（机械电子工程专业论文）水下机器人焊缝跟踪控制系统研究.pdf

摘要 摘要 ijllff l l l ll l r l l l i l r ll l l i jl l l l l l u j y 2 1 4 12 5 0 随着人们海洋活动的展开，大型船舶、海底石油管道、海上钻井平台等急 剧增加，这些工具平台的建造和维修都需要水下焊接技术。移动焊接机器人由 于其灵活的运动性能，正逐渐成为长型焊缝自动化焊接的首选设备。为了使水 下焊接实现自动化，作者设计了一套焊缝跟踪控制系统，使机器人能自主识别 目标，可靠检测目标位置信息，引导焊枪沿着焊缝轨迹运动，实现焊缝自动跟 踪。本文以履带式磁吸附爬行小车为运动平台，十字滑块为主要偏差调整部件， 激光视觉传感器为焊缝偏差检测装置。 首先，设计了水下焊接机器人控制系统的硬件，开发了机器人的控制软件。 对现有的激光传感器结构进行改进设计；采用可编程控制器( p l c ) 作为系统的 主控制器，构建了机器人的运动闭环控制系统：选择触摸屏作为人机交互的主 体界面，实现了系统操作的方便性。 其次，针对焊接机器人难以建立精确数学模型的问题，在控制方法上，采 用横向滑块实时微调精确跟踪焊缝，爬行小车大范围粗略跟踪焊缝轨迹，且爬 行小车的运动由横向滑块位置与速度决定的串联控制方法。横向滑块采用2 自 由度p i d 控制算法，爬行小车采用模糊理论控制算法。 再次，通过实际焊接试验检验了本文设计的水下机器人焊缝跟踪控制系统 的有效性和可靠性，且将机器人系统在九江同方江新造船厂码头进行了深水实 验，取得了较好的效果。 最后，对陆地上初始焊缝位置寻找进行了初步研究，设计的一套图像处理 算法，可以很好的分离、识别、提取焊缝起始点。 关键词：水下焊接；机器人；激光视觉传感器；焊缝跟踪；焊缝初始位置 a b s t r a c t w i t ht h eb e g i n n i n go ft h em a r i n ea c t i v i t i e s ，l a r g es h i p s ，s u b m a r i n ep i p e l i n e ， b r i d g ee m e r g ei nl a r g en u m b e r s t h e i rc o n s t r u c t i o n a n dm a i n t e n a n c ea r ec l o s e l y m i m e dt ou n d e r w a t e rw e l d i n gt e c h n o l o g y w e l d i n gm o b i l er o b o tb e c a u s eo fi t s m o b i l i t y , s t r o n gm a g n e t i ca d s o r p t i o nc a p a c i t y , h a sb e c o m e a ne f f e c t i v ew a yt os o l v e t h ea u t o m a t i cw e l d i n go ft h el a r g ec o m p o n e n t sw e l d i n gl i n e i no r d e rt or e a l i z et h e i n t e l l i g e n to fw e l d i n gr o b o t ，t h i sp a p e rh a sd e s i g n e dar o b o tc o n t r o ls y s t e m s ot h a t t h er o b o tc a ni n d e p e n d e n t l yi d e n t i f yt h et a r g e t ，r e l i a b l ed e t e c t i o na n dl o c a t i o n i n f o r m a t i o no fi t a n dg u i d et h em o v e m e n to ft h et o r c ha l o n gt h ew e l dp a t h t h e s v s t e mb a s eo nm o b i l ep l a t f o r m s ，t w od i m e n s i o n a ls l i d e r sa sb i a sa d j u s t m e n ta n dt h e l a s e rv i s i o ns e n s o rf o rw e l dd e v i a t i o nd e t e c t i o nd e v i c e f i r s t ，w ed e s i g nt h eh a r d w a r ea n dd e v e l o pt h es o f t w a r eo fr o b o tc o n t r o ls y s t e m as e to fc l o s e 1 0 0 p e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do np r o g r a m m e dl o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) i s d e s i g n e d t h es y s t e ma d o p t i n gt h e t o u c hp l a n ea sm a i ni n t e r f a c eh a saf r i e n d l y m a l l m a c h i n ei n t e r f a c e t h eo p e r a t i o no f r o b o tb e c o m e sv e r yc o n v e n i e n t s e c o n d l y , i ti sd i f f i c u l tt oe s t a b l i s hap r e c i s e m a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h ew e l d i n g r o b o t 0 nt h ec o n t r o lm e t h o d ，u s eh o r i z o n t a ls l i d e rr e a l - t i m ea c c u r a t et r a c k i n gw e l d a n dc r a w l i n gc a rr o u g ht r a c kt h ew e l d i n gl i n ei nw i d er a n g e t h eh o r i z o n t a ls l i d e r a d o p t2d e g r e e so ff r e e d o mp i dc o n t r o la l g o r i t h m t h ec r a w lc a ru s i n gf u z z yt h e o r y c o n t r o la l g o r i t h m t h i r d l y , t h o u g he x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w t h a tt h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo ft h i s r e s e a r c hw o r k i na d d i t i o n ，t h ed e s i g n e da r cw e l d i n gs e a l t lt r a c k i n gs y s t e mw a st r i e d o u ti nj i u j i a n gt o n g f a n gj i a n g x i ns h i p y a r dc o ，l t d ，a n da n t i c i p a n tr e s u l ti sa c q u i r e d f i n a l l y , c o n d u c t e dap r e l i m i n a r ys t u d y o nt h ei n i t i a lw e l dp o s i t i o nr e c o g n i t i o no n l a n d d e s i g nas e to fi m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m s i tc a ns e p a r a t e ，i d e n t i f i c a t e ，a n d e x t r a c t et h ei n i t i a lp o s i t i o no fw e l dt r a c k i n gv e r yw e l l k e yw o r d s ：u n d e r w a t e rw e l d i n g ；r o b o t ；l a s e rv i s i o ns e n s o r ；s e a mt r a c t i n g ；i n i t i a l p o s i t i o no f w e l dt r a c k i n g i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 随着跨洋贸易愈加频繁和陆地资源的不断减少，人们加快了对海洋航道的 利用和海底能源的开发，用于海洋运输和海底开发的轮船、海底石油管道、钻 井平台等越来越多，它们的建造都离不开水下焊接技术【l , 2 1 。欧洲北海油田的平 台架可以说是焊接出来的人工岛屿【3 j ，整个平台大概1 8 0 0 0 吨，但消耗的焊丝 就近8 0 吨。同时，海洋工程设施因常时间在环境恶劣的海洋工作，除受到结构 的本身承受的工程载荷外，还要受到海水腐蚀、砂流磨蚀，海潮、海啸、寒冷 地区的冰流冲击，海底地震附加载荷等。这些都会对海洋设施造成损坏，其修 复必然要用到水下焊接技术1 4 , 5 】。 水下焊接是在被焊工件焊缝坡口完全处于水环境中进行的特种焊接。焊接 科学技术人员为了克服水下环境引发的各种焊接问题，研究出了湿法、局部干 法、干法等多种水下焊接方法【6 j 。目前水下焊接作业大多数是通过潜水焊工来 完成的，也有在压力舱中安放自动焊接设备采用干法焊接方式实现水下焊接， 但压力舱的放置和焊前初始定位等还是由潜水员来完成【lj 。众多的因素限制了水 下焊接技术的应用：一方面水下焊接的质量完全取决于潜水焊工的技术水平； 另一方面人体生理条件限制了焊工潜水深度和水工作时间。为确保水下焊接质 量、提高生产效率和突破水深条件限制等，开发水下智能焊接机器人很有必要 7 ，9 1 o 移动焊接机器人由于其灵活的运动性能，已成为解决大型构件焊接自动化 的有效方法【引。但目前还没有看到全球任何科研单位和企业开发出完全由水下机 器人完成水下焊接作业的报道，仅在焊接相关的裂纹修复以及焊缝无损检测领 域有应用报道【9 】。水下焊接机器人技术主要包括机器人爬行机构和跟踪机构的总 体设计、良好的密封性设计、焊接点排水装置设计、导航定位技术、水下焊缝 识别技术和焊缝自动跟踪技术等。焊缝识别与焊缝自动跟踪技术是实现水下焊 接机器人智能化的两个核心技术。本文在实验室自制的水下机器人机械平台上， 着重于对焊缝跟踪技术进行研究，对焊缝起始点的识别做了初步研究，最终完 成了水下机器人控制系统的设计。 第一章绪论 1 2 水下焊接机器人技术发展现状及应用 1 2 1 水下机器人 根据水下机器人动力源和信号源传输和接收位置，将其分为有缆水下机器 人( r o v ) 和无缆水下机器人( a u v ) 两大类。有缆水下机器人需要由电缆从 水面船上或陆地平台上获得动力和运动信号，而且一般需工作人员对其进行遥 控操作。有缆水下机器人出现于2 0 世纪5 0 年代，早期主要是用来帮助潜水员 或者作为载人水下潜水器进行打捞、救援工作。此后几十年，由于海洋开发和 军事需求，水下机器人所需的各种材料与技术得到很好地解决，开发出了能够 工作在不同深度，进行各种作业的机器人。国内首台r o v “海人1 号”，装备 了双向位置力反馈机械手，并配备触觉传感【9 】。其在1 9 8 6 年在南海深潜试验中 潜到了1 9 9 米处。2 0 0 7 年6 月，渤海七号钻井平台运用r o v 实现3 0 0 m 水深的 一口井钻探试验，获得了很好的油气显示 1 0 】。其工作方式是由水面母船上的工 作人员通过水下电视、声纳等设备进行观察，操作控制机械手完成作业。r o v 除主要机械执行机构外，其他基本装置都在母体船上，简化了其结构的设计难 度，可靠性较高。但r o v 需要拖拽细长电缆在水下运动，极大地限制了其运动 范围和工作效率。 无缆水下机器人和母船间不配备电缆，自带动力电源和智能控制系统，能 够依据智能系统进行自行决策与控制，完成赋予它的作业【l 。相比于r o v ，a u v 可以在更大的区域活动，更具机动灵活性，智能化更高。其已成为目前国际水 下机器人的研究热点，代表未来水下机器人的发展趋势。现今a u v 用于勘察、 检测方面较多【l2 | 。我国从上世纪8 0 年代末开始研究a u v ，于9 0 年代初成功研 制出第一台a u v “探索者”。1 9 9 5 年，中科院沈阳自动化研究所等单位联合研 制的“c r 0 1 a ”在夏威夷附近海域适航，成功下潜到5 3 k m ，使我国成为少数 几个能研制6 千米a u v 的国家之一。 1 2 2 水下焊接机器人 水下焊接机器人的研究重点是把水下焊接技术和水下机器人技术很好的结 合起来，由智能化机器人搭载焊接设备实现水下焊接自动化。从实际应用情况 来看，至今还没有水下焊接作业完全由机器人来完成。水下机器人在焊缝质量 探测和工件裂纹修复中应用较多，其主要出于传感和焊前预处理，并无搭载焊 2 第一章绪论 1 2 水下焊接机器人技术发展现状及应用 1 2 1 水下机器人 根据水下机器人动力源和信号源传输和接收位置，将其分为有缆水下机器 人( r o v ) 和无缆水下机器人( a u v ) 两大类。有缆水下机器人需要由电缆从 水面船上或陆地平台上获得动力和运动信号，而且一般需工作人员对其进行遥 控操作。有缆水下机器人出现于2 0 世纪5 0 年代，早期主要是用来帮助潜水员 或者作为载人水下潜水器进行打捞、救援工作。此后几十年，由于海洋开发和 军事需求，水下机器人所需的各种材料与技术得到很好地解决，开发出了能够 工作在不同深度，进行各种作业的机器人。国内首台r o v “海人1 号”，装备 了双向位置力反馈机械手，并配备触觉传感【9 】。其在1 9 8 6 年在南海深潜试验中 潜到了1 9 9 米处。2 0 0 7 年6 月，渤海七号钻井平台运用r o v 实现3 0 0 m 水深的 一口井钻探试验，获得了很好的油气显示 1 0 】。其工作方式是由水面母船上的工 作人员通过水下电视、声纳等设备进行观察，操作控制机械手完成作业。r o v 除主要机械执行机构外，其他基本装置都在母体船上，简化了其结构的设计难 度，可靠性较高。但r o v 需要拖拽细长电缆在水下运动，极大地限制了其运动 范围和工作效率。 无缆水下机器人和母船间不配备电缆，自带动力电源和智能控制系统，能 够依据智能系统进行自行决策与控制，完成赋予它的作业【l 。相比于r o v ，a u v 可以在更大的区域活动，更具机动灵活性，智能化更高。其已成为目前国际水 下机器人的研究热点，代表未来水下机器人的发展趋势。现今a u v 用于勘察、 检测方面较多【l2 | 。我国从上世纪8 0 年代末开始研究a u v ，于9 0 年代初成功研 制出第一台a u v “探索者”。1 9 9 5 年，中科院沈阳自动化研究所等单位联合研 制的“c r 0 1 a ”在夏威夷附近海域适航，成功下潜到5 3 k m ，使我国成为少数 几个能研制6 千米a u v 的国家之一。 1 2 2 水下焊接机器人 水下焊接机器人的研究重点是把水下焊接技术和水下机器人技术很好的结 合起来，由智能化机器人搭载焊接设备实现水下焊接自动化。从实际应用情况 来看，至今还没有水下焊接作业完全由机器人来完成。水下机器人在焊缝质量 探测和工件裂纹修复中应用较多，其主要出于传感和焊前预处理，并无搭载焊 2 第一章绪论 接装置。在英国北海，r o b h a z 工程开的水下机器人焊接维修装置，应用于海 事和核工业中，用来清除焊接接头处得生长物和检查焊缝一j 。 北京石油化工学院的朱加雷等设计了一种水下管道焊接设备，其先用一个 密闭舱将一段管道密封起来，再用高压气将舱里面的水排干，最后通过设计比 较成熟的陆地管道焊接机器人完成管道焊接，焊接效果较好i l 引。对于目前水下 焊接来说是一个新的进步，但这种水下设备庞大，水下安装拖拽不便，焊接效 率较低。华南理工大学学者在水下视觉与焊缝跟踪方面取得了较好的研究成果， 以主动视觉传感获得焊缝熔池信息，检测焊缝中心，运用智能控制技术完成了 湿法水下焊接的焊缝自动跟踪【1 4 1 。哈尔滨工业大学吴林等根据环境信息在自动 跟踪与遥控操作模式之间切换的方法来提高焊缝跟踪的准确性，机器人初始位 置的引导、焊缝坡口形状不规则焊缝的焊接和焊接过程避障等都靠手段操作完 成，焊缝规则且焊接路径中无障碍物的情况下由激光视觉传感器来引导焊缝跟 踪【15 1 。其设计的遥控弧焊机器人由主控制器、视觉系统、中央监控计算机系统 和水下机器人等组成。大量的实验表明，这种自动和人工遥控模式的结合与完 全的遥控模式相比，能得到更好的焊接精度和焊接质量。 联想水下机器人应用现状和现在水下焊接技术发展，水下焊接机器人应该 具备以下特征：有缆航行且本体带有高灵敏、高定位精度的机械手；动力电源 和大多数电气控制设备都放置在水面平台上；能自动完成焊缝坡口的表面预处 理、焊缝偏差检测和焊接工作；控制方式采用手动与自动控制相结合。 1 3 焊接信息传感技术 在焊接过程中由于焊缝坡口加工误差、工件装夹精度、工件表面有凸起及 热变形、焊缝走向等，往往会使焊枪偏离焊缝中心【1 6 , 1 8 】。为了保证焊接质量和实 现焊接过程自动化，机器人必须能够检测出焊缝当前偏差，并反馈给控制器， 驱动焊枪朝焊缝中心运动。 1 3 1 接触式传感器 接触式传感器通过与焊接工件坡口直接接触，获得焊缝偏差信号。其加工 制造简单、维修方便、价格低廉，信号有较强的抗干扰能力。接触式传感器是 一种用导向轮或导向杆在焊枪前面侦测焊缝中心位置的传器【1 7 】。最初大多采用 机械式的，而后随着机电一体化技术的发展，研究者推出了机械电子式接触感 气 第一章绪论 接装置。在英国北海，r o b h a z 工程开的水下机器人焊接维修装置，应用于海 事和核工业中，用来清除焊接接头处得生长物和检查焊缝一j 。 北京石油化工学院的朱加雷等设计了一种水下管道焊接设备，其先用一个 密闭舱将一段管道密封起来，再用高压气将舱里面的水排干，最后通过设计比 较成熟的陆地管道焊接机器人完成管道焊接，焊接效果较好i l 引。对于目前水下 焊接来说是一个新的进步，但这种水下设备庞大，水下安装拖拽不便，焊接效 率较低。华南理工大学学者在水下视觉与焊缝跟踪方面取得了较好的研究成果， 以主动视觉传感获得焊缝熔池信息，检测焊缝中心，运用智能控制技术完成了 湿法水下焊接的焊缝自动跟踪【1 4 1 。哈尔滨工业大学吴林等根据环境信息在自动 跟踪与遥控操作模式之间切换的方法来提高焊缝跟踪的准确性，机器人初始位 置的引导、焊缝坡口形状不规则焊缝的焊接和焊接过程避障等都靠手段操作完 成，焊缝规则且焊接路径中无障碍物的情况下由激光视觉传感器来引导焊缝跟 踪【15 1 。其设计的遥控弧焊机器人由主控制器、视觉系统、中央监控计算机系统 和水下机器人等组成。大量的实验表明，这种自动和人工遥控模式的结合与完 全的遥控模式相比，能得到更好的焊接精度和焊接质量。 联想水下机器人应用现状和现在水下焊接技术发展，水下焊接机器人应该 具备以下特征：有缆航行且本体带有高灵敏、高定位精度的机械手；动力电源 和大多数电气控制设备都放置在水面平台上；能自动完成焊缝坡口的表面预处 理、焊缝偏差检测和焊接工作；控制方式采用手动与自动控制相结合。 1 3 焊接信息传感技术 在焊接过程中由于焊缝坡口加工误差、工件装夹精度、工件表面有凸起及 热变形、焊缝走向等，往往会使焊枪偏离焊缝中心【1 6 , 1 8 】。为了保证焊接质量和实 现焊接过程自动化，机器人必须能够检测出焊缝当前偏差，并反馈给控制器， 驱动焊枪朝焊缝中心运动。 1 3 1 接触式传感器 接触式传感器通过与焊接工件坡口直接接触，获得焊缝偏差信号。其加工 制造简单、维修方便、价格低廉，信号有较强的抗干扰能力。接触式传感器是 一种用导向轮或导向杆在焊枪前面侦测焊缝中心位置的传器【1 7 】。最初大多采用 机械式的，而后随着机电一体化技术的发展，研究者推出了机械电子式接触感 气 第一章绪论 器。机械式接触传感器是依靠焊缝坡口形状对导向轮或导向杆的阻力来强行导 向。机械电子式接触传感器是通过电子技术来检测出焊缝当前偏差，主控制器 依据偏差控制驱动设备使焊枪向减少偏差的方向运动，实现焊缝跟踪。 气i i ， 赫i ；* i 攀糕 糟镑i 蕺簿 甏， t 撵黪 。i 毪辩 壤；簧# 。i 辩 图1 1 文献1 7 设计的接触式传感器 接触式传感器结构、原理比较简单，信号稳定，比较适合焊缝坡口有可靠 接触面的大型构件焊接场合。但其也存在以下不足：对于焊缝坡口边缘的凸起 点障碍，越过比较难，不适用于高速焊接场合；焊缝坡口形状不一样，使用的 接触探针形状也不同；由于传感器探头直接与工件表面接触，所以其易磨损和 被挤压变形等【18 1 。 1 3 2 电磁感应式传感器 电磁感应式传感器由多级线圈和 磁芯构成，通过磁通变化输出不同电 压来检测焊缝偏差的。其结构由初级 线圈、次级线圈和铁芯构成，工作方 式是把交流电加在初级线圈上，这样 就会在工件和铁芯之间产生磁通，进 而形成感应电动势，通过与次级线圈 图1 2 球罐焊接移动机器人 形成变压器，将感应电压值按比例传给次级线圈端进行传感输出。焊缝偏差检 测方式是将传感器与焊枪固定在一起，相对工件运动时，会产生不同的感应电 压，且其值与偏移量成正比【1 9 。其缺点是易受焊接电流产生的电磁干扰，结构 4 第一章绪论 尺寸比较大，检测精度不是很高。y u b a e 等在焊枪的前、左、右方各安装了一 个电磁感应式传感器，协同检测焊缝中心位置信息【2 0 】，图1 2 为其结构示意图。 1 3 3 声学传感器 声学传感器中，超声波应用的最多。超声波在焊接领域主要应用在改善焊 接质量和焊缝跟踪方面【2 1 1 。超声波传感器是根据声波发射到接收的时间间隔和 反射路径与发射路径不一致时接收不到回波信号来分别检测纵向和横向偏差 的。由超声波发射到接收的时间和声波速度，得到传感器与工件表面之间的垂 直距离，可以实现焊缝高度方向上的检测。当声波传播到焊缝坡口斜面时，由 于焊缝坡口斜面与声波传播路径不是垂直，声波反射信号无法沿原路径传播到 传感器，利用声波发射与反射传播路径不同这一特征，即可判断焊缝坡口的边 缘位置【2 扪，再利用坡口两侧接收到反射回来的声波个数就可获得焊缝偏差的大 小。 声学传感器声波较长，烟尘对其传输影响低、尺寸很小、安装固定简单， 应用的较多。但是声学传感器对焊接时的噪音及电流信号比较敏感，气体保护 焊中气体介质会衰减其能量 2 3 1 ，而且要求工件表面平整，板厚一般要大于1 0 m m ， 因此在有些场合单独用它来检测焊缝偏差不可靠。 1 3 4 视觉传感器 视觉传感器由于其设计简单、部件更换方便，信息量多，被广泛运用。c c d 视觉传感器在可视范围内获取焊接过程图像，能提供丰富的焊缝图像信息，如 焊缝坡口形状、坡口深度、熔池形状、电弧形态等。不仅可用检测焊缝偏差， 还可用于改变焊接工艺参数，其众多优点使其在焊缝跟踪方面得到大量应用 【2 4 - 2 7 】 o 激光视觉传感器是以结构光作为辅助光源，其出孔为一线性光，照射到工 件坡口位置需与焊缝坡口边缘垂直，呈现出焊缝坡口二维轮廓线信息，经c c d 摄取并对其进行图像处理后可得到坡口形状和中心位置信息。为了提高焊缝偏 差检测的可靠性，一般还需在c c d 镜头前安装与激光条纹等波长的滤光片，滤 除包括弧光在内的杂散光【2 8 1 。激光视觉系统抗弧光干扰能力强，能获取稳定的 焊缝坡口信息。有些视觉系统直接利用现场工作环境中的光线反射入c c d 成像 得到焊缝坡口处的信息，称为被动视觉系统。信号容易被弧光淹没，需通过适 5 第一章绪论 当的光学滤波器来获取可靠的焊缝信息。被动视觉比主动视觉获取的信息量多， 主要用于高速拍摄溶池信息等，但图像处理算法较复杂，可靠性比主动视觉系 统一般要低【2 9 ，3 0 1 。 1 3 5 电弧传感器 电弧传感器是根据焊枪与工件距离的变化而导致干伸长等变化，进而使焊 接过程中的工艺参数改变来检测焊缝偏差的p 。这种传感器研究应用比较多的 主要有并列双丝式、摆动式扫描和旋转式扫描三种。并列双丝电弧传感器是利 用焊枪对中时两条焊丝干伸长不同，致使流过的焊接电流不同，利用两电流的 差值测出横向偏差进行左右跟踪，电流之和测出高度偏差实现高低跟踪【l8 1 。其 进行焊接时两路焊接电源的参数必须相同，由于传感等其他差异，要使两路参 数完全相同比较难，限制了它的应用【l8 1 。摆动扫描式传感器是在机器人手臂端 安装一个电机，让其带动焊枪在水平方向左右小位移来回运动，实时检测焊接 过程中的焊缝偏差信号。但由于其工作时受电机水平左右来回运动等条件制约， 摆动速度较低，导致采用周期较长，跟踪精度不高，不适用于高速焊接场合。 旋转式电弧传感器是利用高速的旋转来缩短焊缝偏差采样周期，焊缝偏差几乎 不存在滞后现象，跟踪精度得到提高，特别适用于高速焊接条件下的焊缝偏差 检测 18 1 。 卜黼机 电动 图1 3 基于结构光的视觉传感原理 图1 4 旋转电弧传感器结构 电弧传感器具有较强的抗高温能力，由于采集的是电流信号，弧光对其基 本没有影响，传感器检测的偏差即为当前偏差，不存在超前和滞后现象。但是 摆动或旋转机构复杂、维修拆装不方便、体积较大，且电弧各参数之间耦合性 6 第一章绪论 很强，采集到的信号与理论相差较大，需对采集的数据进行适当的信号纠偏处 千甲【3 2 ，3 3 】 ，io 1 4 焊缝跟踪控制方法 自动控制理论的研究和应用非常广泛，其是由维纳在上世纪4 0 年代末创立 的。随着现代工业和计算机技术的快速发展，相关领域要求系统具有更高的控 制精度、快速响应性、较高的鲁棒性与对环境的自适应能力。其发展经历了经 典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个过程【34 1 。经典控制理论以p i d 控制为典型代表，其控制算法简单、实用，应用范围也最广【3 引。智能控制是被 控对象系统的控制器能够自学习来适应环境的变化自主运动的控制技术【3 6 3 8 1 。 清华大学廖宝剑【3 9 j 博士在基于多自由度轮式移动焊接小车平台上，以旋转 电弧传感器为焊缝偏差检测工具，采用模糊控制策略实现焊缝自动跟踪。南昌 大学高延峰等设计角焊缝跟踪的控制器时，根据焊缝偏差大小不同，采用不同 的控制策略，偏差较大时直接运用比例环节快速消除偏差，在小偏差阶段采用 模糊控制，并在控制过程中修正比例因子【4 。通过大量实验验证了此算法在跟 踪多种曲率焊缝时均能获得较高精度。哈尔滨理工大学孙华等采用模糊神经控 制方法，即利用神经网路的学习方法来调节模糊控制器的参数实现对弯曲焊缝 的跟踪，效果较好【4 1 1 。郑国云等在以轮式移动机器人为载体的焊缝跟踪控制中， 设计了在线计算、调整量化因子和比例因子的参数自调整模糊控制器，控制性 能较基本模糊控制器有非常好的改善【42 1 。南昌大学叶剑雄等在设计焊缝跟踪控 制器时，采用模糊算法来在线实时调整p i d 控制器的三个参数，p i d 控制器输出 直接作用跟踪机构的模糊p i d 控制器，跟踪精度高，增强了控制器的可移植性【4 引。 南昌大学刘伟力等】对爬行式弧焊机器人焊缝跟踪协调控制算法研究中，采用 p i d 控制器控制滑块实时跟踪焊缝，将滑块的位置划分5 个区间，采用实验统计 学方法确定滑块所在位置时小车左右轮速度差，实现对大型构件的焊缝跟踪， 并且得到了较高的焊接精度。徐雪松等以i c c d 为传感获取焊缝偏差信息，设计 了白调整模糊控制器用于纠偏调节，避开了焊缝跟踪过程建模难的问题，该系 统能实现快速纠偏【4 5 1 。对不锈钢管进行钨极保护焊接时，c h i u n g h s i n t s a i 等根 据工业过程特点设计了模糊控制器，实现焊缝的精确跟踪【4 6 | 。 7 第一章绪论 1 5 初始焊缝位置识别算法 目前大多数移动机器人在焊接作业前，要完全依靠工人通过目测手动调整 机头的位置，使焊枪处于焊缝初始位置并对好中。如果机器人能够自动识别目 标，自动引导和对中，那么将大大提高大型构件自动化焊接效率，非常具有意 义。目前国内外对焊缝初始位置的识别基本都是依靠机器人视觉技术来实现的。 上海交通大学朱振友，林涛等采用以模板匹配算法为核心的图像处理算法 实现了在区域环境中对焊缝初始位置的识另l j 4 7 , 4 8 】。首先在整幅背景粗步定位焊缝 位置及其方向，然后采用逐步逼近的方式搜索焊缝的端点，通过选取焊缝端点 附近的区域进行搜索找到焊缝起始位置。上海交通大学陈希章等【4 刿在基于前面 模板匹配的基础上，提出一种基于边缘线相交定位初始焊位的简易方法。主要 算法是分离出焊缝的边缘和工件的边界轮廓 5 0 j ，对轮廓数据点进行直线拟合， 求其交点，即为焊缝起始点。该方法在局部范围内检测起始焊位，排除了其他 因素的干扰，可以快速精确的对起始焊位进行定位。 哈尔滨工业大学吕新伟等【5 1 】和上海加大张苛等【5 2 】中采用激光扫描三维视觉 传感器扫描工件断面轮廓的方法寻找焊缝初始位置。具体思想是使机器人沿着 工件边缘方向移动，根据焊缝特征不停地扫描工件，检测识别焊缝，把识别焊 缝的第一点作为焊缝起始点。试验表明，只要搜索区域没有和焊缝坡口形状接 近的物体或断面就可实现正确引导。 东南大学席文明等【5 3 】和南昌大学张俊强等【”j 采用在焊缝初始位置添加标记 方法来识别焊缝起始点。标记物的灰度级与焊缝周围的物体相差极大，这样经 过简单的图像处理就可提取出所需要的特征。文献 5 4 1 中标记物的设置如图1 5 ( b ) 所示，标记物形状为t 字型，表面为纯白色。t 型标志物的中心为o o ，p o 为上 边缘a b 的中点，0 0 对应焊缝起始点，o o p o 为焊缝中心初始段切线。机器人通 过视觉系统识别定位o o 点、p o 点，经控制系统路径规划后最终使焊枪运动到 0 0 点，调整机器人纵轴与0 0 p o 重合或平行。这种方法图像处理过程简单，但需 做初始工作，智能化程度不高。 8 第一章绪论 ( a ) 爿 尸。点 j 【，gl 9 一 图i 5 文献 5 4 1 所贴标记 ( b ) 1 6 本文的主要研究工作 本文与水下焊接机器人机械设计相辅，设计一套焊缝跟踪控制系统，实现 水卜自动焊接。主要内容为： ( 1 ) 构建水下焊接机器人焊缝跟踪控制系统硬件平台。包括传感器、主控 制器、电机驱动器、人机界面、电源和控制面板等的选型与设讨1 。对现有传感 器进行改进设计，达到便宜安装和焊缝信息传感的目的；规划好控制箱内控制 系统硬件的安装位置，并对箱内外硬件进行电气线的连接。 ( 2 ) x , j 焊缝自动跟踪算法进行研究。采用激光视觉传感器检测焊缝偏差， 设计2 自l l = j 度p i d 控制器控制横向滑块实时微调跟踪焊缝，依据横向滑块位置 与速度信息设计模糊控制器控制爬行小车粗略跟踪焊缝走向，横向滑块与爬行 小车串联协调控制，实现焊缝自动跟踪。 ( 3 ) 对焊缝起始点位置识别进行了初步研究。首先采用互相关模板匹配技 术将包含焊缝起始点信息的区域图像从全局背景图像中提取出来，之后对其进 行边缘检测、锐化、形态学处理和直线拟合技术求得目标点坐标。 ( 4 ) 规划控制系统软件模块，编写焊缝跟踪和焊缝起始点 j 别算法等模块 稗序，并进行现场调试。 ( 5 ) 进行现场焊接实验，检验控制系统的可靠性、稳定性和焊缝跟踪精度， 实验表明系统：【作可靠，焊缝跟踪精度满足要求。 9 第一章绪论 1 7 本章小结 本章首先简要论述了水下焊接的应用需求及其目前技术与方法，阐明了开 发一套水下自动焊接设备的必要性。然后对最近的水下机器人技术、焊缝跟踪 系统中的信息传感技术、焊缝跟踪算法和焊缝起始点的识别、定位方法进行具 体地概述。最后概括性地介绍了本文的主要研究内容及其实现方法。 1 0 第二章水卜i 机器人控制系统设计 第二章水下机器人控制系统设计 本课题的目标是研究一套大型构件水下智能焊接机器人，在不需要人为铺 设其运动轨道，且不需要对其在焊接前进行示教和编程的情况下，能够在大型 构件上自动地识别焊缝初始位置，自动跟踪焊缝轨迹进行焊接，并能确保焊接 质量满足工艺要求。本课题的一个主要部分是控制系统的设计，以下就控制系 统的设计作详细论述。 2 1 系统的硬件组成 图2 1 水f o r 器人系统硬件组成 本课题研制的智能水下焊接机器人系统由信息传感系统、控制系统、执行 机构、焊接系统四部分组成。水下机器人的执行机构由爬行小车和十字滑块机 构组成；信息传感系统采用了激光图像视觉传感器来检测焊缝偏差，用位移传 感器来榆测横轴滑块位置信号：控制系统由主控制器、人机界面、驱动 乜路及 第：章水卜机器人控制系统设计 其设备等组成；焊接系统包括焊接电源、送丝机构、保护气瓶、空气压缩机等。 机器人硬件总体方案设计图如图2 1 所示。 系统工作过程为：激光视觉传感器采集焊缝坡口信号通过图像采集卡送入 d s p 微处理器中进行处理，得到焊炬当前的偏差，将偏差值传递给可编程控制 器( p l c ) ，经过设计的机器人运动控制器得到车轮及十字滑块的输出控制量， 经伺服电机控制爬行小车及十字滑块运动，实现焊缝自动跟踪。 2 1 1 焊缝跟踪执行机构 焊缝跟踪执行机构主要包括爬行机构和十字滑块两部分，自丰设计的水下 机器人如图2 2 所示。爬行机构是一种链条式轮履磁i 驳附小车，移动比较稳定， 运动范围宽，主要进行粗略跟踪。十字滑块体积小，移动速度快，换向灵敏， 主要进行精确跟踪。结合两者的优势而组成的跟踪机构最终实现耙行机器人大 范围的精确跟踪。 图2 2 水卜i 焊接机器人实物幽 2 。1 1 1 爬行机构 爬行机构是。种链条式轮式永磁吸附小车，具有极强的吸附能力，同一时 刻有3 2 块磁块与工件接触，单块磁块的吸附力可达到2 5 k g ，同时具有一定的柔 件。其驱动系统采用直流伺服系统，由电机驱动器、直流电机、减速器和编码 器构成，u 以对电机转速和方向进行精确的闭环控制。通过给定左右两驱动轮 1 1 i j 的速度差来实现小车转弯，轮距同定时，转弯半径由速度差大小决定。爬行 机构集成了轮式和履带式两种结构的特点，能够实现灵活转弯和确保运动过程 l ：! 第：章水卜机器人控制系统设计 其设备等组成；焊接系统包括焊接电源、送丝机构、保护气瓶、空气压缩机等。 机器人硬件总体方案设计图如图2 1 所示。 系统工作过程为：激光视觉传感器采集焊缝坡口信号通过图像采集卡送入 d s p 微处理器中进行处理，得到焊炬当前的偏差，将偏差值传递给可编程控制 器( p l c ) ，经过设计的机器人运动控制器得到车轮及十字滑块的输出控制量， 经伺服电机控制爬行小车及十字滑块运动，实现焊缝自动跟踪。 2 1 1 焊缝跟踪执行机构 焊缝跟踪执行机构主要包括爬行机构和十字滑块两部分，自丰设计的水下 机器人如图2 2 所示。爬行机构是一种链条式轮履磁i 驳附小车，移动比较稳定， 运动范围宽，主要进行粗略跟踪。十字滑块体积小，移动速度快，换向灵敏， 主要进行精确跟踪。结合两者的优势而组成的跟踪机构最终实现耙行机器人大 范围的精确跟踪。 图2 2 水卜i 焊接机器人实物幽 2 。1 1 1 爬行机构 爬行机构是。种链条式轮式永磁吸附小车，具有极强的吸附能力，同一时 刻有3 2 块磁块与工件接触，单块磁块的吸附力可达到2 5 k g ，同时具有一定的柔 件。其驱动系统采用直流伺服系统，由电机驱动器、直流电机、减速器和编码 器构成，u 以对电机转速和方向进行精确的闭环控制。通过给定左右两驱动轮 1 1 i j 的速度差来实现小车转弯，轮距同定时，转弯半径由速度差大小决定。爬行 机构集成了轮式和履带式两种结构的特点，能够实现灵活转弯和确保运动过程 l ：! 第二章水卜机器人控制系统设计 平稳。这种设计使车体底盘较重，且履带具有很强的磁块吸力，使得爬行机构 运动响应速度较慢，运动控制特性不是很好。这些特性都决定了单一的爬行机 图2 3 爬行小蔫i图2 4 十字滑块机构 2 】。1 2 十字滑块 十字滑块分为纵向运动机构和横向运动结构，如图2 4 所示。纵向运动机构 由两组步进电机和丝杠构成，一组用于控制焊枪高度，另一组用来控制排水罩 贴合工件表面的程度：横向运动机构由交流伺服电机和丝杠构成。纵向机构固 定在横向机构上，焊枪和排水罩的高度可分别融两组电机单独控制，相瓦之间 没有运动干涉。十字滑块的纵向机构上每组上下方向各安装了一个接触式限位 j f 关，用来限制电机的运动行程和标定焊枪与局部罩的高度。横向机构左右也 各装了一个接触式限位开关，用来限制电机行程，以防局部罩挤至i j d , 车壁面， 造成电机过载发热而烧坏电机；横向机构上安装了电阻式位移传感器，用于对 一字滑块位置的检测和状态的监视。十字滑块部分的焊缝跟踪主要靠横向机构 来执行，横向机构驱动是由交流伺服驱动系统来实现的。纵向机构的焊枪和排 水罩都安装在横向机构卜，虽然增加了横向机构负载，但横向机构驱动能力足 够，确保了焊缝跟踪时能够快速响应。横、纵向机构质量轻，移动灵活，响应 速度快，为线性运动过程，因此十字滑块可控制性比较好。但由于其横向运动 范围较小( 左右移动范围为3 0 m m ) ，使得它的跟踪范圈较窄，如果只用十字 滑块跟踪，只能勉强满足曲率小且短的焊缝跟踪。因此，要跟踪大型构件焊缝， 必需结合爬行机构与十字滑块进行联合跟踪才能实现。 2 1 2 信息传感系统 2 1 2 1 激光视觉传感器系统结构设计 13 第二章水下机器人控制系统设计 焊接自动化的实现离不开信息传感系统对焊接过程中焊缝偏差及焊接电流 等参数的实时检测。各种传感器工作原理及结构不同，致使应用情况也不一样， 第一章有过介绍，这里再总结下各自优缺点和应用场合。 接触式传感器结构简单，操作方便，但焊缝坡口类型不同，所需设计探头 形状也不一样，且探头易磨损或变形，其传感方式导致其难以克服凸起点对其 检测可靠性的影响。电磁传感器尺寸较大，易受磁场干扰，对工件坡口加工质 量要求较高。由于爬行机构采用了永磁式吸附机构，且焊接过程和电机运行过 程中会产生较大的电磁干扰，这些对电磁传感器影响比较大，使其检测精度不 是很高。电弧传感器检测的焊缝偏差即为当前偏差，不存在超前或滞后情况， 但是必须在起弧后才能工作，不易于初始对中操作，且其体积相对较大。为了 确保在深水情况下能排干水和受机器人整体尺寸限制，排水罩体积设计较小， 所以本课题不选用旋转电弧传感器来检测焊缝信息。由于焊接实验采用c 0 2 和 惰性混合气体保护焊，且工件板厚仅为l o m m ，所以声学传感器不适用做本课题 焊缝偏差检测工具。 图2 5 单光纹结构光视觉传感器的基本原理图 光学视觉传感器信息量大、再现性好、结构简单，除了能精确检测焊缝中 心位置外，还能识别焊缝截面形状等信息。在实际应用中，人们研究了主动视 觉的方法来克服焊接过程中的弧光的干扰，获取焊缝接头的二维轮廓信息。激 光视觉传感器是以激光作为主动光源来呈现焊缝坡口形状，视觉传感器( c c d ) 摄取光学图像，经图像处理后获得焊缝中心位置，引导焊枪沿着焊缝轨迹运动。 单光纹结构光视觉传感的基本原理如图2 5 所示。采用的主动光源的能量大都比 弧光能量要小，为了避免主动光被弧光淹没，采集到可靠的信息，一般需将传 1 4 第二章水卜 机器人控制系统设计 感器放在离焊枪一定距离的前端。采用合理的安装方法和在视觉传感器镜头前 增加特定波长的滤光片基本可以消除焊接环境的干扰，使图像中基本上只有焊 缝信息，使图像的底层处理简单、稳定、可靠性增加。 综上焊缝偏差检测传感器特点和本课题实际情况，选用结构光视觉传感器 作为偏差检测工具。设计的激光视觉传感器主要由半导体激光器、c c d 摄像机、 滤光片组和传感器壳体四部分组成。 ( 1 ) 传感器壳体。传感器壳体主要结构是经煮黑处理机加工而成铝板，煮 黑后的内表面可以减弱传感器壳体内光线的反射，尽量避免自然光等的干扰。 ( 2 ) 半导体激光器。焊接电弧的光谱区域中包括可见光、红外以及紫外区 域，其光谱强度的峰值位于紫外波长附近，随着波长范围从紫外线到红外线， 光谱强度也显著地降低了。传感器主动光源的波长应该选在弧光相对较弱的波 长区域。对m i g 焊和c 0 2 焊的弧光光谱进行分析可知，其弧光成分在6 0 0 n m 7 0 0 n m 波长区i 白j 分稀相对较少，因此选用波长为6 5 0 n m 左右的半导体激光器岭川。 为使激光透过剩余弧光呈现可靠的坡口参数信息，应选用功率较大的激光器。 综合上述两种原因，激光选用型号为e l 6 5 l 2 0 0 i b 8 一字线性激光器，出瞳功率 达到1 2 0 m w ，其参数如表2 1 所示，激光器实物如图2 6 所示。 表2 1 激光器参数 矧2 6 半导体激光器 图2 7w a t - 7 0 4 r ( 3 ) c c d 摄像机。为了使传感器的设计尽量紧凑，c c d 摄像机选用 w a t - 7 0 4 r ，其主要优点是体积小、灵敏度高及分辨率高等。c c d 实物如图2 7 所示，二要参数如下： c c d 尺寸：1 4 ” 15 第二章水下机器人控制系统设计 有效像素：5