CN101690989B - 电弧摆动焊缝跟踪机器人的焊缝跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电弧摆动焊缝跟踪机器人的焊缝跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：1)对焊接电流进行采样；2)利用数字滤波器对采样数据进行滤波；3)提取偏差；4)根据已经提取到的偏差值，拟合偏差方向；5)判断偏差的变化趋势，如果偏差为增大的趋势，则增大补偿灵敏度，反之减小补偿灵敏度；6)利用提取的偏差和补偿灵敏度计算本次补偿量；7)更新累计补偿量，将求得的本次补偿量加入累计补偿量，计算新的累计补偿量；8)求取三维空间x、y、z方向上的补偿量，修正插补点；9)将修正后的插补点发给PMAC。本发明可以保证系统的稳定性，从而提高跟踪精度，达到提高焊缝成型质量的目的。

Description

电弧摆动焊缝跟踪机器人的焊缝跟踪方法

技术领域

本发明涉及一种电弧摆动焊缝跟踪机器人的焊缝跟踪方法，属于机械自动控制技术领域。

背景技术

焊缝跟踪是焊接自动化的前提和重要保证，对于机器人焊接系统而言，焊缝跟踪无疑对于提高焊接质量起着很大的作用，而如何进行焊缝跟踪成了关键的课题。弧焊机器人焊缝跟踪过程是一个多参数影响的复杂系统，其中存在着大量不确定性因素的影响，如焊接工件坡口的加工精度、装配精度、焊接过程中的热、电弧力、磁偏吹等导致的焊件变形、机器人示教的准确性、机器人的重复精度等等。由于焊接过程的非线性，焊接过程的建模工作比线性系统复杂得多、困难得多。虽然近年来研究人员利用各种方法建立了一些较为精确的模型，但计算过程需要花费较长的时间，而且不一定能满足实时控制的要求。因此，以精确数学模型为设计基础的经典控制理论及现代控制理论在焊接过程自动控制中都遇到了严重的挑战。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高精度的电弧摆动焊缝跟踪机器人的焊缝跟踪方法，以进一步提高焊缝成型质量。

为解决上述技术问题，本发明提供一种电弧摆动焊缝跟踪机器人的焊缝跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)焊接开始，对焊接电流进行采样；

2)利用数字滤波器对采样数据进行滤波；

3)提取偏差；

4)根据已经提取到的偏差值，拟合偏差方向；

5)判断偏差的变化趋势，如果偏差为增大的趋势，则增大补偿灵敏度，反之减小补偿灵敏度；

6)利用提取的偏差和补偿灵敏度计算本次补偿量；

7)更新累计补偿量，将求得的本次补偿量加入累计补偿量，计算新的累计补偿量；

8)求取三维空间x、y、z方向上的补偿量，修正插补点；

9)将修正后的插补点发给PMAC。

在所述步骤6)中，

x方向的补偿量为：Δx＝Kp·e·sinα

y方向的补偿量为：Δx＝Kp·e·cosα

z方向的补偿量为：Δz＝H-h_ref

其中

h_ref为高度方向的参考量，K_p为补偿灵敏度，x₀、y₀为示教起点坐标，x_e、y_e为示教末点坐标，H为计算得到的当前的高度信息。

本发明所达到的有益效果：

本发明的电弧摆动焊缝跟踪机器人的焊缝跟踪方法，通过改变补偿灵敏度，在偏差变化方向发生变化时，补偿量不会产生跳跃变化，可以在一定的程度上保证系统的稳定性，从而提高跟踪精度，达到提高焊缝成型质量的目的。

附图说明

图1为本发明的偏差补偿过程中补偿的偏差e′与未补偿的偏差e之间关系示意图；

图2为本发明的计算补偿量过程中转化为三维空间的补偿量的示意图；

图3为本发明的补偿量计算流程图；

图4为本发明的焊缝跟踪过程流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明涉及一种电弧摆动焊缝跟踪机器人的焊缝跟踪方法，包括以下步骤：

1)焊接开始，对焊接电流进行采样；

2)利用数字滤波器对采样数据进行滤波；

3)提取偏差；

4)根据已经提取到的偏差值，拟合偏差方向；

5)判断偏差的变化趋势，如果偏差为增大的趋势，则增大补偿灵敏度，反之减小补偿灵敏度；

6)利用提取的偏差和补偿灵敏度计算本次补偿量；

7)更新累计补偿量，将求得的本次补偿量加入累计补偿量，计算新的累计补偿量；

8)求取三维空间x、y、z方向上的补偿量，修正插补点；

9)将修正后的插补点发给PMAC。

在电弧摆动焊缝跟踪系统中，偏差信息的识别是焊缝跟踪的基础。因此如何获取准确的偏差信息是尤为关键。

前述的电弧摆动焊缝跟踪机器人的焊缝跟踪方法，在所述步骤2)中，本发明利用局部均值滤波和改进的滑动中值滤波两种方法相结合的数字滤波器，该滤波器能够较好的滤除焊接电流中的干扰信号，满足实际需要。

前述的电弧摆动焊缝跟踪机器人的焊缝跟踪方法，在所述步骤3)中，利用离散积分差值法提取偏差。

前述的电弧摆动焊缝跟踪机器人的焊缝跟踪方法，在所述步骤5)中，因为偏差的变化是非线性的，所以，必须在补偿过程中根据实际情况，改变补偿灵敏度，当偏差变化趋势为增大时，加大补偿灵敏度；当偏差变化趋势为减小时，减小补偿灵敏度；当偏差基本没有变化时，补偿灵敏度不变。

图1为本发明的偏差补偿过程中补偿的偏差e′与未补偿的偏差e之间关系示意图；图中斜线为e′＝e线。当偏差值为正向增大方向变化时，沿曲线0aM进行补偿；当偏差值为正且向减小方向变化时，沿曲线Mb0进行补偿；当偏差值为负且向减小(绝对值增大)方向变化时，沿曲线0dN进行补偿；当偏差值为负且向增大(绝对值减小)方向变化时，沿曲线Nc0进行补偿；当偏差值不变化时e′＝e。这种补偿方法，总体趋势为向靠近e′＝e线变化。在偏差变化方向发生变化时，补偿量不会产生跳跃变化，可以在一定的程度上保证系统的稳定性。

同时由于焊缝跟踪是在三维空间进行，而计算得到的补偿量是一维空间的量，故还需要将其转化为三维空间的补偿量。图2为本发明的计算补偿量过程中转化为三维空间的补偿量的示意图。首先进行横向偏差方向上的纠偏，假定机器人示教时的轨迹是直线P₀P_e，而实际的焊缝中心位于P₀P′_e。假定被焊工件位于机器人基坐标系的xoy平面内，每次提取出偏差后，将每次的横向偏差方向的补偿量s分解为机器人基坐标系下的向量和的形式如式(1.2)所示。

s＝K_p·e                            (1.1)

$\stackrel{\→}{s}=\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{x}+\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{y}---\left(1.2\right)$

其中，K_p为补偿灵敏度，

分别为补偿量对应的坐标轴分量：

Δx＝s·sinα                          (1.3)

Δy＝s·cosα                          (1.4)

其中

x₀、y₀为示教起点坐标，x_e、y_e为示教末点坐标。

即x方向的补偿量为：Δx＝Kp·e·sinα      (1.5)

即y方向的补偿量为：Δy＝Kp·ecosα         (1.6)

再进行高度方向上的纠偏。高度方向上的纠偏相对来说比较简单。每次通过计算先得到当前的高度信息，再和高度方向的参考量进行比较，获取高度偏差方向的补偿量h，利用此补偿量在z方向对机器人预规划的插补点进行修正即可。

$H=K\·\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}I\left(k\right)---\left(1.7\right)$

h＝H-h_ref                                 (1.8)

即z方向的补偿量为： $\mathrm{\Δz}=K\·\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}I\left(k\right)-h\_\mathrm{ref}---\left(1.9\right)$

其中h_ref为高度方向的参考量。

由此便得到了三维空间中的补偿量，可据此对机器人预规划的插补点进行x、y、z三个方向上的修正，以完成焊缝跟踪任务。

由于焊缝跟踪系统具有一定的时延，在偏差补偿时，设计了一种根据偏差变化趋势调节补偿速度的预补偿方案。又因为焊接过程是一个多参数影响的复杂多变量系统，对焊缝纠偏控制系统难于得到精确的数学模型，因此在进行纠偏控制时采用了不确定模型下补偿灵敏度可调的焊缝跟踪方法。

图3为本发明的补偿量计算流程图。提取偏差作为判断补偿方向和是否需要补偿的依据，而实际的补偿量通过补偿灵敏度求得。又考虑到焊缝跟踪具有一定的时滞，所以补偿速度设计为可调的，调节依据为偏差的变化趋势。即偏差变化趋势为增大，则加大补偿灵敏度，偏差变化趋势减小，则减小补偿灵敏度。这样既能满足逐步补偿，稳定跟踪的目的，又能在一定的程度上对偏差进行预判断，预补偿。

图4为本发明的焊缝跟踪过程流程图。启动焊接后，信号处理模块同时开始焊接电流的采样、软件滤波、偏差提取的工作，如果存在偏差，则计算补偿量，再用补偿量修正机器人的插补点；如果没有偏差，补偿量就为0，相当于没有修正插补点；最后再发送插补点到PMAC卡，整个过程持续到焊接结束。

借鉴于带死区的PID补偿算法，在进行纠偏方法设计时，本发明也设计一个死区，当偏差在这个死区范围内时，不进行纠偏，仅当偏差超出了该区域才进行纠偏。

在所述步骤6)中，当提取到偏差小于所设的阈值时，则本次补偿量为0，直接把累计补偿量转化为三维空间x、y、z方向上的补偿量，然后再修正插补点，将修正后的插补点发给PMAC；

当提取到的偏差大于所设的阈值时，则进入计算本次补偿量的过程。

本发明的上述实施例，在V形坡口对接接头与T形角接接头末端偏移量在10°的情况下可实现有效跟踪，焊缝成型良好，跟踪误差在±1mm以内。同时，对跟踪误差进行了分析，可给出传感器的适用范围，为传感器的进一步优化奠定了基础。

上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采取等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电弧摆动焊缝跟踪机器人的焊缝跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)焊接开始，对焊接电流进行采样；

2)利用数字滤波器对采样数据进行滤波；

3)提取偏差；

4)根据已经提取到的偏差值，拟合偏差方向；

5)判断偏差的变化趋势，如果偏差为增大的趋势，则增大补偿灵敏度，反之减小补偿灵敏度；

6)利用提取的偏差和补偿灵敏度计算本次补偿量；

7)更新累计补偿量，将求得的本次补偿量加入累计补偿量，计算新的累计补偿量；

8)求取三维空间x、y、z方向上的补偿量，修正插补点；

9)将修正后的插补点发给PMAC，

在所述步骤6)中，

x方向的补偿量为：Δx＝Kp·e·sinα

y方向的补偿量为：Δy＝Kp·e·cosα

z方向的补偿量为：Δz＝H-h_ref

其中

h_ref为高度方向的参考量，e为偏差补偿过程中

未补偿的偏差，K_p为补偿灵敏度，x₀、y₀为示教起点坐标，x_e、y_e为示教末点坐标，H为计算得到的当前的高度信息。

2.根据权利要求1所述的电弧摆动焊缝跟踪机器人的焊缝跟踪方法，其特征在于：在所述步骤3)中，利用离散积分差值法提取偏差。

3.根据权利要求1或2所述的电弧摆动焊缝跟踪机器人的焊缝跟踪方法，其特征在于：在所述步骤6)中，当提取到偏差小于所设的阈值时，则本次补偿量为0，当提取到的偏差大于所设的阈值时，则进入计算本次补偿量的步骤。

4.根据权利要求1或2所述的电弧摆动焊缝跟踪机器人的焊缝跟踪方法，其特征在于：在所述步骤5)中，补偿灵敏度的趋势为向靠近e′＝e线变化，其中，e′为偏差补偿过程中补偿的偏差。

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