（机械电子工程专业论文）移动机器人旋转电弧传感焊枪偏差与倾角检测及角焊缝跟踪.pdf

摘要摘要随着工业技术的不断发展，大型结构件的应用越来越多。在这些大型结构件的焊接生产中存在大量的弯曲角焊缝和折线角焊缝，实现这些焊缝的自动化焊接对于提高生产效率和保证产品质量具有非常重要的意义。这些工件结构庞大，很多焊接作业必须在现场进行，难以采用手臂式机器人进行自动焊接，也难以采用编程或示教的方式进行焊缝跟踪；另外在对这些焊缝进行自动焊接时，不仅要控制焊枪跟踪焊缝移动，同时还要调整焊枪的倾角，以保证焊接质量。为此，本文以轮式移动焊接机器人为平台，解决大范围移动焊接问题：同时采用旋转电弧作为传感器，进行焊枪偏差识别与倾角检测，从而实现大型构件角焊缝自动焊接。研究内容主要包括：焊接电流信号的滤波处理；焊枪偏差与倾角检测；水平弯曲角焊缝、具有直角转弯的角焊缝和水平折线角焊缝跟踪及焊枪倾角调整控制器的设计。针对焊接电流信号易受外界噪声干扰影响的问题，本文提出以软阂值小波滤波为核心的组合滤波算法，对旋转电弧传感器采集到的电流信号进行滤波处理，使电流波形得到了明显地改善，提高了电流信号的信噪比，为焊枪的偏差和倾角检测奠定了基础。对特征谐波法在焊枪偏差和倾角检测中的应用问题进行了理论研究并给出了试验验证，发现该方法可以用来对焊枪偏差和倾角进行同时检测，扩展了特征谐波法的应用范围。指出在焊枪倾角不为零时，传统的采用一次谐波幅值检测焊枪偏差大小的方法会产生较大误差。为了提高焊枪偏差的检测精度，首次提出特征平面法对焊枪偏差和倾角同时进行检测。该方法充分利用旋转电弧传感器采集得到的焊接电流信息，采用最d , - 乘原理在三维空间构建特征平面，通过求特征平面与坐标平面交线的斜率，将焊枪偏差和焊枪倾角信息分别投影到两个正交的平面上，实现了二者的解耦。针对焊接过程难以建模的问题，采用分段控制策略设计控制器对水平滑块进行控制，该控制器在大偏差时采用比例控制，在小偏差时采用参数自调整模糊控制，并利用免疫反馈规律对比例因子进行修正，实现了直线焊缝、小曲率焊缝的跟踪。针对水平弯曲角焊缝跟踪的特点，设计模糊控制器对水平滑块和摘要车轮进行协调控制，采用焊枪偏差信息获得机器人运动方向和焊缝走向之问的角度偏差，控制车轮转弯，并采用预测控制原理对控制量进行修正，实现水平弯曲角焊缝的平滑跟踪。在船舱格子形角焊缝焊接中，存在9 0 度的直角转弯，给跟踪控制带来了很大难度。文中详细介绍了如何利用焊枪倾角信息检测拐角点，利用超声波传感器测量前方焊缝位置的方法。并对机器人的运动学模型进行推导，设计控制器实现此类焊缝的跟踪焊接。对于变化角度较大的折线角焊缝跟踪问题，设计带有转动关节的焊枪，并将该焊枪置于移动机器人平台上，设计控制器利用焊枪偏差和倾角信息，首次实现在焊缝跟踪的同时对焊枪的倾角进行调整。最后通过实际焊接试验证明了本文研究工作的有效性。另外，本文所设计的焊缝跟踪系统在九江同方江新造船厂进行了生产现场实际试用，取得了预期的效果。关键词：焊缝跟踪；移动焊接机器人；模糊控制；旋转电弧传感器；焊枪倾角i ia b s t r a c t一_ _ _ _ ，_ 一a b s t r a c tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r y , t h e r ei sag r o w i n ga p p l i c a t i o no fl a r g ew e l d i n gs t n l c t u r e s ，s ot h e r ea r em a n yc u r v e df i l l e t sa n db r o k e n l i n e df i l l e t sn e e dt ob ew e l d e d f o ri m p r o v e m e n to fp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dg u a r a n t e eo fp r o d u c tq u a l i t y , i ti se s s e n t i a lt or e a l i z ea r cw e l d i n ga u t o m a t i o ni nt h em a n u f a c t u r i n go ft h e s ew o r k p i e c e s b e c a u s eo ft h el a r g es c a l e ，t h e s es t r u c t u r e sm u s tb e e nw e l d e di no u to fw o r k s h o p ，s ot h ea l t nw e l d i n gr o b o tc a l ln o tb eu s e da n dt h ew e l d i n gp a t h sa r en o te a s i l yp r e p r o g r a m m e d m o r e o v e ri ti sn e c e s s a r yt oc o n t r o lw e l d i n gt o r c hm o v i n ga l o n gw i t ht h es e a m sa n da d j u s tt h et o r c h si n c l i n a t i o ns i m u l t a n e o u s l yf o ro b t a i nh i 曲l yw e l d i n gq u a l i t yw h e nt r a c k i n gt h e s es e a m s i nn l i sd i s s e r t a t i o n ，aw h e e l e dm o b i l er o b o t i ca r cw e l d i n gs e a mt r a c k i n gs y s t e mi sd e v e l o p e d a n dt h es y s t e mu s e sar a t i o n a la r cs e n s o rt od e t e c tt h ed e v i a t i o na n di n c l i n a t i o no fw e l d i n gt o r c h t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r e ：t h ef i l t e r i n go fw e l d i n gc u r r e n t s ：t h ei d e n t i f i c a t i o no fw e l d i n gt o r c hd e v i a t i o na n di n c l i n a t i o n ；t h ec o n t r o lm e t h o d sd e s i g n i n gf o ra u t o m a t i ct r a c k i n gc u r v e df i l l e t s ，l a t t i c eb o xf i l l e t sa n db r o k e n 1 i n e df i l l e t s i nc o n s i d e r a t i o no f l ef a c tt h a tw e l d i n gc u r r e n ts i g n a l sa r eo f t e nd i s t u r b e db yo u t s i d en o i s e s ，s o rt h r e s h o l dw a v e l e tf i l t e r i n gm e t h o di sa p p l i e dt op r o c e s st h ew e l d i n gc u r r e n ts i g n a l s ，t h a tm a k et h ew e l d i n gc u r r e n ts h a p ei so b v i o u s l ys m o o t h e da n dt h es i g n a l t o - n o i s er a t i oi sm u c hi m p r o v e d i ti sr e s e a r c h e di nt h e o r ya n de x p e r i m e n t st h a tt h ec h a r a c t e rh a r m o n i cm e t h o dc a nb eu s e dt 0d e t e c td e v i a t i o na n di n c l i n a t i o no fw e l d i n gt o r c hs i m u l t a n e o u s l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et r a d i t i o n a lm e t h o do fu s i n gt h ea m p l i t u d eo fo n e 。o r d e rh a r m o n i ct od e t e c td e v i a t i o nw o u l dr e s u l ti nb i ge r r o rw h e nt h ei n c l i n a t i o ni sn o tz e r o f o ri m p r o v et h ed e t e c t i o np r e c i t i o n ，t h ec h a r a c t e rp l a n em e t h o di sd e v e l o p e di n t h i sd i s s e r t a t i o n , w h i c hf i t st h ea r cc u r r e n t st oap l a n ei nt h r e ed i m e n s i o n su s i n gal e a s t - s q u a r ef i t t i n gm e t h o d t h ed e v i a t i o no fw e l d i n gt o r c hi so b t a i n e dt h r o u g hc a l c u l a t i n gt h ei n t e r s e c t i o nl i n es l o p eo ft h ef i t t i n gp l a n ew i t hm ey zp l a n e ，a n dt h ei n c l i n a t i o ni sc a l c u l a t e dt h r o u g ht h ei n t e r s e c t i o nl i n es l o p eo ft h ef i t t i n gp l a n ew i t hi i ia b s 仃a c tt h ex zp l a n e b e c a u s eo ft h ed e v i a t i o na n di n c l i n a t i o ni sp r o j e c t e dt ot w oo r t h o g o n a lp l a n e s ，s ot h e yc a nb ed e c o u p l e d am u l t i s e g m e n tc o n t r o l l e ri sd e s i g n e dt ot r a c kl i n e df i l l e ta n ds m a l lc u r v a t u r ef i l l e t ，w h i c hi sc o m p o s e do fap r o p o r t i o nc o n t r o l l e ra n das e l f - t u r n i n gf u z z yc o n t r o l l e rt oc o n t r o lh o r i z o n t a ls l i d e r w h e nt h ed e v i a t i o ni sl a r g et h ep r o p o r t i o nc o n t r o l l e rw i l lb eu s e dt oq u i c k l yr e d u c et h ed e v i a t i o n ，o t h e r w i r s et h es e l f - t u m i n gf u z z yc o n t r o l l e rw i l lb eu s e dt oa v o i do v e r s h o o ta n da c h i e v es m o o t ht r a c k i n g a n dt h ei m m u n i t yf e e d b a c km e t h o di sa p p l i e dt om o d i f yp r o p o r t i o ng e n eo ff u z z yc o n t r o l l e r f o rt h ec u r v e ds e a mt r a c k i n gp r o b l e map r e d i c t i v ef u z z yc o n t r o l l e ri sd e s i g n e dt oc o o r d i n a t ec o n t r o lc r o s s s l i d e ra n dw h e e l s t h i sm e t h o du s e st h ei n f o r m a t i o no fw e l dt o r c hd e v i a t i o nt oe s t i m a t et h er o b o t so r i e n t a t i o ne r r o r s ，a n du s e sp r e d i c t i v ec o n t r o lt h e o r i e st oo f f s e tt h ec o n t r o lo u t p u t s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e s e n t e dm e t h o di sv a l i dt ot r a c kc u r v e df i l l e t s i nt h ew e l d i n go fl a t t i c eb o xf i l l e t s ，t h e r ea r em a n yr i g h t - a n g l ec o m e r st h a tm a k et r a c k i n gs e a mb e c o m ev e r yd i f f i c u l t t h em e t h o do fu s i n gw e l d i n gt o r c hi n c l i n a t i o nt od e t e c tt h ec o m e ra n du s i n gu l t r a s o n i cs e n s o rt od e t e c tt h ep o s i t i o no ff r o n t a g es e a mi sd e t a i ld i s c u s s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fm o b i l er o b o ti sb u i l ta n dt h ec o n t r o l l e ri sd e s i g n e dt ot r a c k i n gt h e s es e a l n s f o rt h eb r o k e n - l i n e dw e l d i n gs e a m st r a c k i n gp r o b l e m ，aw e l d i n gt o r c hw i t hr o t a t i o na x i si sd e s i g n e dw h i c hi sp l a c e di nt h ef l a to fm o b i l er o b o t ac o n t r o l l e ri sp r o p o s e dt h a tu s eo ft h ew e l d i n gt o r c hd e v i a t i o na n di n c l i n a t i o ni n f o r m a t i o na si n p u tv a l u e s ，m e a n t i m eu s eo ft h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fm o b i l er o b o tt oc o n t r o lr o t a t i o na x i s ，h o r i z o n t a ls i l d e ra n dw h e e l st ot r a c kw e l d i n gs e a ma n da d j u s tt o r c hi n c l i n a t i o n i nt h el a s tt h o u g he x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt 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 sr 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 mt r a c k i n gs y s t e mw a st r i e do 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 k e yw o r d s ：w e l d i n gs e a mt r a c k i n g ；m o b i l ew e l d i n gr o b o t ；f u z z yc o n t r o l ；r o t a t i o n a ia r cs e n s o r ；w e l d i n gt o r c hi n c l i n a t i o ni v学位论文独创性卢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) ：毒，正峰签字日期：2 口j 7 年肛月夕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：高正峰导师签名：签字日期：2 矿，7 年2 月厂日签字日期：第1 章绪论1 1 研究的目的和意义第1 章绪论焊接作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段。据统计，一个国家钢材消耗量的4 5 要采用焊接才能制成产品。2 0 0 5 年，中国的钢产量为3 5亿吨，实际消耗量为4 亿吨，因而焊接的工作量很大【1 ，2 1 。m j t - 专家认为【3 】：“到2 0 2 0 年，焊接仍将是制造业的重要加工工艺。焊接是一种精确、可靠、低成本连接材料的方法，目前还没有其它方法能够比焊接更为广泛的应用于金属的连接”。同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣1 4 1 。随着我国在造船、石油、能源、建筑、机械等领域的不断发展，大型结构件焊接的场合越来越多。据有关报道，2 0 0 7 年中国船舶工业新接订单9 8 4 5 万载重吨，同比增长1 3 2 ，超过韩国，晋身全球第一，中国新接船舶订单已经占到国际市场近一半的份额。中国更是全球最大的铝、钢、铜、油进口国，而这些都需要经过船舶运输。自2 0 0 6 年起，中国开始推进“国油国运”工程，要求到2 0 1 0年，我国大型油轮船队的规模至少要保证能承运5 0 以上进口石油，以保障能源安全。船运行业的专家透露，中国计划在未来5 年新建造9 0 艘超级油轮，以提高原油运输的能力。众所周知，船舶制造中存在大量的焊接作业，而且其中大多数焊接作业都需要在非结构环境下进行【5 】。如何实现这些焊接作业的自动化，不论对于保证船舶的制造质量还是改善工人的劳动条件，以及提高焊接生产的效率，都具有非常重要的意义。计算机技术、控制理论、人工智能、电子技术及机器人技术的发展为焊接过程自动化提供了十分有利的技术基础。从焊接技术发展来看，焊接自动化、机器人化和智能化已经成为趋势【6 j 。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【7 1 。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【引。工作前要求操作者通过示教盒控制机器人各关节运动，采用逐点示教的方式来实现焊枪空间位姿的定位和记录。由于焊接路径和焊接参数是根据实际作业条件预先设置的，在焊接时缺少外部信息传第l 章绪论感和调整的功能，这类焊接机器人对作业条件的稳定性要求严格，不具备适应焊接对象和任务变化的能力，对形状复杂的焊缝编程效率低，不能对焊接动态过程实时监测控制，无法满足对复杂焊件的高质量和高精度焊接的要求【9 l 。特别的，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。对于此类工件的焊接，目前国内外大多采用有轨道的自动焊或手工焊，采用有轨道的焊机时，首先按照工件形状并沿着焊缝铺设轨道，其次将带有焊枪的焊接小车挂在铺好的轨道上，沿着轨道运动进行焊接【l0 1 。这种有轨道的机器人要求铺设轨道时要和焊缝平行，否则会出现较大的跟踪误差。而船舶制造中有很多弯曲焊缝，因此一条焊缝需要进行多次铺轨才能完成焊接，从而大大降低了焊接生产的效率。所以这种轨道式的机器人难以适应焊接对象和任务的变化，不能满足现代工业技术的发展要求。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人就显得尤为重要。要实现焊接过程的自动化，首先需要类似人体感官的传感器，来探测焊枪相对于焊缝的位姿信息。由于焊接传感器所处的环境极其恶劣，要受到弧光、高温、飞溅、烟尘、振动和电磁干扰，因此对传感器提出了较为苛刻的要求。在众多的焊接传感器中，电弧传感器由于不受弧光、高温、飞溅等干扰，而且不存在传感器前置问题，成为一种非常具有f j 途的传感器【l l 。其基本原理是利用焊枪与工件之间距离的变化引起的焊接电流变化来探测焊枪高度和左右偏差。如何从变化的焊接电流中得到焊枪偏差，很多学者做了大量的研究工作，1 9 7 8年潘际銮院士与j p l a t z 合作，采用求积分差值的方法识别焊枪偏差，实现了摆动电弧焊缝跟踪【l j 。1 9 9 6 年潘际銮、吴世德等人首次提出变换信息空间，采用特征谐波方法识别焊缝坡口【l 】。南昌大学的熊震宇针对焊接熔池对电流信号的影响，提出加修j 下因子的方法对电流信号进行修正，并采用特征谐波法识别焊枪偏差【9 】o自动化焊接的最终目的是保证焊接质量，因此在焊枪跟踪焊缝的同时还要保持焊枪以一定的姿态相对焊缝进行焊接。如何利用旋转电弧传感器同时对焊枪的偏差和倾角信息进行检测是十分必要的。在已有的研究中，主要集中在焊枪偏差检测方面，对于倾角检测的研究相对较少。南昌大学的叶建雄在这方面做了一些有意义的研究【1 1 , 1 2 】，提出在焊枪偏差己知的情况下，可以采用区间积分法和神经网络法来检测焊枪倾角，但尚未解决二者的同时检测问题。本文提出2第l 苹绪论利用旋转电弧传感器检测到的三维信息构建特征平面，实现对焊枪偏差和倾角的同时检测。另外还对利用特征谐波法同时检测焊枪偏差和倾角进行了理论和试验研究，将其应用范围扩展到焊枪偏差和倾角的同时检测中。由于焊接过程的复杂性和移动机器人系统的非线性，传统的基于精确数学模型的控制理论难以满足焊接机器人的控制要求。近年来模糊控制在焊缝跟踪中得到了较为广泛地应用。本文首先采用分段控制策略设计控制器对水平滑块进行控制，该控制器在大偏差时采用比例控制，在小偏差时采用参数自调整模糊控制，并利用免疫反馈规律对比例因子进行修正，实现了直线焊缝、小曲率焊缝的跟踪。其次针对弯曲焊缝的跟踪控制问题，设计预测模糊控制器并利用焊枪偏差和倾角信息对车轮和焊枪进行协调控制，经试验证明该方法可获得较好的控制效果。另外针对焊枪倾角控制问题，设计了带有转动关节的焊枪，设计控制器利用轮式移动机器人实现对折线焊缝的跟踪控制。本研究在实现焊接工业的自动化，开发具有智能行为的移动焊接机器人方面无疑具有重大的理论和应用上的价值。1 2 焊接机器人技术及其应用现状1 2 1 机器人技术概述机器人( r o b 0 0 - - 词最早出现在2 0 世纪2 0 年代美国科幻小说家阿西莫夫的科幻小说中。从1 9 5 9 年美国研制出世界上第一台实用的机器人系统u n i m a t e 以来，工业机器人的数量在世界范围内不断增长【l3 1 。采用工业机器人不仅可以提高产品的质量和生产效率，而且对保障人身安全、改善劳动环境、节约能源消耗方面有着十分重要的意义。和计算机、网络技术的应用一样，工业机器人的广泛应用正日益改变着人类的生产生活方式。在几十年的发展中，机器人技术的研究和发展大致经历了三个阶段：1 ) 第一代是示教再现型机器人。在工作前首先由操作者通过示教的方式操纵机器人做一遍应当完成的动作，机器人对动作的过程进行记录。当机器人工作时，能够再现操作者教给它的动作，并能重复执行。2 ) 第二代是装备了传感器的机器人。它们对外界环境具有一定的感知能力，机器人在工作时能够根据传感器获得的外界信息，调整自己的工作状态。这种机器人具备了一定的适应对象变化第1 章绪论的能力。3 ) 第三代是智能型机器人。它不仅具有感觉能力，还具有记忆、独立判断和一定的推理决策能力。在机器人这个大家族中，工业机器人是其中的一个莺要组成部分。工业机器人的应用领域主要有弧焊、点焊、装配、搬运、喷漆、检测等，其体应用比例见图ll 所示洲。目前国际上的工业机器人公司主要分椰在兀奉和欧洲，如几奉的安j i l 、松卜、川崎等，欧洲有德国的k u k a 、c l o o s 瑞士的a b b ，意大利的c o m a u 等。工业机器人已经成为柔性制造系统( f m s l 、自动化工，、计算机集成制造系统( c i m s ) 中重要组成部分。机器人一已经成为继汽车、计算机之后m 现的一种新的大型高技术产业。1 2 2 焊接机器人的应用现状焊接是工业机器人最重要的应用领域之一，焊接机器人目前广泛应用于汽车及其零部件制造、摩托车、j 程机械等行业，在汽车生产的冲压、焊装、涂装、总装等四大生产工艺过程中部钉广泛应用，其中应用最多的以弧焊、点焊为主。到目前为止，焊接机器人大致可以分为二代【l 5 j ：第一代是基于示敦再现方式的焊接机器人，由于操作简单、成本较低在焊接牛产叶1 得到大量使用；第一代是具有一定传感功能的离线编程型焊接机器人：第三代是指装有多种传感器，接受工作指令后能根据客观环境自主完成一定焊接任务的智能机器人，目静正处在研垃过程中。从焊接机器人的构成方式看，焊接机器人绝大多数是在6 轴关节型机械手臂上安装不同的焊接工具构成的【j “”】。但这种手臂式机器人在使用时有阿个局限性，个是它的活动范围比较小，手臂长为15 20 m ，所以焊接的工件小能太长，最大长度也不能超过2 米。工业中开发有龙门式的机器人，龙门支架有x 、第1 苹绪论y 、z 三个轨道，增加三个自由度，活动范围扩大。手臂式机器人装于龙门支架上，这种机器人一般有1 1 个半自由度，包括6 个半自由度的手臂，三个自由度的走架，2 个自由度的操作台，控制系统更为复杂。其优点在于能够焊接更大尺寸的工件，但是也只能在车间的空间范围内。二是它必须用编程或示教方式工作，对于不规则的焊缝，特别是在焊接过程中发生变形时，很难适应【2 1 。随着工业技术的不断发展，重要的大型结构件的应用越来越多，其中大量的焊接作业必须在现场进行。特别是在造船工业中，存在大量的现场焊接作业，实现这些焊接作业的自动化对于提高造船效率和保证产品质量具有重要意义。移动焊接机器人由于具有机构简单、适应性强、能够在非结构环境下进行作业等特点，移动焊接机器人的研究引起了国内外有关学者的关注。移动焊接机器人一般由焊缝跟踪传感器、机器人本体、焊炬微调机构、控制器和焊接系统几部分组成。对于移动焊接机器人，日本、韩国等国研究的相对比较早，已有产品应用于实际工程。韩国p u k y o n g 国立大学的b y o u n g - o hk a m 等人设计了一种船舱格子型构件焊接移动机器人【博j ，机器人结构如图1 2 所示。控制箱垂直滑块键盘编码器直流电机水平滑块齿轮箱驱动轮地面限位开关接近觉传感器焊枪 机器人位置传感器 焊缝跟踪传感器直流电机图1 2 船舱格子形构件焊接移动机器人机器人本体采用四轮行走机构，侧面两个驱动轮，前后各有一个自位轮，以稳定车体并使焊接小车能够转动；在小车的本体上和焊炬上各有一个机械式的接触传感器，焊炬上的传感器用来检测焊炬的位置，而小车本体上的传感器对焊炬传感器的位置检测起补偿作用。机器人的侧面还装有一个接近传感器，用来检测焊接起点。控制策略采用模糊控制与p i d 联合控制。它能够对船舱格子形角焊缝进行自动跟踪焊接。其主要缺点是采用接触式传感器使机器人结构复杂，运动灵活性受到限制，另外接触式传感器容易磨损，若被接触面不平整第1 荦绪论则会对焊缝跟踪精度产生较大影响。韩国的w sy o o 等人【1 9 1 设计了一种基于一连轩机构的机械手，并将该机械手置于移动平台上构成一个移动焊接机器人。移动平台为一四轮移动小车，两侧面备有一个驱动轮，前后各有一个从动轮。机械手由三个可转动的铰链连接，可以在水平面内进行旋转，整个机器人共柏5 个自由度。该机器人采用激光测距传感器检测移动平台的移动情况，采用视觉传感器检测焊缝位置，从而控制机械手进行焊缝跟踪。图l3 为其结构原理图和跟踪过程示意图。浚机器人自由度较多，虽然实现了格子形角焊缝l 踪，但是结构复杂，对于各关节的制造精度要求较高，另外控制算法也较为复杂。幽i3 装有三连杆机械手的移动焊接机器人日本庆应大学学者s a g a 等为平面薄板焊接研制了种自主移动焊接机器人唧】。它采用三轮移动机构，两个驱动轮在小车本体的侧面，车体前面是一个自位轮，起稳定作用。机器人能够直线前进，还可以利用两个轮的差速控制小车的转弯，它装焊枪的臂可以伸缩，在臂的末端装有个c c d 摄像视觉传感器，通过这个c c d 可以检测焊缝的位置并精确识别焊缝的形状，通过控制器对传感的信号进行处理以实现对焊缝的精确跟踪。该机器人只能跟踪平面对接或v 形坡口焊缝，不能跟踪角焊缝。r 本庆应大学学者s u g a 等研制了一种用于管道焊接自丰移动机器人口“，它可以沿着管道移动，根据c c d 摄取的图像信息，在焊前可以自动寻找并识别焊缝，然后使机器人本体沿管道方向移动达到j 下确的焊接位置。焊炬可以沿着管道3 6 0 。旋转进行管道的全位置焊接，也可以用于管与管的t 形接头焊接。一r ，。一一名第】章绪论由清华大学潘际銮院士、南昌大学张华教授等研制的无轨导全位置爬行式弧焊机器人“”主要用于在壁面、球面及管道等曲面上爬行焊接。爬 亍机构采用轮履式结构，履带上装有永磁铁，可以吸附在工件表面上。机器人本体由轮子支撑，可以灵活运动，同时具有一定的柔性，能够适应平面和曲面形状。采用视觉传感器进行焊缝识别，焊缝跟踪采用二级跟踪策略，由机器人本体实现焊缝的粗跟踪，微幽14 无轨导全位置爬行式弧焊机器人调机构采用十字滑块，实现焊缝的精确跟踪。该机器人尺寸较大，不适合在狭小空间内移动；由于激光传感器的前置性，不适于折角变化频繁的焊缝焊接。机器人的实物照片如图i4 所示。上海交通大学研制了具有坡口寻迹功能的焊接移动机器人口1 ( 如图l5 ) 。在焊前，小车能够自动寻找焊缝，并经过轨迹推算后自动调整小车本体和焊炬的位姿到待焊状态：焊炬位于焊缝的坡口中心，而小车本体与焊缝坡口平行：在焊接过程中，能够进行横向大范围的实时焊缝跟踪。采用柔性磁轮并在车体前部安装强磁，使它肯足够的磁力在有一定坡度的斜面上进行爬坡焊接。机器人本体采用四轮移动机构传感器系统采用激光位移传感器外加扫描的方式柬获取焊接过程的二维偏差信息。该机器人同样难以对角焊缝进行跟踪焊接。幽15 口寻迹舰船甲板焊接移动机器人盟16 球罐吸附移动焊接机器人清华大学机械工程系与北京石油化工学院装备技术研究所联合研制的球罐第l 苹绪论磁吸附轮式移动焊接机器人【2 3 , 2 4 l ，如图1 6 所示，目前已经应用于大型球罐焊接的野外作业。它主要由轮式移动机器人本体、焊炬运动机构，以及分别安装在机器人本体和焊炬移动机构上的线阵c c d 传感器检测系统等构成。据报道焊炬跟踪精度可达0 5 m m ，能够满足实际工程应用。该机器人的主要用途是对大型球罐进行焊接，而对于弯曲角焊缝的焊接难以适应。角焊缝是造船工业和集装箱制造业等工业生产中大量存在的一种焊缝形式，可见如何设计移动焊接机器人对于大型构件角焊缝进行自动焊接具有十分重要的意义。1 3 焊接信息传感技术焊接传感器是焊接自动化的基础，传感器采集到的信息直接影响焊接机器人对环境的识别能力，目前用于焊接系统的传感器主要有以下几种类型。1 3 1 接触式传感器接触式传感器主要依靠导轮或导杆在焊炬前方检测焊缝位置，通过焊缝形状对导轮或导杆的强制力来导向，从而实现焊缝位置跟踪【2 5 】。哈尔滨焊接研究所的董德祥等人研制了一种接触式光电焊缝跟踪传感器【2 6 1 ，其结构如图1 7 所示。探头与焊缝接触，当焊缝发生位置变化时，通过杠杆会带动发光管移动，这样在四个接收管上就b杠杆支点图1 7 光电接触式传感器原理图会接收到不同程度的光强，从而感应出不同的电压。控制系统接收到电压信号后，使机器人向减少偏差的方向移动，实现焊缝跟踪。1 3 2 电磁感应式传感器电磁传感器是一种非接触式传感器。根据电磁感应原理，激磁回路的参数变化反映对中和高度偏差，因此可以进行焊缝横向和高度方向的跟踪。电磁感8第1 章绪论应式传感适用于对接、搭接和角焊缝，其体积较大，使用灵活性差，且对磁场干扰和工件装配条件比较敏感。一般应用于对精度要求不高的场合。y u b a e 等人【2 7 】采用三个电磁感应式传感器分别检测焊缝前方、左方和右方的位置信息，进行焊缝跟踪。其结构如图1 8 所示。1 3 3 声学传感器图1 8 电磁感应式传感器声学传感器可以分为两类：一类是利用焊接过程发出的声音频率来检测焊接质量f 2 8 2 9 1 。另一类是利用超声波传感器进行焊缝跟踪【3 0 。3 2 1 。文献【3l 】采用扫描式超声传感焊缝位置检测装置，使传感器在焊缝上方左右扫描，从而检测左右和高度偏差，进行焊缝跟踪，其原理见图1 9 。当超声波传感器位于焊缝左右两侧时，接收装置可以检测到信号，而当超声波传感器位于焊缝上方时，由于反射作用，接收装置不能接收到返回信号。通过比较在焊缝左右两侧接收到的回波个数，则可知道偏差情况。声学传感器由于体积小、不受弧光、烟尘干扰，使用方便，近年来得到了越来越多的应用。但是声学传感器对焊接时的r愚l厅入、7出j ( 一j jl 一五一石图1 9 焊缝左右偏差检测原理图声音及电流信号比较敏感，而且超声波检测存在盲区，因此常和其它传感器共同使用构成焊缝检测系统。1 3 4 光学传感器光学传感器的种类很多，主要包括红外、光电、激光、视觉等。在众多的光学传感器中视觉传感器最为引人注目，面阵c c d 在可见光范围内获得焊接过程图像，其特点是不与焊接回路接触，检测不影响焊接过程的进行，而且能提供丰富的信息，如接头形式、熔池形状、电弧形态等，不仅可用来跟踪，还可用于焊接参数的调整。因此被广泛的用于焊缝跟踪系统中【3 3 4 。9第1 苹绪论c c d 视觉传感器焊缝跟踪系统根据是否存在专门光源可以分为主动视觉系统和被动视觉系统两种形式【4 2 引】。主动视觉系统以结构光作为光源，该光源被制作成一条或多条窄带形式，位于焊炬前方以一定的角度照射到工件表面，c c d摄取二维轮廓线，经图像处理后得到焊缝坡口位置。主动视觉系统由于采用主动光源，因此抗弧光干扰能力强，但是需要专门的发光装置，设备复杂，价格昂贵，应用范围受到了限制。被动视觉系统不需要采用专门的光源，利用物体表面的反射来摄取焊缝及熔池的信息。由于采用被动视觉，系统易受弧光干扰，因此多数情况下采用滤光片将部分弧光滤掉【4 5 4 引。哈尔滨工业大学的张广军掣4 5 】所设计的脉冲g t a w焊接区视觉图像传感系统，实现了熔池正前方、正后方和背面三个角度的图像同时同幅传感，获得了清晰度较高的图像。闰志鸿等【4 7 】利用c c d 相机和复合滤光技术建立了一套熔池图像实时采集系统，研究了滤光窗口和拍摄时间对熔池图像成像的影响。随着c c d 产品的不断发展，结合图像处理算法，采用视觉传感进行焊缝跟踪将会有广阔的发展前景。但是，由于视觉传感容易受弧光干扰，而且单目视觉不能提供深度方向的信息，因此将视觉传感器与其它传感器组合构成多传感信息系统将是移动焊接机器人传感系统发展的必然趋势。1 3 5 电弧传感器电弧传感器的基本原理是利用焊炬与工件之间距离的变化引起的焊接参数变化来探测焊炬高度和左右偏差。电弧传感器的最大优势在于抗弧光、高温及强磁场的能力强，同时传感器的跟踪信号是由焊接电弧本身取出的，检测点即为焊接点，没有因传感器位置超前而产生的误差。电弧传感器通常有摆动式扫描电弧传感器和旋转式扫描电弧传感器两种形式【1 , 4 9 - 5 3 】。摆动扫描式传感器通过机器人手臂带动焊炬作横向摆动，根据焊炬高度变化时引起的电流变化实现焊缝跟踪。摆动式电弧传感器由于受机械方面的限制，摆动频率一般只能达到5 h z 。这就限制了电弧传感器在高速和薄板搭接接头焊接中的应用。二十世纪八十年代旋转式电弧传感器得以发展，并在窄间隙焊缝中应用。八十年代末期，潘际銮院士在旋转电弧传感器的结构及控制方面进行了大量的研究工作【l 】。费跃农博士【5 4 】在1 9 9 0 年提出了圆锥摆动方案，导电杆作圆锥摆动，1 0第1 章绪论而不绕自身转动，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，影响了焊炬的可达性，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，廖宝剑博士【5 5 】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，并获得国家专利。采用了空心马达结构设计，使得结构更加简单。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 4 智能控制技术在焊接过程中的应用1 4 1 智能控制概述自1 9 8 5 年在纽约召开第一届智能控制学会至今，智能控制已经被广泛应用于工业、服务业、军事、航空等各个领域。近年来随着人工智能技术、信息论、控制论的发展，智能控制在控制机理和工程应用方面取得了突破性进展，并取得了较好的结剁5 6 1 。焊接过程是一个高度非线性，多变量耦合的过程，并且伴随着复杂的化学物理变化。传统的控制方法大都建立在系统精确数学模型已知的基础上，往往要遵循与实际不相吻合的假设条件，同时为了提高系统的性能，传统的方法可能变的很复杂，甚至超过了被认识系统本身【，7 1 。特别的对于焊接过程，难以用数学的方法对其进行精确描述，因此传统的基于精确数学模型的控制理论显然难以满足焊接机器人的控制要求。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面的研究，近年来，智能控制技术在焊接过程控制中得到了越来越广泛的应用 5 8 - 6 3 】。智能控制的基本思想是模仿人和动物如何根据外部环境来调整自身以适应环境的机制来构造控制器完成对难以建模或模型具有严重不确定性的复杂系统第1 章绪论的控制。智能控制的概念是针对系统及其控制环境和任务的不确定性而提出来的，因此智能控制过程含有复杂性、不确定性、模糊性。在目前的技术条件下，智能控制是控制科学发展的最前沿，它代表着控制科学发展的新阶段【6 4 舶】。1 4 2 智能控制方法1 4 2 1 模糊控制1 9 6 5 年美国加州大学的l a z a d e h 博士在其f u z z ys e t s ，f u z z ya l g o r i t h m 和ar a t i o n a lf o rf u z z yc o n t r o l 论文中首先提出了模糊集合和模糊控制的理论。此后的几十年中，模糊数学和模糊控制理论不断得到发展。1 9 7 4 年英国伦敦大学的e h m a m d a n i 利用模糊逻辑设计模糊控制器进行蒸汽机和锅炉方面的控制，并在实验室获得成功，此后模糊控制理论的研究和应用开始活跃起来。我国对模糊控制理论的研究始于八十年代初，主要的研究方向和内容是模糊控制系统的结构、模糊推理算法、自学习和自组织模糊控制器以及模糊控制稳定性等问题【6 7 , 6 8 】。模糊控制具有如下一些特点 6 9 , 7 0