專利名稱：：基于激光測距的集裝箱波紋板焊接軌跡檢測與控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種檢測與控制方法，尤其是一種基于激光測距的集裝箱波紋板焊接軌跡檢測與控制方法。
背景技術(shù)：
：目前，焊接軌跡控制技術(shù)的研究是焊接工業(yè)技術(shù)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一，國內(nèi)外研究前沿主要集中在如下方面一、焊接軌跡信息傳感技術(shù)；二、軌跡跟蹤控制理論與算法。在自動焊接過程中，準(zhǔn)確檢測獲取焊縫的變化是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵，其中用于焊縫跟蹤的傳感器技術(shù)越來越重要。在焊接軌跡檢測技術(shù)的研究發(fā)展中，陸續(xù)出現(xiàn)了各種不同形式的傳感器，其中接觸式傳感器、電弧傳感器和光學(xué)傳感器應(yīng)用較為普遍。接觸式傳感器將焊縫變化轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)桿或?qū)л喌奈恢米兓?，并轉(zhuǎn)化為電信號，該傳感器由于性能穩(wěn)定、成本低廉，在生產(chǎn)中曾得到廣泛應(yīng)用，但由于跟蹤精度及速度的限制，已不適合高精度、高速度的焊接領(lǐng)域；電弧傳感器以電弧本身的參數(shù)為跟蹤目標(biāo)，能實(shí)時反應(yīng)焊縫變化，但檢測精度易受焊接過程中熔滴過渡形式、飛濺的影響，尤其在對薄板焊件的對接和搭接接頭的焊接中，應(yīng)用方法較難掌握。相比之下光學(xué)傳感器以獲得信息豐富、精確度高、檢測范圍廣等特點(diǎn)，逐漸引起人們的重視，并在焊接生產(chǎn)領(lǐng)'域得到了日漸廣泛地應(yīng)用，這為焊接自動化的實(shí)現(xiàn)提供了有利條件。光學(xué)傳感器中應(yīng)用較多的為激光傳感器、紅外傳感器、視覺傳感器等，采用CCD攝像機(jī)、紅外成像儀等現(xiàn)代化圖像傳感設(shè)備及智能化的圖像處理方法，為準(zhǔn)確獲取焊縫信息提供了保證，進(jìn)一步確保了焊接過程的穩(wěn)定性和可靠性。同時隨著微處理器技術(shù)的不斷換代升級、眾多高性能微處理器的涌現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生的智能化焊縫檢測跟蹤系統(tǒng)，使焊接軌跡自動控制技術(shù)的研究進(jìn)入到了一個嶄新的階段。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于激光測距的集裝箱波紋板焊接軌跡檢測與控制方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種基于激光測距的集裝箱波紋板焊接軌跡檢測與控制方法，包括以下步驟-A.進(jìn)行軌跡檢測；系統(tǒng)初始化后，水平進(jìn)給作為主動進(jìn)給軸啟動，通過激光精密位移傳感器實(shí)時檢測波紋板的波紋軌跡，并將檢測到的焊縫初始信息數(shù)據(jù)傳送到微處理器，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、存儲；B.進(jìn)行軌跡識別；通過微處理器對數(shù)字信號進(jìn)行處理，提取焊縫的信息，同時拐點(diǎn)判斷3模塊在不斷識別當(dāng)前位置是否為拐點(diǎn)，即水平段與上坡段、下坡段的連接點(diǎn)判別；如是拐點(diǎn)，則通過改變焊接電壓、焊接電流、焊接速度、啟動擺動控制保證焊接質(zhì)量；C.進(jìn)行軌跡控制；通過微處理器根據(jù)檢測的波紋板位置變化和拐點(diǎn)判別結(jié)果，以軌跡數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對軌跡進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，對各坐標(biāo)軸進(jìn)行實(shí)時控制；D.最后通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作來調(diào)節(jié)焊槍與焊縫之間的相對位置關(guān)系，即用電機(jī)帶動升降軸絲杠做上下調(diào)節(jié)，從而達(dá)到焊縫跟蹤的目的；在整個系統(tǒng)運(yùn)行過程中，對焊接電壓和電流實(shí)時顯示。所述步驟A中的通過激光精密位移傳感器實(shí)時檢測波紋板的波紋軌時采用非接觸檢測方式。所述步驟B中水平段、上坡段和下坡段焊接工藝參數(shù)為獨(dú)立設(shè)定。所述步驟B中水平段、上坡段和下坡段焊接工藝參數(shù)平滑轉(zhuǎn)換控制。所述步驟B中拐點(diǎn)的判別具體通過判斷采集數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離程度的大小，區(qū)分屬于不同坡段的數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后在各自所屬段內(nèi)進(jìn)行線性擬合。本發(fā)明通過激光傳感器獲取焊縫的信息，在經(jīng)過有效的濾波處理后進(jìn)行軌跡擬合，實(shí)現(xiàn)軌跡的檢測，同時結(jié)合最小偏差法的軌跡插補(bǔ)算法，從根本上解決波紋板自動焊接中的軌跡檢測控制這一問題。本發(fā)明還對拐點(diǎn)的焊接參數(shù)的平滑轉(zhuǎn)換進(jìn)行詳細(xì)了說明，并提出了平滑程度可調(diào)的拐點(diǎn)參數(shù)變換方法。經(jīng)采用本發(fā)明的方法現(xiàn)場試焊，軌跡跟蹤效果達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，提高了集裝箱波紋板焊接質(zhì)量和焊接效率，改善了勞動環(huán)境;軌跡控制精度小于0.2mm;焊接速度是手工焊接的3倍以上；焊縫平滑度高、成型均勻、一致性好；人機(jī)交互友好，一線操作人員只需簡單操作即可實(shí)現(xiàn)自動焊接。圖l是本發(fā)明總體流程圖；圖2是功能參數(shù)選擇設(shè)置程序流程；圖3是波紋板原始采集數(shù)據(jù)點(diǎn)分布圖；圖4是中值濾波后數(shù)據(jù)點(diǎn)分布圖5是滑動濾波后數(shù)據(jù)點(diǎn)分布圖6是自適應(yīng)濾波后數(shù)據(jù)點(diǎn)分布圖；圖7是滑動方差分布圖8是上坡段的直線擬合圖圖9是分段線性擬合圖IO是焊接電壓平滑過渡過程圖ll是焊接電流平滑過渡過程4圖12是焊接速度平滑過渡過程圖；圖13是預(yù)定的插補(bǔ)進(jìn)給方向圖；圖14是采用最小偏差法的插補(bǔ)軌跡圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。一種基于激光測距的集裝箱波紋板焊接軌跡檢測與控制方法，包括以下步驟A.進(jìn)行軌跡檢測；系統(tǒng)初始化后，水平進(jìn)給作為主動進(jìn)給軸啟動，通過激光精密位移傳感器實(shí)時檢測波紋板的波紋軌跡，并將檢測到的焊縫初始信息數(shù)據(jù)傳送到微處理器，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、存儲；B。進(jìn)行軌跡識別；通過微處理器對數(shù)字信號進(jìn)行處理，提取焊縫的信息，同時拐點(diǎn)判斷模塊在不斷識別當(dāng)前位置是否為拐點(diǎn)，即水平段與上坡段、下坡段的連接點(diǎn)判別；如是拐點(diǎn)，則通過改變焊接電壓、焊接電流、焊接速度、啟動擺動控制保證焊接質(zhì)量；C.進(jìn)行軌跡控制；通過微處理器根據(jù)檢測的波紋板位置變化和拐點(diǎn)判別結(jié)果，以軌跡數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對軌跡進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，對各坐標(biāo)軸進(jìn)行實(shí)時控制；D.最后通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作來調(diào)節(jié)焊槍與焊縫之間的相對位置關(guān)系，即用電機(jī)帶動升降軸絲杠做上下調(diào)節(jié)，從而達(dá)到焊縫跟蹤的目的；在整個系統(tǒng)運(yùn)行過程中，對焊接電壓和電流實(shí)時顯示。所述步驟A中的通過激光精密位移傳感器實(shí)時檢測波紋板的波紋軌時采用非接觸檢測方式。所述步驟B中水平段、上坡段和下坡段焊接工藝參數(shù)為獨(dú)立設(shè)定。所述步驟B中水平段、上坡段和下坡段焊接工藝參數(shù)平滑轉(zhuǎn)換控制。所述步驟B中拐點(diǎn)的判別具體通過判斷采集數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離程度的大小，區(qū)分屬于不同坡段的數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后在各自所屬段內(nèi)進(jìn)行線性擬合。l.程序總體流程首先系統(tǒng)初始化后,水平進(jìn)給作為主動進(jìn)給軸啟動,數(shù)據(jù)采集模塊開始采集波紋軌跡，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、存儲后，以此軌跡數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對軌跡進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，并驅(qū)動電機(jī)做相應(yīng)的調(diào)整，同時拐點(diǎn)判斷模塊在不斷識別當(dāng)前位置是否為拐點(diǎn)，如是拐點(diǎn)，則通過改變焊接電壓、焊接電流、焊接速度、啟動擺動控制等來保證焊接質(zhì)量。整個系統(tǒng)運(yùn)行過程中，對焊接電壓、電流進(jìn)行了實(shí)時顯示。如圖1所示。程序組織實(shí)現(xiàn)1)。參數(shù)設(shè)置利用編碼器的微動開關(guān)來選擇參數(shù)，當(dāng)按下一次時為功能l，按下兩次時為功能2……，5參數(shù)說明信息及參數(shù)值同時在數(shù)碼管上顯示，當(dāng)左旋/右旋編碼器柄時，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的大小調(diào)整，參數(shù)調(diào)整后，若在參數(shù)調(diào)節(jié)界面5秒內(nèi)不做任何操作，參數(shù)調(diào)節(jié)模式自動退出，同時將變化的參數(shù)存入單片機(jī)的EEPROM。如圖2所示。2).通訊模塊系統(tǒng)在整個運(yùn)行過程中，需要與焊機(jī)進(jìn)行不斷的通信；焊機(jī)初始化通信，啟動/停止焊機(jī),焊接規(guī)范的變換等，與焊機(jī)初始化通信為系統(tǒng)上電后，對焊絲直徑、是否實(shí)心焊絲、焊機(jī)控制方式等焊接信息進(jìn)行設(shè)置；在焊接開始和結(jié)束要對焊機(jī)發(fā)送啟動/停止指令；在焊接過程中,如上坡段需要變換焊接規(guī)范，則需要控制焊機(jī)準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)焊接電壓、電流的變換。由此可見在整個系統(tǒng)運(yùn)行過程中，對通訊的準(zhǔn)確性、時效性要求較高，在程序?qū)崿F(xiàn)過程中這就要求實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與焊機(jī)的握手通信以對傳送信息進(jìn)行確認(rèn)，如當(dāng)焊機(jī)接受數(shù)據(jù)，且校驗(yàn)正確，則回發(fā)系統(tǒng)一個確認(rèn)信息，若焊機(jī)對接受數(shù)據(jù)校驗(yàn)錯誤，則回發(fā)系統(tǒng)一個要求重發(fā)的信息，此種回發(fā)確認(rèn)機(jī)制提高了信息最終接受的準(zhǔn)確性。在具體的通信操作過程中，存在多種實(shí)現(xiàn)方式，如下函數(shù)即采用查詢方式從USART發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的，查詢方式不僅效率低，而且會丟失數(shù)據(jù)，不能實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的并行處理，降低系統(tǒng)的效率。為了在數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受的空余時間，使系統(tǒng)可以并行進(jìn)行其他的運(yùn)算與處理，同時為了提高通訊的可靠性，程序中采用了雙中斷+雙緩沖方式實(shí)現(xiàn)高速異步串口通信的方式，充分利用了AVR的高速和RAM空間大的優(yōu)點(diǎn)，體現(xiàn)出了優(yōu)點(diǎn)結(jié)合的程序設(shè)計思想。采用兩個16字節(jié)的接收和發(fā)送緩沖器來提高M(jìn)CU的運(yùn)行效率，當(dāng)主程序調(diào)用發(fā)送數(shù)據(jù)子程序時，如果USART發(fā)送口不空閑，即正在發(fā)送數(shù)據(jù)時，則將待發(fā)送數(shù)據(jù)放入發(fā)送緩沖器中，MCU不必等待當(dāng)前發(fā)送結(jié)束，可以轉(zhuǎn)而繼續(xù)執(zhí)行其它的任務(wù)。當(dāng)USART的硬件發(fā)送完一個數(shù)據(jù)后，會產(chǎn)生一個發(fā)送完成中斷，在中斷服務(wù)程序中將發(fā)送緩沖器中數(shù)據(jù)再依次送出；當(dāng)主程序調(diào)用接受數(shù)據(jù)時，如果USART接收數(shù)據(jù)口正在接受數(shù)據(jù)，MCU無法獲得完整的所需數(shù)據(jù)，此時MCU也不必等待當(dāng)前接受過程的結(jié)束，可以繼續(xù)執(zhí)行其它的任務(wù)。當(dāng)USART的硬件將待接收數(shù)據(jù)放入接收緩沖器中，接收數(shù)據(jù)完成后，會產(chǎn)生一個接受完成中斷,在中斷服務(wù)程序中將緩沖器中數(shù)據(jù)提供給主程序使用。這種通訊方式為系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)提供了保障。3).顯示模塊采用數(shù)碼管驅(qū)動及控制芯片CH451搭建的硬件顯示電路，盡管電路連接上較為簡單，但需要程序代碼的充分支撐，除了要對其進(jìn)行初始化外，還需要相關(guān)函數(shù)的調(diào)用。在CH451上電復(fù)位之后，單片機(jī)必須在DCLK輸出串行時鐘之前，先在DIN上輸出一個低電平脈沖(由高電平變?yōu)榈碗娖皆倩謴?fù)為高電平)，通知CH451使能其串行接口。DCLK用于提供數(shù)據(jù)傳輸所需串行時鐘，CH451在DCLK脈沖序列的上升沿從DIN接收數(shù)據(jù)，在其下降沿從DOUT輸出數(shù)據(jù)，本文只需一片CH451即可滿足需求，所以DOUT引腳未用。CH451內(nèi)部采用的是12位的移位寄存器來接收數(shù)據(jù)，在DCLK脈沖序列的上升沿，DIN引腳上的一位數(shù)據(jù)被移入移位寄存器的最高一位。CH451允許通過DCLK引腳的輸入的串行時鐘頻率在10MHz以上，以保證實(shí)現(xiàn)高速的串行輸入輸出操作。4).數(shù)據(jù)濾波模塊由于系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境中存在各種不可預(yù)期的干擾，焊接過程非常復(fù)雜，如弧光干擾、電磁干擾、機(jī)械振動等均會對系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果產(chǎn)生影響，尤其是在采集波紋板波形數(shù)據(jù)噪聲特別明顯，如不對其加一定的處理，有時甚至是識別不出波紋軌跡，為了避免這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，需要在外部采用硬件電路進(jìn)行濾波，通常還需要通過采集程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行軟處理，常用的方法有限幅濾波法、中值濾波法、算術(shù)平均濾波法、滑動平均濾波法等i限幅濾波法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷確定兩次采樣值之間所允許的最大偏差值e，當(dāng)檢測到下一個新值時判斷本次值與上次值之差的絕對值A(chǔ)是否小于等于e，如滿足A《"則檢測到的新采樣值有效。如A2e，則檢測到的新采樣值無效，放棄該值，用上次值代替本次采樣值，這種濾波方式能有效克服因偶然因素引起的尖峰脈沖干擾，但對周期性干擾的抑制能力差。中值濾波法首先把連續(xù)采樣N次(N—般取為奇數(shù))采樣值按大小排列順序，取中間值為本次有效值。這種濾波方式能有效克服因偶然因素引起的波動干擾，對溫度、液位的變化緩慢的被測參數(shù)有良好的濾波效果。但對流量、速度等快速變化的參數(shù)不宜。算術(shù)平均濾波法是對連續(xù)N個采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算。N的選取對信號平滑度、靈敏度都有影響，實(shí)際使用需根據(jù)實(shí)際情況對N的選取對N迸行選取，這種濾波方式適用于對一般具有隨機(jī)干擾的信號進(jìn)行濾波，這樣信號的特點(diǎn)是有一個平均值，信號在某一數(shù)值范圍附近上下波動，對于要求數(shù)據(jù)計算處理速度較快的實(shí)時控制不適用，比較浪費(fèi)機(jī)時?；瑒悠骄鶠V波法是把連續(xù)取N個采樣值看成一個隊列，隊列的長度固定為N(預(yù)先選定)，將每次采樣所獲得的值壓入隊列，即將新數(shù)據(jù)放入隊尾，并丟掉原來隊首的一個數(shù)據(jù)，然后把隊列中的N個數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，獲得新的濾波值，這種濾波方式對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，適用于高頻振蕩的系統(tǒng)。但靈敏度低，對偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用較差，不易消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。本發(fā)明采用的濾波方式充分考慮了上述濾波方式所存在的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行過程中干擾的主要來源及變化，對采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行了如下的自適應(yīng)濾波處理對每次采樣到的新數(shù)據(jù)先進(jìn)行限幅處理；設(shè)置一個濾波區(qū)間[(11,(12，(13......(11￡],其長度為k，di表示當(dāng)前采樣值。計算濾波區(qū)間的樣本方差值，將每次計算值與預(yù)先設(shè)定的濾波算法識別閥值K^K+、Kg進(jìn)行比較在當(dāng)前濾波區(qū)間，根據(jù)濾波區(qū)間樣本方差值的不同，自動選擇采用不同的濾波方式，即分別選用了滑動平均濾波處理、中值濾波、算術(shù)平均濾波法。由于在上坡和下坡段數(shù)據(jù)變化較為明顯，為了獲得較髙的靈敏度，在濾波區(qū)間方差值較大時，N的值適當(dāng)取小些。由圖3可以看出，原始數(shù)據(jù)點(diǎn)含有明顯的噪聲，不能直接應(yīng)用于拐點(diǎn)的判斷和運(yùn)動控制，為保證準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)的軌跡檢測與控制，必須進(jìn)行濾波處理。以下是本發(fā)明所采用的自適應(yīng)濾波算法與單純采用中值濾波算法、單純采用滑動平均濾波算法后的的濾波數(shù)據(jù)點(diǎn)分布圖。從圖4中我們可以看出，中值濾波后數(shù)據(jù)的平滑效果不是很好，同時在坡段上存在數(shù)據(jù)點(diǎn)丟失的現(xiàn)象，但中值濾波在水平段濾波效果可以滿足要求。如圖5所示，滑動平均濾波后數(shù)據(jù)在坡段上分布較平穩(wěn)，濾波效果較好，但在坡段連接處(拐點(diǎn))附近，棱角細(xì)節(jié)丟失嚴(yán)重，給拐點(diǎn)的識別帶來困難。如圖6所示，自適應(yīng)濾波算法在坡段上及在拐點(diǎn)的棱角部分整體表現(xiàn)出較好的濾波特征，為進(jìn)一步拐點(diǎn)識別做好了基礎(chǔ)。2.焊槍軌跡的擬合在實(shí)驗(yàn)和勘測中，常常會產(chǎn)生大量的測量數(shù)據(jù)。為了根據(jù)這些數(shù)據(jù)做出分析、預(yù)測和判斷，給決策者和執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供重要的執(zhí)行依據(jù)，需要對所得測量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，即尋找一個反映數(shù)據(jù)變化規(guī)律的函數(shù)。如給定一組有序的數(shù)據(jù)點(diǎn)Pj，i=0，l,2,，"，ii，這些點(diǎn)可以是從某個形狀上測量得到的，也可以是設(shè)計員給出的。要求構(gòu)造一條曲線順序通過這些數(shù)據(jù)點(diǎn)，稱為對這些數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行插值(interpolation),所構(gòu)造的曲線稱為插值曲線。構(gòu)造一條曲線使之在某種意義下最為接近構(gòu)造的曲線稱為逼近(approximation),所構(gòu)造的曲線稱為逼近曲線。數(shù)據(jù)擬合與數(shù)據(jù)插值不同在于，數(shù)據(jù)擬合所處理的數(shù)據(jù)量大而且不能保證每一個數(shù)據(jù)沒有誤差，所以要求一個函數(shù)嚴(yán)格通過每一個數(shù)據(jù)點(diǎn)是不合理的。數(shù)據(jù)擬合方法求擬合函數(shù)，插值方法求插值函數(shù)。數(shù)學(xué)模型需要建立在合理模型假設(shè)的基礎(chǔ)上，選擇某種類型的擬合函數(shù)使之符合數(shù)據(jù)變化的趨勢是假設(shè)合理性的首先體現(xiàn)。擬合函數(shù)的選擇比較靈活，可以選擇線性函數(shù)、多項式函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)或其它函數(shù)，這應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)分布趨勢和實(shí)際需要做出選擇。本文中對各個坡段釆用的是分坡段的線性擬合(分段線性模型)方法，來獲取焊縫信息假設(shè)各坡段擬合函數(shù)是線性函數(shù)，即擬合函數(shù)的圖形是一條平面上的直線。由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差，測量的數(shù)據(jù)點(diǎn)未能精確地落在一條直線上。在擬合運(yùn)算以前，首要確定的是參與當(dāng)前擬合的點(diǎn)集，即滿足什么條件的數(shù)據(jù)點(diǎn)可以擬合一條均方根誤差較小的直線模型，也即需要判斷波紋板拐點(diǎn)位置以分別在水平段、上坡段、下坡段分別作線性擬合。本文采取的是通過判斷樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)的偏離程度的大小方法，區(qū)分屬于不同段的數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后在各自所屬段內(nèi)進(jìn)行線性擬合。樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)的偏離程度用樣本的方差來描述，該值大小描述變量離散程度，是衡量一個樣本波動大小的量，樣本方差越大，樣本數(shù)據(jù)的波動就越大。根據(jù)這一特性，在拐點(diǎn)判別中，為觀測樣本點(diǎn)的數(shù)據(jù)離散程度，對濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行窗口滑動求方差處理，首先獲得n個數(shù)據(jù)點(diǎn)(系統(tǒng)從水平段開始啟動)，并計算方差值作為初值，然后用長度為n的窗口在觀測數(shù)據(jù)區(qū)間上移動，每次移動時重新計算該窗口區(qū)間對應(yīng)的方差^f，并與上一個窗口區(qū)間的數(shù)據(jù)方差《對比，對比原則為若rf新:^^g且，2，則認(rèn)定本次進(jìn)入窗口的新數(shù)據(jù)點(diǎn)(即窗口隊列的首位置)所在位置為拐點(diǎn)位置；若/j;《i^且，2,,則認(rèn)定位于窗口隊列的末位置(下一次滑動該數(shù)據(jù)即將移出窗口)數(shù)據(jù)點(diǎn)所對應(yīng)位^7拐點(diǎn)位置，其中的大小與工作環(huán)境干擾、波紋板的坡度有關(guān)。采用本方法對波紋板的拐點(diǎn)識別加以實(shí)現(xiàn)，以起點(diǎn)為原點(diǎn)，傳感器運(yùn)動方向?yàn)閄軸，波紋板高度方向?yàn)閅方向建立坐標(biāo)系，識別過程中取11=6，"s=12,首先用滑動窗口觀測整個數(shù)據(jù)集，得到滑動方差分布，如圖7所示下面進(jìn)行拐點(diǎn)的識別判斷，的第一個拐點(diǎn)的識別過程如下表2-3窗口滑動方差表(單位0,lmm)<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>在比較窗口5和窗口6的方差可知，《<《且^=20.16792、=12,由判斷原則可知本次進(jìn)入窗口的新數(shù)據(jù)點(diǎn)(即第六個窗口隊列的首位疊)所在位置m31為拐點(diǎn)位置，且由均值變化趨勢可以判斷該點(diǎn)為上坡起點(diǎn)。確定拐點(diǎn)以后，下一步是分段確定擬合函數(shù)少=0^+6,就是以a和6作為待定系數(shù)，確定一條平面直線，使得表中數(shù)據(jù)所對應(yīng)的點(diǎn)集盡可能地靠近這條直線。由最小二乘法可得關(guān)于未知數(shù)afnb的線性方程組(n為待擬合的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù))<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>求解這個二元線性方程組即可得待定系數(shù)a^Pb,從而得線性擬合函數(shù)。圖8中直線是上坡段數(shù)據(jù)點(diǎn)的線性擬合的結(jié)果。線性模型為少-0.3463義+147.5,擬合的均方根誤差RMSE為4.269。從實(shí)際效果來看，對濾波后的數(shù)據(jù)采用直線擬合方法獲得波紋分段曲線符合波紋板實(shí)際輪廓。圖9為整體的擬合結(jié)果具體分段擬合模型為表24分段擬合模型表<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>3.焊接電壓、電流、速度的平滑轉(zhuǎn)換由于焊接工藝的要求，在各個坡段需要采取不同的焊接速度、焊接電壓、焊接電流，尤其在上坡段，如下圖所示在采用同一焊接速度、焊接電壓、焊接電流時的焊接成型實(shí)體圖，從圖中可以看到上坡焊接質(zhì)量完全達(dá)不到要求，由此可見焊接參數(shù)變換的重要性。在拐點(diǎn)附近焊接參數(shù)進(jìn)行變換，焊接參數(shù)的突跳帶來不利因素是一、影響拐點(diǎn)處焊接質(zhì)量，二、對焊機(jī)性能的沖擊；為了消除上述不利因素，使坡段拐點(diǎn)附近的焊接參數(shù)的變化不呈現(xiàn)出階躍性，通過使用一個滑動窗口對拐點(diǎn)左右兩邊的焊接參數(shù)進(jìn)行平滑變換，滑動窗口的長度決定了平滑的程度，具體原理如下表2-5電壓位置分布表(單位V)<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>如上表所示，拐點(diǎn)存在于X4與X5之間，為了說明原理，選用了長度為5的滑動窗口，即在X;位置的實(shí)際電壓為X,+X2+X3+X4+X5一.5215.4VX,位置的實(shí)際電壓為X,位置的實(shí)際電壓為X3+X4+《5+X6+X7199.8V=184.2Vx6位置的實(shí)際電壓為2Ltl^l^±2^!2^=i68.6v乂7位置的實(shí)際電壓為&+&+:^+乂8+&-=153.(^從各位置電壓的取值看，該方式起到了對焊接電壓變化的緩沖的作用，由于選取的窗口長度5，電壓的變化幅度仍較大，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大窗口的長度。下面圖io、圖n、圖12是選取的窗口長度15時電壓、電流、焊接速度的變化過程圖，從圖中可以看出原先參數(shù)的突變都經(jīng)過的一個緩沖，保證了拐點(diǎn)處的焊接質(zhì)量，提高了對焊機(jī)的保護(hù)水平。下表是在拐點(diǎn)附近位置34個數(shù)據(jù)點(diǎn)上的焊接參數(shù)變化表2-6焊接參數(shù)變化表<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>4.軌跡插補(bǔ)控制插補(bǔ)算法是數(shù)控系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，插補(bǔ)運(yùn)算是計算機(jī)數(shù)控中重要的計算任務(wù)之一。插補(bǔ)計算必須是實(shí)時的，即必須在有限的時間內(nèi)完成計算任務(wù)。插補(bǔ)程序的運(yùn)行時間和計算精度影響著整個系統(tǒng)的控制精度、速度及加工能力等性能指標(biāo)。插補(bǔ)計算就是數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)輸入的基本數(shù)據(jù)，如直線終點(diǎn)坐標(biāo)值、圓弧起點(diǎn)、圓心、終點(diǎn)坐標(biāo)值、進(jìn)給速度等，通過計算，將工件輪廓的形狀描述出來，邊計算邊根據(jù)計算結(jié)果向各坐標(biāo)發(fā)出進(jìn)給指令。插補(bǔ)實(shí)際上就是數(shù)據(jù)密化的過程。插補(bǔ)可用硬件和軟件來實(shí)現(xiàn)。在計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(CNC)中，插補(bǔ)工作一般由軟件完成。也有用軟件進(jìn)行粗插補(bǔ)，用硬件進(jìn)行細(xì)插補(bǔ)的CNC系統(tǒng)。軟件插補(bǔ)方法分為兩類，即脈沖增量插補(bǔ)法和數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法。對焊槍的運(yùn)動控制采用的插補(bǔ)算法是基于最小偏差法，如下圖所示，在上坡段每插補(bǔ)一步要試算三種情況的誤差，即需比較單獨(dú)X軸進(jìn)給或單獨(dú)Y軸進(jìn)給或X軸和Y軸同時進(jìn)給三種情況下，若本次插補(bǔ)結(jié)束，焊槍末端離給定直線的偏差，并選擇偏差較小的一個方向做為焊槍的進(jìn)給方向。如下圖所示，三個方向①、②、③分別作為預(yù)定待選的進(jìn)給方向，具體選定由各進(jìn)給方向的偏差決定；下坡段預(yù)定進(jìn)給方向?yàn)閳DI3中的③、④、。在波紋板的坡度^接近45度的前提下，采用此方法可以獲得更高的插補(bǔ)精度和運(yùn)算速度，在保證插補(bǔ)精度的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高了插補(bǔ)的效率。采用最小偏差法的插補(bǔ)軌跡進(jìn)給方式不會象逐點(diǎn)比較法那樣在x方向或y方向急劇變化，特別是在一段內(nèi)(如圖14中的GH段)可以實(shí)現(xiàn)恒速進(jìn)給的，這對焊接成型質(zhì)量是有利的。權(quán)利要求1.一種基于激光測距的集裝箱波紋板焊接軌跡檢測與控制方法，其特征在于，包括以下步驟A.進(jìn)行軌跡檢測；系統(tǒng)初始化后，水平進(jìn)給作為主動進(jìn)給軸啟動，通過激光精密位移傳感器實(shí)時檢測波紋板的波紋軌跡，并將檢測到的焊縫初始信息數(shù)據(jù)傳送到微處理器，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、存儲；B.進(jìn)行軌跡識別；通過微處理器對數(shù)字信號進(jìn)行處理，提取焊縫的信息，同時拐點(diǎn)判斷模塊在不斷識別當(dāng)前位置是否為拐點(diǎn)，即水平段與上坡段、下坡段的連接點(diǎn)判別；如是拐點(diǎn)，則通過改變焊接電壓、焊接電流、焊接速度、啟動擺動控制保證焊接質(zhì)量；C.進(jìn)行軌跡控制；通過微處理器根據(jù)檢測的波紋板位置變化和拐點(diǎn)判別結(jié)果，以軌跡數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對軌跡進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，對各坐標(biāo)軸進(jìn)行實(shí)時控制；D.最后通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作來調(diào)節(jié)焊槍與焊縫之間的相對位置關(guān)系，即用電機(jī)帶動升降軸絲杠做上下調(diào)節(jié)，從而達(dá)到焊縫跟蹤的目的；在整個系統(tǒng)運(yùn)行過程中，對焊接電壓和電流實(shí)時顯示。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光測距的集裝箱波紋板焊接軌跡檢測與控制方法，其特征在于所述步驟A中的通過激光精密位移傳感器實(shí)時檢測波紋板的波紋軌時采用非接觸檢測方式。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光測距的集裝箱波紋板焊接軌跡檢測與控制方法，其特征在于所述步驟B中水平段、上坡段和下坡段焊接工藝參數(shù)為獨(dú)立設(shè)定。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光測距的集裝箱波紋板焊接軌跡檢測與控制方法，其特征在于所述步驟B中水平段、上坡段和下坡段焊接工藝參數(shù)平滑轉(zhuǎn)換控制。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光測距的集裝箱波紋板焊接軌跡檢測與控制方法，其特征在于所述步驟B中拐點(diǎn)的判別具體通過判斷采集數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離程度的大小，區(qū)分屬于不同坡段的數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后在各自所屬段內(nèi)進(jìn)行線性擬合。全文摘要本發(fā)明涉及一種基于激光測距的集裝箱波紋板焊接軌跡檢測與控制方法，包括以下步驟A.進(jìn)行軌跡檢測；B.進(jìn)行軌跡識別；C.進(jìn)行軌跡控制；D.最后通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作來調(diào)節(jié)焊槍與焊縫之間的相對位置關(guān)系。本發(fā)明通過激光位移傳感器獲取焊縫的信息，在經(jīng)過有效的濾波處理后進(jìn)行軌跡擬合，實(shí)現(xiàn)軌跡的檢測，同時結(jié)合最小偏差法的軌跡插補(bǔ)算法，從根本上解決波紋板自動焊接中的軌跡檢測控制這一問題。本發(fā)明還對拐點(diǎn)的焊接參數(shù)的平滑轉(zhuǎn)換進(jìn)行詳細(xì)了說明，并提出了平滑程度可調(diào)的拐點(diǎn)參數(shù)變換方法。經(jīng)采用本發(fā)明的方法現(xiàn)場試焊，軌跡跟蹤效果達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，提高了集裝箱波紋板焊接質(zhì)量和焊接效率，改善了勞動環(huán)境。文檔編號G01B11/02GK101559513SQ20091001561公開日2009年10月21日申請日期2009年5月21日優(yōu)先權(quán)日2009年5月21日發(fā)明者濤劉,張光先,田新誠申請人:山東大學(xué)