（机械电子工程专业论文）组焊机械手的示教系统与焊缝跟踪系统研究.pdf

硕士学位论文 摘要 在机器人加工单元中，由于焊接工件的多样性和复杂性，弧焊机器人不可能独立 完成复杂工件的焊接，这就需要具有示教功能的示教系统。而在实际的焊接过程中由 于焊枪或工件运动轨迹的波动或焊接变形以及干扰等因素，即使是示教好了的焊缝， 也会出现焊接电弧偏离焊缝位置而焊偏的现象。为了实现焊接自动化以及提高焊接质 量，需要引入焊缝跟踪系统。因此，示教系统是机器人的重要组成部分，而焊缝自动 跟踪是实现焊接自动化的重要内容。 本文在分析组焊机械手现状的基础上，讨论了其示教系统的设计过程。该示教系 统是一个基于单片机的系统，具有按键、显示和通信的功能。通过进行示教焊接实验， 表明该示教系统安全可靠，人机操作界面友好，在实际焊接中也能工作良好。 由于焊接过程是一个高度非线性、强耦合及时变性的复杂过程，难以建立起精确 的数学模型，为此我们把模糊控制引入到焊缝自动跟踪中。在c o ：气体保护焊中，采 用摆动电孤传感器进行焊缝跟踪的困难在于如何提取准确的焊缝偏差信号。由于弧焊 过程中存在许多对信号采集与处理的不利因素，如短路电流等的干扰，因此我们采用 了硬件滤波，时间域与空间域相结合的软件滤波以及曲线拟合的方法对实际的焊接过 程的电弧传感信号进行离线信号处理。利用电流积分差值法作为焊缝控制算法，通过 离线计算，准确地提取出了焊缝偏差信号。根据离线处理的实验结果，我们设计了一 模糊控制器，开发了垂直角焊缝的实时自动跟踪软件。通过对各个位置的垂直角焊缝 进行焊接跟踪实验，结果表明，系统工作稳定，跟踪精度满足垂直角焊缝的焊接要求。 关键词：机械手：示教系统；电弧传感：积分差值法；焊缝跟踪；模糊控制 a b s t r a c t i nt h er o b o t sm a c h i n i n gu n i t ，b e c a u s eo f t h ed i v e r s i t ya n dc o m p l e x i t yo ft h ew e l d i n g p a r t s ，t h ea r cw e l d i n gr o b o tc a n t w e l dt h ec o m p l i c a t e dp a r ti n d e p e n d e n t l y , t h i sm a k e si t n e c e s s a r y t oh a v ea t e a c h i n gs y s t e m t h a th a st e a c h i n gf u n c t i o n ，w h i l ei nt h ea c t u a lw e l d i n g p r o c e s s ，a st h em o v i n gt r a c k st h ef l u c t u a t i n go fw e l d i n g t o r c ho rp a r t ，w e l d i n gd i s t o r t i o n a n dd i s t u r b i n ge t c ，e v e ni ft h et r a c ko fw e l dj o i n th a v eb e e nt a u g h t , t h ei n s t a n c et h a t w e l d i n ga r cd e p a r t u r e sf r o mt h et r a c ko fw e l dj o i n ta p p e a r s i no r d e rt o r e a l i z ew e l d i n g a u t o m a t i o na n di m p r o v ew e l d i n gq u a l i t y , t h ew e l d j o i n tt r a c k i n gs y s t e mi sn e e d e d s ot h e t e a c h i n gs y s t e mi s t h ei m p o r t a n tc o m p o s e dp a r to fr o b o t ，w h i l et h ew e l dj o i n tt r a c k i n g s y s t e mi st h ei m p o r t a n t c o n t e n t o nt h eb a s eo f a n a l y z i n g t h ea n l l 一a n d h a n ds y s t e m sa c t u a l i t y , t h i st h e s i sd i c u s s e st h e d e s i g np r o c e s so f t h ea l t n a n d h a n ds y s t e m st e a c h i n gs y s t e m ，w h i c hi sas y s t e mb a s e do n s i n g l e c h i p i t h a st h ef u n c t i o no fk e y p r e s s ，d i s p l a ya n d c o m m u n i c a t i o n w e l d i n g e x p e r i m e n tr e s u l t st h a tt h et e a c h i n gs y s t e mi s s a f ea n dr e l i a b l ea n dt h em a n m a c h i n e i n t e r f a c ei sf r i e n d l y a st h ew e l d i n g p r o c e s s i sa n o n l i n e a r , c o u p l i n ga n d t i m e - v a r i a b l e c o m p l i c a t e dp r o c e s s ， i ti sd i f f i c u l tt ob u i l ti t sm a t h e m a t i cm o d e l f u z z yc o n t r o li se m p l o y e dt ot h ew e l d j o i n t t r a c k i n gs y s t e m i nc 0 2g a sm e t a la r cw e l d i n g ，t h ed i f f i c u l t yi ns e a mt r a c k i n gb yp e n d u l a r a r cs e n s o ri sh o wt oa t t a i nt h et o l e r a n c es i g n a lo fw e l d j o i n t a si nt h ea r cw e l d i n gp r o c e s s ， t h e r ea r em a n yb a df a c t o r st h a ta f f e c tt h ec o l l e c t i o na n d p r o c e s so f a r cs e n s o rs i g n a l ，t h e m e t h o d so fh a r d w a r ef i l t e r i n g ，s o f t w a r ef i l t e r i n gi nt i m ea n d s p a c ef i e l da n dc u t n ef i n i n g a t - e e m p l o y e dt op r o c e s st h e a r cs e n s o rs i g n a l s o f f - l i n e b yu s i n gt h ec u r r e n ti n t e g r a l i n d i f f e r e n c em e t h o da ss e a mt r a c k i n gc o n t r o la l g o r i t h ma n dc o m p u t i n go f f l i n e ，t h es e a m t o l e r a n c es i g n a l sh a v eb e e na t t a i n e d o nt h eb a s i so f e x p e r i m e n tr e s u l t sp r o c e s s e do f fl i n e a f u z z yc o n t r o l l e ra n ds o f t w a r eu s e di nr e a lt i m es e a mt r a c k i n go fv e r t i c a lf i l l e tj o i n ti s d e s i g n e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l to fw e l d i n gv e r t i c a lf i l l e tj o i n ta te v e r yp o s i t i o ns h o w s t h a tt h ea u t o m a t i cs e a m _ t r a c k i n gs y s t e mi s s t e a d ya n dt h es e a mt r a c k i n gp r e c i s i o ni s s a t i s f i e dw i t ht h ew e l d i n g r e q u e s t o f v e r t i c a lf i l l e t j o i n t k e yw o r d s ：a r n l 。a n d - h a n d ；t e a c h i n gs y s t e m ；w e l d i n ga r cs e n s o r ；i n t e g r a ld i f f e r e n c e m e t h o d ；s e a mt r a c k i n g ；f u z z yc o n t r o l i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：主7 匆桶 日期。卅牛年夕月留日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 王愚柄 哼杪韶 日期：3 - 鲫眸夕月乎目 日期：加p 年j ，月矿日 第1 章绪论 焊接是现代制造领域的重要工艺方法之一。在现代社会高速发展的今天，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。因此， 焊接生产的自动化和智能化是保证焊接质量，降低生产成本，提高生产效率，改 善劳动条件的重要手段。随着先进制造技术的发展，焊接自动化和智能化的研究 和应用以成为现代化工业生产中迫切需要解决的问题。近年来，由于窄间隙自动 焊、全位置自动焊、螺旋管自动焊等焊接自动化的发展，特别是弧焊机器人的应 用发展，使焊缝自动跟踪系统成为焊接自动控制领域研究的前沿课题。各种类型 的焊缝跟踪传感器的研制以及各种自动控制技术的应用也得到了迅猛的发展。 焊缝自动跟踪系统研究的关键是焊缝跟踪传感器和先进的自动控制技术。目 前用丁j 焊缝自动跟踪的传感器的种类很多，研究较多的主要有电弧式、机械式和 光电式的传感器。由于电弧传感器是从焊接电弧自身提取焊缝位置偏差信号，信 号检测点就是焊接电弧点，不存在传感器位置导前误差，实时性好，不需要在焊 枪r 附加任何装置，焊枪运动的灵活性和可达性最好，不怕电弧的飞溅、烟尘、 弧光等干扰，成本较低。因此，电弧传感器尤其符合焊接过程实时性和低成本自 动化的要求。 示教系统是示教再现自动焊接机的一个重要组成部分。在各种各样的t 业机 器人中，示教再现机器人以它的灵活方便可靠和台适的性能价格比而得到广泛的 应用。为了使机器人按照人们的意志准确地执行各种各样的动作，首先必须对工 业机器人进行示教，操作者要将作业的各种知识通过人机对话，向机器人发出示 教指令，然后机器人按照这些指令重复执行预定作业，工业机器人的示教系统正 弱着安全可靠，示教方便直观的方向发展。 1 1 示教方法综述及当前的发展水平 为使工业机器人( 或机械手) 完成规定的任务，在工作前由操作者把动作顺序信 息、动作速度信息、位置信息等用定的方法预先教给工业机器人( 或机械手) ，进 行这种操作称为示教【“”。使机器人按示教的内容动作称为再现。目前人对机器人 示教有3 种方式1 3 】； ( 1 ) 手把手示教。又称为全程示教，即由人握住机器人机械手臂末端，带动 机器人按实际任务操作一遍。在此过程中，机器人控制器的计算机逐点记下各关 节的位置和姿态值，而不作坐标转换。再现时，再运点取出，这种示救方式需要 很大的计算机内存、而且由于机构的阻力，示教精度不可能很高。目前只用在喷 绢焊机械手的示教系统与焊缝跟踪系统研究 漆、喷涂机器人上。 ( 2 ) 示教盒示教。 即由人通过示教盒操纵机器人进行示教，这是最常用的机 器人示教方式，目前焊接机器人都采用这种方式。本项目也是采用这种方式。 ( 3 ) 离线编程示教。即无需人操作机器人进行现场示教，而可根据图样，在 计算机上进行编程，然后输给机器人控制器。它具有不占用机器人工时，便于优 化和更为安全的优点，所以是今后发展的方向。 目前，世界工业机器人的示教方式主要采用示教盒示教，但其他方式也层出 不穷，特别随着电子技术的发展、智能元器件的采用，使示教更科学，更简易。 作为工业机器人的示教系统，要求必须能向机器人提供各种信息，如各示教点运 动速度，采样时间等，必须具备修改示教点和示教参数的功能，以及各种特殊用 途机器入的控制参数给定，如弧焊机器人的插入指令，点弧，灭弧指令，焊接电 源的电压，电流给定等【。 1 2 0 0 ：气体保护焊简介 焊接技术经过几十年的发展，出现了各种各样、不同类型的焊接方法，如电 阻焊、超声波焊、t i g 焊、爆炸焊、激光焊，种类繁多，应用场合也各不相 同。但目前世界上应用最多最广的钢结构件的焊接，c 0 2 气体保护焊是综合性能 比最高的焊接方法，它广泛应用于船舶制造业、重型钢结构、压力容器、大型模 架等场合，成为机械制造业中应用最多，发展潜力最大的焊接方法之一。 c 0 2 气体保护焊是利用c 0 2 气体作为保护气体的气体保护电弧焊。与手工电 弧焊和埋弧焊等其他电弧焊相比有以下优点 ( i ) 生产效率高。由于c 0 2 气体保护焊的焊接电流密度大( 通常为8 0 3 0 0 a m m 2 ) ，电弧热量集中，焊丝熔化效率高，电弧穿透力强，母材的熔深大，焊 接速度快，生产效率比手工电弧焊高1 3 倍。 ( 2 ) 焊接成本低。c 0 2 气体是化工厂的副产品，价格低廉，焊丝的成本也比手 工电焊条低，因而，c 0 2 气体保护焊的成本只有手工电弧焊的4 0 5 0 。 ( 3 ) 能量消耗低。c 0 2 气体保护焊和药皮焊条电弧焊比较，3 m m 厚低碳钢板 对接焊缝，每米焊缝消耗的电能，前者是后者的7 0 左右。而2 5 r a m 厚低碳钢板 对接焊缝，每米焊缝消耗的电能，前者是后者的4 0 左右。节能效果很明显。 ( 4 ) 适用范围广。短路过渡时，可立焊、仰焊、横焊等空间位置焊和全位置焊， 薄板可焊到1 m m 左右，最厚几乎不受限制( 采用多层多道焊) 。 ( 5 ) 操作简单。c 0 2 气体保护焊操作简单，容易掌握，焊前不要对工件作太多 的处理，焊后不需要清渣，且电弧可见性好，易于人工监视控制，是焊丝对中焊 缝，易于实现机械化及自动化控制。 由于c 0 2 气体保护焊有如此多的优点，因此受到了有关生产和研究部门的高 硕士学位论文 度重视，使之成为有关管理部f 3 和生产企业重点推广应用的焊接方法。在c 0 2 气 体保护焊的普及推广中，c 0 2 气体保护焊的自动化问题一直是国内外焊接技术研 究人员致力于研究的重点课题。据统计，在国外的焊接前沿领域弧焊机器人中， 7 0 8 0 都是应用c 0 2 气体保护焊进行焊接。而目前我国c o z 气体保护焊的应用 很多还是停留在手工焊接上，自动化的普及率还比较低。 1 3 焊缝跟踪方法综述及发展现状 在焊接过程中，始终保持焊接电弧对准挥缝是保 正焊缝质量的关键。在实际 的生产中由于焊枪或t 件运动轨迹的波动或焊接变形等因素，造成焊接电弧偏离 焊缝位置而捍偏的现象是十分常见的。因此，随着焊接自动化的发展，对焊缝自 动跟踪控制的要求越来越高。实现焊缝跟踪的方法很多，这些跟踪方法主要以传 感器的类型束划分的。到目前为止，用于焊缝自动心踪的传感器f _ h 几十种。袁1 1 列出了常见类型传感器的基本原理和应用特点j 。其中接触式传感器，由于不怕 电弧光、电磁、烟尘等干扰等优点，最早得到了应用，并曾一度占领很大的市场。 但它对坡习的加工要求高，易磨损，限制了它的发展，随着非接触式传感和电弧 传感的发展，目前这种俦感的使用兀趋减少。 表11焊缝自动跟踪传感器的原理和特点 种类基本原理应用特点 利j ： 与坡口相接触的探针、杠杆等机 接触式机械结构简单、抗干扰性好， 构，通过光敏元件、微动开关等产生偏 电f 传感器工作可靠，跟踪精度低 差信号 电磁感应式剥月j 差动交隘器次级线黼输如电压缩梅简革，工作可靠，但 传感器f l 匀著值反映偏差信号易受错边，强磁场干扰 通过c c d 等设备矗接获取焊缝图像， 设各复杂，但赣度及可靠 褫觉传感器性较高，多用于弧悍机器人 经处理获取偏差信号 系统 利用超声波脉冲在金辫内传播时的 设备复杂，只适合于大于 i o m 犀板要求j 二作袭面平 起声传感器界碗反射现象，通过反射波的行程，获 籀，抗电磁、弧光、烟尘等 得偏蓑信号 干扰性强 检测偏差盥接，精度高， 撮据电弧电压或电流髓髓长变化的菠备简单可靠性好。但易 电弧传感器 原理获取偏差信号受熔漉过渡等影嗨颓泉用 特殊措施提取偏熊信导 组焊机械手的示教系统与焊缝跟踪系统研究 一 电弧传感系统在8 0 年代初开始出现，并迅速发展，由于它的多种优势，很快 超过了在它之前的接触式传感器和非接触式传感器，如电磁式、超声式等等。目 前，它已成功地占领了4 0 的市场，成为名副其实的应用最广泛的焊接传感器。 视觉传感系统，是继电弧传感系统的又一后起之秀，正以迅猛的速度发展起 来。尽管视觉传感系统具有成本高，所受干扰大等多种不利因素，但它所提供的 丰富的信息，仍然越来越多地吸引着国内外焊接工作者的关注。可以预言，作为 目前焦点的视觉传感器，很快就会进入实际应用。 1 4 模糊控制及其在焊缝跟踪中的应用现状及发展前景 模糊控制与传统的控制技术相比，更接近人类的思维方式，因而在时变、非 线性、大滞后等复杂系统中能获得较满意的效果。 1 4 ，1 国外应用情况 1 9 8 9 年，日本学者s m u r a k a m i 7 1 等研究了基于模糊控制的弧焊机器人焊缝跟 踪控制系统。系统采用电弧传感器，在强烈的弧光、高温、烟尘下，电弧传感器 获得的机器人焊枪的位置和方向信息中含有很多噪声。为此，采用基于语言规则 的模糊滤波器和模糊控制器来设计焊缝跟踪控制系统。 1 9 9 0 年，英国的k o u a t l ii 等人以弧焊机器人焊接不规则焊缝为例，介绍了模 糊逻辑理论的基本原理和模糊控制器的设计技巧及具体规则。1 9 9 1 年，k o u a t l ii 等人又提出了“模糊圆”的方法进行论域划分及模糊集类型的选取，并采用智能 工程技术提取过程信息以辅助设计模糊逻辑控制器，从而使模糊逻辑控制器的设 计变得更为简捷、有效。该方法也已由t i g 焊智能机器人进行裂纹补焊的应用实 例得到了验证。 1 9 9 3 年，韩国学者j w k i m i 8 1 采用摆动电弧传感器进行了c 0 2 气体保护焊焊 缝跟踪试验，分别设计了简单模糊控制器和自组织模糊控制器。用曲线拟合法从 焊接电流信号中获取焊枪位置信息，并按角度偏差设计了系统控制规则。试验结 果表明自组织模糊控制器在偏差角度为1 0 。时，系统仍有很强的跟踪能力。 1 4 2 国内应用情况 t 9 8 9 年，g _ - t l 新和尤文在晶体管逆变弧焊电源的研究中采用了模糊控制器， 作者以电流偏差和偏差变化率作为两个输入量，根据人工操作经验和实验总结出 的模糊控制规则，通过离线计算，由5 1 单片机系统实现了对晶体管逆变电源的微 机模糊控制器。该模糊控制系统整机运行稳定、可靠， n 接z n 4 , ，焊缝成形好。 清华大学的廖宝剑 9 1 以高速旋转电弧传感器为基础，研制了一套多自由度无 轨轮式焊接小车，采用8 0 9 8 单片机实现了焊接小车转弯跟踪焊缝的模糊控制，英 4 ：堂塑l 兰；：。：。：。：。：。：。；：，。 中焊车与焊缝的偏差及偏差的变化作为模糊控制器的输入量，焊枪点转弯引起的 速度分量的方向与焊车前后轴线夹角的增量作为输出量，按极大极小法确定输人 状态，按照重心法原理确定输出量，试验表明对4 3 。折线焊缝跟踪效果良好。 华东船舶工业学院的卢道华1 0 1 设计了一个用高速旋转电弧信号进行焊缝跟踪 的模糊控制系统。 近年来，南昌大学成功地将旋转电弧传感器应用到弧焊机器人上，实现了弧 焊机器人水平位置曲线角焊缝的实时跟踪，焊缝横向纠偏采用模糊控制，焊枪高 度纠偏采用比例控制，跟踪效果满足技术要求。 1 4 3 模糊控制在焊缝跟踪应用中所面临的问题 模糊控制利用隶属度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控制规则，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通过反复精心整定才能投入使用。 另外量化因子和比例因子的选择也影响着整个系统的品质，并且当对象动态特性 发生变化或者受到随机干扰的影响都会影响模糊控制的效果，以上问题都将导 致模糊控制器些缺陷。一般来说，模糊控制在焊缝跟踪应用中也存在非线性系 统共有且经常碰到而又难解决的问题队1 2 】： ( 1 ) 精度较低。这主要是由于模糊控制表的档级有限而造成的，通过增加量化 等级数目虽可提高精度，但查询表将过于庞大，须占用较大空间，使运算时问增 加。 ( 2 ) 自适应能力有限。由于简单模糊控制器中查询表一旦整定下来后，就不再 改变，量化因子和比例因子也是如此。这样当对象参数随着环境的变化发生漂移 时从而使其良好性能得到不到充分发挥。 ( 3 ) 很容易产生振荡现象。如果查询表构造不合理，或量化因子和e 匕例因子选 择不当，都会导致振荡。在仿真过程中，特别是系统进入误差的零档级时产生高 频振荡现象更为普遍。 1 4 4 模糊控制在焊缝跟踪中的应用前景 针对上述存在的问题，在模糊控制理论方面，人们对常规模糊控制进行了改 进，设计了一些高性能模糊控制器，并且发展成自适应和自学习模糊控制、专家 模糊控制、预测模糊控制、神经网络模糊控制等。 作为模糊控制理论应用的模糊控制技术( 包括硬件技术) ，虽然在许多领域得 到了广泛研究和应用，但在焊缝跟踪方面却不仅起步较晚，而且也不够深入，焊 接过程十分复杂，具有非线性、时变、干扰因素众多等特点，很难获得精确的数 学模型“。如何发挥模糊控制的优越性，减少不利面，这固然有待于模糊控制理 组焊机械手的示教系统与焊缝跟踪系统研究 论的进一步发展和完善，但要使模糊控制在焊缝跟踪领域得到更为广泛的应用， 还有待于焊接控制及自动化工作者的不懈努力。模糊控制在焊接领域研究和应用 的未来发展方向，应主要放在如何使业已成熟的一些模糊控制理论与焊接过程的 实际结合起来，发展专用焊缝跟踪模糊控制器，进而发展成通用型的焊缝跟踪模 糊控制器。为此应加强研究的主要课题为1 1 4 j ： ( 1 ) 适合焊缝跟踪模糊控制的稳定性分析方法和评价方法，可控性的评价方 法。 ( 2 1 焊缝跟踪模糊控制规则设计方法的研究，包括模糊集合隶属函数的设定方 法、量化水平，采样周期的最优选择，规则系数、最小实现以及规则和隶属函数 参数的自动生成等问题。 f 3 ) 焊缝跟踪模糊控制动态模型的辨识方法。 ( 4 ) 焊缝跟踪模糊控制预测系统的设计方法和提高计算速度算法。 ( 5 ) 焊缝跟踪自学习模糊控制，尤其是提高基于人工神经元网络的自学习模糊 控制精度的研究应作为焊缝跟踪模糊控制的一个重要研究方向i 】”。 1 5 课题来源 我院钟志华教授承担了国家“十五”科技攻关项目：模块化模具快速制造工 艺与装备技术。该课题瞄准汽车工业发展所需的关键技术一汽车车身冲压成型的 工艺和模具技术，以突出在新产品开发中缩短模具设计制造周期、提高产品质量 和降低成本为主要目标来进行大型汽车覆盖件模具的快速设计制造技术研究。 一般而言，一套模块化模具需要焊接的接头愈千条，焊接任务比较重，且9 0 以上为垂直角焊缝，焊接工艺要求高。汽车覆盖件生产时模具还要承受大型压力 机的巨大压力，焊接质量要求非常高。模具型腔最小尺寸为 2 5 0 m m x 2 5 0 m m x l 0 0 m m ，模具最大尺寸为6 0 0 0 m m 3 0 0 0 m r n 7 6 0 m m 。因此，一 个典型的模具型腔尺寸为2 5 0 m m x 2 5 0 m m x 7 6 0 m m ，小而深的型腔人工根本无法进 行焊接。目前的工业用焊接机器人也无法完成这样的焊接任务。 因此，有必要开发一套智能组焊机械手系统，利用当前的先进技术，如计算 机网络、数据库、智能控制、计算机视觉、数字图像处理等，以便快速高效、高 质高量地完成自动化焊接任务。 1 6 本论文的主要任务 本论文的主要任务有两个： ( 1 ) 在组焊系统中，由于焊接工件的多样性和复杂性，组焊机械手不可能独 立完成复杂工件焊接，这就需要一个示教系统来配合组焊机械手的工作。因此， 硕士学位论文 必须丌发一个示教系统，用于确定焊枪的空间位置、焊枪的姿态以及记录下该条 焊缝的焊接参数等，确保复杂工件焊接的顺利进行。 ( 2 1 在组焊机械手施焊的过程中，如果焊接条件基本稳定，则组焊机械手能够 保证焊接质量。但是，由于各种因素的影响，实际的焊接条件经常发生变化，例 如，由于强烈的弧光辐射、飞溅、坡口状况、加工误差和工件热变形等影响会使 焊炬偏离焊缝，从而造成焊接质量下降甚至失败。因此，焊接条件的这种变化要 求组焊机械手能够实时检测出焊缝的偏差，并调整焊接路径和焊接参数，保证焊 接质量的可靠性。为了使组焊机械手在焊接过程中能实时地检测出焊缝的实际位 置，因此，提出了焊缝跟踪技术的问题。为了解决组焊系统c 0 2 气体保护焊焊缝 自动跟踪问题，结合目前国内外在焊缝自动跟踪方面的研究成果和研究趋势，确 定了实现焊缝自动跟踪的主要工作任务是： 1 ) 完成电弧信号采集系统的研制。 2 ) 通过大量实验所得的电弧传感器传感信号实验数据，对实验数据进行分析 处理后，得到焊炬偏离焊缝与电流积分差值之间的变化关系。 3 ) 利用焊炬偏离焊缝与电流积分差值之间的变化关系，设计焊缝横向纠偏控 制系统。 1 7 课题的目的和意义 本课题在已有的研究基础上，立足于生产的实际设备，利用模糊控制等有关 理论，力图以较简单、较低成本的硬件系统，较实用和灵活的程序实现c o ：气体 保护焊在垂直角焊缝焊接中的自动跟踪，从而提高焊缝的质量。 由于该系统简单、实用，因此对现有设备进行改造，使之以较低成本实现性 能的较大提高，具有重要的意义；同时对智能控制技术在c 0 2 气体保护焊焊缝跟 踪系统的应用做一些研究并提供一个实例。从理论上讲，有利于人们对c 0 2 气体 保护焊的焊接过程的认识，从现实上讲有利于c 0 2 气体保护焊的推广和应用。 1 8 小结 本章介绍了组焊系统中示教的方法和目前的发展水平，以及当前应用最广泛 的c o z 气体保护焊的优缺点，接着介绍了焊缝跟踪的现状和模糊控制在焊缝自动跟 踪中的应用情况。最后介绍了课题的来源和主要的研究任务。 组焊机械手的示教系统与焊缝跟踪系统研究 第2 章组焊机械手机电控制系统 2 1 组焊机械手的机械结构 组焊机械手为龙门式的机械结构装置，如图2 1 所示。该装置有六个自由度： x 、l ，、z 、臼、盘、。轴( 纵向) 和j ，轴( 横向) 的运动是由交流伺服电机、 减速器、齿轮齿条传动、直线导轨等组成的驱动装置来实现。z 轴( 垂直方向) 的运动是由交流伺服电机、减速器、滚珠丝杆、直线导轨等组成的传动装置来实 现。彳轴、y 轴和z 轴构成笛卡尔直角坐标系，保证焊接机械手可准确地运动到 三维空间的任意位置。而p 、口、卢用于确定机械手的姿态。六个自由度的联合 实现了对模具毛坯模架的上千条焊缝进行全方位的自动焊接，也为实时焊缝跟踪 的实现提供了保证。 0 2 气隹像妒 量t 主 l l，竖坠 ；燮 主导址 岸接昔囊f = = 3 坐 蜱营 f 右芏鞋 4 - l # 岸艳蔓毒_ 毫 岸砖 工业控制 计茸帆 慰! ! 塑竺! l 轴里曲装置 图2 1 组焊机械手结构示意图 由于施焊对象以及焊缝形式变化多样，要求夹持焊枪的焊接机械臂能灵活运 动，以实现不同的姿态要求a 因此，我们设计的焊接机械臂如图2 2 所示。焊接 机械臂由大臂、小臂和焊枪夹持臂三部分组成，大臂可作口角方向绕z 轴旋转运 坐翌 ：一 ! ! 圭! 鏖! ! ：i 一 动，小臂可作口角方向旋转运动，夹持臂兴持焊枪作角方向的姿态变换，分别 实现焊枪的旋转、倾斜和姿态调整运动。机械臂的旋转( 口角方向) 和机械臂的 倾仰( a 角方向) 均由步进电机、减速器、齿轮传动来驱动a 焊枪姿态调整由一 个同步电机链传动来实现。所有六个自由度的运动均由工业控制计算机通过六轴 运动控制卡集中控制。 图2 2 焊接机械譬运动示意图 2 2 基于工控机的开放式体系结构 传统上的工业机器人所采用的控制系统基本上是设计者基于自己的独立结构 而开发的，它采用了专用的计算机、专用的机器人语言、专用的操作系统、专用 的微处理器u “。这种封闭式结构限制了它的可扩展性和灵活性，不便于对系统进 行扩展和改造。由于专用的封闭式结构的局限性，现代机器人控制器在向开放式、 通用性方向发展l l ， “j 。 现在，随着p c 技术、现场总线技术、及多传感技术的飞速发展，机器人也 向着开放式的控制系统方向发展。p c 机与焊接机器人的结合应用，能够将其他领 域如图像处理、声音识别、最优控制、人工智能等先进的研究成果应用到该系统 的实时操作中。另外，p c 机具有良好的开放性、安全性和联网性、标准的实时多 任务操作系统、标准的总线结构及标准接口等，可以打破机器人专用控制器结构 封闭的局面，开发出结构开放、功能模快化的标准化焊接机器人系统。目前， m o t o m a n ，s e i k o 等均把基于p c 的机器人作为主要的发展方向。 采用通用p c 作为机器人控制器的主控计算机具有以下优点：成本低，具有 开放性，完备的软件开发环境和丰富的软件资源，良好的通讯功能，用户基础广 9 丝丝垫丝三墼重墼垂竺皇堡丝些堡至竺至! 塞； 泛。 2 3 组焊机械手的控制系统结构 组焊机械手控制系统采用基于工业控制计算机( 工控机) 的开放式控制系统 体系结构，如图2 3 所示。工业控制计算机作为整个控制系统的中枢，透过p c i 总线集成六轴运动控制卡和以太网卡。六轴运动控制卡负责各个轴的运动控制及 运动状态反馈。示教系统利用r s 一2 3 2 串行通信接口同工控机通信。 工控机卜一 示教系统 上 p c i 总线 ： 六轴运动控制卡 以太网卡 ：f： 交流伺服电机驱动器步进电机驱动器 ： 传感器开关晕 远程 模拟量输入 输入 输出 通信 交流伺服电机步进电机 圈2 3 组焊机械手开放式体系结构 该系统由下列元器件组成：一台工业控制级触摸屏计算机，p c i 一8 1 3 6 m 六轴 运动控制卡，交流伺服电机及其驱动器，步进电机及其驱动器，工业用开关电源， 电流传感器( 焊接时用于焊缝跟踪) ，接近开关( 墨y 、z 轴正负极限位置限位和 六个自由度的原点定义) ，微动开关( 同步电机极限位置硬件逻辑限位和示教头示 教) 和自制接口电路等【1 9 】。 除机械手本体和计算机控制与数据采集处理系统外，还有c 0 2 气体保护焊机、 送丝机、焊枪及c 0 2 供气装置等。本项目选用n b 5 0 0 1 型逆变式半自动气体保护 焊机，并对送丝机和焊枪进行电气和机械改造，使之能由计算机控制和满足机械 手结构尺寸，实现焊接过程自动送丝。 2 4 组焊机械手的六轴运动控制卡 在此，重点介绍一下组焊机械手系统所使用的六轴运动控制卡。六轴运动控 制卡是连接工控机与各轴驱动单元的桥梁，工控机发出动作指令后，六轴运动控 制卡把它转换为电信号给电机驱动器或接口控制电路。本系统所使用的六轴运动 控制卡为台湾a d l i n kt e c h n o l o g yi n c 的p c i 8 1 3 6 m ，如图2 4 所示。p c i 一8 1 3 6 m 支持脉冲型和电压型的电机驱动器：产生脉冲序列或电压量控制伺服电机驱动器 和步进电机驱动器。p c i 一8 1 3 6 m 有六组运动控制模块，每组有独立的脉冲发生器， 编码器计数器，模拟量输入输出，隔离数字量输入输出。每组均可独立地用于某 个轴的运动控制，或某轴的某项硬件资源单独使用。p c i 一8 1 3 6 m 可以在任何 m i c r o s o rw i n d o w s 操作系统下工作，而无需实时操作系统扩展。p c i 一8 1 3 6 m 提供 图2 4p c 卜8 1 3 6 t d 结构功能框图 m i c r o s o f tw i n d o w s 环境下的动态联接库和驱动程序，用户可以用v i s u a lc + + ， v i s u a lb a s i c ，或d e l p h i 开发自己的应用程序。p c i 一8 1 3 6 m 支持单轴点到点运动、 任意两轴直线插补运动、任意两轴圆弧插补运动、任意三轴直线插补运动。 p c i 一8 1 3 6 m 硬件资源如下，可以满足组焊系统的需求。 ( 1 ) 6 通道1 6 位模拟量输出，输出范围i o v ： ( 2 ) 6 通道1 2 位模拟量输入，电压：i o v ，电流：0 2 0 m a ； ( 3 ) 1 9 个隔离数字量输入； ( 4 ) 7 个集电极开路隔离数字量输出； ( 5 ) 6 通道脉冲发生器，最大频率1 0 2 4 k ； ( 6 ) 6 通道编码器计数器； ( 7 ) 2 个远程u o 模块： ( 8 ) 1 个2 4 位可编程定时器； ( 9 ) 8 种可编程中断源。 组焊机械手的示教系统与焊缝跟踪系统研究 2 5 组焊系统的抗干扰措施 组焊机械手硬件系统较复杂，焊接现场存在许多直接和间接的干扰源，包括 控制线和信号线之间的电磁场耦合、焊接产生强大的电磁场干扰，接触器、继电 器的开断，电机的启动停止，交流伺服系统对步进系统的干扰等因素。如何采取 有效的抗干扰措施是保证组焊系统正常工作的重要问题。 本课题研制中在硬件设施方面采取了如下抗干扰措施： ( 1 ) 通过两个隔离变压器将计算机控制系统的供电和电网隔离。 ( 2 ) 计算机系统电源采用经屏蔽处理的隔离净化电源，使串进电源的干扰减至 最小。 ( 3 ) 所有送到计算机的信号尽量采用差动输入方式传送。 ( 4 ) 所有接触器和继电器触点之间装有灭弧器，消除工作时各触点间电弧引起 的干扰： ( 5 ) 所有控制线和信号线均采用屏蔽线，屏蔽线一端接地，这是抑制高频高压 干扰最简单最有效的方法。 ( 6 ) 采用工业控制计算机作为控制系统的核心，步进系统电源采用工业级开关 稳压电源： ( 7 ) 采用全浮空方式。输入输出信号均通过光电隔离器与系统相联系。 ( 8 ) 输入信号进行r c 滤波，排除由输入信号产生的误动作。 ( 9 ) 采用多点接地的方式，为共模和差模干扰提供泄放途径。 ( 1 0 ) 严格按照各元部件的说明书进行电气线路连接。 实践证明，以上这些措施有效地防止了系统干扰问题的发生，保证了组焊系 统的正常运行。 2 6 小结 本章简要地介绍了组焊系统的机械结构和总的控制系统组成。特别提到了组 焊系统所使用的计算机与执行机构之间的接口件一一六轴运动卡。最后介绍了在 复杂的组焊系统中所采取的一些必要的抗干扰措旌。 第3 章示教系统的设计 3 1概述 机器入技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、 仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。 机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。美国机器人学会定义 机器人为：一个可再编程，多功能的机械手，它通过各种可改变程序的运动来完 成不同的工作任务。大多数传统机器人一般采用如下的三种方式编程：( 1 ) 示教 盒直接示教编程。( 2 ) 间接示教编程( 即牵引示教编程) 。( 3 ) 离线编程。 3 2 组焊系统的示教盒 在设计组焊系统之初，是设计用图3 1 所示示教头作为示教装置。它主要由 三个位置互相垂直的微动开关组成，用于测量焊缝的三维坐标，如图3 1 所示。 例如，测量焊缝的x 值( 横坐标) 时，示教头沿x 方向慢慢靠近焊缝所在的位于 y z 面的钢板，当微动开关被按下时，示教头立即停止运动，系统记录下示教头的 当前位置坐标，即当前焊缝的x 值( 横坐标) 。同样，示教头也可以测量出焊缝的 y 值和z 值。但在使用的过程中，主要遇到了两个问题： 传感器 图3 1 示教头示意图 ( 1 ) 由于微动开关的质量的问题，有时不能正常的闭合，因此虽然示教头已 经碰到了钢板，但工控机没有检测到相应的信号，也就是系统会误操作。这会引 起系统的安全事故。 组焊机械手的示教系统与焊缝跟踪系统研究 ( 2 ) 由于微动丌关是一个弹簧开关，弹簧本身有一定的伸缩量，示教头本身 的尺寸也不易测准。而按上面的方法测出的只是示教头的空间坐标。它与焊缝的 实际坐标之删还存在一个转换的问题。这必然会存在误差。 因此，虽然示教好了某一条焊缝的坐标位置，但当机械手按照示教好的数据 运动时，存在比较大的误差。因此有必要开发一个示教盒来取代示教头装置。 示教盒是一种能提供示教用户界面的人机接口装置。所谓智能是指示教盒本 身带有微处理器。示教盒键盘输入、显示输出以及与工控机通信三大部分组成。 输入方式由用户通过按键提供。操作者可以利用面板上的按键开关操纵组焊机械 手。显示输出由液晶显示器构成，显示内容包括控制系统当前工作状态，机械手 的空间位置，待执行或正在执行的命令，出错信息及其他操作者需了解的信息。 示教盒的大小一般应适宜人的单手握持，并应携带方便。示教盒通过串行通 讯方式与工控机相联，以减少电缆线条数。操作者可以手持示教和自由走动，能 在任何位置对机械手进行示教。 作者所研制的示教盒是机器人和操作者人机交互的工具，类似于p c 机的键盘 并具有一定的显示功能。由盒体、键盘、显示屏、控锚电路等组成。示教盒面板 上有2 7 个键：方向键和功能键。按键采用轻巧超薄的薄膜开关，操纵者通过键盘 输入任何信息。如：功能选取、各种运动指令等。显示屏采用l c d 显示屏，用以显 示各种提示信息，坐标位置信息，状态信息等。示教盒与工控机间采用r s 一2 3 2 c 标准串口进行通讯。 3 2 1 键盘部分 示教盒面板外形如图3 2 所示。 图3 2 组焊系统示教盒面板 4 选择、+ l 键：两者配合用来输入和修改某条焊缝的序号。由于焊接对象是大型的 模具模架，焊缝最多的时候有几千条，用选择键来选择焊缝序号的个位、十位、 百位和千位，按如下方式循环： 广+ 个位+ 十位- 百位 千位一 j【 l一一 快、中、慢键：用于设定机械手六个轴的移动速度和行程，分别对应于快速、中 速和慢速。 当选择某一位后，用+ l 键来修改该位置上的数值，可从0 9 之间循环修改。 手动键：用于手工单独调节六轴运动，它不对数据库进行操作，一般在机械部分 调试时用。 示教键：允许用示教盒对己编制工艺的焊缝进行示教操作并对数据库读写。 焊接键：用于单条焊缝焊接。 紧急停止键：当组焊系统出现紧急故障时，用于紧急停机，中断当前操作。同时 锁住键盘。 暂停键：暂时停止当前操作。 记录键：当焊缝的数据示教好了之后，按该键把数据写入数据库中。 记录显示键：当操作者输入某一条焊缝序号后，按该键可把与其相关的信息显示 出来。 坐标显示键：该键用于显示机械手各轴当前的位置。 修改键：用于修改某一条焊缝的数据信息。 x + 、y + 、z + 键：分别用于控制机械手且只z 正方向的运动。 x 一、y 一、z 一键：分别用于控制机械手置kz 负方向的运动。 0 + 、a + 、b - - 键：分别用于控制机械手口、a 、正方向的旋转运动。 o 一、o 一、b 一键：分别用于控制机械手口、a 、口负方向的旋转运动。 3 2 2 显示部分 为了将输入命令和运动状态动态地显示出来，示教盒采用了液晶显示器，对 于操作者控制命令的选择可以通过菜单的形式进行选择，以便给操作者提供一个 控制机器人的友好的界面。具体的显示内容随用户的按键命令而变化。能实时地 显示机械手当前的空间坐标位置和状态。 3 3 示教盒系统硬