專利名稱：電弧擺動(dòng)焊縫跟蹤機(jī)器人的焊縫跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電弧擺動(dòng)焊縫跟蹤機(jī)器人的焊縫跟蹤方法，屬于機(jī)械自動(dòng)控制
技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
焊縫跟蹤是焊接自動(dòng)化的前提和重要保證，對(duì)于機(jī)器人焊接系統(tǒng)而言，焊縫跟 蹤無(wú)疑對(duì)于提高焊接質(zhì)量起著很大的作用，而如何進(jìn)行焊縫跟蹤成了關(guān)鍵的課題?；『?機(jī)器人焊縫跟蹤過(guò)程是一個(gè)多參數(shù)影響的復(fù)雜系統(tǒng)，其中存在著大量不確定性因素的影 響，如焊接工件坡口的加工精度、裝配精度、焊接過(guò)程中的熱、電弧力、磁偏吹等導(dǎo)致 的焊件變形、機(jī)器人示教的準(zhǔn)確性、機(jī)器人的重復(fù)精度等等。由于焊接過(guò)程的非線性， 焊接過(guò)程的建模工作比線性系統(tǒng)復(fù)雜得多、困難得多。雖然近年來(lái)研究人員利用各種方 法建立了一些較為精確的模型，但計(jì)算過(guò)程需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，而且不一定能滿足實(shí) 時(shí)控制的要求。因此，以精確數(shù)學(xué)模型為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論及現(xiàn)代控制理論在焊 接過(guò)程自動(dòng)控制中都遇到了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種高精度的電弧擺動(dòng)焊縫跟蹤機(jī)器人的焊 縫跟蹤方法，以進(jìn)一步提高焊縫成型質(zhì)量。 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種電弧擺動(dòng)焊縫跟蹤機(jī)器人的焊縫跟蹤方
法，其特征在于，包括以下步驟 l)焊接開始，對(duì)焊接電流進(jìn)行采樣； 2)利用數(shù)字濾波器對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波； 3)提取偏差； 4)根據(jù)已經(jīng)提取到的偏差值，擬合偏差方向； 5)判斷偏差的變化趨勢(shì)，如果偏差為增大的趨勢(shì)，則增大補(bǔ)償靈敏度，反之減 小補(bǔ)償靈敏度； 6)利用提取的偏差和補(bǔ)償靈敏度計(jì)算本次補(bǔ)償量； 7)更新累計(jì)補(bǔ)償量，將求得的本次補(bǔ)償量加入累計(jì)補(bǔ)償量，計(jì)算新的累計(jì)補(bǔ)償 8)求取三維空間x、 y、 z方向上的補(bǔ)償量，修正插補(bǔ)點(diǎn)；
9)將修正后的插補(bǔ)點(diǎn)發(fā)給PMAC。
本發(fā)明所達(dá)到的有益效果 本發(fā)明的電弧擺動(dòng)焊縫跟蹤機(jī)器人的焊縫跟蹤方法，通過(guò)改變補(bǔ)償靈敏度，在 偏差變化方向發(fā)生變化時(shí)，補(bǔ)償量不會(huì)產(chǎn)生跳躍變化，可以在一定的程度上保證系統(tǒng)的 穩(wěn)定性，從而提高跟蹤精度，達(dá)到提高焊縫成型質(zhì)量的目的。


圖1為本發(fā)明的偏差補(bǔ)償過(guò)程中補(bǔ)償?shù)钠頴'與未補(bǔ)償?shù)钠頴之間關(guān)系示意 圖； 圖2為本發(fā)明的計(jì)算補(bǔ)償量過(guò)程中轉(zhuǎn)化為三維空間的補(bǔ)償量的示意圖；
圖3為本發(fā)明的補(bǔ)償量計(jì)算流程圖；
圖4為本發(fā)明的焊縫跟蹤過(guò)程流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。 本發(fā)明的一種電弧擺動(dòng)焊縫跟蹤機(jī)器人的焊縫跟蹤方法，包括以下步驟
l)焊接開始，對(duì)焊接電流進(jìn)行采樣；
2)利用數(shù)字濾波器對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波；
3)提取偏差； 4)根據(jù)已經(jīng)提取到的偏差值，擬合偏差方向； 5)判斷偏差的變化趨勢(shì)，如果偏差為增大的趨勢(shì)，則增大補(bǔ)償靈敏度，反之減 小補(bǔ)償靈敏度； 6)利用提取的偏差和補(bǔ)償靈敏度計(jì)算本次補(bǔ)償量； 7)更新累計(jì)補(bǔ)償量，將求得的本次補(bǔ)償量加入累計(jì)補(bǔ)償量，計(jì)算新的累計(jì)補(bǔ)償 8)求取三維空間x、 y、 z方向上的補(bǔ)償量，修正插補(bǔ)點(diǎn)；
9)將修正后的插補(bǔ)點(diǎn)發(fā)給PMAC。 在電弧擺動(dòng)焊縫跟蹤系統(tǒng)中，偏差信息的識(shí)別是焊縫跟蹤的基礎(chǔ)。因此如何獲 取準(zhǔn)確的偏差信息是尤為關(guān)鍵。 前述的電弧擺動(dòng)焊縫跟蹤機(jī)器人的焊縫跟蹤方法，在所述步驟2)中，本發(fā)明利 用局部均值濾波和改進(jìn)的滑動(dòng)中值濾波兩種方法相結(jié)合的數(shù)字濾波器，該濾波器能夠較 好的濾除焊接電流中的干擾信號(hào)，滿足實(shí)際需要。 前述的電弧擺動(dòng)焊縫跟蹤機(jī)器人的焊縫跟蹤方法，在所述步驟3)中，利用離散 積分差值法提取偏差。 前述的電弧擺動(dòng)焊縫跟蹤機(jī)器人的焊縫跟蹤方法，在所述步驟5)中，因?yàn)槠?的變化是非線性的，所以，必須在補(bǔ)償過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況，改變補(bǔ)償靈敏度，當(dāng)偏差 變化趨勢(shì)為增大時(shí)，加大補(bǔ)償靈敏度；當(dāng)偏差變化趨勢(shì)為減小時(shí)，減小補(bǔ)償靈敏度；當(dāng) 偏差基本沒(méi)有變化時(shí)，補(bǔ)償靈敏度不變。 圖1為本發(fā)明的偏差補(bǔ)償過(guò)程中補(bǔ)償?shù)钠頴'與未補(bǔ)償?shù)钠頴之間關(guān)系示意 圖；圖中斜線為e' 二e線。當(dāng)偏差值為正向增大方向變化時(shí)，沿曲線OaM進(jìn)行補(bǔ)償； 當(dāng)偏差值為正且向減小方向變化時(shí)，沿曲線MbO進(jìn)行補(bǔ)償；當(dāng)偏差值為負(fù)且向減小(絕 對(duì)值增大)方向變化時(shí)，沿曲線OdN進(jìn)行補(bǔ)償；當(dāng)偏差值為負(fù)且向增大(絕對(duì)值減小)方 向變化時(shí)，沿曲線NcO進(jìn)行補(bǔ)償；當(dāng)偏差值不變化時(shí)e' =e。這種補(bǔ)償方法，總體趨 勢(shì)為向靠近e' 二e線變化。在偏差變化方向發(fā)生變化時(shí)，補(bǔ)償量不會(huì)產(chǎn)生跳躍變化，可 以在一定的程度上保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
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同時(shí)由于焊縫跟蹤是在三維空間進(jìn)行，而計(jì)算得到的補(bǔ)償量是一維空間的量， 故還需要將其轉(zhuǎn)化為三維空間的補(bǔ)償量。圖2為本發(fā)明的計(jì)算補(bǔ)償量過(guò)程中轉(zhuǎn)化為三維 空間的補(bǔ)償量的示意圖。首先進(jìn)行橫向偏差方向上的糾偏，假定機(jī)器人示教時(shí)的軌跡是 直線P。P。，而實(shí)際的焊縫中心位于P。P' 6。假定被焊工件位于機(jī)器人基坐標(biāo)系的xoy平 面內(nèi)，每次提取出偏差后，將每次的橫向偏差方向的補(bǔ)償量s分解為機(jī)器人基坐標(biāo)系下的 向量和的形式如式(1.2)所示。
s = Kp.e (1.1) I" 二 M + A, (j 2) 其中，Kp為補(bǔ)償靈敏度，M、 A,分別為補(bǔ)償量i對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)軸分量 Ax = s sin a (1.3) Ay = s COSCt (1.4) U;屮"-arct ^ x。、 y。為示教起點(diǎn)坐標(biāo)，\、 ye為示教末點(diǎn)坐標(biāo)。 即x方向的補(bǔ)償量為Ax = Kp.e.sina(1.5)
即y方向的補(bǔ)償量為Ax = Kp.e'cosa(1.6) 再進(jìn)行高度方向上的糾偏。高度方向上的糾偏相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單。每次通過(guò)計(jì) 算先得到當(dāng)前的高度信息，再和高度方向的參考量進(jìn)行比較，獲取高度偏差方向的補(bǔ)償 量h，利用此補(bǔ)償量在z方向?qū)C(jī)器人預(yù)規(guī)劃的插補(bǔ)點(diǎn)進(jìn)行修正即可。<formula>formula see original document page 5</formula>(1,7) <formula>formula see original document page 5</formula> (1.8)即z方向的補(bǔ)償量為<formula>formula see original document page 5</formula> (1.9)
其中h—ref為高度方向的參考量。 由此便得到了三維空間中的補(bǔ)償量，可據(jù)此對(duì)機(jī)器人預(yù)規(guī)劃的插補(bǔ)點(diǎn)進(jìn)行x、 y、 z三個(gè)方向上的修正，以完成焊縫跟蹤任務(wù)。 由于焊縫跟蹤系統(tǒng)具有一定的時(shí)延，在偏差補(bǔ)償時(shí)，設(shè)計(jì)了一種根據(jù)偏差變化 趨勢(shì)調(diào)節(jié)補(bǔ)償速度的預(yù)補(bǔ)償方案。又因?yàn)楹附舆^(guò)程是一個(gè)多參數(shù)影響的復(fù)雜多變量系 統(tǒng)，對(duì)焊縫糾偏控制系統(tǒng)難于得到精確的數(shù)學(xué)模型，因此在進(jìn)行糾偏控制時(shí)采用了不確 定模型下補(bǔ)償靈敏度可調(diào)的焊縫跟蹤方法。 圖3為本發(fā)明的補(bǔ)償量計(jì)算流程圖。提取偏差作為判斷補(bǔ)償方向和是否需要補(bǔ) 償?shù)囊罁?jù)，而實(shí)際的補(bǔ)償量通過(guò)補(bǔ)償靈敏度求得。又考慮到焊縫跟蹤具有一定的時(shí)滯， 所以補(bǔ)償速度設(shè)計(jì)為可調(diào)的，調(diào)節(jié)依據(jù)為偏差的變化趨勢(shì)。即偏差變化趨勢(shì)為增大，則 加大補(bǔ)償靈敏度，偏差變化趨勢(shì)減小，則減小補(bǔ)償靈敏度。這樣既能滿足逐步補(bǔ)償，穩(wěn) 定跟蹤的目的，又能在一定的程度上對(duì)偏差進(jìn)行預(yù)判斷，預(yù)補(bǔ)償。 圖4為本發(fā)明的焊縫跟蹤過(guò)程流程圖。啟動(dòng)焊接后，信號(hào)處理模塊同時(shí)開始焊 接電流的采樣、軟件濾波、偏差提取的工作，如果存在偏差，則計(jì)算補(bǔ)償量，再用補(bǔ)償 量修正機(jī)器人的插補(bǔ)點(diǎn)；如果沒(méi)有偏差，補(bǔ)償量就為0，相當(dāng)于沒(méi)有修正插補(bǔ)點(diǎn)；最后 再發(fā)送插補(bǔ)點(diǎn)到PMAC卡，整個(gè)過(guò)程持續(xù)到焊接結(jié)束。
借鑒于帶死區(qū)的PID補(bǔ)償算法，在進(jìn)行糾偏方法設(shè)計(jì)時(shí)，本發(fā)明也設(shè)計(jì)一個(gè)死 區(qū)，當(dāng)偏差在這個(gè)死區(qū)范圍內(nèi)時(shí)，不進(jìn)行糾偏，僅當(dāng)偏差超出了該區(qū)域才進(jìn)行糾偏。
在所述步驟6)中，當(dāng)提取到偏差小于所設(shè)的閾值時(shí)，則本次補(bǔ)償量為0，直接把 累計(jì)補(bǔ)償量轉(zhuǎn)化為三維空間x、 y、 z方向上的補(bǔ)償量，然后再修正插補(bǔ)點(diǎn)，將修正后的插 補(bǔ)點(diǎn)發(fā)給PMAC ; 當(dāng)提取到的偏差大于所設(shè)的閾值時(shí)，則進(jìn)入計(jì)算本次補(bǔ)償量的過(guò)程。 本發(fā)明的上述實(shí)施例，在V形坡口對(duì)接接頭與T形角接接頭末端偏移量在10°
的情況下可實(shí)現(xiàn)有效跟蹤，焊縫成型良好，跟蹤誤差在士lmm以內(nèi)。同時(shí)，對(duì)跟蹤誤差
進(jìn)行了分析，可給出傳感器的適用范圍，為傳感器的進(jìn)一步優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。 上述實(shí)施例不以任何形式限定本發(fā)明，凡采取等同替換或等效變換的形式所獲
得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種電弧擺動(dòng)焊縫跟蹤機(jī)器人的焊縫跟蹤方法，其特征在于，包括以下步驟1)焊接開始，對(duì)焊接電流進(jìn)行采樣；2)利用數(shù)字濾波器對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波；3)提取偏差；4)根據(jù)已經(jīng)提取到的偏差值，擬合偏差方向；5)判斷偏差的變化趨勢(shì)，如果偏差為增大的趨勢(shì)，則增大補(bǔ)償靈敏度，反之減小補(bǔ)償靈敏度；6)利用提取的偏差和補(bǔ)償靈敏度計(jì)算本次補(bǔ)償量；7)更新累計(jì)補(bǔ)償量，將求得的本次補(bǔ)償量加入累計(jì)補(bǔ)償量，計(jì)算新的累計(jì)補(bǔ)償量；8)求取三維空間x、y、z方向上的補(bǔ)償量，修正插補(bǔ)點(diǎn)；9)將修正后的插補(bǔ)點(diǎn)發(fā)給PMAC。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電弧擺動(dòng)焊縫跟蹤機(jī)器人的焊縫跟蹤方法，其特征在于 在所述步驟3)中，利用離散積分差值法提取偏差。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電弧擺動(dòng)焊縫跟蹤機(jī)器人的焊縫跟蹤方法，其特征在 于在所述步驟6)中，x方向的補(bǔ)償量為Ax = Kpnina y方向的補(bǔ)償量為Ax = Kpnosaz方向的補(bǔ)償量為<formula>formula see original document page 2</formula>其中"-irctei^^， h—ref為高度方向的參考量，Kp為補(bǔ)償靈敏度，x。、 y。為示教起點(diǎn)坐標(biāo)，x。、 y。為示教末點(diǎn)坐標(biāo)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電弧擺動(dòng)焊縫跟蹤機(jī)器人的焊縫跟蹤方法，其特征在 于在所述步驟6)中，當(dāng)提取到偏差小于所設(shè)的閾值時(shí)，則本次補(bǔ)償量為0，當(dāng)提取到 的偏差大于所設(shè)的閾值時(shí)，則進(jìn)入計(jì)算本次補(bǔ)償量的步驟。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電弧擺動(dòng)焊縫跟蹤機(jī)器人的焊縫跟蹤方法，其特征在 于在所述步驟5)中，補(bǔ)償靈敏度的趨勢(shì)為向靠近e' 二e線變化。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電弧擺動(dòng)焊縫跟蹤機(jī)器人的焊縫跟蹤方法，其特征在于，包括以下步驟1)對(duì)焊接電流進(jìn)行采樣；2)利用數(shù)字濾波器對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波；3)提取偏差；4)根據(jù)已經(jīng)提取到的偏差值，擬合偏差方向；5)判斷偏差的變化趨勢(shì)，如果偏差為增大的趨勢(shì)，則增大補(bǔ)償靈敏度，反之減小補(bǔ)償靈敏度；6)利用提取的偏差和補(bǔ)償靈敏度計(jì)算本次補(bǔ)償量；7)更新累計(jì)補(bǔ)償量，將求得的本次補(bǔ)償量加入累計(jì)補(bǔ)償量，計(jì)算新的累計(jì)補(bǔ)償量；8)求取三維空間x、y、z方向上的補(bǔ)償量，修正插補(bǔ)點(diǎn)；9)將修正后的插補(bǔ)點(diǎn)發(fā)給PMAC。本發(fā)明可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而提高跟蹤精度，達(dá)到提高焊縫成型質(zhì)量的目的。
文檔編號(hào)B23K9/127GK101690989SQ20091003596
公開日2010年4月7日 申請(qǐng)日期2009年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月28日
發(fā)明者朱偉, 郭祖魁 申請(qǐng)人:昆山華恒工程技術(shù)中心有限公司