旋转电弧传感弧焊机器人焊缝实时纠偏系统研究

文章编号:100220446(2001)0720705204旋转电弧传感弧焊机器人焊缝实时纠偏系统研究α张　华　余　锋　贾剑平　熊震宇　潘际銮(南昌大学机械电子研究所　南昌　330029)摘　要:本文介绍了以高速旋转电弧为传感器的弧焊机器人焊缝实时纠偏系统,首先设计了适应机器人要求的高速旋转电弧传感器,然后对电弧传感V形坡口焊缝的识别方法及铁水等干扰影响进行了研究,采用模糊控制技术进行焊缝实时纠偏,最后完成了V形坡口直线焊和角焊缝折线焊,取得了满意的焊缝纠偏结果.关键词:弧焊机器人;电弧传感器;焊缝纠偏中图分类号:　T P24 文献标识码:　BTHE STUDY ON REAL-T I M E SEAM CORRECT I ON S Y STE MBASED ON ROTAT ING ARC SENS OR FOR W ELD ING ROB OTZHAN G H ua　YU Feng　J I A J ian2p ing　X I ON G Zhen2yu　PAN G J i2luan(M echatronics Institu te,N anchang U niversity,N anchang　330029)　Abstract:In th is paper,a real2ti m e seam co rrecti on system based on h igh speed ro tating arc sen so r fo r arc robo t w as studied,the p rinci p le and m ethod of th is system w ere discu ssed in detail,the resu lts of experi m en t in the cir2 cum stance of V shape groove and angle seam w ere p resen ted.　Keywords:arc robo t,arc sen so r,seam co rrecti on1　引言目前工业上使用的弧焊机器人大多是示教再现型,存在以下不足,其一是效率不高,尤其对比较复杂的曲线焊缝,示教编程工作量比较大,其二是批量生产时,要求工件一致性比较好、安装工件夹具精度比较高,其三是要求工件在焊接过程中不发生变形,这些不足及要求使得弧焊机器人适应性比较差,也就制约了示教再现型的弧焊机器人广泛应用.为此,大多数弧焊机器人都装配了摆动式扫描电弧传感器或者附加式激光传感器,以实现焊缝自动纠偏,改善其性能.但是摆动式电弧传感由于扫描频率较低,因而灵敏度低,激光传感器则价格昂贵且附加机构安装困难,因此,这些传感器在应用中受到限制.本文采用了自行研制的体积小、振动小的高速旋转电弧传感器,替代CLOO S机器人(Rom at76S W)的焊枪,较好地实现了焊缝自动纠偏.2　系统构成及原理弧焊机器人焊缝纠偏系统的工作原理如图1所示.电弧传感器将焊炬高度的变化转换为焊接电流的变化,经过A D采集变成数字信号送入计算机进行处理,计算机将该信号进行数字滤波后求得左右、高低偏差,经过控制器得到左右、高低控制信号,经A D采集卡上的I O口输出到机器人接口控制机器人手臂的运动.焊接电流信号随着旋转位置变化而变化,因此,为了进行焊缝偏差分析,电弧传感信号除了焊接电流信号之外,还必须包括反映焊炬旋转起点位置的转速信号以及反映焊炬旋转瞬时位置的位置信号,为此,在旋转电弧传感机构里加入了光码盘测速、测位系统产生转速信号和位置信号,当检测到转速信号为高电平时,开始采集信号,这样能保证每次采集的起始位置相同,位置信号作为A D采卡的触发信号,每个上升沿到来,采集一次,这样能保证每个采集数据对应一个旋转位置.利用转速信号第23卷第7期2001年10月机器人　ROBO T V o l.23,N o.7　O ct.,2001α基金项目:国家自然科学基金(N o.59875034)、江西省主要学科跨世纪学术与技术带头人培养项目等资助.收稿日期:2001-08-15作为反馈信号进行转速闭环控制,使电机匀速转动,实现均匀时间间隔采样.图1　弧焊机器人焊缝纠偏系统原理框图3　高速旋转扫描电弧传感器高速旋转扫描电弧传感器结构如图2所示,其主要技术指标为:频率0～30H z 之间任意可调;扫描半径0～3.5mm 可调;电弧在圆周上的角位置可准确识别并与采集信息同步输出;水、电气可方便输入;结构轻巧.图2　电弧传感器结构图 高速旋转扫描电弧传感器应用了空心轴电机直接驱动.在空心轴上端,通过同轴安装的同心轴承支承导电杆.在空心轴的下端偏心安装调心轴承,导电杆安装于该轴承内孔中.偏心量由滑块来调节.当电机转动时,下调心轴承将拨动导电杆作为圆锥母线绕电机轴线作公转.即圆锥摆动.气、水管线可以直接连接到下端,焊丝可以直接连接到导电杆的上端.电弧扫描测位传感器为递进式光电码盘,并利用分度脉冲进行电机转速闭环控制.这一设计结构轻巧,省去了传动齿轮,摩擦力矩减小,由于传动件安装不良引起的阻力和负载不均匀被消除,运转可靠性大大提高,达到实用要求.焊炬外形及结构示意图.4　焊缝信息处理目前,在工业生产中应用最广泛的偏差检测方法有两种:极位差值法和左右积分差值法.极位差值法简单直观,易于理解,但是在数字系统中,信号随机干扰的存在使得求到的极值点很不可靠;积分差值法对左右两侧一段区间先积分,然后再进行比较,这样可以在一定程度上抑制随机干扰,但是由于传感系统的传输特性,传感电流信号波形与焊炬高度变化信号波形存在较大的差别,主要表现为相位超前或滞后和波形失真,这样根据传感电流信号波形特征导出的焊缝偏差可能会有较大的误差.本系统采用特征谐波检测法来检测焊缝偏差,其原理简述为:通过傅立叶变换将时域信号变换到频域进行分析,寻找各种坡口条件下反映焊缝与焊炬之间偏差的特征谐波分量,特征谐波幅值反映了焊缝偏差的大小,特征谐波的相位反映了偏差的方向.由于傅立叶变换的性质,基于输入函数(高度信号)研究得到的特征量经过系统传输后,依然保持空间的正交性,在对响应电流信号进行处理时,依然保持着特征分量的可操作性,而不依赖系统的传输特性.对于V 形坡口而言,反映偏差信息的特征谐波为电弧信号的一次谐波,其特征谐波幅值大小与偏差近似成比例关系.焊缝偏右时,特征谐波相角为0,焊缝偏左时,相角为180°.但是,一方面由于电弧传607 机　器　人2001年10月感系统的特性影响,特征谐波的相位将发生变化(超前或滞后)Ηs,另一方面,跟踪时焊炬左右调整,焊缝与焊接运动方向存在变化的夹角Ηt.实践数据表明,在扫描频率小于50H z时,可以认为 Ηs <45°.一般情况下,焊缝偏角 Ηt <45°,那么最终的相角变化不会超出正负90°范围,当相位Ηi满足 Ηi <90°时,焊缝偏右,反之当相位Ηi满足 Ηi >90°时,焊缝偏左.5　焊缝纠偏控制器的设计系统的控制对象包括执行机构和电弧传感系统两部分.控制系统的执行机构是机械手臂,其特性为一个积分环节,传递函数可以表示为G1(s)=K1s(1)电弧传感系统为二阶系统,传递函数可表示为G2(s)=K21+T1s(1+T2s)(1+T3s)(2)由此可得控制对象总的传递函数为G(s)=G1(s)G2(s)=K1sK2(1+T1s)(1+T2s)(1+T3s)(3) 对于执行机构来说,纠偏速度是预先设定好的,如果焊接速度一定的话,K1是固定不变的,传递函数G1(s)可以确定下来.传递函数G2(s)中的参数(T1、T2、T3、K2)主要取决于焊接电源和工艺参数等因素,而且焊接本身是一个复杂的过程,存在很大的干扰和不确定因素,所以不可能得到准确的数学模型.本系统针对控制对象的特性,高低方向纠偏采用比例控制器,将采样电流信号的平均值与设定值进行比较得到高低偏差,通过比例控制器得到输出信号.根据控制对象模型不准确的特点,左右方向偏差采用模糊控制技术设计控制器.控制器采用二维的模糊控制器,输入信号为焊炬与焊缝之间的左右偏差e以及偏差的变化ec,输出量为左右纠偏的时间u,本课题制定模糊规则的原则是:当误差较大时,选择控制量以尽快消除误差为主,减小系统调节时间;而当误差较小时,选择控制量要以防止超调,保证稳定性为主.模糊控制器的控制曲面如图2.从图中可以看出,当偏差e较大时,输出量u主要考虑e 的影响,当ec变化较大时,u变化不明显,这样,控制器在大偏差时,能够加大纠偏步伐,缩短上升时间;当偏差e较小时,输出量u充分考虑了偏差变化率的影响,u的变化与ec的变化基本上是一致的,这样,能够抑制超调,保证系统的稳定性.6　软件实现软件部分是以V isual C++6.0为工具在W in2 dow s98操作系统下开发的M FC应用程序,C++语言是面向对象的高级语言,具有代码短、效率高、与底层硬件接口方便的特点,特别适用于工业控制系统的开发.系统的程序流程图如图3所示.图3　模糊控制曲面图4　系统程序流程图707第23卷第7期张　华等:　旋转电弧传感弧焊机器人焊缝实时纠偏系统研究 开始后首先进行程序的初始化,初始化主要完成内容有:数据及主变量的分配;建立数据文件;初始化输出端口;设定有关特征量和控制量;设定焊接系统的参数和坡口形式.焊接是否正在进行是通过平均电流来判断,若采集的焊接电流平均值超过设定的阈值,说明正在焊接,否则就没有在焊接.焊接开始后采集速度信号判断是否为高电平,如果是高电平,说明旋转经过起始点,则开始采集、存储数据,并同时在屏幕上显示,数据经过滤波后由信号处理求得偏差,经过控制器得到纠偏控制的方向和时间值,控制完成后结束一个控制周期,开始下一轮的采集.焊接结束后,释放所分配的内存,将数据存储到硬盘.7　实验结果实验采用的焊接规范为:保护气体:混合气体(85%A r+15%CO2);焊接电流:240A;焊接电压:30V;焊接速度:40c m m in;旋转半径:2mm.图5为V形坡口纠偏结果,图6为折线焊纠偏结果(折线角度为120°).图中AB为示教路线.图5　V形坡口直线焊 图6　角焊缝折线焊8　结论(Conclusion)实验结果表明,本系统能够实现M IG M A G焊、V形坡口的无静差焊缝纠偏,焊接质量和纠偏效果能够达到工艺要求,系统运行稳定,能够直接应用于大多数示教再现型弧焊机器人的焊缝纠偏,对提高弧焊机器人的智能性和适应性、推广旋转式电弧传感器在焊接中的应用具有较大的意义.参考文献　(References)1　潘际銮篇著.现代弧焊控制.北京:机械工业出版社,2000(6)2　吴世德.电弧传感器焊缝跟踪的信息处理技术.清华大学博士论文,19973　冯冬青,谢送和等.模糊智能控制.化学工业出版社807 机　器　人2001年10月。