基于視覺及電弧傳感技術(shù)的機(jī)器人GTAW三維焊縫實(shí)時(shí)跟蹤控制技術(shù)研究.pdf

1、機(jī)器人焊接自動(dòng)化是焊接技術(shù)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，目前，國內(nèi)外大部分實(shí)際焊接生產(chǎn)使用的機(jī)器人總的來說還是屬于第一代或者準(zhǔn)二代的“示教-再現(xiàn)”型機(jī)器人。這種類型的機(jī)器人對(duì)于焊接環(huán)境的一致性要求異常嚴(yán)格，其焊接路徑和相關(guān)工藝參數(shù)都是需要預(yù)先設(shè)置的。但是在實(shí)際的焊接中常常因?yàn)榇嬖谧冃巍⒆兩?、變間隙、變錯(cuò)邊、工件加工誤差和裝配誤差等因素造成焊縫位置和尺寸的變化，導(dǎo)致焊縫和示教軌跡有偏差，由于“示教-再現(xiàn)”型機(jī)器人對(duì)示教軌跡偏差沒有適應(yīng)性，不具備焊縫實(shí)

2、時(shí)跟蹤控制功能，從而最終影響焊縫成形的質(zhì)量，難以滿足企業(yè)對(duì)焊接制造高質(zhì)量、高效率的要求，因此限制了它在很多領(lǐng)域的應(yīng)用。為了克服焊接過程中這些不確定性因素對(duì)精密焊接件焊縫質(zhì)量的影響，迫切需要對(duì)焊縫進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤來調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，提高現(xiàn)行焊接機(jī)器人的適應(yīng)性和智能化水平。
　　 在實(shí)際的焊接過程中，大部分的焊接工件為空間三維焊縫。在已有的基于被動(dòng)視覺的焊縫跟蹤研究中，視覺系統(tǒng)大多只能準(zhǔn)確地獲取圖像的二維信息，三維重建的方法可以計(jì)算

3、出圖像中的高度信息，但其計(jì)算的精確性和可靠性難以滿足實(shí)時(shí)焊縫跟蹤的要求，僅僅依靠視覺技術(shù)很難滿足機(jī)器人在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)焊接高度方向上的自動(dòng)跟蹤控制要求。在利用視覺傳感技術(shù)對(duì)焊縫進(jìn)行實(shí)時(shí)在線跟蹤時(shí)必須利用其他方法對(duì)焊接高度進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤控制。本文根據(jù)鋁合金脈沖GTAW的焊接特點(diǎn)，利用基于視覺及電弧傳感的復(fù)合傳感技術(shù)對(duì)焊縫進(jìn)行左右和高度進(jìn)行糾偏，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人GTAW過程的三維焊縫實(shí)時(shí)跟蹤控制，這對(duì)將傳統(tǒng)的“示教-再現(xiàn)”型機(jī)器人開發(fā)成具有一定自主功

4、能的焊接機(jī)器人系統(tǒng)，不斷擴(kuò)大機(jī)器人焊接自動(dòng)化技術(shù)在國防、航空、化工及電子等部門的應(yīng)用范圍具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。
　　 利用視覺和電弧傳感技術(shù)來對(duì)機(jī)器人GTAW過程三維焊縫進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤控制要解決三個(gè)主要問題，一個(gè)是準(zhǔn)確地獲取焊縫的三維信息，這是進(jìn)行實(shí)時(shí)焊縫跟蹤的前提。另外一個(gè)問題是必須找到合適的三維信息處理算法，提取出三維焊縫信息的特征值。最后必須設(shè)計(jì)合理的焊縫跟蹤控制器，使其能夠滿足機(jī)器人GTAW過程對(duì)焊縫實(shí)時(shí)跟蹤控

5、制要求。
　　 本文首先研究開發(fā)了一套基于視覺及電弧傳感技術(shù)的機(jī)器人三維焊縫跟蹤系統(tǒng)，具體包括焊接平臺(tái)的搭建、視覺及電弧傳感器的設(shè)計(jì)加工、焊接系統(tǒng)的標(biāo)定、系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)以及焊接工裝夾具的設(shè)計(jì)等。
　　 要對(duì)焊縫進(jìn)行準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)跟蹤，首先需要獲得描述焊縫焊接過程狀態(tài)中的準(zhǔn)確信息。通過對(duì)鋁合金GTAW焊接實(shí)際電弧光譜的分析，自主研制了一套多功能被動(dòng)視覺傳感器。通過分析減光濾光片、電流基值以及采像時(shí)刻等參數(shù)對(duì)獲取焊接圖像的影

6、響，在僅依靠焊接過程電弧光照明的情況下，實(shí)現(xiàn)了鋁合金脈沖GTAW過程實(shí)時(shí)焊接圖像清晰地獲取。針對(duì)已有焊接圖像邊緣檢測(cè)方法的不足，提出了一種改進(jìn)的Canny邊緣檢測(cè)算法，有效改善了不同焊接圖像邊緣的提取效果，提高了邊緣檢測(cè)的準(zhǔn)確性和自適應(yīng)性。在分析焊接圖像特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一套完整的圖像處理算法。通過焊接實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其焊接圖像處理精度可以控制在±0.169mm以內(nèi)，其精度能很好地滿足了機(jī)器人GTAW過程實(shí)時(shí)圖像處理的需求。
　　

7、根據(jù)鋁合金脈沖GTAW的焊接特點(diǎn)，利用電弧傳感器對(duì)電弧電壓信號(hào)進(jìn)行了有效地采集，并對(duì)弧壓信號(hào)特點(diǎn)進(jìn)行了仔細(xì)分析，提出了一種基于小波包的防脈沖干擾滑動(dòng)均值去噪處理方法，能有效地去除電弧電壓信號(hào)中含有的大量脈沖干擾和隨機(jī)非平穩(wěn)噪聲。在此基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確地提取出了弧壓信號(hào)的特征值，其處理精度能達(dá)到0.273mm。建立了電弧電壓和弧長的關(guān)系模型U=3.108h+21.472，并對(duì)模型精度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明，根據(jù)弧壓與弧長關(guān)系模型計(jì)算出的弧長與

8、實(shí)際焊接弧長有很好的匹配，其最小誤差約為0.218mm，其精度完全能夠滿足后續(xù)的機(jī)器人焊接高度實(shí)時(shí)跟蹤控制的要求。
　　 通過分析“示教-再現(xiàn)”型焊接機(jī)器人的糾偏原理和實(shí)時(shí)焊縫跟蹤控制的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于模糊切換的Fuzzy-PID雙模復(fù)合控制器來對(duì)三維焊縫進(jìn)行跟蹤控制。針對(duì)不同的焊縫偏差，利用模糊邏輯規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了Fuzzy控制器和PID控制器的無擾切換，最大限度地保證了焊接過程焊縫跟蹤的實(shí)時(shí)性，穩(wěn)定性和抗干擾性。通過仿真實(shí)驗(yàn)表明