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基于視覺傳感弧焊機(jī)器人焊接熔池實(shí)時(shí)控制

時(shí)間:2008-07-10 11:11:00來源:fenghy

導(dǎo)語:?本文在一套能夠?qū)崿F(xiàn)局部環(huán)境自主完成復(fù)雜空間曲線焊縫焊接的智能焊接機(jī)器人系統(tǒng)樣機(jī)下,利用該傳感系統(tǒng)的后一個(gè)CCD攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)焊接熔池的實(shí)時(shí)傳感
摘要:針對(duì)航天構(gòu)件焊接產(chǎn)品的復(fù)雜性和多樣性,改進(jìn)示教再現(xiàn)型焊接機(jī)器人因裝配或焊接應(yīng)力變形等因素引起焊接質(zhì)量問題。本文在一套能夠?qū)崿F(xiàn)局部環(huán)境自主完成復(fù)雜空間曲線焊縫焊接的智能焊接機(jī)器人系統(tǒng)樣機(jī)下,利用該傳感系統(tǒng)的后一個(gè)CCD攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)焊接熔池的實(shí)時(shí)傳感,依據(jù)熔透控制計(jì)算機(jī)和中央控制計(jì)算機(jī)間的可靠通訊,設(shè)計(jì)一種PID控制器,實(shí)現(xiàn)了LF6鋁合金變散熱工件焊接熔池動(dòng)態(tài)過程實(shí)時(shí)控制。 關(guān)鍵詞:局部自主智能焊接機(jī)器人,焊接熔池,視覺傳感,過程控制 0 引言 焊接作為材料加工的一種重要手段在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。由于諸多因素的推動(dòng),焊接過程自動(dòng)化、機(jī)器人化已成為趨勢(shì)[1]。尤其是研究開發(fā)具有智能的焊接機(jī)器人及其智能化技術(shù),實(shí)現(xiàn)焊接路徑自動(dòng)規(guī)劃、實(shí)時(shí)自動(dòng)校正路徑及焊縫跟蹤、焊接熔深、熔透以及焊縫成形等質(zhì)量控制功能,將是21世紀(jì)焊接工藝技術(shù)實(shí)施的發(fā)展方向。 焊接質(zhì)量控制的研究是焊接過程自動(dòng)化的重要組成部分。由于對(duì)焊接過程自動(dòng)化和智能化水平的要求日益提高,對(duì)焊接質(zhì)量的控制變得尤為重要。近年來,隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的發(fā)展,利用機(jī)器視覺直接觀察焊接熔池,通過圖像處理獲取熔池的幾何形狀信息,對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行閉環(huán)控制,己成為重要的研究方向[2-4]。 焊縫的熔寬、熔深等尺寸參數(shù)是影響焊接質(zhì)量的重要因素,而熔池是對(duì)焊縫尺寸參數(shù)影響最為直接的因素。因而,研究焊接過程中熔池的變化以及實(shí)現(xiàn)熔池某些參數(shù)的控制對(duì)焊接質(zhì)量的控制有實(shí)際的意義。同時(shí),根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),焊工是根據(jù)熔池的變化調(diào)整焊接工藝規(guī)范以及焊槍姿態(tài)來保證焊接質(zhì)量的。因而,根據(jù)焊接熔池變化來控制焊接質(zhì)量也是實(shí)現(xiàn)焊接智能化的一個(gè)重要部分。 1 局部自主智能脈沖GTAW焊縫熔透實(shí)時(shí)控制弧焊機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件主要部分是一套局部自主智能焊接機(jī)器人系統(tǒng),該系統(tǒng)以沈陽新松機(jī)器人有限公司的機(jī)器人產(chǎn)品RH6為本體[5]。在機(jī)器人本體末端(第6關(guān)節(jié))增加了一個(gè)攝像機(jī)隨動(dòng)裝置(第7關(guān)節(jié)),通過皮帶傳動(dòng)可以帶動(dòng)兩個(gè)攝像機(jī)繞焊槍轉(zhuǎn)動(dòng)[6-7]。 局部自主智能焊接機(jī)器人(Local Autonomous Intelligent Welding Robot)系統(tǒng)的核心是一臺(tái)PIII850的通用計(jì)算機(jī),它提供完成機(jī)器人系統(tǒng)坐標(biāo)變換,軌跡生成,插補(bǔ)運(yùn)算及外部信息綜合和焊接系統(tǒng)的控制,狀態(tài)管理,任務(wù)調(diào)度等。它的作用是一臺(tái)中央監(jiān)控計(jì)算機(jī),它與機(jī)器人控制柜通過CAN總線通訊。它與導(dǎo)引、焊縫跟蹤模塊以及熔透控制模塊之間通過Ethernet通訊。導(dǎo)引、焊縫跟蹤模塊的功能是通過視覺傳感實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)器人焊接初始位置的導(dǎo)引和焊縫跟蹤。LAIWR機(jī)器人第七軸上的一個(gè)CCD攝像機(jī)通過視頻電纜與導(dǎo)引、焊縫跟蹤計(jì)算機(jī)上的圖像采集卡相連。LAIWR機(jī)器人第七軸上的另一個(gè)CCD攝像機(jī)通過視頻電纜與熔透控制計(jì)算機(jī)上的圖像采集卡相連(硬件配置同導(dǎo)引、跟蹤模塊)。同時(shí)熔透控制計(jì)算機(jī)還通過自行開發(fā)的控制/采集接口電路與焊接電源相連,以實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的實(shí)時(shí)控制和焊接參數(shù)采集。焊接電源采用了日本DAIHEN公司生產(chǎn)的INVERTER ELESON 500P型交直流兩用GTAW焊接電源。此外,系統(tǒng)還包括水箱和保護(hù)氣瓶等輔助設(shè)備。 熔透控制試驗(yàn)系統(tǒng)的核心部分是一臺(tái)PⅡ350型臺(tái)式計(jì)算機(jī),其對(duì)焊接電源、送絲機(jī)構(gòu)和焊接運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制是通過數(shù)據(jù)采集卡、步進(jìn)電機(jī)控制卡和接口電路實(shí)現(xiàn)的。焊接電流和送絲速度的控制是通過調(diào)節(jié)焊接電源控制端的輸入電壓來實(shí)現(xiàn)的。焊接速度的控制是通過改變步進(jìn)電機(jī)的單位時(shí)間的脈沖輸入數(shù)目來實(shí)現(xiàn)的。圖像采集卡與計(jì)算機(jī)相聯(lián),計(jì)算機(jī)通過接收焊接電源傳送的焊接電流的時(shí)刻與形狀等特征信息,可以控制取像的時(shí)刻。送絲機(jī)構(gòu)位于機(jī)器人第3軸上端,送絲位置為熔池的斜前方。該系統(tǒng)可以完成從焊接自動(dòng)起弧、焊接工藝參數(shù)設(shè)置、熔池圖像自動(dòng)采集、熔池圖像尺寸計(jì)算、控制算法實(shí)現(xiàn)、焊接規(guī)范自動(dòng)調(diào)節(jié),直到自動(dòng)熄弧的完整的焊接工作過程。整個(gè)機(jī)器人脈沖GTAW傳感與過程控制控制試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 機(jī)器人脈沖GTAW試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
2 基于連續(xù)光譜的寬帶復(fù)合濾光系統(tǒng)確定和鋁合金熔池參數(shù)定義 利用圖像傳感的方法控制焊縫質(zhì)量,首先要獲得熔池圖像。為了獲得清晰的熔池圖像,必須采用濾光系統(tǒng)。鋁合金GTAW焊接條件下的弧光光譜分布基本規(guī)律是在強(qiáng)度相對(duì)較低的連續(xù)光譜上疊加許多強(qiáng)度不等的其它譜線所組成的,在不同的工藝參數(shù)下(焊接電流,焊接電壓),光譜分布會(huì)有輕微變化,但基本規(guī)律不變。近熔池表面區(qū)光譜主要由鋁原子光譜,鋁離子光譜和熔池金屬黑體輻射產(chǎn)生的連續(xù)光譜組成,弧柱區(qū)的光譜主要由氬原子和離子的譜線組成,此外還含有其它金屬的蒸汽譜線。因此采用窄帶濾光的方式獲取鋁合金GTAW焊熔池圖像的方法是不可行的。通過分析鋁合金實(shí)際GTAW焊接光譜分布,本文采用的寬帶濾光片的通光范圍是590nm-710nm,峰值透過率25%,減光片通光率20%,熔透控制傳感器置于熔池的正后方,使傳感器的中線與焊接方向成45º角的方向,可清晰獲得熔池圖像。 利用視覺傳感方式對(duì)鋁合金脈沖GTAW焊縫成形進(jìn)行控制,獲取能反映焊接過程焊縫成形的信息是至關(guān)重要的,通過圖像處理的方式獲得可描述熔池狀態(tài)的特征參數(shù),對(duì)焊縫穩(wěn)定成形的控制也就是控制這些參數(shù)的穩(wěn)定。因此本文定義鋁合金GTAW焊熔池圖像的特征參數(shù)為:正面熔池的寬度、正面熔池的長(zhǎng)度。另外,在本文所獲取的鋁合金GTAW焊熔池正面圖像中,不能看到熔池的全部,因此所利用的是正面熔池的半長(zhǎng)。如圖2。
[align=center]圖2 熔池圖像及特征參數(shù)示意圖 (a) 熔池正面圖像 (b) 熔池特征參數(shù)示意圖[/align] 3 脈沖GTAW熔池正面參數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立 模型是認(rèn)識(shí)系統(tǒng)、研究系統(tǒng)的一種工具或手段。近年來,隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究的興起,為焊接過程動(dòng)態(tài)模型的建立開辟了新的道路。由于焊接過程具有很大的熱慣性,在建立ANN模型時(shí),我們不僅應(yīng)該考慮當(dāng)前時(shí)刻的焊接規(guī)范輸入,還應(yīng)該考慮焊接規(guī)范的歷史值對(duì)當(dāng)前時(shí)刻熔池形態(tài)的影響。 針對(duì)鋁合金散熱快的特性,本文在模型的輸入中考慮了焊接規(guī)范的當(dāng)前值和規(guī)范的前三個(gè)歷史值。這里采用的焊接規(guī)范包括脈沖峰值電流和脈沖占空比(焊接過程中保持焊接速度和脈沖基值電流恒定,所以這里不作考慮)。同時(shí),前面熔池的大小和形態(tài)也要影響當(dāng)前時(shí)刻的熔池,因而,本文也將前三個(gè)時(shí)刻熔池的特征參數(shù)(熔池最大寬度、熔池半長(zhǎng)度)作為網(wǎng)絡(luò)的輸入。綜上,本文模型的共有14個(gè)輸入?yún)?shù)。模型的輸出為熔池特征參數(shù)(包括熔池最大寬度和熔池半長(zhǎng)度)的當(dāng)前值,一共有2個(gè)輸出。建立脈沖GTAW熔池正面參數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型如圖3。對(duì)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中間層節(jié)點(diǎn)數(shù)的選擇問題,不同文獻(xiàn)上有不同的選擇原則。本文隱含層確立為一層,因?yàn)橐粋€(gè)三層BP網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)可以完成任意N維到M維的映射。隱含層單元的選取根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定為19最合適。
圖3 鋁合金脈沖GTAW熔池正面參數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型
4 PID控制器的設(shè)計(jì) PID控制是過程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律,PID控制就是比例(P),積分(I),微分(D)三種控制作用的綜合,它是對(duì)誤差實(shí)施一種變換輸出控制量。本文選擇了增量式算法。為了提高運(yùn)算精度,本文用梯形積分代替矩形積分,用四點(diǎn)差分代替單點(diǎn)差分以減小數(shù)據(jù)誤差和噪聲,改進(jìn)后的增量型PID算法如式(1)[8]:
其中,Kp為比例系數(shù),Ti為積分時(shí)間常數(shù),Td為微分時(shí)間常數(shù),T為采樣周期。由此可見,實(shí)現(xiàn)PID控制,必須求出Kp,Ti,Td三參數(shù),即控制參數(shù)的整定。 利用這種PID控制器對(duì)兩種形式的工件進(jìn)行了變散熱條件下的單變量控制實(shí)驗(yàn)。所用的材料為L(zhǎng)F6,工件厚度為2.5mm,接頭形式為對(duì)接,采用脈沖不送絲方式[9]。以焊接電流峰值為控制量,以焊縫正面熔寬為被控制量,給定理想熔寬8mm。對(duì)于梯形工件,控制參數(shù)采用仿真參數(shù)Kp=17.45, Ti=0.75, Td=0.605;啞鈴形工件控制參數(shù)Kp=22.45, Ti=0.585, Td=0.795。在控制實(shí)驗(yàn)中,為了保證起弧階段的良好成形,起弧后停止3秒鐘,熔透后再施加焊接速度,前十個(gè)脈沖采用恒規(guī)范的焊接參數(shù),另外為了限制超調(diào)的發(fā)生,電流峰值的調(diào)節(jié)范圍限制在160~180A。最小的電流調(diào)節(jié)單位設(shè)為1A。圖4,圖5分別是用PID控制在有散熱條件變化的梯形和矩形工件上對(duì)接得到的焊接工件正反面照片。圖6是PID控制過程曲線。 梯形工件實(shí)際焊后正面寬度最大絕對(duì)誤差為0.781mm,平均誤差為0.052 mm,均方根誤差為0.01822 mm;啞鈴形工件實(shí)際焊后正面寬度最大絕對(duì)誤差為0.935mm,平均誤差為0.0135 mm,均方根誤差為0.0226 m。
圖4 PID控制梯形工件焊件正反面照片
圖5 PID控制啞鈴形工件焊件照片
[align=center](a)梯形工件(Trapezoid workpiece) (b)啞鈴形工件(Dumbbell-shape workpiece) 圖6 變散熱工件PID控制焊接過程控制曲線[/align] 5結(jié)論 試驗(yàn)結(jié)果表明,單變量PID控制方式具有調(diào)節(jié)速度快的特點(diǎn),但是系統(tǒng)輸出的超調(diào)量大,不利于系統(tǒng)穩(wěn)定。從圖6(a)中可以看出梯形工件控制量總的趨勢(shì)是隨著散熱條件的變差而減小,背面熔寬基本上是圍繞8mm上下波動(dòng)的,但是隨著散熱條件的逐漸變差,背面熔寬的波動(dòng)性也逐漸加劇,同時(shí)穩(wěn)態(tài)誤差也逐漸增大。對(duì)于啞鈴形工件,正面熔寬的值是圍繞給定理想熔寬8mm上下波動(dòng)的?;揪S持在8mm左右。在中部熔寬有微量突起,這是由于散熱條件在此突然變差引起的,同時(shí)控制量也急速調(diào)小以維持熱輸入輸出的平衡,保持正面熔寬的穩(wěn)定一致。總之,對(duì)于單變量的PID控制仍然存在超調(diào)量大和穩(wěn)態(tài)誤差大的特點(diǎn)。 參考文獻(xiàn): [1] 陳善本,吳林.我國(guó)機(jī)器人焊接技術(shù)研究與應(yīng)用概況.第八次全國(guó)焊接會(huì)議論文集(第一冊(cè)),北京,1997 [2] Kovacevic R, Zhang Y.M. Vision Sensing of 3D Weld Pool Surface. Proceedings of the 4th International Conference on Trends in Welding Research, Gatlinburg, Tennessee, USA, 5-8, June, 1995 [3] ZhangY.M., Li L. and Kovacevic R. Monitoring of Weld Pool Appearance for Penetration Control. Proceedings of the 4th International Conference on Trends in Welding Research, Gatlinburg, Tennessee, USA, 5-8, June, 1995 [4] Kovacevic R., Zhang.Y.M and Beardsley.H. On-line Sensing of Metal Transfer for Adaptive Control of GMA Welding. Proceedings of the 4th International Conference on Trends in Welding Research, Gatlinburg, Tennessee, USA, 5-8, June, 1995 [5] 陳文杰.局部自主智能焊接機(jī)器人系統(tǒng)研制及其遠(yuǎn)程控制方法研究.上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文.2004.11 [6] 周律,林濤,陳善本等,基于伺服雙目視覺的智能弧焊機(jī)器人系統(tǒng),材料科學(xué)與工藝,2004,第12卷 增刊p59-61 [7] 周律,林濤,陳善本等,焊接機(jī)器人伺服雙目視覺傳感器,中國(guó),發(fā)明專利: 申請(qǐng)?zhí)枺?00410067328.1 ,2004 [8] 張?jiān)C?,吳林.焊接過程的現(xiàn)代控制分析與設(shè)計(jì)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社。1991。 [9] 俞尚知,焊接工藝人員手冊(cè),上海,上海科學(xué)技術(shù)出版社,1991 (end)

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