电弧传感的弧焊机器人焊缝跟踪系统

作者简介： 王益群， 男， （河北省秦皇岛市 !’#. 年生。燕山大学 机电控制工程研究所教授、 博士研究生导师。主要研究 *((**+） 方向为流体传动及控制。获国家科技进步二等奖 ! 项， 省部级科 技进步一等奖 ! 项、 二等奖 # 项。出版专著 ) 部， 发表论文 !** 余 篇。曹栋璞， 男， !’,. 年生。燕山大学机电控制工程研究所硕士。 吴晓明， 男， !’/, 年生。燕山大学机电控制工程研究所教授。陈 星， 男， !’,, 年生。燕山大学机电控制工程研究所硕士。刘劲 军， 男， !’,* 年生。燕山大学机电控制工程研究所博士。
万方数据
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应的方向移动， 纠偏的速度是通过机器人内部命 通过控 令预先设定的， 最大移动速度为 ’ (( D E， 制高电平持续的时间来控制纠偏距离。 采用工业控制计算机负责信号的采集、 存储、 分析、 处理及跟踪控制。要实现实时的焊缝跟踪， 首先要实现实时的电弧信号数字化采样， 并且保 证大量数据的存储和快速处理及运算， 同时具有 良好的 F D < 功能， 对单片机控制系统来说难以满 足这些要求， 所以需建立一个基于个人微型计算 机的电弧传感信号实时处理控制系统。
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实际焊接电流见图 )* 实线， 图 ), 是加权处理 后的焊接电流波形， 加权因子 !! 从 -./ + + 线性 变化。 可以看出， 加权处理以后， 熔敷铁水的影响 明显减小。 !,! 横焊位置偏差识别 横焊位置焊炬处于水平状态， 熔池与焊炬在 同一水平面上， 熔滴过渡及熔池都受到重力的影 响， 焊接熔池中的熔敷金属对焊缝偏差识别的影 响作用比平焊位置时更加严重， 熔敷金属不仅沿 焊接方向前后不对称， 而且上下也不对称， 表现为 熔池前部低后部高， 上侧低下侧高， 见图 0。
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沿纵向， 从 ’ 到 ( 点， !! 的选取方法如下： !! 逐渐增大， 在 ( 点时， 认为不受熔池干扰的影响， 在 ’ 点受熔池干扰最大， 为 !! % +； !! 取最小值， 了简化计算过程， 可假设在 ’ 和 ( 之间!! 按线性 关系增大。 万方数据
集的脉冲焊接电流波形和形态滤波后的波形， 图 试验条件为下向脉 ! 是谐波法偏差的计算结果。 冲焊， 焊炬偏离 " 形坡口的中心线 # $$。 可见计 算结果与实际偏差一致。
出版社， )**! ［#］ 张显库，贾欣乐 $ 一种简化的 %& 控制混合灵敏度 算法 $ 控制理论与应用，)**!， （ ： + )） #*, - #*’ ［+］ 杨焕明 $ 伺服系统中的动态鲁棒性补偿方法 $ 系统 仿真学报， （#） ： !’’+ )* - )( 图 ! 转动惯量 （ !! " !"# ! ） 图 " 压力控制阶跃 响应的试验曲线 变化时系统仿真曲线 参考文献： 清华大学出版 ［!］ 申铁龙 $ %& 控制理论及应用 $ 北京： 社， !’’( ［)］ 王益群，孔祥东 $ 控制工程基础 $ 北京：机械工业 （编辑 卢湘帆）
图# 平焊 # 形坡口焊接熔池示意
整因子!’ % -.1， 为了简化计算， 可假设调整因子 在各点之间是线性变化的。 !,& 立焊位置偏差识别 立焊位置焊炬处于水平状态， 焊缝处于垂直 状态， 焊炬由下向上或由上向下进行焊接。 由于熔 池受重力的作用， 液态金属极易下坠溢流， 因此， 立焊位置焊接工艺参数的选择非常关键， 在此选 用脉冲焊。 立焊位置熔池金属的受力与平焊、 横焊 有所不同， 熔池液态金属沿焊接坡口中心线左右 对称。 在下向焊过程中， 由于熔池下淌使得熔池前 后部分受液态金属的影响基本对称。 因此， 可以不 考虑焊接熔池对坡口的影响作用。 针对脉冲焊接方法采用了形态滤波技术， 通 过对脉冲焊接电流的特征分析， 采用提取上包络 线法， 再经 !!" 变换得到焊缝偏差信息。 图 2 是采 ・ +-%+ ・
图" 高速旋转扫描电弧传感器结构示意图
下： 频率在 ! " #! $% 之间任意可调， 扫描半径 ! " 外径为 )! ((， 长度为 *!! ((， 重量 #&’ (( 可调， 为 +&, -.。电弧在圆周上的角位置可准确识别并 与采集信息同步输出， 结构轻巧。旋转电弧传感 器安装于一铝合金托架上， 该托架固定在第六关 节， 通过粗导线将传感器上端的电极与原导电接 口相连， 旋转电弧传感器的水、 气接口设计在其侧 面， 采用塑料软管连接原水、 气接口， 这样可以满 足柔性连接要求。 将研制的传感器代替原焊枪， 由于尺寸不一 致， 焊丝端点的空间位置发生了变化， 因此在使用 前必须校正， 利用机器人内部命令 /01 （ 2334 567268 ， 可以将焊丝端点设置为工具的中心点， 并 93:72） 储存在机器人程序中。 机器人采用德国 0;<<= 公司生产的 ><?@/ 具有焊缝跟踪功能， 采用摆 A)@B 型弧焊机器人， 动扫描方式， 通过控制机械手臂的上下、 左右运动 达到在焊前示教路径上的纠偏目的。其最大摆动 频率为 #&’A $%。这种扫描跟踪系统主要存在两 方面的问题： 系统的实时 !由于摆动的频率很低， 性不好， 只能用于较低焊接速度时的跟踪； "机械 摆动增加机器人的磨损， 降低其使用寿命。该机 器人纠偏控制的接口是开放的， 在控制柜的扩展 内槽中提供了用于纠偏信号输入的接口， 共有 , 个输入口， 分别对应左、 右、 上、 下的驱动信号输 入， 当纠偏信号为高电平 （’ C） 时， 机械手臂在相 万方数据 ・ +!,! ・ 焊接是否正在进行是通过平均电流来判断 的， 若采集的焊接电流平均值超过设定的阈值， 说 明正在焊接， 否则就没有在焊接。焊接开始后采 集速度信号判断是否为高电平， 如果是高电平， 说 明旋转经过起始点， 则开始采集、 存储数据， 并同 时在屏幕上显示， 数据经过滤波后由信号处理求 得偏差， 经过控制器得到跟踪的方向和时间值， 控 制完成后结束一个控制周期， 开始下一轮的采集。 焊接结束后， 释放所分配的内存， 将数据存储到硬 盘。 程序采用模块化设计， 有参数设定模块、 数据 采集模块、 信号处理模块、 控制模块、 波形显示模 块、 机器人跟踪测试模块等。另外程序还将采集 到的焊接电流数据保存在文件里， 以备焊后进行 分析。
口中心。 旋转半径为 ’ $$， 焊缝纠偏结果见图 -。
图%
平焊折线跟踪结果
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横焊位置试验 焊接规范与平焊试验相同。
（ %） 滤波前 图!
（ &） 形态滤波后
示教路径为 , & - 直线， " 形曲线焊接接头， 图 5) 是曲线 , 点偏离坡口中心垂直距离 5) $$。 焊缝跟踪试验结果。
熊震宇 副教授
弧焊机器人焊缝跟踪多用电弧传感和光学传 感， 其中电弧传感器抗弧光、 烟尘及强磁场的能力 强， 且不需外加辅助装置， 焊接点即是检测点， 所 以具有较高的工业应用价值。目前， 许多机器人 生产厂家所生产的弧焊机器人都采用摆动式电弧 传感解决焊缝实时跟踪问题， 但由于摆动频率低， 偏差检测灵敏度不高， 实时控制性差。旋转电弧 传感器的出现， 大大提高了偏差检测灵敏度， 改善
基于旋转电弧传感的弧焊机器人焊缝跟踪系统— — —熊震宇
张
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贾剑平等
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基于旋转电弧传感的弧焊机器人 焊缝跟踪系统
熊震宇 张 华 贾剑平 潘际銮
摘要： 研制了一套基于旋转电弧传感的弧焊机器人空间曲线焊缝智能跟 踪控制系统。介绍了系统的硬件构成、 软件设计及模糊控制方法。研究了不 同焊接位置时， 焊接熔池金属对坡口的影响作用， 提出采用补偿因子加权处 理方法， 可有效提高平焊、 横焊位置焊缝偏差的识别能力。针对立焊位置的 脉冲焊接方法， 采用形态滤波技术， 通过提取脉冲焊接电流的上包络线， 利用 一次谐波法准确地对立焊焊缝进行了识别。试验结果表明， 该焊缝跟踪控制 系统对平焊、 横焊及立焊位置的曲线焊缝跟踪效果良好， 达到焊接工艺要求。 关键词： 电弧传感； 焊接机器人； 焊缝跟踪； 空间曲线焊缝 中图分类号： 12)+) 文献标识码： 3
（ *） 原始信号 图$
（ ,） 加权处理后的信号 加权处理的结构
图%
横焊位置焊接熔池状态示意图
为了消除熔池中熔敷铁水的影响， 同样可引 入调整因子对焊接电流采样值进行加权校正。 可 将熔敷金属简化为一个由后上部向前下部倾斜的 平面， 由于熔池液态金属下淌， 使得熔池下侧熔敷 金属隆起。 假设 ( 点不受铁水的影响， 取调整因 子!( % +， 则 - 点的调整因子 ’ 点的调 !- % -./，
图! 焊缝跟踪系统构成框图
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系统软件设计
焊缝跟踪系统软件是采用 C:EHI4 0 J J ) G ! 语言在中文 B:7K3LEMN 操作系统下开发的应用程 序。 程序开始后首先进行初始化， 初始化主要完 成如下内容： 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。系统的程序流 程图见图 #。
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焊缝偏差的识别
目前， 对于电弧传感的焊缝偏差识别方法主
基于旋转电弧传感的弧焊机器人焊缝跟踪系统— — —熊震宇
张
华Байду номын сангаас
贾剑平等
要有直接测位法、 极值差值法、 左右区域积分差值 法和频谱法。笔者采用了频谱法， 将旋转电弧传 感器获得的时域信号通过 !!" 转换到频域， 由于 # 型坡口焊接电流的一次谐波与焊缝偏差存在较 好的对应关系， 因此可以根据焊接电流的一次谐 波的幅值判断焊炬偏差的大小， 一次谐波的相位 判断偏差的方向。 !$" 平焊位置偏差识别 平焊是一种最常见的焊接位置， 在这种位置 下进行焊接， 熔池中的液态金属在重力的作用下 处于较稳定的状态。在焊炬与 # 形坡口中心线 对中时， 通过对焊接电流处理后的一次谐波幅值 并不为零， 都存在相当大小的一次谐波分量， 即存 在了干扰， 这种现象不是随机干扰噪声引起的， 而 是一个固定的、 有规律的影响因素。通过试验观 察发现熔敷铁水对焊接电弧的影响是一个不可忽 视的因素。实际上熔池的形状很难用精确的数学 表达式来描述， 根据熔敷铁水造成干扰的变化规 律， 引入一个调整因子 !! 对数据进行加权校正， 从而达到减小干扰的目的。 图 % 是平焊 # 形坡口 焊接熔池示意图， 逆时针旋转。 " 为旋转起始点， 由图可见， 扫描焊炬高度曲线 # （ $） 不仅与坡口有 关， 而且与熔池中的熔敷金属有关。