焊接相關(guān)畢業(yè)論文---光電傳感器式焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　焊接是制造業(yè)中不可或缺的一種技術(shù)，為了提高焊接質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，節(jié)省人力，國(guó)內(nèi)外焊接工作者一直在不斷地采取各種方法進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的自動(dòng)化。實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的自動(dòng)化關(guān)鍵是研制一套高效率的焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。</p><p>　　焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)由三部分組成：傳感器、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)。焊縫跟蹤系統(tǒng)中

2、傳感器是最重要的組成部分，應(yīng)用于焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中的傳感器主要包括：電子式、光電式、電弧式和電磁感應(yīng)式。而在焊縫跟蹤系統(tǒng)的主要技術(shù)是焊縫的檢測(cè)和控制算法。</p><p>　　本論文設(shè)計(jì)了一套光電傳感器式焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)由光電傳感器、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。</p><p>　　本文通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，針對(duì)光電傳感器在材料表面狀態(tài)不同時(shí)輸出信號(hào)相差較大而導(dǎo)致跟蹤失敗的現(xiàn)象，提出采用加

3、權(quán)比較的信號(hào)處理方法，提高了傳感器的精度。</p><p>　　在分析前人工作的基礎(chǔ)上，本文提出了一種傳感器旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)模型。經(jīng)過(guò)理論分析，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了符合系統(tǒng)要求的模糊控制系統(tǒng)。仿真研究表明，該模型不僅簡(jiǎn)單可靠，而且跟蹤精度高。采用模糊控制技術(shù)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與精度。</p><p>　　關(guān)鍵詞：焊縫跟蹤；光電式傳感器；模糊控制；</p>

4、<p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The technology of welding is absolutely necessary in manufacturing. In order to improve the welding quality and efficiency, and to save the manpower, the stude

5、nts of the domestic and foreign welding study continuously adopt many kinds of methods to develop welding research so that implement the welding automation. The key of the realization of welding automation is that a high

6、ly effective welding seam automatic tracking system is studied. A welding seam automatic tracking system is that welding </p><p>　　A welding seam automatic tracking system mainly contains three parts: sensor

7、、control system、effective machine, and the sensor is the most important part. At present, the study of welding seam automatic tracking system is also based on the sensor’s choice in domestic and abroad. Mainly includes:

8、electric type sensor、electric arc type sensor、electromagnetism induction type sensor. The main technology of the system are testing and arithmetic of control.</p><p>　　In this paper, a seam tracking system b

9、ased on photoelectric sensor which consisted of a photoelectric sensor, a sub-system of control and executive machine is studied.</p><p>　　Because the output from sensor is great different under the differen

10、t states of material surface, lots of photoelectric sensor failed to seam tracking. In this paper, a method of comparing the signal is put forward after a great deal experiments. And by this way, the precision of the pho

11、toelectric sensor has been great improved.</p><p>　　Based on the analysis of previous work, a sensor-rotating model is puts forward in this paper. The author set up the corresponding mathematical model after

12、 theoretical analysis and designed a fuzzy control system. Simulation research indicates that it is simple and tried what's more it also has highly precise.The technique of fuzzy control improves the system in stabil

13、ity and precision.</p><p>　　Keywords: Seam Tracking；Photoelectric Sensor；Fuzzy Control</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　Abst

14、ractII</p><p><b>　　目 錄III</b></p><p>　　第1章 緒 論1</p><p>　　1.1課題研究的目的和意義1</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外焊縫自動(dòng)跟蹤技術(shù)研究發(fā)展的概況2</p><p>　　1.2.1焊縫跟蹤技術(shù)在國(guó)外的發(fā)展?fàn)顩r2&

15、lt;/p><p>　　1.2.2焊縫跟蹤技術(shù)在我國(guó)的研究現(xiàn)狀4</p><p>　　1.3本文的主要研究?jī)?nèi)容5</p><p>　　1.3.1研究對(duì)象5</p><p>　　1.3.2研究?jī)?nèi)容5</p><p>　　第2章 實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤的技術(shù)基礎(chǔ)7</p><p>　　2.1光電傳感器

16、的工作原理7</p><p>　　2.1.1光敏二極管的工作原理7</p><p>　　2.1.2光敏三極管的工作原理7</p><p>　　2.2跟蹤系統(tǒng)的控制原理以及系統(tǒng)模型的提出8</p><p>　　2.2.1跟蹤系統(tǒng)的控制原理8</p><p>　　2.2.2系統(tǒng)模型的提出9</p>

17、<p>　　2.3焊縫跟蹤的控制方法10</p><p>　　2.3.1經(jīng)典控制方法10</p><p>　　2.3.2模糊控制方法10</p><p>　　2.3.3其他控制方法10</p><p>　　2.4焊縫跟蹤過(guò)程分析與數(shù)學(xué)建模11</p><p>　　2.5本章小結(jié)13</p&

18、gt;<p>　　第3章 光電傳感器的設(shè)計(jì)與測(cè)試14</p><p><b>　　3.1 引言14</b></p><p>　　3.2 光電傳感器的設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.2.1 光電傳感器的基本設(shè)計(jì)思路14</p><p>　　3.2.2 光電傳感器的結(jié)構(gòu)14</p>

19、<p>　　3.2.3 光電傳感器的電路原理圖15</p><p>　　3.2.4 傳感器設(shè)計(jì)考慮到的問(wèn)題以及解決辦法15</p><p>　　3.3光電傳感器的測(cè)試16</p><p>　　3.3.1 測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.3.2 傳感器高度試驗(yàn)17</p><p>　　3.

20、3.3工件表面狀態(tài)影響實(shí)驗(yàn)18</p><p>　　3.3.4 人工輔助線(xiàn)影響實(shí)驗(yàn)19</p><p>　　3.3.5 弧光影響實(shí)驗(yàn)20</p><p>　　3.3.6白線(xiàn)偏移實(shí)驗(yàn)20</p><p>　　3.4 本章小結(jié)21</p><p>　　第四章 模糊控制器設(shè)計(jì)與仿真22</p>&

21、lt;p><b>　　4.1 引言22</b></p><p>　　4.2 模糊控制器的設(shè)計(jì)22</p><p>　　4.2.1確定輸入輸出的模糊子集及其論域22</p><p>　　4.2.2 確定模糊變量的賦值表23</p><p>　　4.2.3 選擇模糊控制規(guī)則24</p><

22、p>　　4.2.4 建立模糊控制響應(yīng)表27</p><p>　　4.2.5 模糊控制系統(tǒng)的建立29</p><p>　　4.3 模糊控制系統(tǒng)特性仿真與分析30</p><p>　　4.4本章小結(jié)33</p><p><b>　　結(jié) 論34</b></p><p><b>

23、;　　致 謝35</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)36</b></p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p>　　1.1課題研究的目的和意義</p><p>　　在金屬制造業(yè)中，焊接是僅次于裝配和機(jī)械加工的第三大產(chǎn)業(yè)。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，每年鋼鐵產(chǎn)

24、量的40%以上要通過(guò)焊接才能轉(zhuǎn)化為最終的產(chǎn)品。自現(xiàn)代焊接技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，焊接生產(chǎn)的機(jī)械化、自動(dòng)化和機(jī)器人化一直在不斷發(fā)展之中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，日本在1975年共有焊接工人460,930名，而1985年減少為335,600名，1990年則為210,800名，大約每10年減少27～37%的焊接工人數(shù)。而日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)表明，至1990年，在日本生產(chǎn)和銷(xiāo)售的弧焊機(jī)器人已達(dá)到9,563臺(tái)，點(diǎn)焊機(jī)器人為5,378臺(tái)。對(duì)焊接材料用量的統(tǒng)計(jì)也顯示，過(guò)去

25、大約每10年手工藥皮焊條的用量減少一半，而實(shí)心焊絲和藥芯焊絲的用量則顯著增加了[1]。這些數(shù)據(jù)表明，在過(guò)去的二十多年中，焊接工作不斷地由手工操作轉(zhuǎn)為自動(dòng)、半自動(dòng)焊接乃至機(jī)器人焊接。手工焊接的場(chǎng)合依靠人的眼睛和手的配合來(lái)跟蹤焊縫，而在自動(dòng)焊接的場(chǎng)合則需要解決焊接熔池（或電弧）始終對(duì)準(zhǔn)待焊焊縫的問(wèn)題。由此可見(jiàn)，隨著現(xiàn)代焊接生產(chǎn)的自動(dòng)化程度越來(lái)越高以及機(jī)器人焊接技術(shù)的發(fā)展，對(duì)焊縫自動(dòng)跟蹤技術(shù)的需求也越來(lái)越迫切，這主要表現(xiàn)在三個(gè)方面[2]：&l

26、t;/p><p><b>　　（1）提高焊接質(zhì)量</b></p><p>　　由于待焊工件存在加工及裝配的誤差，焊接熱過(guò)程引起的變形事先也難以預(yù)料，因此給定軌跡的目標(biāo)控制（或程序控制）方式己無(wú)能為力，具有焊縫自動(dòng)跟蹤能力的自適應(yīng)系統(tǒng)自然成為首選目標(biāo)。在機(jī)器人焊接領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外使用的弧焊機(jī)器人大多數(shù)仍是第一代示教再現(xiàn)式機(jī)器人，雖然這種機(jī)器人能夠完成大量的重復(fù)性的工作，具有簡(jiǎn)單

27、、直觀(guān)、易于操作和重復(fù)定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)變更工件的種類(lèi)時(shí)，必須更換工裝，這在小批量、多品種的生產(chǎn)中必然會(huì)造成成本過(guò)高的問(wèn)題[3，4]。而且，由于焊接是一種熱加工工藝過(guò)程，一些尺寸較大、剛性較差（如薄板）的工件在焊接過(guò)程中很可能會(huì)產(chǎn)生熱變形，或者由于大型焊件的焊縫開(kāi)口一致性不好，可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)際的焊道偏離了預(yù)先示教的軌跡，此時(shí)，示教再現(xiàn)法就難以保證焊接質(zhì)量。因此，雖然示教反饋式的傳統(tǒng)型機(jī)器人己經(jīng)有所應(yīng)用，但是在精度要求更高和產(chǎn)品經(jīng)常變化

28、的場(chǎng)合是不合適的。因此需要研究開(kāi)發(fā)能靈活移動(dòng)，具有一定智能的焊接機(jī)械，以適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)、不同的地點(diǎn)的焊接任務(wù)[5]。所以有必要加入自動(dòng)跟蹤裝置以增強(qiáng)它們的適應(yīng)性，</p><p>　　發(fā)展配帶傳感器、智能化更加靈活的制造系統(tǒng)的需求非常迫切。</p><p>　　（2）改善焊接工人的工作條件</p><p>　　由于焊接過(guò)程產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱、煙塵和弧光，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境非常

29、惡劣，對(duì)工人的體能消耗很大，而且焊接現(xiàn)場(chǎng)的空氣污染電磁污染和強(qiáng)烈的弧光輻射會(huì)對(duì)工人的健康造成危害。采用自動(dòng)化、機(jī)器人化的焊接系統(tǒng)是將人從手工焊接的惡劣環(huán)境中解放出來(lái)的根本途徑。在發(fā)達(dá)國(guó)家，手工焊接只占40%左 右，而在我國(guó)則高達(dá)60%以上。未來(lái)這一部分由手工操作的焊接工作將由自動(dòng)化焊接裝置來(lái)完成。由此可見(jiàn)，自動(dòng)焊接裝置和工業(yè)機(jī)器人在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用有著非常廣闊的前景，進(jìn)而催生了對(duì)焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的需求。</p><p&

30、gt;<b>　?。?）提高生產(chǎn)率</b></p><p>　　手工焊接的效率很低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，工人實(shí)際焊接的時(shí)間不足其工作時(shí)間的30%[3]，而且手工焊接質(zhì)量受操作者人為因素的影響大，不能維持產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。毫無(wú)疑問(wèn)，自動(dòng)焊接系統(tǒng)的生產(chǎn)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于手工焊接，而采用焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的自動(dòng)焊接系統(tǒng)又可大大提高焊接生產(chǎn)效率。這是因?yàn)榕c示教型和程序控制焊接系統(tǒng)相比，它省去了繁重的示教工作或事先的編程工

31、作，也降低了對(duì)工件加工精度和裝配精度的要求，從而降低了焊接準(zhǔn)備時(shí)間，提高了整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。特別是對(duì)于曲線(xiàn)焊縫，示教型焊接機(jī)器人為了保證示教軌跡的精度，示教的點(diǎn)數(shù)要求較多，為此需要較長(zhǎng)時(shí)間的示教操作，這是一件很繁瑣的工作，對(duì)于小批量生產(chǎn)更為不利[6]。</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外焊縫自動(dòng)跟蹤技術(shù)研究發(fā)展的概況</p><p>　　1.2.1焊縫跟蹤技術(shù)在國(guó)外的發(fā)展?fàn)顩r</p&

32、gt;<p>　　據(jù)資料顯示，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、日本、德國(guó)的焊接自動(dòng)化、機(jī)械化程度已達(dá)60％～70％，而我國(guó)僅為20％---30％。因此，發(fā)展和應(yīng)用新型焊接自動(dòng)化技術(shù)對(duì)我國(guó) 國(guó)民經(jīng)濟(jì)將起到巨大的作用。在焊接過(guò)程中由于各種因素的影響，實(shí)際的焊接條件經(jīng)常發(fā)生變化。例如，由于強(qiáng)烈的弧光輻射、高溫、煙塵、飛濺、坡口狀況、加工誤差、裝夾精度、表面狀態(tài)、工件熱變形等影響會(huì)使焊炬偏離焊縫，從而造成焊接質(zhì)量下降甚至失敗。焊接條件的這種

33、變化要求焊接過(guò)程中能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)出焊縫偏差，并實(shí)時(shí)調(diào)整焊接路徑和焊接參數(shù)，從而保證焊接質(zhì)量。焊縫跟蹤技術(shù)主要解決焊縫檢測(cè)、焊縫識(shí)別和跟蹤控制三方面問(wèn)題[7]。</p><p>　　焊縫檢測(cè)的關(guān)鍵是傳感方式，而傳感方式的差異主要取決于傳感器的類(lèi)型，</p><p>　　目前主要有機(jī)械（電子）式、電弧傳感式、超聲波、電磁式和光電式（視覺(jué)）。</p><p>　　機(jī)械（探針

34、）接觸式傳感器（Tactile probe sensors）</p><p>　　機(jī)械接觸式傳感器焊縫跟蹤的工作原理是將一根金屬探針?lè)胖迷诤附尤鄢氐那把?，探針沿焊縫移動(dòng)，將焊縫位置信號(hào)傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)探針的信號(hào)對(duì)焊槍移動(dòng)軌跡進(jìn)行修正。探針式焊縫跟蹤的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、抗弧光、電磁和煙塵干擾的能力強(qiáng)。另外，由于跟蹤信號(hào)是在靠近熔池的地方獲得，省去了有些跟蹤方法中的延時(shí)控制，簡(jiǎn)化了設(shè)備，提高了跟蹤

35、精度。機(jī)械探針式傳感器一般用于長(zhǎng)、直焊縫的單層焊及角焊縫。目前，在航天運(yùn)載器推進(jìn)系統(tǒng)焊接中使用的這種探針式焊縫跟蹤裝置的跟蹤精度為0.15mm[8]。</p><p>　　但是探針式傳感器對(duì)于結(jié)合比較緊密的焊縫接頭，效果不佳，因?yàn)榇藭r(shí)探針沒(méi)有地方依靠[9]。此外，這種傳感器還存在的問(wèn)題是：對(duì)不同形式的坡口需要不同形狀的探頭；對(duì)坡口的加工要求高，跟蹤表面的任何損傷和粗糙不平都會(huì)影響跟蹤的穩(wěn)定性；探頭磨損大、易變形；

36、不適于高速焊接等[1，2，6]。</p><p>　　電磁傳感器（Electromagnetic sensors）</p><p>　　電磁傳感器的原理是一次線(xiàn)圈中流過(guò)高頻電流后在二次線(xiàn)圈上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。偏差的存在將使左右兩個(gè)二次線(xiàn)圈的磁路出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)。通過(guò)比較兩個(gè)線(xiàn)圈中的電勢(shì)反映焊炬偏離焊縫的大小和方向。</p><p>　　電磁式傳感適用于對(duì)接、錯(cuò)接和角焊縫。其體

37、積較大，使用靈活性差，且對(duì)于磁場(chǎng)干擾和工件裝配精度比較敏感、一般應(yīng)用于對(duì)精度要求不高的場(chǎng)合[6]。</p><p><b>　　電極接觸式傳感器</b></p><p>　　這種傳感器檢測(cè)焊絲與母材（或工件）接觸時(shí)電壓和微電流（10mA或更小）的變化，從而決定接觸點(diǎn)的坐標(biāo)。它也叫做焊絲接觸式傳感器（Wire-touch sensors）、或接觸式傳感器（Touchse

38、nsors）。為了保證接觸，一般使用300－600V的電壓，頻率為50或60Hz[1]。因?yàn)檫@種傳感器不能在焊接過(guò)程中使用，所以它一般用來(lái)檢接的起始位置。在許多場(chǎng)合，它與電弧傳感器相配合使用。</p><p>　　電弧傳感器（Arc sensors）</p><p>　　電弧傳感器是一種非（半）接觸式傳感器。與其他傳感器相比，電弧傳感器不需要在焊炬上附加另外傳感器元件，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有更好

39、的動(dòng)態(tài)品質(zhì)及更高的控制精度。</p><p>　　電弧傳感主要有擺動(dòng)式電弧傳感和旋轉(zhuǎn)式電弧傳感兩種。電弧傳感從電弧的電流與電壓變化中獲得焊縫橫向與高低偏差信息。當(dāng)焊炬至工件距離發(fā)生變化時(shí)，電弧電流會(huì)相應(yīng)變化，以保持原來(lái)的熔化率。因此，電弧電流的變化就反映焊炬高度的變化，通過(guò)電弧掃描坡口，從電流波形特性中可獲得橫向?qū)χ?lt;/p><p>　　信息[10]。電弧傳感焊縫跟蹤的基本原理是：在焊接過(guò)

40、程中，根據(jù)電弧在焊縫中進(jìn)行擺動(dòng)或旋轉(zhuǎn)掃描時(shí)由于焊炬與工件表面距離發(fā)生變化而使電弧本身的參數(shù)（如電流、電壓等）產(chǎn)生變化來(lái)確定電弧與焊縫之間的關(guān)系，從而進(jìn)行焊縫跟蹤的。</p><p>　　電弧傳感器的最大優(yōu)勢(shì)在于抗弧光、高溫等的能力很強(qiáng)，它利用電弧本身的信號(hào)進(jìn)行傳感，檢測(cè)點(diǎn)即為電弧焊接點(diǎn)，不會(huì)帶來(lái)附加誤差，簡(jiǎn)單、方便、實(shí)時(shí)性好。但是，電弧傳感要求焊接時(shí)電弧比較穩(wěn)定，其電流、電壓的波動(dòng)較小;而且在薄板焊接、坡口高度小

41、于4mm或I型對(duì)接接頭的焊接中，使用電弧傳感器進(jìn)行焊縫跟蹤難以實(shí)現(xiàn)[11，12]。另外，它只能在焊接（也即電弧燃燒）時(shí)工作[13]，這樣就無(wú)法單獨(dú)做到在焊前預(yù)先定位，需要與其他傳感方法如前述的電極接觸式傳感器相配合使用。</p><p>　　光電傳感器（Photoelectric sensors）</p><p>　　光電傳感器跟蹤精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，信息豐富，是目前研究得最多的傳感器之一

42、。傳感器包括信號(hào)光源和接收器兩部分，結(jié)構(gòu)形式種類(lèi)繁多。所用信號(hào)光源有白熾燈、激光、紅外光等；按接收器件的特征可分為單點(diǎn)式光電傳感器和圖像傳感器兩大類(lèi)。前者以單個(gè)或幾個(gè)分支光電器件為接收元件，后者以集成光電器件(如CCD、PSD等)為接收元件。下面是其中的幾種形式。</p><p><b>　　單點(diǎn)式光電傳感器</b></p><p>　　這類(lèi)傳感器以人工輔助線(xiàn)〔塑料膠

43、帶，白漆線(xiàn)等〕、坡口面或坡口棱邊作為跟蹤基準(zhǔn)。這種傳感器的工作原理是以人工輔助線(xiàn)為跟蹤基準(zhǔn)的單點(diǎn)式光電傳感器工作原理，焊前在焊接線(xiàn)一側(cè)用白漆畫(huà)一條寬1～4mm的平行線(xiàn)，以燈泡作為光源，它經(jīng)透鏡照射在白線(xiàn)上。形成一個(gè)長(zhǎng)方形光斑，反射光經(jīng)凸、凹透鏡在光電元件屏上成像，其中白線(xiàn)的像最亮，當(dāng)傳感器對(duì)中白線(xiàn)時(shí)，陰影部分處于元件屏兩光電管之間兩管受光面積相等，輸出信號(hào)也相等；如傳感器不對(duì)中，白線(xiàn)偏離光斑中心，則兩管輸出信號(hào)不等，據(jù)此可獲得跟蹤信號(hào)[

44、14，15]。</p><p><b>　　集成電路圖像傳感器</b></p><p>　　圖像傳感器以—維或二維的集成光電陣列作為接收器，如CCD圖像傳感器一般都包含有256(線(xiàn)陣)或256×256(面陣)個(gè)以上的象素，可以獲得坡口及其附近區(qū)域的圖像信息，以微機(jī)進(jìn)行處理和控制。為了在CCD器件上獲得清晰的坡口圖像，要求輔助光以較大的強(qiáng)度投射到所要檢測(cè)的部位

45、，工件表面的光照度越強(qiáng)，圖像的信噪比較高，跟蹤系統(tǒng)越可靠[16,17]。</p><p>　　1.2.2焊縫跟蹤技術(shù)在我國(guó)的研究現(xiàn)狀</p><p>　　焊縫自動(dòng)跟蹤是焊接生產(chǎn)機(jī)械化、自動(dòng)化的關(guān)鍵?；谏a(chǎn)實(shí)踐的需要，</p><p>　　50年來(lái)我國(guó)在焊縫自動(dòng)跟蹤方面有了長(zhǎng)足發(fā)展，技術(shù)水平不斷提高，并取得了許多應(yīng)用成果。我國(guó)已發(fā)展了各種類(lèi)型的傳感器技術(shù)，控制坐標(biāo)已

46、從單坐標(biāo)和雙坐標(biāo)發(fā)展到了多坐標(biāo)。50～60年代多采用接觸跟蹤，西安交通大學(xué)和三橋機(jī)車(chē)車(chē)輛廠(chǎng)是中國(guó)從事接觸跟蹤和電磁跟蹤研究較早的單位。60～70年代后期發(fā)展了電磁跟蹤、光電跟蹤、電弧跟蹤、激光跟蹤等非接觸跟蹤技術(shù)。華中理工大學(xué)與湖北造船廠(chǎng)合作研制成功全位置電磁跟蹤氣體保護(hù)焊機(jī)，跟蹤精度達(dá)±1mm。華南理工大學(xué)與廣州造船廠(chǎng)共同研制的電磁立焊縫自動(dòng)跟蹤焊機(jī)，用在萬(wàn)噸輪的焊接上。天水電氣傳動(dòng)研究所和上海造船工藝研究所合作，研制的光電

47、跟蹤裝置用于螺旋管焊接和船舶的焊接生產(chǎn)中。哈爾濱焊接研究所與遼陽(yáng)鋼廠(chǎng)合作研制的激光跟蹤裝置用于螺旋管焊接自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)等。80年代后期，微機(jī)跟蹤和電視跟蹤技術(shù)得到迅速發(fā)展，從而為傳統(tǒng)焊接自動(dòng)化向現(xiàn)代焊接自動(dòng)化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[18]。</p><p>　　從70年代末開(kāi)始，清華大學(xué)潘際鑾院士對(duì)電弧傳感焊縫跟蹤做了大量研究。80年代末，潘院士在電弧傳感器結(jié)構(gòu)及控制方面又進(jìn)行了新的研究，研制出一種空心馬達(dá)式高速旋轉(zhuǎn)掃描電弧

48、傳感器，并成功地對(duì)一種無(wú)道軌的自動(dòng)小車(chē)進(jìn)行跟蹤控制，獲得了專(zhuān)利[6，10，19]。</p><p>　　此外．哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制成功了單片機(jī)控制高精度激光跟蹤系統(tǒng)，西北工業(yè)大學(xué)研制成功微處理機(jī)控制熔化極脈沖窄間隙焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)等，都獲得了較好的自動(dòng)控制效果。計(jì)算機(jī)圖像法控制技術(shù)也在80年代研究成功，如水電部電力建設(shè)研究所研制成功DL-64固態(tài)圖像傳感器進(jìn)行焊縫跟蹤的裝置。</p><p>

49、;　　1.3本文的主要研究?jī)?nèi)容</p><p><b>　　1.3.1研究對(duì)象</b></p><p>　　本課題以二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)影響二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊焊接質(zhì)量的外界因素加以研究，著重研究實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤所采用采用傳感器的類(lèi)型以及實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤的方法，并對(duì)如何降低外界因素對(duì)焊縫跟蹤系統(tǒng)的影響和如何提高焊縫的質(zhì)量的方法加以研究。</p&

50、gt;<p><b>　　1.3.2研究?jī)?nèi)容</b></p><p>　?。?）對(duì)焊縫跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行基本研究，論述其組成結(jié)構(gòu)、原理及其功能；</p><p>　?。?）仔細(xì)分析和比較各種焊縫跟蹤系統(tǒng)中使用的傳感器特點(diǎn)，確立在本課題中使用的傳感器類(lèi)型和檢測(cè)方法；</p><p>　?。?）根據(jù)傳感器使用的不同，選擇不同的信號(hào)處理方法；

51、</p><p>　　(4) 識(shí)別出焊縫信息后，將其送往控制器通過(guò)合適的控制算法來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而達(dá)到焊槍糾偏的最終目的。</p><p>　　第2章 實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤的技術(shù)基礎(chǔ)</p><p>　　2.1光電傳感器的工作原理</p><p>　　2.1.1光敏二極管的工作原理</p><p>　　光敏二極管又稱(chēng)光電二極

52、管，它與普通二極管類(lèi)似，不同之處在于PN結(jié)裝在管殼頂部，可以直接受到光照，在電路中一般處于反向工作狀態(tài)，它的符號(hào)圖及其在電路中的接法如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 光敏二極管的符號(hào)圖及應(yīng)用電路</p><p>　　當(dāng)無(wú)光照時(shí)，其反向電阻很大，電路中有很小的反向飽和漏電流（稱(chēng)之為暗電流），一般為10-8～10-9A，此時(shí)相當(dāng)于光敏二極管截止；當(dāng)有光照時(shí)，PN結(jié)附近受光子的轟擊

53、，半導(dǎo)體內(nèi)被束縛的價(jià)電子吸收光子能量，產(chǎn)生電子----空穴對(duì)，并在PN結(jié)所形成的電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)而形成光電流。光照度越大，光電流就越大。故光敏二極管不受光照時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)。光電流流過(guò)負(fù)載電阻R時(shí)，在電阻兩端將得到隨入射光變化的電壓信號(hào)。光敏二極管就是這樣完成光電功能轉(zhuǎn)換的。</p><p>　　2.1.2光敏三極管的工作原理</p><p>　　光敏三極管是具有N

54、PN和PNP結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，它在結(jié)構(gòu)上與普通三極管類(lèi)似，通常只有兩個(gè)引出電極（也有三個(gè)的）。為適應(yīng)光電轉(zhuǎn)換的要求，它的基區(qū)面積做得較大，發(fā)射區(qū)面積做得較小，并在基區(qū)邊緣，以避免發(fā)射極引線(xiàn)遮住基區(qū)影響靈敏度。管子的芯片被裝在帶有玻璃透鏡的金屬管殼內(nèi)，當(dāng)光照射時(shí)，光線(xiàn)通過(guò)透鏡集中照射在芯片的集電結(jié)上,入射光主要被基區(qū)吸收[20]。</p><p>　　將光敏三極管接在圖2-2所示的電路中，在正常情況下，集電結(jié)為受光

55、（相 </p><p>　　圖2-2 光敏三極管工作原理圖</p><p>　　當(dāng)于光敏二極管）。集電結(jié)相對(duì)于發(fā)射極為正電壓；而基極開(kāi)路，則集電結(jié)處反向偏置。無(wú)光照射時(shí)，由熱激發(fā)產(chǎn)生少數(shù)載流子（電子-空穴對(duì)），電子從基極進(jìn)入集電極，空穴從集電極移向基極，在外電路中有暗電流（正常情況下光敏三極管集電極與發(fā)射極之間的穿透電流）Iceo流過(guò)，其大小為：</p><p>　

56、　ICEO=(1+β)Icbo （2-1）</p><p>　　式中，β為共射極直流放大系數(shù)；Icbo為集電極與基極間的反向飽和電流。</p><p>　　當(dāng)光照射在光敏面（集電極）上時(shí)，光照激發(fā)產(chǎn)生的光生電子-空穴對(duì)增加了少數(shù)載流子的濃度，由于集電結(jié)處于反向偏置，使內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)。在內(nèi)電場(chǎng)的作用下，光生電子漂移到集電區(qū)，在基區(qū)留下空穴，使基極電位

57、升高，促使發(fā)射區(qū)有大量電子經(jīng)基區(qū)被集電區(qū)收集而形成放大的集電極光電流，即</p><p>　　IC=βIS （2-2）</p><p>　　式中IC為bc結(jié)產(chǎn)生的光生電流，β為光敏三極管的直流放大系數(shù)。</p><p>　　可以看出，光敏三極管利用類(lèi)似普通半導(dǎo)體三極管的放大作用，將光敏三極管的光電流放大了（1+β

58、）倍。所以，光敏三極管比光敏二極管具有更高的靈敏度。</p><p>　　2.2跟蹤系統(tǒng)的控制原理以及系統(tǒng)模型的提出</p><p>　　2.2.1跟蹤系統(tǒng)的控制原理</p><p>　　光電傳感器焊縫跟蹤系統(tǒng)屬于附加傳感器式的焊縫跟蹤系統(tǒng)。焊縫跟蹤系統(tǒng)的被控量是在垂直于焊接方向上焊炬相對(duì)于焊縫的位置（距離），而焊縫的變動(dòng)既不是參考輸入也不是反饋信號(hào)，是一種干擾。焊

59、接工作者研究了采用各種各樣的傳感器（如電弧傳感器、光電傳感器、超聲波傳感器等）的實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，除采用電弧傳感器的跟蹤系統(tǒng)是閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)外，其余都是開(kāi)環(huán)干擾（前饋）控制系統(tǒng)。傳感器檢測(cè)出的實(shí)際上是焊接點(diǎn)前方焊縫</p><p>　　的變動(dòng)干擾，也就是說(shuō)，我們?cè)诤缚p變動(dòng)干擾尚未影響被控量時(shí)就已經(jīng)把它檢測(cè)出來(lái)了，然后調(diào)節(jié)焊炬的位置補(bǔ)償這種干擾，因此屬于一種干擾補(bǔ)償前饋控制。此時(shí)控制系統(tǒng)沒(méi)有參考輸入，輸

60、入隨焊縫的變動(dòng)（干擾）而變化。由于焊縫的變動(dòng)是不確定的，因此這是一種隨動(dòng)系統(tǒng)。需要指出的是，前饋隨動(dòng)焊縫跟蹤系統(tǒng)檢測(cè)補(bǔ)償?shù)氖呛缚p的變動(dòng)，而對(duì)其他干擾造成的跟蹤誤差（比如執(zhí)行機(jī)構(gòu)造成的誤差）無(wú)能為力。不過(guò)對(duì)于焊縫跟蹤系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最大的干擾是焊縫的變動(dòng)，只要正確地檢測(cè)出焊縫的變動(dòng)就基本能夠保證系統(tǒng)的跟蹤精度。對(duì)其他干擾，比如執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)過(guò)程中的摩擦造成的調(diào)節(jié)量衰減，可通過(guò)比例調(diào)節(jié)器適當(dāng)增大調(diào)節(jié)量進(jìn)行補(bǔ)償[21]。</p><

61、;p>　　2.2.2系統(tǒng)模型的提出</p><p>　　在附加傳感器式的焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中，傳感器的檢測(cè)點(diǎn)與焊接點(diǎn)有一固定的距離，傳感器輸出的數(shù)據(jù)是焊接點(diǎn)前方某一距離處的焊縫偏差信號(hào)，從而使系統(tǒng)形成固有偏差ε=Kλ。K為焊縫曲線(xiàn)的斜率，λ為傳感器的檢測(cè)點(diǎn)與焊接點(diǎn)的固定距離。在這種傳感器檢測(cè)點(diǎn)超前焊接點(diǎn)的跟蹤方式中，為了消除這種固有偏差,我們使傳感器與焊炬分別由兩套執(zhí)行機(jī)構(gòu)獨(dú)立驅(qū)動(dòng),即對(duì)傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，然

62、后延遲固定的時(shí)間（由檢測(cè)點(diǎn)與焊接點(diǎn)的間距及焊接速度決定），讓焊炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)做完全相同的隨動(dòng)。在本方案中，采用了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)代替十字滑塊機(jī)構(gòu)，即焊炬固定在十字滑塊上，同時(shí)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)也固定連接在十字滑塊上，傳感器則固定在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，傳感器可以繞一固定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)。這樣就實(shí)現(xiàn)傳感器與焊炬由兩套執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)目的，同時(shí)兩套執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間又存在部分聯(lián)系?？刂茍?zhí)行機(jī)構(gòu)如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-3 控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)</p

63、><p>　　在焊縫跟蹤過(guò)程中，傳感器在前，對(duì)焊縫進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的延時(shí)以后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)再調(diào)節(jié)焊炬的位置，使焊炬沿傳感器行走的軌跡行走，從而實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤。</p><p>　　2.3焊縫跟蹤的控制方法</p><p>　　精確的焊縫跟蹤是保證焊接質(zhì)量，在焊接過(guò)程中使焊炬對(duì)中的關(guān)鍵。焊接是一個(gè)復(fù)雜的熱加工工藝過(guò)程，具有高度非線(xiàn)性、時(shí)變性和不確定性，使得實(shí)現(xiàn)焊縫的精

64、確跟蹤又較大的困難。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外的焊接研究專(zhuān)家研制了許多種焊縫跟蹤控制系統(tǒng)。從控制方式來(lái)看，這些系統(tǒng)大致可以歸為兩類(lèi)：程序控制系統(tǒng)和前饋隨動(dòng)實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)。所謂程序控制系統(tǒng)，就是焊炬運(yùn)動(dòng)軌跡在焊接前根據(jù)焊縫形狀預(yù)先設(shè)定，而在焊接過(guò)程中不加任何調(diào)節(jié)，這種方式簡(jiǎn)單易行，但這種方法對(duì)裝配精度要求高，而且有些焊縫形狀很難用數(shù)學(xué)方法表示出來(lái)。因此，近年來(lái)對(duì)實(shí)時(shí)焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的研究頗多[22]。</p><p>　　2.

65、3.1經(jīng)典控制方法</p><p>　　焊縫跟蹤算法最早的也是最普遍的方法是PID控制法。這種跟蹤控制方法的實(shí)質(zhì)是直接測(cè)出焊炬相對(duì)于焊縫中心的位置，以此和期望值比較得出偏差量，輸送到特別設(shè)計(jì)的控制器中，按照已建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)算，得出控制量，輸送到焊接過(guò)程調(diào)節(jié)相應(yīng)的參數(shù)，獲得焊接結(jié)果，使檢測(cè)值和期望值更為接近，如此循環(huán)動(dòng)作，使偏差量趨向于零，保證焊縫偏差在允許的偏差范圍之內(nèi)。</p><p&

66、gt;　　2.3.2模糊控制方法</p><p>　　焊縫自動(dòng)跟蹤過(guò)程中，傳感器從電弧電流和電壓的變化中獲取焊炬與焊縫中心的橫向與高低偏差信息，對(duì)這些信息處理后，采用不同的控制算法得到控制信號(hào)，使得焊炬與工件距離變化時(shí)，電流相應(yīng)改變，以保持原有的熔化率，驅(qū)動(dòng)焊炬使其對(duì)準(zhǔn)焊縫。然而電弧電流與焊炬高度變化量之間是時(shí)變非線(xiàn)性的關(guān)系，其精確的數(shù)學(xué)模型較難建立，自適應(yīng)和魯棒性比較差，而模糊控制具有很好的魯棒性和非線(xiàn)性映射能

67、力，因此，非常適于電弧傳感跟蹤控制。采用參數(shù)自調(diào)整、自學(xué)習(xí)模糊控制器可使焊縫跟蹤控制系統(tǒng)具有很好的自適應(yīng)能力。</p><p>　　2.3.3其他控制方法</p><p>　　隨著自動(dòng)焊和機(jī)器人焊接的普及，焊縫自動(dòng)跟蹤技術(shù)已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外焊</p><p>　　接工作者研究的重點(diǎn)之一。焊接控制方法也是日益更新，層出不窮。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)性能好，抗干擾能力強(qiáng)而被國(guó)內(nèi)外

68、的一些學(xué)者應(yīng)用與焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中也取得了良好的控制效果。</p><p>　　2.4焊縫跟蹤過(guò)程分析與數(shù)學(xué)建模</p><p>　　焊縫跟蹤過(guò)程如圖2-3，設(shè)焊縫曲線(xiàn)為R(t)，表示為系統(tǒng)的輸入量，傳感器調(diào)節(jié)曲線(xiàn)Y1(t)與焊炬調(diào)節(jié)曲線(xiàn)Y2(t)為系統(tǒng)的輸出量?？v坐標(biāo)Y表示各曲線(xiàn)相對(duì)導(dǎo)軌的偏差量，橫坐標(biāo)X表示傳感器沿導(dǎo)軌行走的距離，t為相應(yīng)的行走時(shí)間。由于傳感器前置，前置量為λ。若焊接速

69、度（即焊接小車(chē)沿X軸行走的速度）為V，則焊炬滯后傳感器的時(shí)間為τ=λ/V，O點(diǎn)為焊接起始點(diǎn)。設(shè)S1(t)為傳感器執(zhí)行機(jī)構(gòu)跟蹤的執(zhí)行量，S2(t)為焊炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)跟蹤的執(zhí)行量。在這里，傳感器執(zhí)行機(jī)構(gòu)跟蹤的執(zhí)行量應(yīng)該是一角度α，傳感器與焊縫的偏差為λtanα，但由于傳感器單步旋轉(zhuǎn)的角度α不大，我們就近似認(rèn)為α等于tanα，即認(rèn)為傳感器</p><p>　　圖2-4 焊縫跟蹤過(guò)程示意圖</p><p&

70、gt;　　與焊縫的偏差為λα而作為焊炬的執(zhí)行量。當(dāng)這種誤差累積到1mm時(shí)，傳感器將檢測(cè)到這種誤差并相應(yīng)作出調(diào)整，不會(huì)造成大的累積誤差。這樣，傳感器執(zhí)行機(jī)構(gòu)跟蹤的執(zhí)行量與焊炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)跟蹤的執(zhí)行量存在一比例放大的關(guān)系，放大系數(shù)為λ。為了簡(jiǎn)化模型，我們?cè)谕茖?dǎo)過(guò)程中設(shè)λ=1，而實(shí)際應(yīng)用時(shí)則通過(guò)調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行量來(lái)適應(yīng)不同的λ。此外，S1(t)、S2(t)與Y1(t)、Y2(t)的關(guān)系是導(dǎo)函數(shù)與原函數(shù)的關(guān)系，若焊縫R(t)存在不可導(dǎo)的情況（如折

71、線(xiàn)焊縫</p><p>　　的轉(zhuǎn)折點(diǎn)）時(shí)，我們采用圓弧過(guò)渡擬合的方法，而且這種擬合使焊縫在轉(zhuǎn)折點(diǎn)圓弧過(guò)渡，避免了尖角，改善了焊縫的機(jī)械性能。為了便于分析，我們用t作為時(shí)間單位來(lái)分析。設(shè)焊炬在A(yíng)點(diǎn)時(shí)，傳感器的位置點(diǎn)在B點(diǎn)。嚴(yán)格地說(shuō)，傳感器位置點(diǎn)應(yīng)在以</p><p>　　A為圓心，λ為半徑的圓弧與Y1(t)曲線(xiàn)的交點(diǎn)，但由于λ較小，R(t)斜率不大，我們就以圖中所示的B點(diǎn)近似作為傳感器位置點(diǎn)

72、，因此，傳感器檢測(cè)的偏差數(shù)據(jù)實(shí)際上是傳感器所在位置（即檢測(cè)點(diǎn)B）相對(duì)于焊炬所在位置（即焊接點(diǎn)A）的偏移量e(t)。從實(shí)際來(lái)看，e(t)所代表的是傳感器與導(dǎo)軌之間偏轉(zhuǎn)的角度。故有：</p><p>　　e(t)∫0tS1(t)dt （2-3） </p><p>　　Y2(t)= ∫0t-cS2（t）dt （2

73、-4）</p><p>　　Y1(t)= Y2(t)+ e(t)= Y2(t)+ ∫0tS1(t)dt （2-5）</p><p>　　又設(shè)△S（τ）為焊炬從t到t+τ時(shí)刻的調(diào)節(jié)量，有：</p><p>　　△S（τ）= Y2(t+τ)- Y2(t)=∫tt-c S2（t）dt　　　　?。?-6）</p><p>

74、;　　這樣在t時(shí)刻，傳感器檢測(cè)點(diǎn)與焊縫中心的實(shí)際誤差e1(t)為：</p><p>　　e1(t)=R(t)- Y1(t)= R(t)- ∫0t-cS2（t）dt-∫0tS1(t)dt （2-7）</p><p>　　焊炬經(jīng)過(guò)τ時(shí)間行走以后，與傳感器檢測(cè)點(diǎn)的實(shí)際誤差e2(t)為：</p><p>　　e2(t)= e(t)-△ S（τ）=∫0tS1(t)dt

75、-∫tt-c S2（t）dt （2-8）</p><p>　　這樣，我們就以e1(t)和e2(t)作為控制量對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。上述各式可用結(jié)構(gòu)圖表示如圖2-4。</p><p>　　其中：G1(t)為傳感器執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳遞函數(shù)；</p><p>　　G2(t)為焊炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳遞函數(shù)；</p><p>　　S1(t)為傳感器執(zhí)行機(jī)構(gòu)跟蹤的執(zhí)

76、行量；</p><p>　　S2(t)為焊炬執(zhí)行機(jī)構(gòu)跟蹤的執(zhí)行量；</p><p>　　R(t)為系統(tǒng)的輸入量；</p><p>　　圖2-5 焊縫跟蹤系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)關(guān)系結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　Y1(t)為傳感器調(diào)節(jié)輸出量；</p><p>　　Y2(t)為焊炬調(diào)節(jié)輸出量。</p><p>　　將

77、上述時(shí)域內(nèi)表示的關(guān)系經(jīng)過(guò)拉普拉斯變換，可得到如圖2-5所示的跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。</p><p>　　圖2-6 焊縫跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖</p><p>　　該圖的實(shí)際意義在于：如果撇開(kāi)焊縫偏差信號(hào)與傳感器輸出信號(hào)（即控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)）之間無(wú)精確數(shù)學(xué)模型的非線(xiàn)性關(guān)系，該控制系統(tǒng)可以認(rèn)為是一種常規(guī)的反饋控制系統(tǒng)，其輸入與輸出之間存在精確的數(shù)學(xué)模型。這樣，模糊控制的主要任務(wù)就可以是建立焊縫偏差

78、信號(hào)與傳感器輸出信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這一對(duì)應(yīng)關(guān)系的建立可以按照?qǐng)D1-13來(lái)設(shè)定偏差值對(duì)模糊變量的隸屬度而實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，由于模糊控制也適用于存在精確數(shù)學(xué)模型的情形，所以傳感器的輸出（控制系統(tǒng)的輸入）與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出之間也可以采用模糊控制的方法，最終建立焊縫偏差輸入與執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出之間的直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。</p><p><b>　　2.5本章小結(jié)</b></p><p>　　1

79、、本章首先介紹了光敏二極管和三極管的工作原理。</p><p>　　2、其次介紹了焊縫跟蹤系統(tǒng)的控制原理和幾種常用的控制方法。</p><p>　　3、最后對(duì)焊縫的跟蹤過(guò)程加以分析同時(shí)提出了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　第3章 光電傳感器的設(shè)計(jì)與測(cè)試</p><p><b>　　3.1 引言</b></p

80、><p>　　在焊縫跟蹤的傳感器中，光電傳感器具有跟蹤精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，信息豐富等優(yōu)點(diǎn)。但是現(xiàn)有的光電傳感器或者功能簡(jiǎn)單，性能不可靠；或者結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，均難以滿(mǎn)足工業(yè)應(yīng)用的要求。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)成本低，精度高，性能穩(wěn)定，能夠滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用要求的焊縫跟蹤傳感器是很有必要的。對(duì)于焊縫跟蹤的光電傳感器來(lái)說(shuō)，主要有以下關(guān)鍵問(wèn)題需要解決：</p><p>　　1：如何抑制強(qiáng)烈的弧光及其他外來(lái)光的

81、干擾；</p><p>　　2：如何降低由于表面的不同（如表面是否打磨，銹蝕和殘留油污，灰塵等）而引起的接收信號(hào)的懸殊差異；</p><p>　　3：如何保證光敏三極管工作在光電特性曲線(xiàn)的線(xiàn)性區(qū)。</p><p>　　3.2 光電傳感器的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2.1 光電傳感器的基本設(shè)計(jì)思路</p><p>　

82、　首先在焊縫偏左或偏右20mm的位置畫(huà)一條人工輔助白線(xiàn)，然后利用簡(jiǎn)單的光電元件檢測(cè)人工輔助白線(xiàn)，根據(jù)人工白線(xiàn)的偏差情況輸出相應(yīng)的偏差信號(hào)。</p><p>　　3.2.2 光電傳感器的結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖3-1 傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖</p><p>　　傳感器主要有3只普通小電珠和3只光敏三極管，如圖3-1所示。小電珠</p><p>　　

83、發(fā)出的光照射到鋼板上反射回來(lái)又照射到光敏三極管。根據(jù)白線(xiàn)處反光量較大的原理，可以知道，白線(xiàn)正上方的光敏三極管輸出的電流較其余的光敏三極管要大，因此其輸出地電壓信號(hào)高。這樣只要對(duì)光電傳感器輸出的信號(hào)做一比較，即可知道焊縫的偏差情況。</p><p>　　3.2.3 光電傳感器的電路原理圖</p><p>　　本次設(shè)計(jì)的光電傳感器的電路原理圖比較簡(jiǎn)單，如圖3-2所示。采用光敏三極管與負(fù)載電阻串

84、聯(lián)的方式，取樣時(shí)提取負(fù)載電阻兩端的電壓信號(hào)。</p><p>　　圖3-2 光電傳感器電路原理圖</p><p>　　3.2.4 傳感器設(shè)計(jì)考慮到的問(wèn)題以及解決辦法</p><p>　　首先，由于光敏三極管對(duì)光的靈敏度較大，因此，像陽(yáng)關(guān)，燈光以及弧光等外界光線(xiàn)對(duì)傳感器的影響均很大。外界光的強(qiáng)度或者光源與傳感器的距離的不同，都會(huì)影響傳感器的輸出信號(hào)。例如焊接時(shí)產(chǎn)生的弧

85、光非常強(qiáng)烈，如果不采取任何措施而讓弧光直接照到光敏三極管上，則不管有無(wú)白線(xiàn)，光敏三極管輸出地輸出電流均很大，這樣，傳感器將無(wú)法分辨焊縫的偏差情況。其次，為了使傳感器工作在正常狀態(tài)，應(yīng)該保證光敏三極管工作在其光電特性曲線(xiàn)的線(xiàn)性區(qū)。因?yàn)楫?dāng)光照足夠大的時(shí)候，光敏三極管就會(huì)出現(xiàn)飽和的現(xiàn)象，這樣傳感器就無(wú)法分辨焊縫的偏差情況。最后，光敏三極管的本身特性差異也將影響傳</p><p>　　感器的判斷。為了保證傳感器能設(shè)計(jì)成功

86、，我們將依次解決上面提到的三個(gè)問(wèn)題：首先，從總多的光敏三級(jí)管中挑選性能相近的三個(gè)光敏元件。這佯做主要是為了保證光敏三極管的光電特性相近，即在相同的光照下其輸出大致相同的信號(hào)，然后用黑色的電膠布將光敏三極管包住，只留下頂部來(lái)接收光信號(hào)。在此過(guò)程中，留下的部分的大小應(yīng)合適，保證光敏三極管可以靈敏的感受到光信號(hào)，又能在較強(qiáng)的光線(xiàn)照射下不飽和，而且要在相同的的光線(xiàn)刺激下輸出相近的信號(hào)。最后，確定一合適的電阻的阻值。因?yàn)楣饷羧龢O管輸出的信號(hào)是電流

87、信號(hào)，我們要通過(guò)負(fù)載電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，這樣，負(fù)載電阻的大小將直接影響傳感器的輸出信號(hào)。其阻值越大，傳感器的輸出信號(hào)越靈敏，但也越容易達(dá)到飽和，監(jiān)測(cè)范圍窄；反之，監(jiān)測(cè)范圍寬，但傳感器的靈敏度下降。為了獲得一個(gè)成本低，精度高，穩(wěn)定可靠，能夠滿(mǎn)足焊縫跟蹤的要求的傳感器，我們將通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)確定傳感器的各種參數(shù)。</p><p>　　3.3光電傳感器的測(cè)試</p><p>　　3.3

88、.1 測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)</p><p>　　為了獲得一個(gè)適用于焊縫跟蹤的傳感器，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)傳感器檢測(cè)裝置，其整體結(jié)構(gòu)圖如3-2所示，局部圖如3-3所示。該監(jiān)測(cè)裝置主要有支座、導(dǎo)軌</p><p>　　圖3-2 傳感器檢測(cè)裝置整體圖</p><p>　　圖3-3 傳感器檢測(cè)裝置局部圖</p><p>　　鋼板、傳感器、調(diào)整小剛條和一個(gè)勻速牽引

89、機(jī)構(gòu)組成。在實(shí)驗(yàn)中可以將導(dǎo)軌鋼板放入支座的不同的槽中，以此來(lái)改變傳感器與焊縫之間的距離；通過(guò)調(diào)整鋼條（規(guī)格1mm*1mm*1500mm）的數(shù)量來(lái)改變傳感器與焊縫之間的偏移量。下面我們將用該裝置進(jìn)行傳感器的一系列的實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　3.3.2 傳感器高度試驗(yàn)</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)主要考察傳感器在與鋼板之間的高度發(fā)生變化時(shí)輸出信號(hào)的變化情況，并由此確定傳感器的最佳工作高度。&l

90、t;/p><p>　　實(shí)驗(yàn)方法：1：傳感器中間光敏管下方正對(duì)白線(xiàn)；</p><p>　　2：調(diào)整鋼板與傳感器底端的距離，用萬(wàn)用表測(cè)量輸出電壓；</p><p>　　3：改變傳感器的高度，再測(cè)量輸出電壓；</p><p>　　4：重復(fù)第三步操作；</p><p>　　5：將傳感器中間光敏管移動(dòng)，使之偏離白線(xiàn)。</p&g

91、t;<p>　　實(shí)驗(yàn)工件采用常用的普通碳素鋼鋼板，選擇傳感器高度分別為5mm、8mm、10mm三種情況。每種情況測(cè)量三次，測(cè)量的結(jié)果見(jiàn)表3-1。</p><p>　　表3-1 傳感器高度變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果</p><p>　　中間光敏管輸出電壓（V） </p><p>　　有無(wú)白線(xiàn)

92、 </p><p>　　傳感器高度5mm 傳感器高度8mm 傳感器高度10mm </p><p>　　有 2.24 2.32 2.26 1.15 1.08 1.14 0.58 0.54 0.50 </p><p>　　無(wú) 0.60

93、 0.68 0.64 0.52 0.44 0.48 0.26 0.24 0.20 </p><p>　　從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，傳感器高度越低，傳感器輸出的電壓越高，也就是傳感器對(duì)白線(xiàn)的影響越敏感。但是考慮到生產(chǎn)實(shí)際的需要，我們不能把傳感器和焊縫離得太近，因此我們把傳感器的高度定為5mm。</p><p>　　3.3.3工件表面狀態(tài)影響實(shí)驗(yàn)</p>&l

94、t;p>　　本實(shí)驗(yàn)主要考察傳感器在工件表面狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，其輸出信號(hào)的變化情況。并根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果確定傳感器的適用范圍。</p><p>　　工件采用普通碳素鋼鋼板，其表面狀況分以下幾種常見(jiàn)情況：普通狀態(tài)時(shí)，鐵銹較多時(shí)，存在油污時(shí)和打磨光亮?xí)r。實(shí)驗(yàn)樣品實(shí)物如圖3-4所示。</p><p>　　1 普通狀態(tài)時(shí)鋼板實(shí)物圖 2 鐵銹較多時(shí)鋼板實(shí)物圖<

95、/p><p>　　3 存在油污時(shí)的鋼板實(shí)物圖 4 打磨光亮?xí)r的鋼板實(shí)物圖</p><p>　　圖3-4 工件不同狀態(tài)下的實(shí)物圖</p><p>　　實(shí)驗(yàn)方法與傳感器高度變化實(shí)驗(yàn)類(lèi)似，傳感器高度為5mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3-2。</p><p>　　表3-2 工件表面狀態(tài)影響實(shí)驗(yàn)</p><p>　　

96、中間光敏管輸出電壓 </p><p>　　有無(wú)白線(xiàn) </p><p>　　普通狀態(tài)時(shí) 鐵銹較多時(shí) 存在油污時(shí) 打磨很亮?xí)r </p><p>　　有 2.28 2.24 2.36 2.90

97、2.98 2.86 2.34 2.38 2.26 3.32 3.40 3.20</p><p>　　無(wú) 0.52 0.50 0.58 0.98 1.04 0.94 0.56 0.58 0.48 3.60 3.68 3.54</p><p>　　從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出生銹，油污對(duì)傳感器的信號(hào)影響不大，但是打磨條件下的鋼板對(duì)傳感器的影響很大，甚至與我們?cè)人O(shè)想的情況完全相反，即有

98、白線(xiàn)的時(shí)候傳感器的采樣數(shù)據(jù)反而較低，而沒(méi)有白線(xiàn)的時(shí)候卻較高。這主要是由于鋼板打磨很亮?xí)r，會(huì)對(duì)入射光線(xiàn)形成鏡面反射，這時(shí)白線(xiàn)不但不能增強(qiáng)反射，反而會(huì)阻礙這種鏡面反射。因此，設(shè)計(jì)的傳感器對(duì)這種情況下焊縫無(wú)法跟蹤，但對(duì)其余常見(jiàn)的幾種情況該傳感器都能很好的對(duì)焊縫偏差進(jìn)行判別。</p><p>　　3.3.4 人工輔助線(xiàn)影響實(shí)驗(yàn)</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)主要考察傳感器在人工輔助線(xiàn)的寬度或顏色發(fā)生變

99、化時(shí)，其輸出信號(hào)的變化情況。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)方法：工件采用碳素鋼鋼板，傳感器的高度為5mm，人工輔助白線(xiàn)寬度為4mm和2mm。人工輔助白線(xiàn)寬度為2mm的實(shí)驗(yàn)樣品實(shí)物圖如3-5所示，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如表3-3所示。</p><p>　　圖3-5 人工白線(xiàn)的寬度為2mm的實(shí)物圖</p><p>　　表3-3 人工輔助線(xiàn)影響實(shí)驗(yàn)</p><p>

100、;　　中間光敏管輸出電壓 </p><p>　　有無(wú)白線(xiàn) 白 色 人 工 輔 助 線(xiàn) </p><p>　　紅色人工輔助線(xiàn)（4mm） （4mm） （2mm） </p>

101、<p>　　有 2.02 2.16 2.08 2.42 2.36 2.44 1.54 1.58 1.54 </p><p>　　無(wú) 0.50 0.58 0.52 0.58 0.54 0.64 0.52 0.56 0.50 </p><p>　　從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，人工輔助線(xiàn)的寬度和顏色對(duì)傳感器信號(hào)的采集

102、都有一定的影響。采用紅色人工輔助線(xiàn)會(huì)稍微降低傳感器的靈敏度，輔助線(xiàn)太細(xì)，偏差信號(hào)不明顯，太粗又將導(dǎo)致跟蹤精度下降。從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，人工輔助線(xiàn)的寬度為4mm比較適宜。</p><p>　　3.3.5 弧光影響實(shí)驗(yàn)</p><p>　　弧光對(duì)傳感器的影響是非常大的，這不僅是因?yàn)榛」獾墓庾V處在光敏管的光譜范圍內(nèi)，而且光照強(qiáng)度非常大。為了降低弧光對(duì)傳感器的影響我們采用機(jī)械遮擋的方法。將傳感器

103、的底端用橡皮圈圍住，與地面距離1mm。由于橡膠圈比較軟，所以即使與地面摩擦也不影響傳感器的移動(dòng)。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)方法：工件采用普通碳素鋼鋼板，傳感器的高度為5mm，人工白線(xiàn)的寬度為4mm。分別比較無(wú)弧光和有弧光時(shí)有無(wú)橡膠圈遮擋的情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3-4所示。</p><p>　　表3-4 弧光影響實(shí)驗(yàn) </p>&l

104、t;p>　　中間光敏管輸出電壓 </p><p>　　有無(wú)白線(xiàn) 無(wú)弧光 有弧光 </p><p>　　有橡膠圈遮擋 無(wú)橡膠圈遮擋 </p><p>　　有 2.22 2.36 2.26 2.04 2.10

105、 2.02 4.86 3.34 4.14 </p><p>　　無(wú) 0.58 0.68 0.62 0.42 0.44 0.40 1.58 2.52 3.24 </p><p>　　從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，在有橡膠圈遮擋的情況下，傳感器的輸出信號(hào)變化不大，但是在沒(méi)有橡膠圈遮擋的時(shí)候，傳感器的輸出變化幅度很大，而且數(shù)據(jù)的變化無(wú)規(guī)律，這主要是因

106、為焊接點(diǎn)的輕微變化導(dǎo)致弧光點(diǎn)對(duì)光敏管的照射角度和距離也發(fā)生了變化，在強(qiáng)烈的湖光照射下，這種輕微的變化被放大，從而導(dǎo)致傳感器的輸出變化很大。因此，要保持傳感器輸出地信號(hào)穩(wěn)定，采用橡膠著黨的方法可以非常方便的消除弧光對(duì)傳感器的不利影響。</p><p>　　3.3.6白線(xiàn)偏移實(shí)驗(yàn)</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)考察傳感器在垂直焊縫方向上相對(duì)于白線(xiàn)發(fā)生便宜的情況下輸出信號(hào)的變化。</p>

107、<p>　　實(shí)驗(yàn)方法：根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)，我們讓傳感器處于正常工作狀態(tài)下，即傳感器的高度為5mm；人工白線(xiàn)的寬度為4mm；采用橡膠圈遮擋弧光。試驗(yàn)中工件固定不動(dòng)，將傳感器固定在傳感器實(shí)驗(yàn)裝置上。通過(guò)調(diào)整小鋼條的數(shù)量，時(shí)傳感器偏離白線(xiàn)分別是左右1mm,2mm,3mm,4mm。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如表3-5所示。</p><p>　　表3-5 白線(xiàn)偏移實(shí)驗(yàn) </p

108、><p>　　輸出電壓 </p><p>　　白線(xiàn)偏差情況 </p><p>　　左光敏管 中光敏管 右光敏管 </p><p>　　偏左4mm