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焊接機(jī)器人焊縫跟蹤技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及趨勢
點(diǎn)擊次數(shù)：2679 發(fā)布時間：2014-10-30
焊縫跟蹤作為一門綜合性應(yīng)用技術(shù)，具有多學(xué)科交叉融合的特點(diǎn),，包括電子技術(shù),、計(jì)算機(jī)、焊接,、結(jié)構(gòu),、材料、流體,、光學(xué),、電磁等學(xué)科，國內(nèi)外眾多研究工作者投入到這一領(lǐng)域進(jìn)行研究,，從示教型焊接機(jī)器人到程序控制焊接系統(tǒng),，再到移動式自動焊縫跟蹤技術(shù)，焊接自動化的每一次進(jìn)步都顯著提高了生產(chǎn)效率,。焊接技術(shù)的自動化,、柔性化與智能化是未來焊接技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。
1 焊縫跟蹤傳感器的發(fā)展?fàn)顩r
傳感器是焊縫自動跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,。其作用是檢測出焊縫的位置和形狀信息并轉(zhuǎn)化為電信號,。控制系統(tǒng)才能對信號進(jìn)行處理,，并根據(jù)檢測結(jié)果控制自動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)整焊槍位置,，從而實(shí)現(xiàn)焊縫自動跟蹤。
弧焊用傳感器一般可分為直接電弧式,、接觸式和非接觸式三大類,。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,、電弧、光譜及光纖式等,。以下是幾種常見的焊縫跟蹤傳感器：
接觸式傳感器是zui早使用的傳感器,，其特點(diǎn)為不受電弧干擾、工作可靠,、成本低，曾在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用,，但由于跟蹤精度不高,、磨損大、易變形,，不適用于高速焊接,，目前正在被其他傳感方法取代。
聲學(xué)傳感器尤其是超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單,、精度高,、價(jià)格便宜。超聲波傳感器由超聲波發(fā)生及接收裝置組成,。超聲波傳感器的測量精度主要取決于超聲波的頻率,，頻率越高，誤差越小,，一般超聲波的頻率在1.25-2.5 MHz,。超聲波傳感器不怕焊接中的電磁、光,、煙塵干擾,，但容易受到噪聲干擾，對噪聲比較敏感,，如在CO2氣體保護(hù)焊等焊接方法的應(yīng)用中有一定的限制,。
電弧傳感器的工作原理是在焊接過程中，當(dāng)焊槍與工件之間的相對位置發(fā)生變化時,，會引起電弧電壓和電流的變化,，這些變化都可以作為特征信號被提取出來實(shí)現(xiàn)焊槍高低和左右兩個方向的跟蹤控制。
電弧傳感器以電弧本身為傳感器, 結(jié)構(gòu)簡單,，方便靈活,，不受弧光、磁場,、飛濺,、煙塵等干擾，具有響應(yīng)快、精度高,、抗干擾強(qiáng)等特點(diǎn),。但焊槍的擺動或旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，電弧各參數(shù)間耦合性很強(qiáng),，實(shí)際得到的波形未達(dá)到預(yù)期的效果,，故需要對所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，并根據(jù)大量的經(jīng)驗(yàn)來確定控制量,。對于無對稱側(cè)壁或根本無側(cè)壁的接頭形式,，現(xiàn)有的傳感器則不能識別。
光電傳感器精度高,、再現(xiàn)性好,，可以實(shí)現(xiàn)對坡口形狀、寬度和截面的檢測和焊縫跟蹤,，為焊接參數(shù)的自適應(yīng)控制提供依據(jù),。光電傳感器又可以分為基于分立光電元件的單點(diǎn)式光電傳感器和能夠獲得坡口圖像信息的視覺傳感器。
視覺傳感器采用的光電轉(zhuǎn)換器件zui簡單的是單元感光器件,，如光電二極管等,；其次是一維的感光單元線陣, 如線陣CCD（電荷耦合器件）；應(yīng)用zui多的是結(jié)構(gòu)zui復(fù)雜的二維感光單元面陣,，如線陣CCD是二維圖像的常規(guī)感光器件,，代表著目前傳感器發(fā)展的階段，因而應(yīng)用日益廣泛,。在焊接機(jī)器人各種視覺傳感器中,，CCD傳感器因其性能可靠、體積小,、價(jià)格低,、圖像清晰直觀而受到了普遍重視。根據(jù)焊接機(jī)器人視覺焊接系統(tǒng)的工作方式不同,，可將用于焊接機(jī)器人視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)的視覺傳感器分為3種：結(jié)構(gòu)光式,、激光掃描式和直接拍攝電弧式。其中,，結(jié)構(gòu)光式和激光掃描式屬于主動視覺方法,，直接拍攝電弧式則屬于被動視覺方法。
2 智能控制方法在焊縫跟蹤中的發(fā)展應(yīng)用狀況
現(xiàn)代智能控制就是主要利用人的操作經(jīng)驗(yàn),、知識和推理規(guī)則,，同時利用控制系統(tǒng)所提供的某些信息得出相應(yīng)的控制動作，以達(dá)到預(yù)期控制目的的一種控制方法,。在焊縫跟蹤系統(tǒng)中, 發(fā)展應(yīng)用狀況如下：
2.1 模糊控制方法在焊縫跟蹤中的發(fā)展應(yīng)用狀況
模糊控制是吸收了人的思維具有模糊性的特點(diǎn),，使用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù),、模糊關(guān)系、模糊推理和決策等工具得出控制動作,。模糊控制zui突出的優(yōu)點(diǎn)是無需建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,，其控制決策表和控制規(guī)則是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)先總結(jié)出來的。根據(jù)控制規(guī)則,，誤差及誤差變換率的模糊子集產(chǎn)生控制決策表,，通過決策表的直接查詢，可得到每一時刻應(yīng)施于控制系統(tǒng)的控制動作,，從而達(dá)到實(shí)時控制的目的,。在模糊控制中，需要建立模糊控制規(guī)則表,，一般通過總結(jié)實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)并經(jīng)過模糊推理得到,。
早在1985年，保加利亞的D.Lakov 提出用模糊模型描述弧焊過程的不確定性,，借助于配置的非接觸式激光傳感器，它能按示教內(nèi)容對焊縫進(jìn)行跟蹤,，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，采用模糊集概念可以進(jìn)行在線評估、預(yù)測和控制,。
日本的S.Murakami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,。
國內(nèi)北京聯(lián)合大學(xué)的曹麗婷設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中應(yīng)用新一代激光焊縫傳感器測量焊縫的位置，并采用Fuzzy-P雙模分段控制進(jìn)行焊縫的糾偏,，獲得較好的實(shí)驗(yàn)效果,。
2.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法在焊縫跟蹤中的發(fā)展應(yīng)用狀況
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是在研究人腦結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上，通過簡化,、抽象和模擬,，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，再通過相應(yīng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),，實(shí)現(xiàn)反映人腦結(jié)構(gòu)和功能來處理問題的過程控制,。目前，應(yīng)用zui廣,、基本思想zui直觀的是誤差傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及BP網(wǎng)絡(luò),，BP網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是進(jìn)行誤差逆?zhèn)鞑ィ锤鶕?jù)網(wǎng)絡(luò)的希望輸出與網(wǎng)絡(luò)實(shí)際輸出之差的誤差信號,，由輸出層經(jīng)中間層向輸入層逐層修正連接權(quán)及各單元的輸出閾值,，BP算法再求誤差函數(shù)的極小值, 通過樣本的反復(fù)訓(xùn)練并朝減少偏差的方向修改權(quán)值,，直到達(dá)到滿意的精度為止。
日本的Y.Suga等人將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用到焊縫跟蹤中,，在該系統(tǒng)中采用了視覺傳感器并用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行圖像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,。