（材料加工工程專業(yè)論文）co2焊視覺(jué)圖像形態(tài)學(xué)處理及焊縫跟蹤的研究.pdf

摘要 摘要 c 0 2 氣體保護(hù)焊以其低成本、高效等優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛的應(yīng)用，但是，焊接過(guò) 程飛濺大。采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)c o ：氣體保護(hù)焊焊縫自動(dòng)跟蹤的研究有十分重要 的意義。但是目前還未有效地加以利用，這是因?yàn)楹缚p區(qū)存在大量的弧光、飛濺 等噪聲的干擾，不易獲得清晰穩(wěn)定的近縫區(qū)圖像。鑒于弧光與焊接電流及電弧區(qū) 輻射之間的相互關(guān)系，我們采用相應(yīng)的濾光系統(tǒng)將強(qiáng)烈的紫外及部分可見(jiàn)光濾除， 余留的光作為光源，通過(guò)c c d 攝像機(jī)獲得了穩(wěn)定的近縫區(qū)圖像。通過(guò)圖像采集 設(shè)備、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等硬件接口與計(jì)算機(jī)圖像處理單元的互相通信完成圖像采集、存 儲(chǔ)、處理、特征提取、偏差提取以及過(guò)程控制等任務(wù)。 根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)及性能要求，選擇設(shè)計(jì)了無(wú)輔助光源的c 0 2 氣體保護(hù)焊焊縫 自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，主要包括濾光系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)和偏差調(diào)節(jié)系 統(tǒng)。該系統(tǒng)具有可靠性、抗干擾性、實(shí)時(shí)性、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)，適合中 國(guó)國(guó)情，利于推廣應(yīng)用。 通過(guò)對(duì)焊縫區(qū)原始圖像采取平滑濾波等預(yù)處理技術(shù)，得到了無(wú)大噪聲干擾的 焊縫區(qū)圖像。對(duì)焊縫圖像進(jìn)行數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波時(shí)，我們得到了熔池區(qū)前方十分清 晰的焊縫邊緣，這一點(diǎn)為進(jìn)一步利用圖像處理進(jìn)行焊縫跟蹤提供了有力的依據(jù)和 進(jìn)一步工作的希望。本文首次將數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波法應(yīng)用到焊縫圖像預(yù)處理中，通 過(guò)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)開(kāi)閉運(yùn)算對(duì)焊縫圖像進(jìn)行濾波，可以消除不規(guī)則的干擾噪聲，特別 是焊縫邊緣的凸凹噪聲、圖像內(nèi)部的小孔噪聲和圖像背景中的碎屑噪聲，得到清 晰的焊縫區(qū)圖像。為提取焊縫特征信息打下良好的基礎(chǔ)。 圖像處理的最終目的是提取焊縫位置的偏差信息。為了進(jìn)一步提取到適于跟 蹤過(guò)程控制的控制量，本文通過(guò)對(duì)焊縫區(qū)圖像的像素灰度值的研究，依據(jù)圖像灰 度直方圖的特征對(duì)圖像進(jìn)行了二值化、三值化及數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)梯度的圖像分割，在 充分利用焊縫區(qū)灰度特征的基礎(chǔ)上，提出了基于灰度值的焊縫特征信息提取方法。 通過(guò)邊緣特征信息識(shí)別算法，可以得到準(zhǔn)確的焊縫位置偏差信息，并且由于算法 相對(duì)簡(jiǎn)單，提高了焊縫跟蹤過(guò)程的處理速度。 對(duì)偏差控制量執(zhí)行調(diào)節(jié)的時(shí)候，本論文選擇了基于模糊控制規(guī)則的自調(diào)整參 數(shù)p i d 控制器。固定參數(shù)的p i d 控制器不能很好地適應(yīng)弧焊過(guò)程實(shí)際工況的需要， 隨著焊縫線型的變化，控制器的參數(shù)也要隨著變化。 為了驗(yàn)證系統(tǒng)的工作性能和研究的價(jià)值，通過(guò)對(duì)不同焊縫形狀測(cè)量的偏差值 和系統(tǒng)工作的特征的分析，采用了有效的偏差補(bǔ)償算法。進(jìn)一步證實(shí)了采用機(jī)器 視覺(jué)及圖像處理方法可以滿足焊縫自動(dòng)跟蹤的要求。 關(guān)鍵訶：無(wú)輔助光源；視覺(jué)傳感；數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)：焊縫跟蹤；模糊自調(diào)整參數(shù)p i d 華南理工大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文 a b s t r a c t t h ec 0 2a i rp r o t e c t i v ew e l d i n g ，b yt h ea d v a n t a g eo fl o wc o s ta n d h i g he f f i c i e n c y a n ds oo n ，a p p l i e s e x t e n s i v e b u t ，d u r i n gt h ew e l d i n gp r o c e s s ，i th a sb i gw e l d i n g s p a t t e r a d o p tt h et e c h n i q u eo f t h em a c h i n es e n s eo f v i s i o n ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt ot h e c 0 2 a i rp r o t e c t i v ew e l d i n gs e a mt oa u t o m a t i c a l l yf o l l o w h o w e v e r , u pt on o w ，i th a s s t i l ln o te x p l o i t e da v a i l a b l y , w h i c hi sb e c a u s eo f , i nw e l ds e a n la r e a ，l y i n gag r e a tl o t d i s t u r bs u c ha sa r c l i g h t ，s p a t t e r a n do t h e rn o i s e ，s o ，i ta c q u i r ed i f f i c u l t yc l e a ra n d s t a b l e d i a g r a mo ft h en e a rs e a ma r e a b a s e do nt h er e l a t i o no fa r cl i g h t 、w e l d i n g c u r r e n ta n dr a d i a t i o no ft h ea r c a r e a ，t h r o u g ha d o p t i n gc o “e l a t i v ef i g h tf i l t e rs y s t e mt o f i l t e r s t r o n gp u r p l ea n dp a r to fv i s i b l el i g h t ，a n dr e m a i n i n gl i g h tb e i n gu s e da st h e l i g h ts o u r c e ，i tc a na c q u i r et h es t a b i l i z ed i a g r a m o ft h en e a rs e a ma r e ab yc c d p i c k u p c a m e r a b yt h e c o l l e c t a b l e d i a g r a me q u i p m e n t 、t h ed r i v eo r g a n i z a t i o n a n dt h e h a r d w a r ei n t e r f a c ec o r r e s p o n d e n c i n gm u t u a l l yw i t ht h ec o m p u t e ru n i tt od e a lw i t h d i a g r a m ，i tc a nf i n i s hd i a g r a m t oc o l l e c t 、s t o r a g e 、d i s p o s e 、d i s t i l lc h a r a c t e r i s t i ca n d d e v i a t i o na n dt h e p r o c e s s c o n t r o le t c a c c o r d i n gt os y s t e mc h a r a c t e r i s t i ca n dp e r f o r m a n c er e q u e s t ，c h o o s ea n dd e s i g n t h ec 0 2a i rp r o t e c t i v ew e l ds e a mt of o l l o wa u t o m a t i cs y s t e mt oh a v en o a s s i s t a n t l a m p - h o u s e ，w h i c hp r i m a r i l yi n c l u d et h el i g h tf i l t e rs y s t e m ，t h ec o l l e c t a b l ed i a g r a m s y s t e m ，t h eh a n d l i n gd i a g r a ms y s t e ma n d t h e r e g u l a t i n gd e v i a t i o ns y s t e m t h i ss y s t e m h a v et h ed e p e n d a b l e ，a n t i i n t e r f e r e n c e ，r e a lt i m e ，s i m p l e ，l o wc o s te t cc h a r a c t e r i s t i c ， f i tc h i n e s e a c t u a l i t y , b e n e f i t o f a p p l y i n g i nt h e e x p a n s i o n t h r o u g ha d o p t i n gt h es m o o t hf i l t e rw a v ea n do t h e rp r e t r e a t m e n tf o ro r i g i n a l i t y d i a g r a mo fs e a ma r e a , g e tt o t h es e a ma r e ad i a g r a mt oh a v en ob i gn o i s e d u r i n g f i l t e r i n gw a v eb ym a t h e m a t i c sf o r m , g e tv e r yc l e a rw e l ds e a me d g ei nf r o n to fw e l d p o n da r e a , w h i c hp r o v i d es t r o n gp r o o fa n df u r t h e rw o r kf e a s i b i l i t y t om a k eu s eo f h a n d l i n gd i a g r a mt of o l l o ww e l dj o i n t i nt h i st h e s i s a p p l y i n gf i r s t l y m a t h e m a t i c s f o r mt o p r e t r e a t m e n t i ns e a r n d i a g r a m ，p a s s i n g t h e o p e n c l o s e do p e r a t i o n o f m a t h e m a t i c sf o r mt of i l t e rw a v ei ns e a md i a g r a m , i tc a nc l e a ru pa n o m a l yn o i s e ， e s p e c i a l l y , t h ek n a g g yn o i s eo fs e a me d g e ，t h ee y e l e tn o i s ei n s i d ed i a g r a ma n dt h e c r u m bn o i s ei nt h eb a c k g r o u n dw i t hd i a g r a m ，a n dg e tt h ec l e a rd i a g r a mo fs e a ma r e a ， a n da f f o r dt h eb e t t e rf o u n d a t i o no f d i s t i l l i n gc h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o n t h ef i n a la i mo fd i a g r a mt oh a n d l ei st og e tt h es e a md e v i a t i o ni n f o r m a t i o nt o d i s t i l l f o rf u r t h e rd i s t i l l i n gt h em e a s u r et ob es u i tf o r p r o c e s s c o n t r o li ns e a m f o l l o w i n g ，i nt h i sp a p e r , a f t e rt h er e s e a r c ho fd e g r e eo fp i x e la s hi nd i a g r a m o fs e a m a b s t r a c t a r e a ，a c c o r d i n g t ot h eh i s t g r a mc h a r a c t e r i s t i co ft h ea s hd e g r e e ，p r o c e e d i n gt ob i n a r y 、 t h i n ev a l u ea n dd i v i d eu pd i a g r a mb ym a t h e m a t i c sf o r mg r a d s ，0 1 1t h ef o u n d a t i o no f m a k i n gs u f f i c i e n c yu s e o ft h ea s hd e g r e ec h a r a c t e r i s t i ci ns e a ma r e a ，i tb r i n gu pt h e m e t h o do f d i s t i l l i n gs e a m c h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o no nb a s e do f a s hd e g r e ev a l u e b y t h ec a l c u l a t ew a yo ft h ee d g ec h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o nt oi d e n t i f y ，c a l lg e tt h es e a m a c c u r a t ed e v i a t i o ni n f o r m a t i o n ，a n db e c a u s et h ec a l c u l a t ew a yi s o p p o s i t es i m p l e ， i n c r e a s e dt h eh a n d l i n gs p e e di nw e l ds e a mt of o l l o w d u r i n gt h ed e v i a t i o nv a l u et oa d j u s t ，i nt h i sp a p e r , c h o o s ea d a p t i v ep a r a m e t e r p i dc o n t r o l l e rb a s e do nf u z z yc o n t r o lr u l e f i x e dp a r a m e t e rp i dc o n t r o l l e r c a n t n i c e l ya d a p tt ot h ea c t u a lw e l dc i r c u m s t a n c ei nt h ea r cw e l d i n gp r o c e s s ，a l o n gw i t h t h el i n e a r i t yo fw e l ds e a m c h a n g i n g ，c o n t r o l l e ra l s oc h a n g i n g t ov a l i d a t et h es y s t e mp e r f o r m a n c ea n dt h ew o r t ho fr e s e a r c h ，t h r o u g ha n a l y z i n g t h ev a l u eo fd e v i a t i o nt od i f f e r e n tw e l ds e a ms h a p ea n dt h es y s t e mw o r kc h a r a c t e r i s t i c ， a d o p t i n gt h ec a l c u l a t ew a y o fv a l i dd e v i a t i o n ，f u r t h e rc o n f i r mt h ea d o p t i n gs e n s eo f v i s i o na n dt h ed i a g r a mt o h a n d l es a t i s f i e dt h e r e q u e s t t ow e l ds e a mt of o l l o w a u t o m a t i c a l l y k e yw o r d s ：n o - a s s i s t a n tl a m p h o u s e ；c c ds e n s o r ；m o r p h o l o g y ；s e a mt r a c i n g ； a d a p t i v ep a r a m e t e rf u z z y p i d 華南理工大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn) 行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外， 本論文不包含任何其他個(gè)人或集體己經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。 對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方 式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名舶繹日期：己哆年舌月多。1 t 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī) 定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和 電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)華南理工大學(xué)可以將 本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采 用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 保密口，在一年解密后適用本授權(quán)書(shū)。 本學(xué)位論文屬于 不保密日。 ( 請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“”) 作者簽名：宅易釀穆髯 導(dǎo)師簽名：朋“ 日期：護(hù)哆年石月鄉(xiāng)。e l i i t 期：渺3 年月紗日 第一章緒論 1 1 課題的提出 第一章緒論 視覺(jué)是人類(lèi)獲取信息的主要通道，關(guān)于人和動(dòng)物的視覺(jué)機(jī)理至今還未得到完 全破解，但是在某些領(lǐng)域已經(jīng)取得一些探索性的結(jié)果。結(jié)合近幾十年來(lái)發(fā)展的電 子計(jì)算機(jī)科學(xué)、圖象處理及模式識(shí)別理論與技術(shù)，已經(jīng)將視覺(jué)的生理機(jī)制以機(jī)器 視覺(jué)的形式再現(xiàn)出來(lái)，并在一些領(lǐng)域中加以利用獲得了成功。雖然機(jī)器視覺(jué)沒(méi)有 像生物視覺(jué)那么精密，但是它也具有生物視覺(jué)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，例如它的遠(yuǎn)距離 觀看能力和在黑夜中的透視能力等等“。，。 隨著電子計(jì)算機(jī)科學(xué)( 包括大規(guī)模集成電路、應(yīng)用軟件和計(jì)算方法等) 、圖像 處理技術(shù)、光電技術(shù)和模式識(shí)別技術(shù)與理論的迅速發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)的理論研究與 實(shí)際應(yīng)用日益得到重視與矚目，并不斷在許多領(lǐng)域取得初步性的成果。例如：機(jī) 器人視覺(jué)、視覺(jué)檢測(cè)與測(cè)量、柔性生產(chǎn)線自動(dòng)化以及焊接自動(dòng)化等。許多國(guó)際性 會(huì)議，如自動(dòng)化會(huì)議、工業(yè)機(jī)器人會(huì)議、應(yīng)用機(jī)器人視覺(jué)會(huì)議以及焊接自動(dòng)化會(huì) 議等都涉及到它的研究和應(yīng)用成果。自1 9 7 1 年開(kāi)始，每年召開(kāi)一次的國(guó)際工業(yè)機(jī) 器人會(huì)議曾發(fā)表了多篇有關(guān)機(jī)器視覺(jué)的論文。特別是自1 9 8 1 年以來(lái)，國(guó)際上專門(mén) 召開(kāi)了每年一屆的“r o b e r t sv i s i o na n ds e n s o r yc o n t r o l s ”會(huì)議，更集中了這 方面的最新成果和進(jìn)展。因此機(jī)器視覺(jué)已經(jīng)在科學(xué)研究中、軍事上和工業(yè)自動(dòng)化 方面得到了很大程度的開(kāi)發(fā)和利用，并具有廣闊的研究前景。焊接自動(dòng)化就是機(jī) 器視覺(jué)研究與應(yīng)用的主要領(lǐng)域之一”，。 本課題在機(jī)器人無(wú)輔助光源的c 如氣體保護(hù)焊視覺(jué)跟蹤及其智能控制等方面 進(jìn)行了有益的探索研究。本課題提出的依據(jù)在于c 0 ：氣體保護(hù)焊的市場(chǎng)需求、焊 接自動(dòng)化以及弧焊機(jī)器人智能化發(fā)展的需求等三個(gè)方面。 1 1 1c o , 氣體保護(hù)焊廣泛的市場(chǎng)需求及發(fā)展現(xiàn)狀 c 0 2 氣體保護(hù)焊自2 0 世紀(jì)5 0 年代問(wèn)世以來(lái)，以其明弧、無(wú)渣、低成本、高 效節(jié)能、抗銹低氫等特點(diǎn)受到廣泛應(yīng)用，其中尤其以細(xì)絲、短弧、低電壓、小電 流為主要特征的短路過(guò)渡焊，因?yàn)槠渚哂羞m應(yīng)于中薄板、全位置焊接適應(yīng)性好、 便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，c 0 2 氣體保護(hù)焊占6 0 7 0 ，近年來(lái)c 0 2 氣體保護(hù)焊在我國(guó)工業(yè)中逐漸推廣使用。當(dāng)前我國(guó)西部大開(kāi)發(fā) 華南理工大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文 的許多基礎(chǔ)項(xiàng)目如公路、橋梁、鐵路、機(jī)場(chǎng)建設(shè)及西氣動(dòng)輸、西油東送等都急需 c 0 2 氣體保護(hù)焊焊接技術(shù)1 1 4 。但是c 0 2 氣體保護(hù)焊自身的性質(zhì)使該方法在焊接過(guò) 程中飛濺很大。飛濺不僅污染工件，增加勞動(dòng)強(qiáng)度，降低熔敷率，也會(huì)堵塞噴嘴， 使送絲不暢，因此國(guó)內(nèi)外研究者在焊接材料、焊接工藝規(guī)范等方面對(duì)c 0 2 氣體保 護(hù)焊的飛濺問(wèn)題做了大量的研究工作。 盡管理論上可以很大程度地減少c 0 2 氣體保護(hù)焊短路過(guò)渡時(shí)的飛濺，但在實(shí) 際應(yīng)用中卻并沒(méi)有做到這一點(diǎn)。原因是多方面的，如焊接材料方面，目前我國(guó)生 產(chǎn)實(shí)心焊絲的廠家雖有1 0 0 余個(gè)，年產(chǎn)1 0 0 0 0 t 以上，但是品種單一，實(shí)心焊絲基 本上只有e r 4 9 - - 1 ( h 0 8 m n 2 s i a ) 和e r s 0 - - 1 6 ( h 0 8 m n s i a ) 2 種碳鋼焊絲。焊接碳 銅、低合金鋼和不銹鋼的國(guó)產(chǎn)藥芯焊絲品種少且質(zhì)量不穩(wěn)定。焊接用c 0 2 氣體方 面，所使用的一般為工業(yè)石灰窯、酒精廠或化工廠的副產(chǎn)品。焊機(jī)方面，大型國(guó) 有企業(yè)使用的c 0 2 焊機(jī)大部分是日本松下和大阪的焊機(jī)，瑞典的e s a b 及德國(guó)的 梅薩焊機(jī)，它們占據(jù)了國(guó)內(nèi)6 0 7 0 的市場(chǎng)。國(guó)產(chǎn)的通用焊機(jī)由于焊接參數(shù)波 動(dòng)很大，焊接過(guò)程不穩(wěn)定。近年來(lái)雖然逆變焊機(jī)的研制風(fēng)起云涌，但由于急功近 利，產(chǎn)品可靠性差、返修率高。這些因素使得我國(guó)c 0 2 焊接方法存在飛濺大，難 于推廣的事實(shí)l i f t - ”】。 c 0 2 焊以其自身的成本低、操作簡(jiǎn)便、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)特別適合于我 國(guó)建設(shè)的需要，隨著焊接自動(dòng)化的大力發(fā)展，對(duì)c 0 2 氣體保護(hù)焊焊縫跟蹤技術(shù)的 研究會(huì)越來(lái)越重要，因此只有切實(shí)地在國(guó)產(chǎn)化地基礎(chǔ)上研究可靠性強(qiáng)的c 0 2 焊縫 跟蹤系統(tǒng)，才能推廣c 0 2 焊的應(yīng)用，同時(shí)也保護(hù)了民族工業(yè)。這需要各方面的焊 接研究者作更多的工作。 1 1 2 焊接自動(dòng)化的需求 自1 8 8 1 年電弧焊發(fā)明以來(lái)，隨著機(jī)械、電力、材料等行業(yè)的發(fā)展，焊接技術(shù) 已成為一種最重要的金屬熱加工技術(shù)。從日常用品的生產(chǎn)到尖端技術(shù)產(chǎn)品的制造 都離不開(kāi)焊接技術(shù)，現(xiàn)代化生產(chǎn)實(shí)踐對(duì)焊接技術(shù)提出了進(jìn)一步提高效率、優(yōu)化質(zhì) 量、改善勞動(dòng)條件等要求，焊接自動(dòng)化就是焊接工作者順應(yīng)這種要求的具體體現(xiàn)， 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)械化程度己達(dá)6 0 7 0 ， 雨我國(guó)僅為2 0 一3 0 7 6 m ，。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，而弧焊跟蹤系統(tǒng)正是焊接自動(dòng)化的一個(gè)重要方面。 在焊接過(guò)程中，由于各種干擾的存在，使電弧也變成一個(gè)非線性的載體，這 就使得焊接的過(guò)程變得復(fù)雜而且存在著諸多影響焊接質(zhì)量和自動(dòng)化水平的因素， 歸納一下主要有以下幾方面的問(wèn)題【2 l - 2 2 ： 1 ) 自動(dòng)化水平低下導(dǎo)致工作效率降低； 第一章緒論 2 ) 工件本身定位不精確直接影響了焊接質(zhì)量： 3 ) 跟蹤方法使用約束條件較大： 4 ) 目前我國(guó)的焊接自動(dòng)化水平相對(duì)不高。 由于在焊接過(guò)程中存在許多干擾，給焊接近弧區(qū)采用視覺(jué)直接觀察帶來(lái)了很 大的困難。但是采用視覺(jué)直接觀察焊接近弧區(qū)將能獲得更多、更有利于焊接過(guò)程 分析與控制的信息，并且具有強(qiáng)烈的直觀性與真實(shí)性；加之目前我國(guó)的焊接自動(dòng) 化水平相對(duì)不高，利用視覺(jué)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合焊接過(guò)程的特殊性研究機(jī)器視覺(jué)在 焊接過(guò)程中的應(yīng)用具有十分重要的意義。 1 1 3 焊接機(jī)器人智能化發(fā)展的需求 自從1 9 6 0 年美國(guó)的c o n s o h d a t e dc o n t r o l 公司研制出世界上第一臺(tái)機(jī)器人以 來(lái)，機(jī)器人的研究、生產(chǎn)與應(yīng)用得到了很大的發(fā)展，到2 0 0 2 年底世界上安裝的工 業(yè)機(jī)器人已達(dá)約1 2 0 萬(wàn)臺(tái)，其中用于焊接的機(jī)器人占了5 5 以上。在引進(jìn)國(guó)外技 術(shù)的基礎(chǔ)上，我國(guó)上一世紀(jì)7 0 年代初開(kāi)始研究工業(yè)機(jī)器人。1 9 8 5 年哈爾濱工業(yè) 大學(xué)研制成功中國(guó)第一臺(tái)h y - 1 型焊接機(jī)器人t1 9 8 7 年北京機(jī)床研究所和華南理 工大學(xué)聯(lián)合為天津自行車(chē)二廠研制出用于焊接自行車(chē)前三角架的t j r - g 1 型弧焊 機(jī)器人；上海交通大學(xué)研制的“上海1 號(hào)”、“上海2 號(hào)”和廣州機(jī)床研究所等研 制的示教再現(xiàn)型機(jī)器人也都具有可供弧焊和點(diǎn)焊的功能，有的還有自動(dòng)跟蹤、尋 找起始點(diǎn)和保持姿勢(shì)等功能1 2 3 - 2 6 ，。 目前的機(jī)器人大多為可編程的示教再現(xiàn)機(jī)器人。這種機(jī)器人可以在其工作空 間內(nèi)精確的完成示教的操作。在弧焊機(jī)器人施焊過(guò)程中，如果焊接條件基本穩(wěn)定 則機(jī)器人能夠保證焊接質(zhì)量。但是，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。側(cè)如，由于強(qiáng)烈的弧光輻射、高溫氣氛、煙塵飛濺、坡口狀況、加工 誤差、夾具裝夾精度、表面狀態(tài)和工件熱變形等影響會(huì)造成焊矩偏離焊縫，從而 造成焊接質(zhì)量下降甚至失敗。因此，焊接條件的這種變化要求弧焊機(jī)器人能夠?qū)?時(shí)檢測(cè)出焊縫的偏差，并調(diào)整焊接路徑和焊接參數(shù)，保證焊接質(zhì)量的可靠性。人 們?yōu)榱耸沟脵C(jī)器人在焊接過(guò)程中能實(shí)時(shí)地檢測(cè)出焊縫的實(shí)際位置，提出了弧焊機(jī) 器人焊縫跟蹤技術(shù)的研究2 7 - 3 1 。 基于以上三方面的大力發(fā)展和需求可以看出，研究機(jī)器視覺(jué)在c 0 ：氣體保護(hù) 焊焊縫自動(dòng)跟蹤中的應(yīng)用成為迫切需要解決的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)c o 。氣體保護(hù)焊焊縫智 能化自動(dòng)跟蹤是焊接工業(yè)自動(dòng)化的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，它不僅可以較大程度地提高c 0 2 氣體保護(hù)焊焊接過(guò)程的生產(chǎn)力，而且可以保證更高的焊接質(zhì)量。 一3 華南理工大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文 1 2 國(guó)內(nèi)外焊縫跟蹤技術(shù)的發(fā)展概況 眾所周知，實(shí)施正確的焊縫跟蹤是保證焊接質(zhì)量的基本條件，長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó) 內(nèi)外焊接專家研制了各種各樣弧焊跟蹤系統(tǒng)。 1 2 1 國(guó)外的焊縫跟蹤系統(tǒng)及跟蹤控制方法 發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)弧焊過(guò)程的焊縫跟蹤已進(jìn)行了很多年的研究和探索，取得了可觀 的成績(jī)。近代由于模糊數(shù)學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，并將其應(yīng)用到焊接這一復(fù)雜的不 確定性的非線性系統(tǒng)，使焊縫跟蹤踏入一個(gè)嶄新的時(shí)代智能焊縫跟蹤時(shí)代。 同時(shí)，國(guó)外對(duì)焊接機(jī)器人的焊縫跟蹤的研究開(kāi)展的比較早，研究的也比較廣泛。 但是國(guó)外主要集中在控制算法方面，對(duì)許多新的控制算法進(jìn)行了研究，而對(duì)于焊 縫跟蹤用傳感器研究較少。 早在1 9 8 5 年，保加利亞的d b k o v 提出用模糊模型描述弧焊過(guò)程的不確定 性，借助于配置的非接觸式激光傳感器，它能按示教內(nèi)容對(duì)焊縫進(jìn)行跟蹤，實(shí)驗(yàn) 的結(jié)果表明，采用模糊集概念可以進(jìn)行在線評(píng)估、預(yù)測(cè)和控帶l j s 2 。 意大利a n s a l d 0 焊接中心，采用硬件邏輯電路，對(duì)焊槍進(jìn)行橫向( z ) 、高 度方向( y ) 和縱向( x ) 的自適應(yīng)跟蹤，保證坡口無(wú)論是i 型或u 型都能連續(xù)施 焊，是目前最先進(jìn)的焊縫跟蹤系統(tǒng)之一，但其結(jié)構(gòu)龐大，控制邏輯復(fù)雜，不利于 使用和維修而且控制模式單一，限制了其功能的開(kāi)發(fā)。 1 9 8 9 年日本的s m u r a l k a m i 等人研制了基于模糊控制的焊縫跟蹤系統(tǒng)，該控 制系統(tǒng)根據(jù)焊槍的振幅位置同焊絲與工件的距離關(guān)系判別焊點(diǎn)的水平和垂直位 移，根據(jù)語(yǔ)言規(guī)則設(shè)計(jì)了模糊濾波器和模糊控制器，控制效果很好m 。 1 9 9 0 年日本的n n a y a k 等人采用分級(jí)控制方法設(shè)計(jì)了自適應(yīng)、實(shí)時(shí)和智能焊 縫跟蹤器( 簡(jiǎn)稱a r t i s t - - a d a p t i v e ，r e a l t i m e ，i n t e l l i g e n ts e a m t r a c k e r ) 該系統(tǒng) 能夠?qū)ξ粗娜S焊縫進(jìn)行識(shí)剮和跟蹤 3 a 。5 1 ， 1 9 9 4 年日本的y s u g a 等人將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用到焊縫跟蹤中，在該系統(tǒng)中采用 了視覺(jué)傳感器并用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行圖象處理以獲得焊縫的形狀數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 此系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性，能有效地進(jìn)行焊縫跟蹤。 同期j 。k a r e l 和s r 撤。進(jìn)行了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)型跟蹤控制，設(shè)計(jì)了機(jī)器人關(guān)節(jié) 空間和笛卡爾空間兩種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，通過(guò)在一個(gè)2 關(guān)節(jié)的s c a r a 機(jī)器人上 的實(shí)驗(yàn)表明，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)型控制器的路徑跟蹤精度比傳統(tǒng)的機(jī)器人計(jì)算力矩控制法 高得多，并用李亞普諾夫原理證明了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的穩(wěn)定性1 3 7 ，。 第一章緒論 1 9 9 5 年h b s m a r t t 將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制技術(shù)同時(shí)應(yīng)用于焊縫跟蹤的控 制，通過(guò)測(cè)量焊炬和焊縫的位置與方向偏差，應(yīng)用模糊控制概念，實(shí)現(xiàn)焊炬的位 置控制。但該模糊控制器不具有學(xué)習(xí)功能，控制規(guī)則是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)先總結(jié)而確定， 因而在較復(fù)雜的不確定的焊接過(guò)程中進(jìn)行控制時(shí)往往精度較低w 。 不可否認(rèn)，日本焊接工作者在焊縫跟蹤方面作出了很大貢獻(xiàn)，使焊縫跟蹤控 制達(dá)到了很高的自動(dòng)化水平，同時(shí)也證明了將模糊控制理論應(yīng)用到焊接這一不確 定性系統(tǒng)是可行的。 總之，國(guó)外焊接界的研究者們對(duì)焊接過(guò)程中焊縫的自動(dòng)跟蹤技術(shù)進(jìn)行了大量 而且富有成效的研究，特別是在控制算法上進(jìn)行了許多嘗試，從傳統(tǒng)的控制算法 到現(xiàn)代控制算法，以及目前比較受人們關(guān)注的模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法都進(jìn)行細(xì) 致的研究，并獲得了許多寶貴的應(yīng)用成果。但是，在傳感器的應(yīng)用上，主要集中 在接觸式傳感器、電弧傳感器等上面，而對(duì)于目前比較流行的視覺(jué)傳感器應(yīng)用較 少，即使有的研究者使用了視覺(jué)傳感器，也是帶有復(fù)雜激光系統(tǒng)的視覺(jué)傳感器系 統(tǒng)。這些傳感器存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高、不利于推廣應(yīng)用等缺點(diǎn)，所以本文 提出在焊縫跟蹤過(guò)程中，采用無(wú)輔助光源的視覺(jué)傳感器系統(tǒng)。目的在于降低成本， 研究適合中國(guó)國(guó)情的視覺(jué)傳感器焊縫跟蹤系統(tǒng)。 1 2 2 國(guó)內(nèi)的焊縫跟蹤系統(tǒng)及跟蹤控制方法 國(guó)內(nèi)對(duì)焊縫跟蹤的研究比較晚，尤其對(duì)焊接機(jī)器人的研究，研究手段和研究 方法還處于探索時(shí)期。但是這些焊縫跟蹤都是針對(duì)我國(guó)焊接行業(yè)的國(guó)情進(jìn)行的， 是我國(guó)進(jìn)行焊縫跟蹤研究工作的基礎(chǔ)，對(duì)進(jìn)一步研究焊縫跟蹤提出很多有益的啟 示。 清華大學(xué)潘際鑾院士、陳強(qiáng)和何方殿等教授對(duì)弧焊跟蹤系統(tǒng)中的傳感器和其 中的控制系統(tǒng)分別進(jìn)行了研究，詳盡論述了用于焊縫跟蹤系統(tǒng)的各種傳感器，并 提出了一種基于焊縫c c d 圖象模式特征的焊縫軌跡識(shí)別的新算法，該算法將焊 縫分戍段，每段的灰度分布用特征向量來(lái)描述，利用前一段的特征向量來(lái)識(shí)別下 一段的特征向量，從而實(shí)現(xiàn)焊縫識(shí)別，具有對(duì)各種坡口快速，準(zhǔn)確地識(shí)別并能自 適應(yīng)調(diào)整局部和整體噪聲等特點(diǎn)m - 4 1 1 。但是該方法必須以獲得清晰的焊縫圖像為 前提。 天津大學(xué)趙家瑞、張紹彬和侯文考等人利用聲電匹配和聚焦聲透鏡技術(shù)開(kāi)發(fā) 的科技新成果，為這種高靈敏度、高分辨率空氣超聲傳感器研究設(shè)計(jì)的單片機(jī)信 號(hào)采集、處理、控制軟件硬件系統(tǒng)和糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)，首次實(shí)現(xiàn)t i g 焊、c o z 氣體保 護(hù)焊和埋弧焊焊縫的掃描式、固定式超聲傳感二維自動(dòng)跟蹤，跟蹤精度在橫縱向 均達(dá)到0 5 m m 。但是這種方法存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高等缺點(diǎn)n 2 4 3 1 。 5 一 華南理工大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文 華東船舶工業(yè)學(xué)院蔣鵬飛和美國(guó)里海大學(xué)的j o h n 及d w o o d 利用縫隙對(duì)聲發(fā) 射波傳播有影響的現(xiàn)象，基于縫隙對(duì)聲發(fā)射波傳播有影響的現(xiàn)象，研制成種利 用聲發(fā)射一微處理器控制的焊縫跟蹤系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了縫隙對(duì)聲發(fā)射波傳播的影響和 焊縫跟蹤控制裝置。試驗(yàn)表明這種焊縫跟蹤控制裝置是靈敏的，它能克服偏差， 正確跟蹤直焊縫和曲線焊縫。但是傳感器對(duì)噪聲反應(yīng)靈敏，在高噪聲工況下，工 作困難，同時(shí)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，用于飛濺嚴(yán)重的c 0 2 焊有一定的困難w 。 華南理工大學(xué)自1 9 9 3 年開(kāi)始，在國(guó)家和省自然科學(xué)基金的立項(xiàng)支持下，在焊 縫跟蹤方面主要側(cè)重于應(yīng)用視覺(jué)傳感器來(lái)檢測(cè)焊縫，利用視覺(jué)傳感器所獲信息量 大，接近人的視覺(jué)等突出優(yōu)點(diǎn)，并將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制應(yīng)用到焊縫跟蹤系統(tǒng)中， 提出一種基于自適應(yīng)共振理論( a d a p t i v er e s o n a n c et h e o r y ) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的焊縫跟蹤 算法，即把焊縫橫截面方向上的灰度分布?xì)w為若干種空間模式，并使之記憶在 a r t 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，在實(shí)際焊接中獲取的圖象空間模式與之進(jìn)行匹配程度檢測(cè)，根 據(jù)模式分布情況確定出焊炬與焊縫中心的偏差，以此偏差為模糊變量設(shè)計(jì)了自調(diào) 整p i d 模糊控制器。該算法能夠在強(qiáng)噪聲環(huán)境中保持很高的跟蹤精度，在對(duì)t i g 焊進(jìn)行焊縫跟蹤控制實(shí)驗(yàn)中取得了良好的效果”一，。 重慶大學(xué)孫孝純等人進(jìn)行了m z - 1 0 0 0 埋弧焊機(jī)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)性能的研究，該 研究是在m z - 1 0 0 0 埋弧焊機(jī)上配以自動(dòng)跟蹤裝置，跟蹤傳感器采用c d - t s 型雙 向接觸式焊縫跟蹤傳感器，可進(jìn)行水平橫向調(diào)節(jié)和高度垂直方向調(diào)節(jié)，傳感器與 埋弧焊小車(chē)上的機(jī)頭聯(lián)成剛性一體，傳感器的探頭與焊絲在同一焊縫內(nèi)。如果焊 絲偏離焊道或者焊絲干伸長(zhǎng)變化過(guò)大，傳感器則發(fā)出相應(yīng)的電信號(hào)，通過(guò)控制箱 驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)，使焊絲的偏離減少或者消除。該方法系統(tǒng)慣性小，能瞬時(shí) 響應(yīng)，靜態(tài)誤差小，能充分滿足跟蹤的要求。這種接觸式焊縫跟蹤方法的優(yōu)點(diǎn)是 可以直接探測(cè)到焊縫的位置，方法比較簡(jiǎn)單，適合于平板埋弧焊的焊縫跟蹤。而 在進(jìn)行常用的厚板鍋爐壓力容器的焊接時(shí)則暴露出其無(wú)法避免的缺點(diǎn)，因?yàn)樵诤?接圓筒狀壓力容器時(shí)事先要將工件通過(guò)點(diǎn)焊將其位置固定，這樣在焊道中就存在 點(diǎn)固焊焊點(diǎn)，當(dāng)觸頭運(yùn)行到焊點(diǎn)時(shí)，就會(huì)發(fā)生阻塞，需要外界干預(yù)，才能繼續(xù)施 焊j 。 寶雞市油鋼管廠利用光電傳感器，以焊縫附近用專用白漆噴涂的一條帶狀線 作為導(dǎo)向線，跟蹤系統(tǒng)以導(dǎo)向線為基準(zhǔn)，自動(dòng)調(diào)整感應(yīng)器的旋轉(zhuǎn)角度，來(lái)實(shí)現(xiàn)跟 蹤，此種方法解決了順利通過(guò)焊點(diǎn)的問(wèn)題，但是需要在焊接前噴涂一道自線，當(dāng) 焊縫兩側(cè)高低不平時(shí)，白線則不能檢測(cè)到，不能根據(jù)白線所給的信息來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整 焊槍的高度，這樣就影響了焊接質(zhì)量m 1 。 江蘇揚(yáng)州石油勘探局通過(guò)靠模法解決了埋弧焊環(huán)縫自動(dòng)跟蹤問(wèn)題，此種方法 主要針對(duì)每次安裝簡(jiǎn)體會(huì)出現(xiàn)程度不等的不平、不齊等現(xiàn)象所設(shè)計(jì)的，另外由于 筒體或多或少存在著橢圓度，不可避免的存在著筒體環(huán)縫的捕焊過(guò)程中的筒體軸 第一章緒論 向移動(dòng)和最高點(diǎn)的變化。利用同步運(yùn)動(dòng)原理設(shè)計(jì)了環(huán)縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)由 橫向跟蹤機(jī)構(gòu)、縱向跟蹤機(jī)構(gòu)和微調(diào)機(jī)構(gòu)三部分調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成，橫向跟蹤機(jī)構(gòu)通 過(guò)靠輪、滑軌帶動(dòng)機(jī)頭向右同步運(yùn)動(dòng)，彈簧始終使靠輪緊靠簡(jiǎn)體：當(dāng)簡(jiǎn)體向左移 動(dòng)時(shí)，在彈簧作用下向左同步運(yùn)動(dòng)。縱向跟蹤機(jī)構(gòu)的萬(wàn)向輪始終接觸簡(jiǎn)體，機(jī)頭 通過(guò)滑軌靠機(jī)頭與滑軌的自重隨筒體做上、下同步運(yùn)動(dòng)，保持導(dǎo)電嘴與焊縫之間 距離不變，實(shí)現(xiàn)了環(huán)縫焊接自動(dòng)化。該方法僅解決了特殊場(chǎng)合的應(yīng)用問(wèn)題，不能 得到廣泛的應(yīng)用m 。 天津大學(xué)胡繩蓀等人研制了一種非接觸超聲傳感焊縫跟蹤系統(tǒng)，采用了新型 的超聲波傳感器，用一套掃描裝置使傳感器在焊道上方左右掃描，超聲傳感器發(fā) 射超聲波遇到焊件金屬表面時(shí)超聲波信號(hào)被反射回來(lái)，并由超聲傳感器接收，通 過(guò)計(jì)算傳感器發(fā)射到接收的聲程時(shí)間可以得到傳感器與焊件之間的垂直距離?？?制系統(tǒng)則根據(jù)檢測(cè)到的偏差大小及方向在高度方向進(jìn)行糾偏調(diào)整。同時(shí)設(shè)計(jì)了焊 縫跟蹤f u z z y p 控制器的硬件及軟件，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和跟蹤精度m ，。 華北石油管理局為了提高厚壁管的焊接效率、完成自動(dòng)跟蹤糾偏，利用c c d 面陣攝像機(jī)作為前面焊縫檢測(cè)傳感器，s t d 工控機(jī)作圖像數(shù)字處理、識(shí)別、確定 焊縫位置，并抑制焊頭移動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)焊縫在線自動(dòng)跟蹤實(shí)時(shí)糾偏。c c d 的優(yōu)點(diǎn) 和s t d 工控機(jī)的優(yōu)良性能使此跟蹤系統(tǒng)工作可靠、操作簡(jiǎn)單。但由于管材較厚， 只采用c c d 攝像頭不能得到清晰的焊縫坡口形貌，難以對(duì)準(zhǔn)焊縫中心影響了焊 縫的跟蹤精度刪。 清華大學(xué)潘際鑾院士對(duì)電弧傳感器進(jìn)行了詳細(xì)的研究。同時(shí)摩寶劍等應(yīng)用高 速圓周掃描的m i g g a g 電弧作為傳感器，避免了傳感器超前安裝及易受電弧光熱 干擾的缺點(diǎn)，特別有利于彎曲或大角度轉(zhuǎn)折焊縫的自動(dòng)跟蹤焊接。研制出僅需電 弧本身作為傳感器的低成本、高性能自動(dòng)轉(zhuǎn)彎跟蹤焊接小車(chē)。其控制器采用1 6 位單片機(jī)和數(shù)字化的脈沖寬度p i i ) 調(diào)節(jié)原理與模糊控制原理。成功實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)折角 度達(dá)4 3 。的折線焊縫的自動(dòng)跟蹤焊接w n 。 華東船舶工業(yè)學(xué)院王加友、陳剛和劉啟東等采用m c s 一5 l 單片機(jī)控制的接觸 式弧焊跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有焊縫雙向自動(dòng)跟蹤和自尋起焊點(diǎn)的雙重觸覺(jué)功能。 文中詳述了傳感器結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)構(gòu)成及控制軟件設(shè)計(jì)，并就保護(hù)彈簧對(duì)傳感器精度 的影響進(jìn)行了分析。但是接觸傳感器精度較低m - 。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)吳威、劉丹軍、尤波和蔡鶴皋等人對(duì)機(jī)器人在焊縫自動(dòng)跟蹤 方面進(jìn)行研究，介紹了機(jī)器人觸覺(jué)的力傳感器結(jié)構(gòu)和使用方法。對(duì)力信號(hào)進(jìn)行解 耦及信號(hào)解算，有效地消除了機(jī)器人在工作過(guò)程中振動(dòng)、抖動(dòng)對(duì)力信號(hào)的污染， 使機(jī)器人有能力自動(dòng)識(shí)別、跟蹤焊縫及焊槍位置修正，從而保證焊接質(zhì)量。但是 解耦算法復(fù)雜費(fèi)時(shí)，系統(tǒng)滯后嚴(yán)重，精度低，實(shí)時(shí)性較差m 1 。 哈爾濱焊接研究所董德祥、亢稚祿根據(jù)光電傳感原理設(shè)計(jì)了一種新型的機(jī)械 華南理工大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文 探頭接觸式焊縫跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)由傳感器、控制電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成， 具有兩維跟蹤功能【柚】。已成功地在國(guó)內(nèi)一些廠家獲得了廣泛的推廣應(yīng)用，效果良 好。 河北工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所岳新宏、孫立新、李慨等人采用結(jié)構(gòu)光視覺(jué)的方 法對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)和跟蹤，研制了一套焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。在圖象處理方面采用 l o g 濾波和圖象分割濾波等有效的方法，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，實(shí)際焊接時(shí)的跟蹤誤差小 于0 5 叫，能夠滿足一般焊接的要求【6 1 ，。 總之，國(guó)內(nèi)在焊縫跟蹤的研究方面起步較晚，但是有國(guó)外的先進(jìn)成果可以借 鑒，所以發(fā)展較快。主要集中在各種傳感器的研究與設(shè)計(jì)上，但在無(wú)輔助光源的 c c d 視覺(jué)傳感器方面研究較少。所以，本課題提出了基于無(wú)輔助光源的c c d 視 覺(jué)傳感器方法，來(lái)實(shí)時(shí)獲取焊接過(guò)程中的焊縫信息，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤。 1 2 3 傳感器技術(shù)的發(fā)展 在焊接自動(dòng)化技術(shù)中，焊縫跟蹤技術(shù)是實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化的前提，也是本領(lǐng)域 的傳統(tǒng)課題。在焊縫跟蹤系統(tǒng)中，傳感器占有非常重要的地位，一個(gè)合適的傳感 器是保證正確跟蹤的重要基礎(chǔ)，焊接工作者已開(kāi)發(fā)出了許多弧焊跟蹤用傳感器。 弧焊用傳感器可分為直接電弧式、接觸式和非接觸式三大類(lèi)。按工作原理可 分為機(jī)械、機(jī)電、電磁、電容、射流、超聲、紅外、光電、激光、視覺(jué)、電弧、 光譜及光纖式等。按用途有用于焊縫跟蹤、焊接條件控制( 熔寬、熔深、熔透、 成型面積、焊速、冷卻速度和干伸長(zhǎng)) 及其他如溫度分布、等離子體粒子密度、 熔池行為等。據(jù)日本焊接技術(shù)學(xué)會(huì)近期所做的調(diào)查顯示，在日本、歐洲及其他發(fā) 達(dá)國(guó)家，用于焊接過(guò)程的傳感器有8 0 是用于焊縫跟蹤的m “。目前我們國(guó)家用 的較多的是電弧式、機(jī)械式和光電式。 1 2 3 1 電弧式焊縫跟蹤傳露器 電弧傳感器是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外焊接自動(dòng)化學(xué)者比較關(guān)注的一項(xiàng)研究?jī)?nèi)容。國(guó)內(nèi) 以潘際鑾院士為代表研究較多。 電弧傳感器是從焊接電弧自身直接提取焊縫位置偏差信號(hào)，實(shí)時(shí)性好，不需 要在焊槍上附加任何裝置，焊槍運(yùn)動(dòng)的靈活性和可達(dá)性最好，尤其符合焊接過(guò)程 低成本自動(dòng)化的要求。它是利用了焊接電弧本身的電特性實(shí)現(xiàn)焊縫位置檢測(cè)的。 即在焊接時(shí)，焊接電弧可作為傳感器在焊接過(guò)程中來(lái)檢測(cè)焊縫形狀和位置。該跟 蹤系統(tǒng)利用電弧和電壓的變化，獲得焊炬與焊縫橫向與高低偏差信息。當(dāng)焊炬與 工件距離變化時(shí)，電弧擺動(dòng)掃描焊縫的坡口，電流相應(yīng)改變，因此電弧電流的變 8 第一章緒論 化反映了焊炬高度的變化。在焊接過(guò)程中焊槍沿垂直于焊接的方向做往復(fù)式擺動(dòng)。 由于在船形焊的條件下，這種擺動(dòng)將引起焊絲干伸長(zhǎng)的變化，這種變化又導(dǎo)致焊 接電流的變化，根據(jù)電流的實(shí)際變化可以實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤。 電弧傳感器的基本工作原理是：當(dāng)電弧位置變化時(shí)，電弧自身電參數(shù)相應(yīng)發(fā) 生變化，從中反映出焊槍導(dǎo)電嘴至工件坡口表面距離的變化量，進(jìn)而根據(jù)電弧的 擺動(dòng)形式及焊槍與工件間相對(duì)位置關(guān)系，推導(dǎo)出焊槍與焊縫間的相對(duì)位置偏差量。 電參數(shù)的靜態(tài)變化和動(dòng)態(tài)變化都可以作為特征信號(hào)被提取出來(lái)，實(shí)現(xiàn)高低及水平 兩個(gè)方向的跟蹤控制。目前國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛采用的方法是：通過(guò)測(cè)量焊接電流 ( i ) 、電弧電壓( v ) 和送絲速度( v ) 來(lái)計(jì)算工件與焊絲之間的距離h = f f i ，v ， v ) ，并應(yīng)用模糊控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤。電弧傳感結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，目前 得到了廣泛的應(yīng)用n ”，。 因此，以電弧為傳感器的優(yōu)點(diǎn)是不需要在焊接區(qū)附加其它傳感裝置便可實(shí)現(xiàn) 對(duì)坡口狀態(tài)、焊炬高度等實(shí)時(shí)傳感，其跟蹤信號(hào)是由電弧本身取出，檢測(cè)點(diǎn)即為 焊接點(diǎn)，沒(méi)有傳感器的位置前導(dǎo)誤差。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)單，而且，在工作過(guò)程 中可以不考慮弧光的干擾，工作的可靠性相對(duì)較高，這類(lèi)傳感器在弧焊機(jī)器人焊 接路徑的控制應(yīng)用較多。但是由于電弧被埋住，只能獲得焊接區(qū)局部的信息，不 能獲得焊炬高度匹配度、焊根間隙、焊縫形式等重要的信息，因而限制了使用范 圍。它一般只能用在具有坡口的焊縫位置檢測(cè)中，所以在厚板的焊接中應(yīng)用較多。 在薄板對(duì)接中這種檢測(cè)方式不適用。它主要適用于對(duì)稱側(cè)壁的坡口( 如v 型坡口) ， 而對(duì)于那些無(wú)對(duì)稱側(cè)壁或根本就無(wú)側(cè)壁的接頭形式，如搭接接頭、不開(kāi)坡口的對(duì) 接接頭等形式，現(xiàn)有的電弧傳感器則不能識(shí)別。 1 2 3 2 接觸式焊縫跟蹤傳摩器 最初對(duì)焊接進(jìn)行焊縫跟蹤實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的傳感器就是一種接觸式傳感器，其中， 探頭式接觸傳感器以導(dǎo)桿或?qū)л喸诤妇媲胺教綔y(cè)焊縫位置。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 操作直接、維修方便且不怕電弧的磁、光、煙塵、飛濺等干擾，是人們很容易想 到的方法。 探頭式跟蹤系統(tǒng)中，傳感器的探頭直接與焊縫坡口接觸，直接對(duì)偏差進(jìn)行檢 測(cè)，可進(jìn)行水平橫向調(diào)節(jié)和高度垂直方向調(diào)節(jié)。如果偏離焊道，傳感器則發(fā)出相 應(yīng)的電信號(hào)，通過(guò)控制箱驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)，使偏離減少或者消除。探頭式焊 縫位置檢測(cè)傳感器的最大優(yōu)點(diǎn)是高可靠性。由于變換器遠(yuǎn)離電弧區(qū)，因此，電弧 區(qū)的弧光、高溫、強(qiáng)