i e do u ti n ad e t a i l e dd e s c r i p t i o n a n dt h ea u t o m a t i cc o n t r o lo fw e l d i n ga u t o m a t i o nt e c h n o l o g y a l s oi n t r o d u c e d s e c o n d l y , r e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o no fr o t a t i n ga r cs e n s o rs i g n a ld e n o i s i n g m e t h o d f o rt h es i g r l a lc h a r a c t e r i s t i c s ，a ne f f e c t i v ec o m b i n a t i o no fs i g n a lf i l t e r i n g m e t h o da p p l i e di nr o t a t i n ga r es e n s o ri sp u tf o r w a r d a n di ti sp r o v e di ne x p e r i m e n t s t h a tt h i sm e t h o dc a nm o r ee f f e c t i v e l yr e s t r a i nt h ei n t e r f e r e n c eo ft h ea r es i g n a la n d r e t a i nt h eu s e f u li n f o r m a t i o no fs i g n a lc h a r a c t e r i s t i c s i no r d e rt os t u d yt h ed e v i a t i o n si d e n t i f i c a t i o nm e t h o d si nl a pj o i n t s ，i n t e g r a l d i f f e r e n c em e t h o d ，c h a r a c t e r i s t i ch a r m o n i cd e t e c t i o nm e t h o da n dn e u r a ln e t w o r k m e t h o dw e r eu s e di nd e v i a t i o ne x t r a c to fl a pj o i n t si nr o t a t i n ga r cw e l d i n g ，a l s of u s i o n a l g o r i t h mo ft h e s et h r e em e t h o d sw a su s e dt oe x t r a c tt h ed e v i a t i o no fl a pj o i n t s ， e x p e r i m e n t ss h o wt h a t ，f r o mt h ee x p e r i m e n t a ld a t aa f t e rs i n g l ep r o c e s s i n g ，t h ef u s i o n a l g o r i t h mo ft h e s et h r e em e t h o d sc o u l de x t r a c tt h ed e v i a t i o ni n f o r m a t i o nm u c hb e t t e r , a n dl a yas o l i df o u n d a t i o no fs e a mt r a c k i n go fl a pj o i n t s 1 1 a b s t r a c t f i n a l l y , b e c a u s eo ft h em o d e l i n gd i f f i c u l t yo fw e l d i n gp r o c e s s e s ，f u z z yc o n t r o l m e t h o d sa r eu s e dt od e s i g ns e a n lt r a c k i n gc o n t r o l l e rt oc o n t r o lt h ec r o s ss l i d e rf o rt h e l a pj o i n t ss e a mt r a c k i n g b yu s i n g t h i sc o n t r o l l e r , a c h i e v e dt h ew e l d i n gs e a mt r a c k i n g o fs t r a i g h tl i n el a pj o i n t sa n ds m a l lc u r v a t u r eb r o k e nl i n el a pj o i n t s t h r o u g ht h el a p j o i n t sw e l d i n gs e a mt r a c k i n ge x p e r i m e n t , t h ef u z z yc o n t r o l l e rc o u l da c h i e v eb e t t e r s e a mt r a c k i n gr e s u l t s k e yw o r d s ：r o t a t i n ga r cs e n s o r ；s i g n a lp r o c e s s i n g ；w e l d i n gs e a mt r a c k i n g ；f u z z y c o n t r o l ；l a pj o i n t s i i i 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 为获得直昌太堂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己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：专葭麴签字日期：乃叼年易月ff 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、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。本人授权直昌太堂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、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 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：蔫落细导师签名- j ，o 心 l 签字日期：洲年6 月ff 日签字日期：砂巧年6 ， 月ff 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的意义 焊接生产是现代工业中的一个重要的加工环节，已广泛应用于机械制造、 造船、海洋开发、汽车制造、石油化工、航天技术、原子能、电力、电子技术 及建筑等各个部门。在现代社会高速发展的今天，传统的手工焊接方法己不能 满足现代高技术产品制造的质量、数量的要求。因此，保证焊接产品质量的稳 定性、提高生产效率、减轻工人的劳动强度和改善劳动环境已成为现代焊接制 造工艺发展亟待解决的问题。提高焊接生产的自动化程度是解决上述问题的主 要途径；计算机技术、控制理论、人工智能、电子技术、机器人技术的发展和 加工水平的提高，为焊接过程自动化提供了十分有利的条件，并已渗透到焊接 各领域中，焊接过程自动化已成为焊接技术的生长点之一【峪l 。 焊接自动化必须借助一定的焊接自动化装备，目前国内外广泛采用焊接机 器人。采用机器人焊接有如下优势| 3 , 4 1 ：( 1 ) 稳定和提高焊接质量，保证其均一性。 ( 2 ) 改善了工人的劳动条件。( 3 ) 提高劳动生产率。( 4 ) 产品周期明确，容易控 制产品产量。( 5 ) 可缩短产品改型换代的周期，减小相应的设备投资。 据统计，全世界在役的工业机器人中大约有三分之一以上用于各种形式的 焊接加工领域，其中的绝大多数应用在汽车、摩托车等结构化环境下的生产线 上【5 】。但是从整体上看，这些机器人大多属于示教再现型或离线编程型，功能较 单一【6 】。对于非结构环境下的焊接作业，由于工件的复杂性和现场环境的不确定 性，根本就没有办法采用示教再现的方式。因此开发具有一定智能行为的可自 动跟踪焊缝的移动焊接机器入就显得尤为重要。 移动焊接机器人是一个具有空间多自由度的智能焊缝跟踪系统，它本身具 有一定的自主性、对外的感知能力和局部的对跟踪路径的自主规划能力等。在 焊缝跟踪的过程中，不仅实时调整焊炬与焊缝之间的偏差，而且实时调整机器 人本体以及其工作臂和焊枪在焊接空间的位姿。 本课题围绕一台新型轮式移动焊接机器人机构，采用旋转电弧传感器，对 广泛存在于汽车制造，船舶制造，航空航天制造等工业生产中的搭接焊缝跟踪 控制进行研究。由于焊接机器人自动焊接能提供稳定的焊接质量，减轻工人的 第1 章绪论 劳动强度，提高工作效率，降低成本；并且电弧传感器具有结构简单、成本低 以及跟踪灵敏度高等特点，对实现焊接的低成本自动化具有重要意义。 1 2 焊接机器人概述 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 4 , 7 - 9 】。 焊接是工业机器人应用最重要的领域之一，随着工业水平的发展，重要的 大型焊接结构件的应用越来越多，其中大量的焊接工作必须在现场作业，如大 型舰船舱体、甲板的焊接、大型球罐( 储罐) 的焊接等。无疑，将机器人技术和焊 缝跟踪技术结合将有效地解决大型结构件野外作业的自动化焊接难题。 依照机械本体区分，焊接机器入主要包括底座固定的关节式焊接机器人和 移动式焊接机器人。关节式焊接机器人主要包含有弧焊机器人和点焊机器人。 移动型焊接机器人包含了可以自主行走的全位置轮式移动型焊接机器人，以及 导轨式移动型焊接机器人。 我国在移动机器人方面的研究工作起步较晚，上世纪八十年代末，国家8 6 3 计划自动化领域自动机器人主题确定立项，开始了这方面的研究。为了适应野 外自动化作业的需要，要求移动焊接机器人能够在平面、球面或是弧面上，都 能有较大的动作范围，或者说只受电缆限制不受机构限制；在全位置焊接时， 还要求能够吸附在工件上爬行。研究这样的智能系统，必须解决传感技术、行 走机构、控制技术、磁吸附技术等方面的问题【1 0 】。 目前移动焊接机器人的行走机构主要是履带式和轮式两类。履带式移动机 器人优点是着地面积大，壁面适应能力强，通过电磁铁吸附控制吸附壁面力的 大小，缺点是结构复杂，转向性差，所以这种结构适用于壁面、球面、管道等 曲面上的爬行焊接。轮式移动机器人优点是移动速度快，转向性好，但着地面 积小，壁面适应性差，所以这种结构适应平面横向大范围变化焊缝的焊接和坡 度不是很大的斜面爬坡焊接，由于这种移动机器人结构相对简单，所以目前在 2 第1 章绪论 焊接及其它行业中用得都比较多。 磁吸附技术也是移动焊接机器人的一项关键技术，磁吸附方式分电磁体式 和永磁体式。电磁体式维持电磁吸附力需要电力，但控制较方便；永磁体式不 受断电的影响，使用中安全可靠，目前研究比较多的还是永磁体式。磁吸附又 有多种形式，如轮式、步行式、履带式及吸盘式等，它们各有优缺点。车轮式 磁吸附方式行走速度快，转弯容易，但吸附力较小；履带式磁吸附爬壁机器人 产生的吸附力大，然而履带式磁吸附方式也有转弯难的缺点【】。目前在焊接领 域中，用得比较多的是轮式磁吸附方式和履带式磁吸附方式。 将移动机器人技术和焊缝跟踪技术有机结合起来，实现大型复杂焊接结构 件的自动化焊接，无疑将大大减轻工人的劳动强度，减少人为因素的影响，提 高产品的生产效率和保证焊接质量。而现代先进制造技术的发展，对焊接产品 提出了更高层次的要求，因此适应特定焊接任务的移动式焊接机器人在大型焊 接结构件的生产中将有着广阔的应用前景，而其相关的研究也将越来越引起广 大焊接科研工作者的关注。随着工业生产系统向大型、复杂、动态和开放的方 向发展，以及焊接过程高度自动化及完全智能化的方向发展，智能体焊接机器 人正在不断的发展【蚺1 2 1 。 1 3 搭接焊缝研究情况综述 1 3 1 搭接焊缝焊接概述 目前，在焊接结构中存在大量的搭接焊缝，尤其在汽车制造、船舶制造、 航空航天、压力容器制造等行业。用于搭接焊缝的焊接方法主要有点焊，激光 焊，搅拌摩擦焊，钨极氩弧焊，c 0 2 气体保护焊等。 围绕搭接焊缝的研究工作主要在焊接工艺设计、应力分析、焊缝成形质量 等方面。如季润东等对搭接板的静强度进行分析讨论，对搭接接头变形进行力 学分析，给出了搭接板静强度计算公式【1 3 】。许君等人在双相钢搭接点焊接头进 行疲劳试验的基础上，对双相钢点焊接头疲劳裂纹扩展及失效形式进行了讨论， 获得了焊点的载荷寿命曲线，分析和解释了疲劳过程中的现象，并根据裂纹的 实际扩展路径，提出了局部等效张开应力强度因子【1 4 1 。瞿丰等人对不同厚度汽 车车身用板进行了搭接接头形式的激光焊接研究，并对焊接接头进行了拉伸试 验分析，确定了合适的焊接参数f 1 5 1 。关岚等人研究了c 0 2 气体保护搭接焊工艺， 3 第1 章绪论 分析了焊接工艺参数对接头外观和力学性能的影响【l 们。魏伟等人对车身镀锌钢 板进行激光搭接焊实验，分析其搭接间隙、焊缝成形和焊接性能等【l 7 1 。 1 3 2 焊缝跟踪传惑器概述 1 、接触式传感器 包括机械式和机械电子式二种。原理是通过传感器与被焊工件的接触提取 所需要的信号，进行焊接质量自适应控制。这种接触传感器主要用来提取焊缝 位置及起始焊接位置信息。主要形式有接触探头式和电极接触式。接触式传感 器结构简单，工作可靠，不受电弧干扰，成本低，曾在生产中得到广泛应用。 但它比较笨重，跟踪精度不高，随着科技的发展，目前已渐渐被淘汰【l 引。 2 、非接触式传感器 其特点是在不接触被焊工件的前提下提取所需要的信号。由于非接触式传 感器具有检测信号种类广泛，灵活性较大，使用方便等优点，是焊接传感器发 展的方向。人们对这种传感器的开发与研究投入了很大的人力和财力。随着时 间的推移，这种传感器的应用将不断扩大【1 9 】。 ( 1 ) 电磁式传感器 基本原理就是利用传感器偏离坡口中心时电磁穿过的空气隙长度的变化， 使传感器电磁绕组上的压降改变，据此可计算出偏离量。 ( 2 ) 电容式传感器和涡流式传感器 利用被焊工件坡口形状的变化产生的相关物理特性的变化来感知焊枪距离 坡口中心的偏差。 ( 3 ) 超声波传感器 利用超声波传感器发射超声波，在空气中传播，遇到金属表面时，超声信 号被反射回来，并由超声波接受器接收反射波脉冲，由入射与反射波脉冲的行 程，即可测得界面位置。 ( 4 ) 视觉传感器 视觉传感器采用的最简单的光电转换器件是单元感光器件，如光电二极管 等；其次是一维的感光单元线阵，如线阵c c d ( 电荷藕合器件) ；应用最多的是结构 最复杂的二维感光单元面阵，如面阵c c d ，是二维图像的常规感光器件，它代 表着目前传感器发展的最新阶段，因而应用日益广泛。 根据传感器所使用的照明光的不同，还可以把视觉方法分为“被动视觉”和 4 第1 章绪论 “主动视觉”两种。被动视觉是只利用弧光或普通光源和摄像机组成的系统，而主 动视觉一般使用特定光源与摄像机组成的视觉传感系统，主动光源一般为单光 面或多光面的激光或激光束。为简单起见，分别称之为结构光和激光扫描法。 由于光源是可控的，通过滤光片可使所获得的图像受环境的干扰大大减少。 ( 5 ) 电弧传感器 9 , 1 8 , 2 0 ，2 1 】 电弧传感器是一种直接式的非接触式传感器。与其他传感器相比，电弧传 感器不需要在焊炬上附加另外传感器元件，结构简单，有更好的动态品质及更 高的控制精度。 电弧的稳定性及熔滴过渡情况对电弧的参数影响非常大。电弧传感主要有 摆动式电弧传感和旋转式电弧传感两种。电弧传感从电弧的电流与电压变化中 获得焊缝横向与高低偏差信息。当焊炬至工件距离发生变化时，电弧电流会相 应变化，以保持原来的熔化率。因此，电弧电流的变化就反映焊炬高度的变化， 通过电弧扫描坡口，从电流波形特性中可获得横向对中信息。 电弧传感器对焊缝跟踪控制是利用焊接电弧现象本身相关特征参数( 电弧 电压、电弧电流、弧光辐射和电弧声等) 提供有关电弧轴线是否偏离焊缝的信 息来实时控制焊接电弧始终跟踪焊接对逢的信息。电弧传感器大部分应用在弧 焊机器人上，在焊接过程中对编程的焊缝轨迹进行实时修正，利用焊接过程中 对从电弧中提取焊接电流和焊接电压的变化，实现焊缝自动跟踪。 从理论及试验结果来看，旋转电弧传感器比摆动式有明显的优势，旋转式 扫描速度远远高于摆动式，因此可以提高传感系统的灵敏度，改善系统的实时 纠偏性能。而且，摆动扫描式的扫描方向必须垂直于焊缝的方向，所以通常要 增加一个自由度用于调整扫描方向与焊缝的夹角，而旋转式则不存在这个问题， 所以可简化机械结构。高速旋转增加了焊枪位置偏差的检测灵敏度，极大地改 善了跟踪精度；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 3 3 搭接焊缝跟踪研究现状 焊缝跟踪和焊接质量实时控制是提高焊接过程自动化程度的两个方面，其 中焊缝跟踪是保证焊接质量的基础。目前用于搭接焊缝跟踪控制多采用视觉传 感器和电弧传感器。 清华大学的韩赞东等人，采用单片机控制的旋转电弧传感焊缝跟踪系统， 5 第1 章绪论 根据焊接过程中电弧扫描坡口的波形的偏差信息，实现了汽车贮气简环缝搭接 焊缝的自动跟踪瞄l 。 清华大学的吴世德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，并用这一方法成功实现了搭接焊缝的跟踪， 获得了良好的跟踪效果【2 3 1 。 北京航空航天大学对t i g 焊旋转电弧传感器进行研究，在直角坐标式弧焊 机器人的基础上，研制了一种适于t i g 焊的旋转式焊炬作为电弧传感器作为弧 焊机器人的一个传感模块，焊接过程中，钨极和电弧绕焊炬中心旋转，使得电 弧在垂直于焊缝的方向进行扫描，通过采集电弧电压信号获取焊缝坡口信息。 采用中点均分面积积分差值法提取焊缝偏差信息，应用于薄板搭接焊，取得了 良好的跟踪效果1 2 4 j 。 湘潭大学的洪波等人，针对搭接坡口的特点，在摆动t i g 焊搭接坡口电弧 扫描的数学模型中采用电弧圆柱体体积的变化信号作为系统的输入信号，从而 建立了系统的整体仿真模型。在保证工艺参数不变的情况下，比较分析了该模 型的仿真结果与传统的利用焊枪高度变化为输入的模型的仿真结果以及实际的 焊接波形之间的差异。结果表明，仿真结果与试验结果相吻合，证明该模型比 传统的模型更为精确，更能反映实际情况。对搭接坡口的焊缝跟踪系统研究有 一定的指导意义1 2 5 j 。 南昌大学的徐申祥对搭接焊缝的结构光三维视觉传感做了研究【2 6 1 ，刘明友 等人，对基于结构光视觉传感器的搭接焊缝的图像预处理及信息提取进行了研 究。通过对c c d 摄像机采集到的焊缝图像，经过低通滤波、阈值变换、拉普拉 斯锐化、细化一系列图像预处理后，准确提取了焊缝激光条纹信息，运用搜索 法检测焊缝位置。根据搭接焊缝偏中距离和焊缝高度的计算方法提取信息，实 现了搭接焊缝的自动跟踪【2 7 1 。 1 4 焊缝跟踪自动控制技术 焊缝自动跟踪技术是随着控制技术、信息技术和计算机的不断发展而得到 飞速发展。 6 第1 章绪论 由于焊接过程是一个高度非线性、多变量耦合作用，同时具有大量随机不 确定性因素的复杂过程，决定了对焊接过程的焊缝跟踪控制是一个非常困难的 问题，经典的常规控制手段几乎无法有效地运用到焊接动态过程，这是因为经 典控制理论是基于对象的数学建模，没有精确的数学模型，就无法设计出对过 程有效的控制系统。智能控制技术的产生和发展无疑给解决这一难题提供了新 的思路和方法。国内外已有相当多的焊接界学者投入这一方向的研究，近年来， 智能控制技术在焊接过程控制中得到越来越广泛的应用 2 8 - 3 0 。 模糊控制利用隶属函数和模糊合成法则等思想，巧妙地综合了人们的直觉 经验，从而在其他经典控制理论和现代控制理论不太奏效的场合，能够实现较 满意的控制。然而，模糊控制必须具有较完善的规则，但模糊控制综合定量知 识的能力较差，一张较理想的模糊控制表必须经过反复精心整定才能投入使用。 对于某些复杂工业系统，有时难以总结较完整的经验。一般来说，模糊控制在 焊接中的应用也存在非线性系统且经常碰到难以解决的问题：精度较低；自适 应能力有限：很容易产生振荡。 针对上述问题，在模糊控制理论方面，人们对常规模糊控制器进行了改进， 设计了一些高性能的模糊控制器。概括起来有以下几种形式：控制规则可调整 模糊控制器；具有积分作用的模糊控制器；参数自调整的模糊控制器；复合型 模糊控制器；自学习模糊控制器。 模糊控制在焊缝跟踪系统有着广泛应用。文献【3 l 】研究了模糊控制宽度及焊 缝跟踪控制的应用。通过实验认为，用模糊控制可使焊接熔池宽度保持恒定， 焊缝跟踪效果良好。文献【3 2 1 采用f u z 种控制方法，选取一个分段阈值，当偏 差大于这个阈值时采用比例控制，小于或等于这个阈值时则采用自调整模糊控 制。在控制过程中，采用了双因数自调整模糊控制算法，并在实验基础上确定 了各参数的数值。试验也证明该系统具有快速、准确、稳定的特点，完全能够 满足实际工程应用的需要。文献f 3 3 】对旋转电弧传感器进行数学建模，然后分别 采用p d 控制器和f u z z y 控制器对电弧传感器焊缝跟踪控制进行仿真，当采用 模糊控制时，其焊缝跟踪最大偏差要比采用p d 控制小。实验表明，模糊控制具 有较强的纠偏能力。文献 3 4 1 采用了模糊神经网络技术来实现g t a w 焊接过程的 控制。这种方法结合了神经网络和模糊逻辑控制的技术，消除了模糊专家法则 的依靠限制和非自适应模糊规则缺陷，简化了模糊法则，提高了用于先进焊接 过程成员函数的自适应性，结果表明这种方法应用在规则焊缝的电弧焊焊接过 7 第1 章绪论 程控制中非常有效。文献【3 5 】设计了一种带修正函数的规则自调整模糊控制器， 对不同形状的焊缝进行药芯焊丝湿法水下焊接的焊缝跟踪试验，并将采用规则 自调整的模糊控制器与简单模糊控制器得到的跟踪结果进行比较。试验结果表 明，采用所设计的规则自调整模糊控制器进行焊缝跟踪能够获得更高的跟踪精 度和自适应性。文献【3 6 】针对弧焊焊缝跟踪常规p i d 控制的不足，提出了自适应 模糊控制方案，通过实时改变调整因子口的值，实现对模糊控制规则的调整， 提高了系统的适应性。采用此方案设计了单片机自适应模糊控制器，并设计了 系统的软件和硬件。通过试验表明，自适应模糊控制可以显著减少系统的超调 量和调节时间，改善控制效果。 模糊控制理论在焊接过程的成功应用为本课题中焊缝跟踪控制器的设计提 供了大量的借鉴经验。如何设计模糊控制器并改善模糊控制器的性能是控制器 成功应用的关键。 1 5 本课题研究的主要内容 1 5 1 研究目标 本课题利用旋转扫描焊炬作为传感器，移动焊接机器人为控制对象，以实 现全位置条件下的搭接焊缝跟踪控制与纠偏。研究旋转电弧传感器在搭接焊接 时，电弧传感信号的提取、处理及焊缝偏差识别的方法。设计模糊控制器，实 现对平面位置下的直线及折线搭接焊缝进行实时跟踪控制。 1 5 2 研究方案 针对研究目标的要求，本系统的工作过程为：采用电弧传感器采集表征焊 炬相对焊缝位置时的焊接电流信号，此信号经霍尔传感器后转化为电压信号， 输入到工控机中，经a d 转换，信号处理得到焊炬对于焊缝的偏差量，此偏差 量经控制运算后获得相应的控制信号，将此控制信号经d a 转换输出，控制伺服 电机驱动车轮和十字滑块运动，从而实现焊缝跟踪。为了节约计算机的资源， 提高系统的实时性，其中旋转电弧传感器的闭环调速由单片机完成。本系统实 施方案方框图如图1 1 所示。 8 第1 章绪论 幽1 l 跟踪系统实施方案框凹 1 5 3 研究内窖 首先，对搭接焊缝的研究情况作了系统的介绍，对搭接焊缝的焊接、跟踪 传感器及跟踪控制研究现状进行了详细地阐述。 其次，围绕实验室自主研制的新型轮式移动焊接机器人，搭建焊缝跟踪系 统硬件平台。 并且针对实际搭接焊接实验中的各种干扰进行研究，进而研究各种滤波方 法及其比较，研究合适的搭接焊接电弧传感信号去噪的方法；研究适用于搭接 焊缝的偏差识别方法，从实际焊接实验数据中提取搭接焊缝偏差信息。 晶后，针对焊接过程难以建模和焊枪运动的非线性问题，对移动机器人水 平横向滑块的运动进行控制。设计模糊控制器，实现水平直线搭接焊缝、水平 小曲率折角搭接焊缝等形式的焊缝跟踪。 1 6 本章小结 本章提出了课题的来源及意义，对工业上焊接机器人应用概况做了介绍， 针对措接焊缝研究情况做了详细的阐述，对焊缝跟踪自动控制技术做了介绍 最后对本文的主要研究内容进行了论述，为本文今后的工作打下了坚实的理论 基础。 9 第2 章搭接坡口旋转电弧传感信号检测与滤波研究 第2 章搭接坡口旋转电弧传感信号检测与滤波研究 2 1 概述 电弧传感的信息处理是实现焊缝跟踪的关键，由于实际焊接过程中存在大 量的随机干扰，如果采集的电流信号不经过滤波处理，将难于提取焊缝偏差。 选择适当的滤波方法可以突出传感电流信号中的有用信息，同时抑制信号中的 噪声干扰，从而改善信号的品质，便于信号分析与处理。本章首先介绍旋转电 弧传感器的信号检测原理，由于旋转频率对于电弧传感信号的影响很大，进而 对旋转电弧转速控制系统做了介绍，最后，针对实际采集的搭接坡口电流信号 进行滤波分析，并对滤波方法做了比较，总结出了旋转电弧搭接坡口组合式滤 波算法，为偏差提取打下基础。 2 2 旋转电弧传感器信号检测 2 2 1 电弧传感原理 电弧传感的基本原理是利用焊炬与工件距离变化而引起的焊接参数变化来 探测焊炬高度和左右偏差。在等速送丝调节系统中，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。如图2 1 是电弧传感工作的原理【2 1 1 。 图2 1 电弧传感工作原理 1 0 第2 章搭接坡口旋转电弧传感信号检测与滤波研究 以缓降外特性电源为例，在稳定焊接状态时，电弧工作点为彳d ，弧长l o ， 干伸长三j ，电流而，当焊枪与工件表面距离玩发生阶跃变化增大到历时，弧 长突然被拉长为，j ，此时，还来不及变化，电弧随即在新的工作点燃烧，电流 突变为乃，但经过一定时间的电弧自调节作用，弧长逐渐变短，干伸长增大，最 后电弧稳定在一个新的工作点也，弧长易，干伸长幻，电流易，结果是干伸长 和弧长都比原来增加；反之亦然。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。 2 2 2 旋转电弧传感器结构 本系统中采用了一种新型的高速旋转扫描焊炬结构【3 7 】，如图2 2 所示。 ( 1 ) 导电杆；( 2 ) 上调心球轴承；( 3 ) 光码盘；( 4 ) 空心电机； ( 5 ) 导气管：( 6 ) 壳体；( 7 ) 滑块；( 8 ) 下调心球轴承；( 9 ) 气室； ( 1 0 ) 空心轴；( 1 1 ) 导水管；( 1 2 ) 平衡块；( 1 3 ) 冷却水室。 图2 2 旋转电弧传感器示意图 电机固定在外壳体6 上，电机转子固定在空心轴1 0 上，空心轴通过滑块及 调心球轴承与导电杆相连，导电杆上部经一调心球轴承与外壳相连，通过滑块 位置的变化可调节导电杆与空心轴的偏心距。这样，电机驱动空心轴转动时， 导电杆作圆锥运动，焊丝、冷却水管、气管、送丝软管及焊接电缆从传感器后 部送入，从而将它们集成于传感器内部，使其结构更紧凑。同时在焊炬前端设 计一循环冷却水室，冷却水由水泵压出后从水嘴经内部管道进入水室，然后经 另一管道和水嘴回到水泵。 2 2 3 旋转电弧传感器信号检测 电弧扫描位置是扫描过程中某一时刻电弧、焊丝伸出端相对于焊炬的位置， 1 l 第2 章搭接坡口旋转电弧传感信号检测与滤波研究 它是电弧信号处理所必需的参照量。焊炬位置检测通过光码盘来实现，如图2 3 所示。 转轴 刚位光电管 测速光电 二、旷 i!_ v y 二 光码盘 二二 ( a ) 测速、测位结构示意图( b ) 光码盘示意图 图2 3 旋转电弧位置、速度检测机构 测位光电管和测速光电管分别固定在传感器壳体上，光码盘上切出6 4 个浅 槽和一个深槽，光码盘与空心轴固定，由于导电杆通过空心轴驱动，故空心轴 的位置即为导电杆的位置。因此，可通过测定空心轴的位置来确定焊丝所处的 位置。图2 3 ( a ) 中的浅槽就是用来测定焊丝所处的位置，每个浅槽通过位置光 电管一次，光电管获得一个脉冲信号；深槽是用来测定焊丝的转速，深槽每通 过一次速度光电管，速度光电管获得一个脉冲信号。光码盘每旋转一周会使速 度光电管输出一个脉冲，作为开始采样的基准触发脉冲，并且用于测定电机的 转速；与浅槽对应的光电管在一周内则会交替变换6 4 次，输出6 4 个方波脉冲， 用于测定焊枪的角位移，同时这6 4 个脉冲经过整形后进入a d 采集卡作为焊接 电流的采样触发脉冲，保证在一个旋转周期内采样6 4 次，脉冲输出如图2 4 所 示。通过检测这位置和速度两个光电管的信号即可获得焊丝的转速和位置信息。 转速信号 位置信号 卜一的个脉冲一 图2 4 测位、测速脉冲 1 2 第2 章搭接坡口旋转电弧传感信号检测与滤波研究 2 2 4 旋转电弧传感器转速控制 电弧旋转频率的稳定性对于焊接质量和焊接电流信号有很大影响，为了保 证旋转速度的恒定，采用单片机控制的旋转电弧闭环反馈速度调节系统【3 引。 旋转电弧传感器测速机构由上节所述的光码盘，光电耦合开关构成，光码 盘中的深槽用于检测电机转速，光电耦合管由一个红外发光二极管和一个三极 管组成，光码盘旋转一周，与深槽对应的光电耦合开关导通一次，输出一个脉 冲，用于测定电机的转速。 转速控制采用s t c 的8 9 c 5 2 r c ，光码盘检测到的电机速度信号经反向器， 转换成高低电平信号，进入单片机的外部中断入口i n t 0 ，单片机通过累加下降 沿的外部中断信号，计算旋转电弧传感器的旋转速度值。通过控制器的计算， 从p 0 3 口输出p w m 控制信号。从单片机里输出的p w m 信号通过功率放大芯 片l 2 9 8 输出，控制空心轴电机，保持转速稳定。为了避免干扰，测速及单片机 控制模块和电机驱动模块采用两路供电，之间采用一个光耦隔离。调速系统的 电路图，如图2 5 所示： 图2 5 调速系统电路图 1 3 第2 章搭接坡口旋转电弧传感信号检测与滤波研究 2 3 电弧传感信号滤波处理 旋转电弧传感器获得的焊接电流信号不仅含有坡口的特征信息，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。 数字滤波是滤除噪声的有效手段。由于数字滤波是在数字信号进入控制系 统之前，以算术运算、延时等基本功能对离散的采样信号进行运算，将一组输 入的数字序列转化为一组输出的数字序列，使信号频率范围内的信息被通过， 而其他频率范围的信息被阻止。从而达到增强信号，压低干扰，把信号和干扰 分开，提取有用的信息的目的 3 9 - 4 2 。 数字滤波方法很多，滤波效果也各异，有些方法效果很好，但算法复杂， 很难应用于实时系统，因此在实时控制系统中寻求一种既简单又有效的滤波方 法尤为重要。 2 3 1 搭接焊电流信号 由于旋转电弧传感器是一种电弧作旋转运动的特殊焊炬，它通过对电弧旋 转运动的检测，判断焊缝偏差情况。在实际焊接过程中，特别是某些焊接工艺 方法的需要，旋转电弧信号本身就是不断变化的，这不可避免地会对电弧传感 信号产生干扰，造成电弧传感信号品质的下降，其中一些是随机的，也有与电 弧扫描是相关的。 根据电弧传感原理，在平外特性和缓降外特性条件下，焊炬高度变化引起 焊接电流变化，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。图2 6 为搭接焊旋转电弧传感输出示意图，当焊炬在搭接 接头上扫描时，理想情况下电流波形信号如图2 6 ( c ) 所示，在实际焊接时，随 着搭接坡口金属的熔化，搭接台阶上的金属逐渐熔化出现斜坡口，焊接电流不 是理想的方波，其输出波形示意图如图2 6 ( d ) 所示 而且，在旋转电弧扫描过程中，系统的传感特性，电弧的扫描频率，以及 实际焊接中的各种干扰，都使得焊接电流输出波形会产生畸变。下面，将以实 际焊接电流为基础进行分析。 1 4 第2 章搭接坡口旋转电弧传感信号检测与滤波研究 o 盟 a ) 旋转屯弧扫描坡口示意图 1 t 2 t b ) 焊炬高度变化示意幽 ( c ) 理想条仲f 电流变化波形( d ) 实际中电流变化示意幽 幽2 6 搭接焊旋转电弧传感输出示意图 在实际的旋转电弧搭接焊接时，由于搭接坡口高度的急剧变化扫描电弧 稳定性较差，电弧长度对焊炬高度变化更加敏感，造成电弧不稳。再者，短路 过渡时的短路峰值电流也表现在扫描信号上成为噪声。由于电弧快速扫过坡口， 造成的短路飞溅十分严重，从焊接过程的实际采样波形可以看出，如图27 所示： 7 hr e # # m 1 瑚踟目51b7鼬 幽2 7 搭接焊实际采样波形 圈2 7 中，分别采用旋转频率为7 h z 和3 8 f i z ，进行搭接焊接实验，从实际 1 5 毒 丛 锄如期邱啪o #摹 第2 章搭接坡1 2 旋转电弧传感信号检测与滤波研究 采样波形图可以看出，在不同的扫描频率下采样得到的短路峰值电流信号宽 度是不一样的，短路峰值电流的表现形式也是不一样的。当旋转频率较低时 ( 户7 h z ) 短路峰值电流可以看作是持续时| 百】很短的尖峰干扰；当旋转频率较 高时( 产3 8 h z ) ，短路峰值电流的分布受困坡口扫描而发生的弧长变化的影响， 变得很不平均。这是因为高速旋转时熔滴在弧长较短时更容易发生强迫短路过 渡，因而产生短路峰值电流，高速扫描时采样间隔时间缩短，短路峰值电流持 续的采样点数也增加了许多，表现为大的尖峰干扰，在信号处理上需要采取相 应的措施。一般来说，对于旋转电弧传感扫描方式，由于高速扫描能够提高传 感的灵敏度，而且改善系统的实时控制性能因此低速扫描在实际中并不常用。 本文只对高速扫描方式进行分析。 从采集来的未经处理的电流波形来看，在电弧扫描焊接过程中，电流的变 化的整体趋势是依焊炬在坡口内位胃的变化而改变的，电弧变短时，焊接电流 增大，电弧变长时，焊接电流减小。从实际采样信号中可以看出，信号的噪声 主要体现在焊接过程中短路过渡所产生的峰值电流和飞溅产生的毛刺，因此， 滤波处理也主要是针对这两方面进行的。 图2 8 为实际焊接实验过程中采集到的旋转电弧平板搭接焊电流信号，试验 中所采用的焊接电源为p a n a s o n i cy d 5 0 0 g m ；保护气体：8 0 a t + 2 0 c 0 2 气体流量：1 5 l m i n ：焊接速度3 0 c m m i n ：焊接电压2 0 v ：电弧旋转频率3 8 h z ； 所用焊丝由1 2 m m 低碳钢实芯焊丝。 图2 8 实际焊接信号 表2 1 为原始信号频谱值统计表。 表2i 原始信号频谱值统计表 n 一次谐波 二次谐波 幅值相位幅值 相位 原始信号 l3 6 33m 1