基于視覺(jué)傳感的機(jī)器人鋁合金脈沖TIG焊接過(guò)程MLD建模方法研究.pdf

1、研究焊工的智能行為對(duì)焊接自動(dòng)化的發(fā)展具有重要的啟發(fā)意義。一個(gè)熟練的焊工所表現(xiàn)出的高度適應(yīng)能力，是任何焊接機(jī)器人所無(wú)法比擬的。如果希望焊接過(guò)程由機(jī)器人來(lái)完成，即實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程自動(dòng)化，首先需要類(lèi)似人體感官的焊接傳感器，焊接傳感器是用于檢測(cè)影響焊接結(jié)果的內(nèi)部和外部條件的探測(cè)器；還需要類(lèi)似于焊工的對(duì)焊接過(guò)程的認(rèn)識(shí)，即能夠描述焊接過(guò)程各種狀態(tài)的知識(shí)，也就是對(duì)焊接過(guò)程模型化；最后還需要類(lèi)似于人腦思維的控制器，以實(shí)現(xiàn)合理的控制規(guī)律。因此，焊接過(guò)程傳感技

2、術(shù)、焊接過(guò)程建模技術(shù)和焊接過(guò)程控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程從手工焊接向自動(dòng)化焊接或智能化焊接轉(zhuǎn)變的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。
　　 視覺(jué)傳感技術(shù)，特別是被動(dòng)視覺(jué)傳感技術(shù)，由于其類(lèi)似焊工觀(guān)察焊接過(guò)程行為，因此成為眾多焊接過(guò)程傳感技術(shù)中的研究熱點(diǎn)。機(jī)器人由于其靈活性和柔性，已經(jīng)成為手工焊接向自動(dòng)焊接轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。通過(guò)分析，機(jī)器人焊接過(guò)程本身具有連續(xù)和離散動(dòng)態(tài)混合的混雜特性，采用基于混雜系統(tǒng)的混合邏輯動(dòng)態(tài)(Mixed Logical Dy

3、namical，MLD)建模方法研究機(jī)器人焊接過(guò)程的建模問(wèn)題，可以全面的描述機(jī)器人焊接過(guò)程并給出一般性的模型結(jié)構(gòu)，該研究對(duì)于機(jī)器人焊接過(guò)程建模與控制的系統(tǒng)性研究具有非常重要的意義。因此，本篇論文以鋁合金脈沖TIG(Tungsten Inert Gas)焊接過(guò)程為例，研究了機(jī)器人焊接過(guò)程雙目被動(dòng)視覺(jué)傳感的焊接過(guò)程視覺(jué)信息獲取和處理，分析了機(jī)器人脈沖TIG焊接過(guò)程混合邏輯動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)而建立機(jī)器人焊接系統(tǒng)混合邏輯動(dòng)態(tài)模型和基于視覺(jué)特征的脈沖T

4、IG焊接熔池動(dòng)態(tài)過(guò)程混合邏輯動(dòng)態(tài)模型，最終通過(guò)焊接實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所建模型的有效性。研究結(jié)果表明，機(jī)器人脈沖TIG焊接過(guò)程本身是一種典型的混合邏輯動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，研究機(jī)器人焊接過(guò)程混合邏輯動(dòng)態(tài)建模方法可以在統(tǒng)一的模型框架下描述機(jī)器人焊接系統(tǒng)和焊接熔池動(dòng)態(tài)過(guò)程，同時(shí)也體現(xiàn)混合邏輯動(dòng)態(tài)理論在機(jī)器人焊接過(guò)程應(yīng)用的示范性作用。
　　 本文首先設(shè)計(jì)一套雙目被動(dòng)視覺(jué)傳感器，構(gòu)建一套具有視覺(jué)傳感功能的機(jī)器人焊接實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了鋁合金脈沖TIG焊接過(guò)程視覺(jué)信

5、息獲取與處理軟件。該平臺(tái)不僅可以實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程焊縫和熔池信息的實(shí)時(shí)采集和處理，還可以實(shí)現(xiàn)焊接熔池動(dòng)態(tài)過(guò)程的建模和控制。
　　 根據(jù)焊接過(guò)程建模的需要，首先給出焊縫和熔池幾何特征參數(shù)的定義，通過(guò)采集鋁合金脈沖TIG焊接過(guò)程電弧光譜強(qiáng)度譜線(xiàn)，分析鋁合金脈沖TIG焊接過(guò)程電弧光譜強(qiáng)度分布特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)鋁合金脈沖TIG焊接過(guò)程電弧光譜在610nm到690nm之間主要由強(qiáng)度較低的連續(xù)光譜組成。這段電弧光不僅可以給被動(dòng)視覺(jué)技術(shù)提供焊縫和熔池區(qū)域有

6、效的照明，還可以避免焊縫和熔池區(qū)域強(qiáng)烈的弧光干擾，從而確定選用帶通范圍在610nm到690nm之間的濾光片來(lái)實(shí)現(xiàn)鋁合金脈沖TIG焊接過(guò)程視覺(jué)信息獲取，成功采集得到焊接過(guò)程幾種典型的焊縫和熔池圖像。
　　 基于焊縫圖像灰度變化具有方向性的特點(diǎn)，提出改進(jìn)Roberts邊緣提取算法(AR-SF)，實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)焊縫幾何特征的快速提取。通過(guò)分析不同熔透狀態(tài)熔池圖像的特點(diǎn)，避開(kāi)檢測(cè)熔池邊緣的復(fù)雜圖像處理，提出熔池特征點(diǎn)定位算法(PL-PF)，實(shí)

7、現(xiàn)熔池幾何特征信息的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確計(jì)算，為后續(xù)的焊接熔池動(dòng)態(tài)過(guò)程建模和控制打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
　　 從混雜系統(tǒng)角度出發(fā)，在混合邏輯動(dòng)態(tài)建?？蚣芑A(chǔ)上，分析機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程和焊接設(shè)備操作過(guò)程的連續(xù)和離散動(dòng)態(tài)，建立了焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程MLD模型(WRMP-MLD)和焊接設(shè)備操作過(guò)程MLD模型(WDOP-MLD)，通過(guò)采集焊接實(shí)驗(yàn)過(guò)程離散變量的變化，驗(yàn)證了這兩個(gè)模型的正確性。該研究為未來(lái)研究多焊接機(jī)器人協(xié)調(diào)或者焊接電源內(nèi)部電路控制提供有效的混合邏

8、輯動(dòng)態(tài)建模途徑。
　　 通過(guò)分析焊接熔池動(dòng)態(tài)過(guò)程的連續(xù)和離散動(dòng)態(tài)，結(jié)合兩類(lèi)常見(jiàn)的焊接過(guò)程視覺(jué)信息--錯(cuò)邊和間隙，將其抽象為離散變化的變量，研究這兩類(lèi)視覺(jué)信息產(chǎn)生的離散動(dòng)態(tài)對(duì)熔池連續(xù)動(dòng)態(tài)過(guò)程的影響，建立錯(cuò)邊熔池混合邏輯動(dòng)態(tài)模型(WPM-MLD)和間隙熔池混合邏輯動(dòng)態(tài)模型(WPG-MLD)，該模型為后續(xù)熔透控制提供背面熔寬的有效預(yù)估。
　　 根據(jù)焊接過(guò)程熔透控制的要求，利用建立的錯(cuò)邊和間隙情況下熔池動(dòng)態(tài)過(guò)程混合邏輯動(dòng)態(tài)模型，