CN108202185A - 一种基于双传感式的管管相交相贯线焊缝跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双传感式的管管相交相贯线焊缝跟踪方法。其技术方案要点是：利用双传感式机构上的类球阀活动关节装置调节前后两个传感器绕焊枪旋转，通过调节传感头空间方位，分别检测到相贯线焊缝信息和熔池信息；采用一种混连型多传感器数据融合的工作流程结构，结合SVD分解原理和Bar‑shalom算法，将前置传感器检测到的焊缝信息进行预处理后与相贯线焊缝空间曲线方程进行第一次融合，将后置传感器接收到的反映熔池信息的信号光在经过信号处理后与上述融合数据进行第二次融合，经过两次的数据提取和融合，实现对焊缝跟踪信息数据的高效处理；本方法是基于一种全状态闭环反馈控制的相贯线焊缝跟踪，可以显著提高相贯线焊缝跟踪的精度。

Description

一种基于双传感式的管管相交相贯线焊缝跟踪方法

技术领域

本发明涉及焊接机器人及自动化领域，特别涉及到一种基于双传 感式的管管相交相贯线焊缝跟踪方法。

背景技术

在锅炉焊接中，管管相交的相贯线焊缝极为常见，但因为管管相 交的相贯线焊缝属于不断变化的空间曲线焊缝，不同于一维或二维平 面上的焊缝，管管相交相贯线焊缝焊接过程中随着空间曲线焊缝形式 变化，传感头难以调整到合适的检测位置，使得传感器的识别存在着 偏差，导致焊缝跟踪不精确，难以保证焊缝质量。所以在管管相交的 相贯线焊缝焊接过程中，简单的一维曲线或者二维平面内的焊缝跟踪 难以满足焊接要求，必须保证随着焊缝的空间变化，能够同时地调整 各个传感器的传感方位，准确地提取焊缝信息，并能够高效地将各个 传感数据进行融合，然后调整焊枪姿态，实现实时的焊缝跟踪。

发明内容

为了更好地解决当前管管相交的相贯线焊缝焊接过程中传感器 监测不到位，不能及时反映焊缝及熔池信息，导致焊缝跟踪失真的问 题，本发明提出了一种稳定性好，跟踪精度高的基于双传感式的管管 相交相贯线焊缝跟踪方法，其技术方案是：利用双传感式机构实现对 焊缝和熔池信息的获取，该双传感式机构由一个接触式光电传感器、 一个红外光学传感器、两个传感器摆臂、两个伺服电机b、c，两块 伺服电机安装板，两个伺服驱动器和一个类球阀活动关节组成，在焊 接过程中双传感式机构随时调节两个传感器传感头的空间方位，实时 完整准确地检测焊缝和熔池信息，并提出一种混连型多传感器数据融合的工作流程结构，由焊缝信息接收和处理器对焊缝和熔池数据信息 进行高效的融合处理，得出焊缝偏差，通过转换器得出准确的控制量， 由双传感运动控制器控制焊枪俯仰角步进电机从而控制焊枪空间姿 态，本方法是基于一种全状态闭环反馈控制的相贯线焊缝跟踪，可以 显著提高相贯线焊缝跟踪的精度。

本发明所述的双传感式机构，其特征是：双传感式机构由一个接 触式光电传感器、一个红外光学传感器、两个传感器摆臂、两个伺服 电机b、c，两块伺服电机安装板，两个伺服驱动器和一个类球阀活 动关节组成，双传感式机构通过类球阀活动关节装置套在在焊枪轴上， 设计类球阀活动关节内部包括圆柱凸轮扇形摆盘机构和空间四杆机 构，两个机构的从动件分别与输出轴①和输出轴②固连，主动件部分 与正反转电机轴固连；在焊接过程中，将焊缝和熔池信息融合后得出 的焊缝偏差信息通过数据传输口输进电机驱动器，从而控制正反转电 机偏转的角度，前后两个传感器均可通过类球阀活动关节装置绕焊枪在空间一定角度范围内旋转，从而传感器可随时调节方位使得传感头 能够在过程中一直保持在良好的检测位置，使接触式光学传感器和红 外光学传感器总能够分别检测到全面准确的相贯线焊缝信息和熔池 信息。

本发明所述的一种混连型多传感器数据融合的工作流程结构，焊 接过程中，将前置的接触式光电传感器不断接收到的焊缝数据信息P₁与空间曲线理论方程P_o经预处理后进行对照，实行基于SVD分解原 理的第一次数据融合，得到经过融合处理的焊缝信息P₃和接触式光电 传感器的传感头偏移焊缝中心的偏移量P₂，P₂表示接触式光电传感器 传感头需要调整的偏移量P₂(R,t)，其中R为空间旋转矩阵，t为空 间平移向量，同时后置的红外光学传感器接收到的关于熔池的信息 P₄与P₃进行基于Bar-shalom融合算法的第二次数据融合，经过两次的 数据提取和融合，得出更加精确的焊缝偏差。

本发明的有益效果是：本发明旨在解决管管相交的相贯线焊缝的 跟踪、监测与控制问题，提出了一种基于双传感式的管管相交相贯线 焊缝跟踪方法。在现有的管管相交相贯线焊缝跟踪的基础上，发明的 一种双传感式机构能够在焊接过程中实时监测焊缝和熔池效果，并能 够及时地通过全状态的闭环反馈机制调节双传感器的传感头空间方 位，使得检测信息全面精确，提出的一种混连型多传感器数据融合的 工作流程结构在数据处理过程中通过多次处理，避免了数据信息的丢 失和低效融合，实现了相贯线焊缝的有效跟踪和焊缝质量控制。

附图说明：

图1是本发明的机械示意图。

图2是本发明中双传感机构机械示意图。

图3是本发明中类球阀活动关节内部示意图。

图3.1是空间曲柄摇杆机构示意图。

图3.2是扇形摆盘与齿条的齿轮啮合示意图。

图4是本发明中相贯线焊缝的焊接步长ΔL示意图。

图4.1是垂直焊枪轴的平面内前置传感头偏离焊缝轨迹的距离示 意图。

图4.2是平行焊枪轴的平面内后置传感器检测熔池信息偏离的角 度示意图。

图5是本发明的系统原理结构图。

图中，1-管管相交主管，2-红外光发射器，3-红外光学传感器安 装板，4-红外光接收处理器，5-加强筋，6-红外光学传感器摆臂，7- 伺服电机c，8-伺服电机c安装板，9-类球阀活动关节输出轴②，10- 类球阀活动关节，11-焊枪轴，12-焊枪俯仰角步进电机，13-类球阀活 动关节输出轴①，14-伺服电机b安装板、15-伺服电机b，16-接触式 光电传感器摇臂，17-接触式光电传感器，18-管管相交副管，19-管管 相交焊缝，20-空间曲柄摇杆结构，21-数据传输口，22-正反转电机， 23-圆柱凸轮，24-支撑框架，25-扇形摆盘，26-齿条，27-转接台。

具体实施方式

为了更好的表达整个发明的技术方案与有益效果，下面结合附图 和实施例对本发明做进一步详细说明。但是，本发明的实施方式不限 于此。

实施例1，所述的基于双传感式的管管相交相贯线焊缝跟踪方法， 该跟踪系统由双传感式机构，焊缝信息接收和处理器、转换器，双传 感运动控制器和焊枪俯仰角步进电机组成，其中双传感式机构包括一 个接触式光电传感器、一个红外光学传感器、两个传感器摆臂、两个 伺服电机b、c，两个伺服驱动器和一个类球阀活动关节；双传感器 分别置于焊枪前后两侧，根据焊接方向接触式光电传感器在焊枪前方， 红外光学传感器在焊枪后方，焊接过程中，由接触式光电传感器传感 头检测焊缝中心，接触式光电传感器会检测到表征焊缝位置变化的电 信号，本发明采用一种混连型多传感器数据融合的工作流程结构，将 检测到的电信号经过预处理后与管管相交的相贯线焊缝空间曲线理 论方程经过基于SVD分解原理的第一次融合，得到经过融合处理的焊 缝信息和接触式光电传感器的传感头偏移焊缝中心的偏移量，与此同 时红外光学传感器将接受到的反映熔池信息的信号光在经过信号处 理后与上述融合数据进行基于Bar-shalom融合算法的第二次数据融 合，得到焊缝跟踪偏差，然后通过转换器转变为焊枪在空间的位移参 数，控制器发出纠偏信号，驱使焊枪俯仰角步进电机带动焊枪产生相 应的运动，实现精确的相贯线焊缝轨迹跟踪。

本发明中的管管相交的相贯线焊缝跟踪过程处于一种全状态闭 环反馈控制机制，根据前置传感器反馈的信息与理论相贯线方程对照， 判别焊缝的理论空间曲线方程与检测到的焊接点集之间的误差，在误 差允许的范围内前置传感头可继续进行检测动作，一旦超出误差允许 范围，则要通过反馈调节指令调节接触式光电传感器传感头在焊接空 间的位置，使其朝着趋于焊缝中心的方向移动，同时后置传感器不断 接收反馈熔池信息的红外光并分析所得到的的信息是否完整，若得到 完整全面的反映熔池信息的红外光，则后置传感器的姿态不做调整， 反之则控制器通过焊接手臂和类球阀活动关节调节后置传感器的空 间方位，使能得到精确完整的熔池信息；在经过两次数据融合后检测 焊缝质量，若能达到要求，则继续向前工作，否则重复上述过程。

实施例2，所述的双传感式机构，其具体实施方式在于：在得出 例1中实测焊缝信息与空间焊缝的理论曲线方程的误差后，将误差量 经过转换后输入类球阀活动关节中的驱动装置即正反转电机中，正反 转电机带动凸轮圆柱绕电机轴旋转，凸轮圆柱的曲线外廓推动从动件 扇形摆盘完成在其所在平面内按一定规律往复摆动，通过摆盘与齿条 的齿轮啮合作用带动齿条来回运动，由于转接台固定在齿条底板上， 两者相对静止，所以安装在转接台上的类球阀活动关节输出轴①可实 现在垂直焊枪轴的平面内按一定角度摆动；在后置的红外光学传感器 获取熔池信息不完整时，也会通过正反转电机运转带动凸轮圆柱的轴 转动，空间曲柄摇杆机构的a杆和a'杆作为主动件与凸轮圆柱轴固连， e杆作为连接杆固定在类球阀活动关节内部，d杆和d'杆作为曲柄摇 杆机构中的机架也和e杆保持相对静止，空间曲柄摇杆的其他连接各 部分均采用铰链连接，相互之间可互相转动。

如图4为焊接过程中的一段焊接步长ΔL，图4.1为垂直焊枪轴 的平面内前置传感头偏离焊缝轨迹的距离为±h，导致偏离角度为±ф， 图4.2为后置传感器检测熔池信息偏离的角度，在平行焊枪轴的平面 内偏离起始角度为±λ，图中所列为其中一种现象，均为向正方向偏 离；基于图2中所示机构的传动方式，由凸轮圆柱传动规律：对于连 续传动圆柱凸轮传动机构分度数I＝0，取头数为1，传动比i为为从 动件的齿数z，则有：其中n₁为主动件转速，即正反转电 机的转速，n₂为扇形摆盘的转速，由ω＝2πn可得上式中 的ω₁t即为凸轮圆柱转过的角度，也等于与凸轮圆柱轴固连的a杆和a' 杆转过的角度ρ，ω₂t为扇形摆盘分度圆上的角位移，由公式 可得角位移由于扇形摆盘与齿条紧密 啮合，齿条底盘与输出轴①相连，则分度圆的线位移等于齿条的线位 移，也等于输出轴①在垂直焊枪的平面内的位移，该值为±h(±表示 传感头偏移焊缝中心的方向)，则(d为扇 形摆盘的直径)，可得ρ即为正反转 电机运转的角度。即图3.1中的虚线部分为主动件和从动件运动到极 限位置所转过的角度，曲柄a转过180°+τ，摇杆c对应转过μ，在后 置传感器传感头调节过程中曲柄a转过的实际角度跟电机转过角度 相等，设实际摇杆c转过角度为δ，根据曲柄摇杆机构运动规律可得 则由图3.2中得到后置传感器传感头需偏离 角度为λ，则类球阀活动环节调节完毕后，在平行于焊枪轴的平面内， 后置的红外光学传感器还需要调节的角度为Δυ＝δ-λ。

实施例3，所述的一种混连型多传感器数据融合的工作流程结构， 其具体实施方式在于：焊接过程中，将前置的接触式光电传感器不断 接收到的焊缝数据信息P₁表示为点集P_i(x_i y_i z_i)，设在极坐标系中 P_i表示为则将检测到的点集转换成极坐标系中为：

其中为o'p'与o'x'的夹角，op与x'o'y'面的夹角为β，p'为p在x'o'y' 面上的垂足，r＝op，则有

空间曲线理论方程P_o：

管管相交的的相贯线可表示为：

上式中R₁≥R₂,为两相交管的半径，分别处于不同的空间坐标系 o-xyz和o-x'y'z'中。

通过坐标转换将相贯线方程表示为：

式中e为两管轴线的偏心距，α为两管轴线夹角，θ为相贯线焊 缝上一点在y'o'z'平面的投影与o'点的连线在z'轴正方向的夹角。

经过上述预处理可得到表征相贯线焊缝的空间曲线ΔL的离散点 集A＝(a₁,a₂,a₃、、、a_n)和前置的接触式光电传感器检测到的焊缝 信息为P＝(p₁,p₂,p₃、、、p_n)，其中a_k+1-a_k＝ΔL，p_k+1-p_k＝ΔL；

计算两个点集A、P的质心：

从两个点集中分别减去对应的质心

通过SVD分解原理求解最优变换，设A∈R_r ^m×n，可定义m阶正交 矩阵U和n阶正交矩阵V，使得其中 ∑＝diag(σ₁，σ₂，,,,σ_r)，而σ₁为矩阵A的全部非零奇异值，

则可以求得R＝UV^T，t＝μ_a-Rμ_p， 使得上式中R为旋转矩阵，t为平移 向量，即定义P₂(R，t)为通过反馈调节指令调节接触式光电传感器传 感头在焊接空间的位置偏移量。

待反馈调节前置传感头位姿后继续检测焊接点集与理论曲线的 形状误差，通过计算实测曲线与理论曲线之间的距离：

d_i ²＝(x_i-x')²+(y_i-y')²+(z_i-z')²，设定误差范围为K,若经过上述最佳匹 配过程后能够使得焊接点集和理论曲线误差在K的范围之内，则继续 进行焊缝跟踪检测动作，若超出K的范围之外，则重复上述过程，按 照旋转矩阵R和空间平移向量t调节传感器，直至满足误差要求为止。

本发明中，在前置的接触式光电传感器调节空间位姿使得误差范 围合理后，将距离上述调节最近一次获得的焊缝信息与后置的红外光 学传感器监测的熔池信息经过控制线路输送到焊缝信息接收与处理 器中，在第一次数据融合过程中调整传感器的空间位置不断进行最佳 匹配后最终得到的焊缝信息记为P₃，后置的红外光学传感器监测到关 于熔池的数据信息记为P₄，然后对采集到的关于焊缝和熔池的信息 P₃和P₄采用基于双传感器的Bar-shalom融合算法进行数据的第二次 高效融合：

系统中的两个传感器标记为传感器①和传感器②，它们的随机向 量P∈Rⁿ的N个无偏估计为P_i(k/k),i＝1,2,...,n，且已知估计误差的协方 差为Y_ij，i，j＝1,2，...,m，则按矩阵加权线性最小方差无偏估计融合 最优加权阵B_i，i＝1,2，...,m由下面的公式计算 B＝Y^-1e(e^TY^-1e)^-1，其中，Y＝(Y_ij)，i＝1,2，...,m是nm×nm的对称正定 矩阵，B＝[B₁,B₂,...,B_m]^T和e＝[I₁,I₂,...,I_n]^T都是nm×m的矩阵。最优融合估 计误差方差阵为：Y₀＝(e^TY^-1e)^-1，其中Y₀≤Y_i，i＝1,2，...,m。取上式中的 n＝2，即可得到前后传感器①②的数据融合结果，将焊缝信息接收与 处理器融合后的结果通过转换器得出准确的控制量，输送到双传感运 动控制器，由双传感运动控制器控制焊枪俯仰角步进电机从而控制焊 枪空间姿态，实现焊缝跟踪。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发 明原理的前提下所做出的若干改进，都视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于双传感式的管管相交相贯线焊缝跟踪方法，其特征在于：双传感式机构调节双传感器在空间一定角度内的位姿，便于检测到完整准确的焊缝和熔池信息，并采用一种混连型多传感器数据融合的工作流程结构，结合SVD分解原理和Bar-shalom算法，实现对焊缝跟踪信息数据的高效处理；该方法采用的跟踪系统包括双传感式机构，焊缝信息接收和处理器、转换器、双传感运动控制器，焊枪俯仰角步进电机；其核心是在相贯线焊缝焊接过程中双传感式机构能够随时调节两个传感器传感头的空间方位，总能够使得前后两个传感器分别检测到全面准确的相贯线焊缝信息和熔池信息；前后两个传感器分别将所获取的数据信息传输到焊缝信息接收与处理器器，将焊缝信息数据与焊缝空间曲线方程进行基于SVD分解原理的第一次融合，将熔池信息数据与上述融合数据进行基于Bar-shalom算法的第二次数据融合，得到焊缝跟踪偏差；本方法是基于一种全状态闭环反馈控制的相贯线焊缝跟踪，可以显著提高相贯线焊缝跟踪的精度。

2.根据权利要求1所述的基于双传感式的管管相交相贯线焊缝跟踪方法，发明了一种双传感式机构，其机构特点是：双传感式机构包括一个接触式光电传感器、一个红外光学传感器、两个传感器摆臂、两个伺服电机b、c，两块伺服电机安装板，两个伺服驱动器和一个类球阀活动关节；双传感器分别置于焊枪前后两侧，根据焊接方向接触式光电传感器在焊枪前方，红外光学传感器在焊枪后方；接触式光电传感器和红外红外光学传感器分别装配在前后传感器摆臂上，前后传感器摆臂与伺服电机b，c相连，设计类球阀活动关节带有两根输出轴，伺服电机b，c分别通过安装板与类球阀活动关节的轴①和输出轴②连接，类球阀活动关节装置套在在焊枪轴上；设计类球阀活动关节内部包括圆柱凸轮扇形摆盘机构和空间四杆机构，两个机构的从动件分别与输出轴①和输出轴②固连，主动件部分与正反转电机轴固连；在焊接过程中，前后两个传感器均可通过类球阀活动关节装置绕焊枪在空间一定角度范围内旋转，从而传感器可随时调节方位使得传感头能够在过程中一直保持在良好的检测位置，使接触式光学传感器和红外光学传感器总能够分别检测到全面准确的相贯线焊缝信息和熔池信息。

3.根据权利要求1所述的基于双传感式的管管相交相贯线焊缝跟踪方法，发明了一种混连型多传感器数据融合的工作流程结构，其工作流程特征是：将前置的接触式光电传感器检测到的焊缝信息进行预处理后与管管相交的相贯线焊缝空间曲线方程进行基于SVD分解原理的第一次融合，与此同时红外光学传感器将接收到的反映熔池信息的信号光在经过信号处理后与上述融合数据进行基于Bar-shalom算法的第二次数据融合，得到焊缝跟踪偏差，然后通过转换器转变为焊枪在空间的位移参数，控制器发出纠偏信号，驱使焊枪俯仰角步进电机带动焊枪产生相应的运动，实现精确的相贯线焊缝轨迹跟踪。