CN105328303B - 一种电弧传感焊枪位姿识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电弧向量空间特征分析的焊枪位姿识别方法。本发明使用旋转电弧传感器，将采样的时间信号经旋转电弧扫描单位圆分解，分解为电弧的左右和前后位置信号，与电弧传感信号一起共同构成三维空间电弧向量的三个分向量，将一维空间的电弧传感信号转变为三维空间电弧向量；根据电弧运动规律和坡口类型，建立以不同的特征基为基底的电弧向量空间，然后分析焊枪位姿对电弧向量在不同向量空间中的表征规律，提取反映焊枪位姿的电弧向量特征值。经本发明提取的电弧向量特征值可以有效识别焊枪相对焊缝的左右、前后位置和偏转角等多个焊枪位姿信息，可应用于焊缝坡口识别、焊缝自动跟踪、焊枪姿态调整等多种场合，具有很高的实用价值。

Description

一种电弧传感焊枪位姿识别方法

技术领域

本发明属于电弧传感式焊缝自动跟踪焊接技术领域，具体涉及一种基于电弧向量空间特征分析的焊枪位姿识别方法。

背景技术

电弧传感器的基本原理是利用焊枪与工件之间距离的变化而引起的焊接电流变化来探测焊枪高度和左右偏差，具有抗干扰能力强、可达性好，实时性强等优点。旋转电弧传感器是利用旋转电弧对工件焊缝坡口进行扫描，旋转扫描频率高、速度快，可以获得更高的传感灵敏度，扫描的坡口信息量大，与其它类型的电弧传感器相比，具有更好的应用前景。

目前，对于旋转电弧传感焊缝自动跟踪方面的研究，主要集中于电弧传感信号处理、偏差识别、焊缝跟踪模糊控制等方面。在信号采集与处理方面，如电弧传感信号的滤波去噪、小波变换与电弧信号重构等；在偏差识别方面，如积分差值法、特征谐波法、模糊聚类法、神经网络法、主成分分析线性降维法、支持向量机法等。从相关文献报道可以发现，对于电弧传感偏差识别方面的研究，目前可以识别出的偏差或姿态主要有焊缝(或焊枪)的左右偏差、焊枪倾角等，识别的位姿信息比较有限，难以满足现代弧焊机器人在焊缝跟踪和焊枪姿态调整方面的要求。本发明的目的在于针对现有技术对电弧传感焊枪位姿识别不足等缺陷，提供一种能够有效识别多个焊枪位姿信息的焊枪位姿识别方法，为旋转电弧传感技术的应用推广提供基础。

发明内容

本发明的焊枪位姿识别方法是通过如下的技术方案和步骤来实现的：

一、构建三维空间的电弧向量；

(1)利用旋转电弧传感器采集电弧信号，以电弧信号作为电弧的高低位置信号，并以此作为电弧向量的高度方向的分向量；

(2)利用旋转电弧传感器的电弧采样时间信号，并将采样时间信号用旋转电弧扫描单位圆分解，分解为电弧的左右位置信号和前后位置信号，然后将电弧的左右位置信号作为电弧向量的左右方向的分向量，将电弧的前后位置信号作为电弧向量的前后方向的分向量；

二、建立以不同的特征基为基底的电弧向量空间；

根据焊接时的旋转电弧传感器的电弧运动规律和电弧扫描坡口类型，建立以不同的特征基为基底的电弧向量空间，如：以电弧向量的三维空间位置的单位坐标为基底，可以建立电弧向量位置空间；以电弧向量的三维空间运动的单位运动速度为基底，可以建立电弧向量运动空间；以电弧向量的三维空间旋转的单位旋转速度为基底，可以建立电弧向量旋转空间；以电弧向量的扫描坡口平面的单位法向量为基底，可以建立电弧向量的扫描坡口法向量空间等。

三、分析焊枪位姿对电弧向量在不同向量空间中的表征规律，在向量空间中提取反映焊枪位姿特征的电弧向量特征值。

本发明充分利用焊枪位姿(左右、前后位置、偏转角、俯仰角、横滚角等)自身的相互之间的空间正交性，将包含相互正交的焊枪位姿信息的旋转电弧传感信号转换为三维空间中的电弧向量，并建立以电弧运动和坡口类型的不同特征为基底的电弧向量空间(各向量空间相互正交)，然后将电弧向量映射到不同向量空间，从而将焊枪位姿(左右、前后位置、偏转角、俯仰角、横滚角等)在各个正交的向量空间中表征出来。本发明的优点在于：充分利用焊枪位姿之间的正交性、电弧向量的正交性、向量空间的正交性，避免了各个位姿偏差对信号的混叠干扰，能有效识别多个焊枪位姿信息。

附图说明

图1是本发明实施例的焊枪位姿识别方法的流程框图。

图2是电弧向量的高度方向分量在各向量空间中的表征。

图3是电弧向量的前后方向分量和左右方向分量在扫描坡口法向量空间中的表征。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

参见图1，本实施例采用旋转电弧传感器对V型坡口焊缝进行焊接，焊接时通过旋转电弧传感器进行电弧采样，采样得到电弧传感信号I_n(n＝1,2…N，N为一个采样周期的总采样数)，由于电弧采样信号I_n既包含了焊接时的坡口类型和焊枪姿态，也代表了每次采样时的焊枪与工件之间距离，因此将电弧采样信号I_n依次换算为电弧的高低位置信号y_n(n＝1,2…N)。

旋转电弧传感器的电弧扫描一圈的时间为T，每次电弧采样的时间信号为t_n(n＝1,2…N)，将采样时间信号t_n用旋转电弧扫描单位圆分解，分解为电弧的左右位置信号z_n和前后位置信号x_n，设旋转电弧传感器电弧扫描单位圆半径为r，则令z_n＝r·cos(2πt_n)，x_n＝r·sin(2πt_n)(n＝1,2…N)，r为旋转电弧扫描半径。

将电弧的前后位置信号x_n、高低位置信号y_n、左右位置信号z_n分别作为电弧向量的a_n的三个分向量，从而构建电弧向量a_n，a_n＝[x_n y_n z_n](n＝1,2…N)。通过上述的方法和步骤，将一维空间的电弧传感信号I_n转变为三维空间的电弧向量a_n(n＝1,2…N)。

然后，根据旋转电弧传感器的电弧运动规律和电弧扫描坡口类型，建立以不同的特征基为基底的电弧向量空间。以电弧向量a_n的三维空间位置的单位坐标p＝[i j k]为基底，建立电弧向量位置空间P，且有：

P＝a_n＝[x_n y_n z_n]＝[pi_n pj_n pk_n][i j k]^T＝p_np^T

电弧向量a_n的y_n分量在空间P中的表征pj_n如图2中的pjn曲线所示。

以电弧向量a_n的三维空间运动的单位运动速度v＝[v_i v_j v_k]为基底，建立电弧向量运动空间V，且有：

V＝a_n＝[x_n y_n z_n]＝[vi_n vj_n vk_n][v_i v_j v_k]^T＝v_nv^T

电弧向量a_n的y_n分量在空间V中的表征vj_n如图2中的vjn曲线所示。

以电弧向量a_n的三维空间旋转的单位旋转速度s＝[s_i s_j s_k]为基底，建立电弧向量旋转空间S，且有：

S＝a_n＝[x_n y_n z_n]＝[si_n sj_n sk_n][s_i s_j s_k]^T＝s_ns^T

电弧向量a_n的y_n分量在空间S中的表征sj_n如图2中的sjn曲线所示。

以电弧向量a_n的扫描坡口平面的单位法向量l＝[l_i l_j l_k]为基底，建立电弧向量的扫描坡口法向量空间L，且有：

L＝a_n＝[x_n y_n z_n]＝[li_n lj_n lk_n][l_i l_j l_k]^T＝l_nl^T

电弧向量a_n的x_n分量和z_n分量在空间L中的表征li_n和lk_n如图3中的lin和lkn曲线所示。

各个向量空间的基底只取决于电弧传感器的电弧运动和电弧扫描坡口类型，而构建的三维空间电弧向量不但包含了电弧传感器的电弧运动和电弧扫描坡口类型等信息，而且包含了焊枪位姿信息，因此，焊枪位姿将会影响电弧向量在各向量空间中的表征规律。

通过建立电弧向量a_n和各个向量空间P、V、S、L的仿真模型，可以分析单个焊枪位姿(左右、前后位置、偏转角、俯仰角、横滚角等)对a_n在各向量空间中的表征规律和特征，从而可以在向量空间中提取反映焊枪位姿的电弧向量特征值。

设焊枪左右偏差为Δz，焊枪前后偏差为Δx，焊枪偏转角为β，设lin曲线中正向脉冲对应的时刻为t_n1，lin曲线中负向脉冲对应的时刻为t_n2，分析发现β影响t_n1和t_n2左右位置，Δz和Δx共同影响t_n1和t_n2之间的距离，因此，可以将lin曲线正负脉冲对应的时刻t_n1和t_n2作为电弧向量特征值来提取输出。

其中焊枪位姿β、Δz、Δx分别为：

Δz＝-r·cos((πt_n2-πt_n1)/T)·cos(β)

Δx＝-r·cos((πt_n2-πt_n1)/T)·sin(β)

上述公式中，r为旋转电弧扫描半径，T为旋转电弧扫描周期。

其它焊枪位姿也将影响电弧向量a_n在各个向量空间中的表征规律，比如将影响图2和图3中各曲线的幅值、均值等，可以根据实际需要进行相应电弧向量特征值的提取。

Claims (5)

1.提出一种基于电弧向量空间特征分析的焊枪位姿识别方法，其特征在于：使用旋转电弧传感器，将电弧传感信号转换为三维空间电弧向量，并建立以不同的特征基为基底的电弧向量空间，分析焊枪位姿对电弧向量在不同向量空间中的表征规律，在向量空间中提取反映焊枪位姿特征的电弧向量特征值。

2.根据权利要求书1所述的焊枪位姿识别方法，其特征是：由电弧传感信号转换而来的三维空间电弧向量，是由三个相互正交的分向量构成，三个分向量分别为电弧的左右位置分量、电弧的前后位置分量、以及作为电弧高低位置分量的电弧传感信号。

3.根据权利要求1－2任一项所述的焊枪位姿识别方法，其特征是：电弧左右位置分量和前后位置分量是将电弧传感采样时间信号经旋转电弧传感器的旋转电弧扫描单位圆分解转换而获得的。

4.根据权利要求1－2任一项所述的焊枪位姿识别方法，其特征是：以不同的特征基为基底的电弧向量空间包括：电弧向量位置空间、电弧向量运动空间、电弧向量旋转空间、电弧向量的扫描坡口法向量空间。

5.根据权利要求4所述的焊枪位姿识别方法，其特征是：电弧向量特征值包括：不同向量空间中各分向量的均值、极值、极值的坐标。