CN105643058A - 一种双丝焊焊缝跟踪系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双丝焊焊缝跟踪系统与方法。该系统包括双丝焊枪、机械手、双丝焊自适应加权互补融合装置、两个电弧传感器、两台送丝机构、两台焊接电源和控制指令生成器。本系统的核心是双丝焊自适应加权互补融合装置，利用双丝焊自适应加权互补融合装置将两个电弧信号融合为焊缝跟踪信号,控制指令生成器根据焊缝跟踪信号生成控制指令控制机械手纠偏，实现双丝高精度实时焊缝跟踪。该装置的本质是自适应加权互补融合计算，根据瞬时电流的大小以自适应的方式寻找两个传感器对应的最优加权因子，使得融合后的结果X达到最优。本发明显著提高了双丝焊的焊缝跟踪精度。

Description

一种双丝焊焊缝跟踪系统与方法

技术领域

本发明涉及焊缝跟踪技术领域，具体涉及一种双丝焊焊缝跟踪系统与方法。

背景技术

为了提高生产效率，人们开始研究双丝焊技术。目前双丝焊技术主要有双丝埋弧焊以及双丝气体保护焊。埋弧焊的熔池不可见，一般只适用于平焊位置的焊接，难以实现空间位置的焊接，所以双丝埋弧焊并不适合与机器人配合使用。随着机器人技术的发展双丝气体保护焊已经成为最主要的双丝焊接方法。双丝焊接技术有高熔敷率，高焊接效率的特点，对大厚板的高效焊接、薄板的高速焊接，以及堆焊和电弧钎焊等要求高熔敷率、低热输入的焊接都具有重要的应用价值。

数据融合就是将来自多个传感器或多源的信息在一定准则下加以自动分析、综合以完成所需的决策和估计任务而进行的信息处理过程。当系统中的单个传感器不能提供足够准确度和可靠性时就采用多传感器数据融合。数据融合技术扩展了时空覆盖范围，改善了系统的可靠性，对目标的确认增加了可信度，减少了信息的模糊性，这是任何单个传感器做不到的。

焊缝跟踪技术是实现焊接自动化、智能化的关键技术之一。焊缝偏差信号的提取是焊缝跟踪技术的核心，偏差信号的提取质量直接影响到焊缝跟踪的效果。截止目前双丝焊焊缝跟踪技术的应用还停留在单丝的水平，申请号为200810184912.3的专利《焊接机器人》中所述的“不仅前行极有高效的焊缝跟踪性，后行极也有高效的焊缝跟踪性”是单丝跟踪，并不是同时利用两个焊丝跟踪。现在的技术还没有充分发挥双丝焊接的特性，双丝跟踪可以有效的提高焊缝跟踪的精度，有着重要的工程应用价值。本方法将两个跟踪信号进行自适应加权互补融合，使得焊缝反映的更加接近真实情况，提高了焊缝跟踪的精度，增强对复杂焊缝的识别能力，可显著的提高焊接质量。

发明内容

本发明的目的为了解决双丝焊焊缝跟踪精度无法满足工程要求的问题，提供一种双丝焊焊缝跟踪系统与方法。该系统包括双丝焊枪、机械手、双丝焊自适应加权互补融合装置、两个电弧传感器、两台送丝机构、两台焊接电源和控制指令生成器。双丝焊枪是一种专用焊枪，焊枪内部双丝是绝缘的。两台焊接电源和送丝机构都是独立的，可自由调节工作参数。两个电弧传感器分别采集两个焊丝的电流值并提供给双丝焊自适应加权互补融合装置进行融合得到最优纠偏值。控制指令生成器根据纠偏值向机械手各个关节部位发出动作指令，实现高精度的实时焊缝跟踪。

为了进一步的提高双丝焊缝跟踪的精度，本发明对双丝电弧传感信号采集进行了研究。研究发现双丝信号采集有相交、重合、互补三种情况。重合采集时两信号间的相互干扰比较严重，影响信号采集的质量降低跟踪精度。在相交采集时无法提供相同的变化趋势失去相互参考的意义。如图4所示互补采集方式(自定义用符号和表示具有互补关系的两个传感信号)克服了重合方式的缺点并结合了相交采集的优点，两个信号既有相同的变化趋势又没有干扰问题。在信号变化趋势中可以分析出弧光、飞溅等原因引起的电流异常变化，此异常会导致偏差X₁、X₂超出预设最大偏差值M,此类电流被忽略掉不作为融合信号进行传输。

本发明是将两个电弧信号通过自适应加权互补融合计算融合为跟踪信号实现的。自适应加权互补融合计算方法如下：设所要估计的真值是X,两个传感器的测量值分别是X₁、X₂，加权因子分别是W₁、W₂，瞬时电流值分别为I₁、I₂。则融合后的真值X和加权因子应满足以下两式。

X＝W₁X₁+W₂X₂

W₁+W₂＝1

加权因子W₁、W₂计算是依据最近3次采集中最大的电流值的平均值来确定的，即

$I_1=\frac{1}{3}\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}{I}_i$

$I_2=\frac{1}{3}\underset{u=1}{\overset{3}{\Σ}}{I}_u$

权值计算：

$W_1=\frac{I_1}{I_1+I_2}$

$W_2=\frac{I_2}{I_1+I_2}=1-W_1$

根据传感器的精度设置一个阀值A，对两个传感器的数据进行检验，检验的条件是两个数据的差值应小于等于特定阀值(即|X₂-X₁|≤A)。若符合条件，则执行自适应加权互补融合计算，根据瞬时电流的大小以自适应的方式寻找两个传感器对应的最优加权因子，使得融合后的结果X达到最优。若不符则传感器检测到的偏差过大，机器人暂不执行融合等待检验不符情况发生的次数，小于n次时仍然按照上次融合比例进行加权，超过n次时判断出机器故障，执行停机等待人工处理故障。

本发明的优点是：在双丝焊焊缝跟踪系统上增加了双丝焊自适应加权互补融合装置，可以同时使用两个焊丝的信号。两个传感信号的采样方式是互补的增加了信息的可信度，减少了信息的模糊性，提取的信息更接近真实情况。比仅仅用一根焊丝的信号的容错能力更强。在焊接过程中，对焊接质量起关键作用的焊丝会得到较大的加权因子，动态的控制焊接质量，提高了焊缝跟踪精度，使机器人的控制更加智能化。

附图说明

图1是本发明实施例的双丝焊焊缝跟踪系统简图

图2是本发明实施例的双丝焊自适应加权互补融合装置硬件连接框图

图3是本发明实施双丝焊自适应加权互补融合方法框图

图4是互补信号采集说明图

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图1所示的是本发明实施例的双丝焊焊缝跟踪系统，具备：送丝机构一1、送丝机构二2、机械手3、双丝焊自适应加权互补融合装置4、焊接电源一5、焊接电源二6、双丝焊枪7。

系统开始工作时自检两丝是否都有电流，若出现没有电流的情况说明引弧失败，系统重新起弧；连续m次起弧失败则机器报错停机。系统正常工作时采集到两个传感信号，首先比较两个传感信号大小变化趋势，出现变化趋势相反或突变情况时偏差会超过最大限值M,忽略本次所采信号重新采集。趋势相同是，对两个传感器的数据进行差值检验，检验的条件是两个数据的差值应小于等于特定阀值A(即|X₂-X₁|≤A)。若符合条件，则执行自适应加权互补融合计算，若不符则判断连续发生不符合情况的次数，次数小于n时仍按照上次融合比例进行加权；次数达到n时，判断为机器故障执行停机。

采集的互补信息送往双丝焊自适应加权互补融合装置进行融合，结合图2说明该装置的组成与原理。该装置具备两个电弧传感器分别测量两丝的瞬时电流值、两个偏差计算器分别计算两丝的偏差值、一个趋势比较器比较两个电流大小变化趋势是否相同、一个偏差比较计算器计算两个电流的差值、控制指令生成器用来接受融合后的偏差数据并分解为机械手的控制指令。

结合图2图3来说明本实施例的自适应加权融合计算，电弧传感器1电弧传感器2分别检测两丝的焊接电流值。检测的数据送往各自的偏差计算器中计算出两个偏差值，分别记作X₁和X₂。X₁、X₂被送往偏差比较器中进行|X₂-X₁|≤A条件判断。若符合条件则双丝焊自适应加权互补融合装置进行加权融合，权值计算方法是依据最近3次采集中最大电流值的平均值来确定，即

$I_1=\frac{1}{3}\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}{I}_i$

$I_2=\frac{1}{3}\underset{u=1}{\overset{3}{\Σ}}{I}_u$

权值计算：

$W_1=\frac{I_1}{I_1+I_2}$

$W_2=\frac{I_2}{I_1+I_2}=1-W_1$

终值计算：

X＝W₁X₁+W₂X₂

终值被送往控制指令生成器，生成机械手的纠偏指令实现实时高精度纠偏。

若不符条件即|X2-X1|＞A则判断连续发生不符合情况的次数，次数小于n时判断为正常的飞溅、弧光等因素引起的干扰，仍按照上次融合比例进行加权；次数达到n时，判断为机器故障，此时应该停止工作等待排除故障。

Claims (4)

1.一种双丝焊焊缝跟踪系统与方法，其特征在于该系统包括双丝焊枪、机械手、双丝焊自适应加权互补融合装置、两个电弧传感器、两台送丝机构、两台焊接电源；其核心是利用自适应加权互补融合方法实现双丝焊焊缝跟踪。

2.如权利要求1所述的自适应加权互补融合双丝焊焊缝跟踪方法，其特征在于包括如下的步骤：系统开始工作时自检两丝是否都有电流，若出现没有电流的情况说明引弧失败，系统重新起弧；连续m次起弧失败则机器报错停机；系统正常工作时可以采集到两个电弧信号，首先比较两个电弧信号变化趋势，出现变化趋势相反或突变情况时忽略本次所采信号；趋势相同是，对两个传感器的数据进行差值检验，检验的条件是两个数据的差值应小于等于特定阀值A（即）；若符合条件，则执行自适应加权互补融合计算，若不符则判断连续发生不符合情况的次数，次数小于n时仍按照上次融合比例进行加权；次数达到n时，判断为机器故障执行停机。

3.如权利要求2所述的自适应加权互补融合计算，其特征在于通过检验两个数据进行自适应加权融合计算，确定最优加权因子；具体方法是根据瞬时电流的大小以自适应的方式寻找两个传感器对应的最优加权因子，使得融合后的结果X达到最优；在焊接过程中，对焊接质量起关键作用的焊丝会得到较大的加权因子，动态的控制焊接质量。

4.如权利要求2或3所述的两个数据，其特征在于是双丝互补采样方式获得的焊缝信号。