CN109570859A - 基于电感阵列传感器的焊枪位姿识别系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电感阵列传感器的焊枪位姿识别系统，应用于不同角度角焊缝焊接时焊枪位姿的识别及调整。该系统的技术要点是：该系统采用的装置由电感阵列传感器、信号采集模块、数据处理模块、偏差调节模块以及执行机构组成。信号采集模块对电感阵列传感器进行感应电流数据提取，电流信号由信号转换器转换成距离信号，得到的距离信号再由三点归一寻优算法计算出工件角度以及焊枪在各方向上的距离及角度偏差等特征信号，偏差调节模块和执行机构根据特征信号对焊枪位姿进行纠偏，从而实现焊枪位姿的识别及调整。

Description

基于电感阵列传感器的焊枪位姿识别系统

技术领域

本发明涉及自动化焊接领域，具体涉及一种基于电感阵列传感器角焊缝焊枪位姿识别系统。

背景技术

目前，在工程机械、海工装备、轨道车辆等大型机械制造行业中，手工焊接已逐渐退出生产线，自动化焊接机器人、自动化焊接专机以及智能化焊接已经成 为焊接技术的发展趋势，在焊接过程中自动化和智能化的发展研究具有深远意义。 在焊接的过程中，对于不同的工件和特殊的结构要求，对于焊缝的角度也会有不 同的要求，在焊接不同角度的焊缝时焊枪相对于焊缝的角度就会发生变化，因此，焊接机器人和焊接专机如何识别焊枪位置姿态并进行自动调节是智能化焊接、提 高焊接效率和焊接质量的重要环节之一。焊枪的位姿始终处于焊缝的角平分线上 时,其焊接质量会达到最佳效果,因此跟随焊缝角度的变化调节焊枪的位姿是其焊缝自动跟踪控制的基础。

发明内容

为了解决现有方法以及技术方面存在的不足，更好地推动焊接自动化、焊缝自动跟踪技术的发展，针对目前不同角度角焊缝焊枪空间位姿难以识别，空间姿 态信息识别受限制等问题，本发明提出一种基于电感阵列传感器角焊缝焊枪 位姿识别系统。该系统采用的装置由电感阵列传感器、信号采集模块、数据 处理模块、偏差调节模块以及执行机构组成。电感阵列传感器前置于焊枪，焊枪通过转轴与十字滑架相连。信号采集模块包括线圈阵列、放大器、信号转换器。在电感线圈中加上交变电流，则可以在电感线圈周围形成一个交变磁场，根据法拉利电磁感应定律，会在工件上产生电涡流，根据楞兹定律，电涡流的磁场方向与电感线圈磁场正好相反，而这将改变电感线圈的阻抗值，进而改变电感线圈中感应电流的值，这个感应电流的变化量与感应线圈到工件的距离有关。将提取的电流信号经放大器放大后输入至信号转换器中，信号转换器可以获得感应电流的变化量，并以此为依据，输出对应的距离值。

该系统通过信号采集模块对电感阵列传感器进行感应电流数据提取，电流信号由信号转换器转换成距离信号，得到的距离信号再由数据处理模块分析出极板对工件的距离差值，再由三点归一寻优算法计算出工件角度以及焊枪在各方向上的距离及角度偏差（俯仰角、偏航角）等特征信号，将得到的特征信号输入到偏差调节模块，由偏差调节模块发出纠偏指 令给执行装置，执行机构根据纠偏指令对焊枪位姿进行调整，从而实现焊枪位姿的识别及调整。

本发明所述的电感阵列传感器，其特征是：该电感阵列传感器包括 2 块规格参数完全相同的方形极板，每块极板包括：9个完全相同的电感线圈、 屏蔽条、绝缘底板和保护罩，电感阵列传感器采用分时测试的扫描方法，采用时序控制电路控制对电感线圈的交变电流的输入，电 感线圈的检测方式为绝对式检测方式，电感线圈既是电感场的发生器，又是电感场的接收器；电感阵列传感器的两块极板 A、B极板相互垂直，且 A、B两极板独立工作，互不干扰，其中每块极板中的 9个电感线圈 记为 Aij，Biji，j=1，2，3。每个线圈依次进行分时激励和检测，数据采集模块采集每个电感线圈的电流信号，并由放大器放大输入到信号转换器中，由信号转换器将电流信号转换为距离信号，将得到 的信号保存起来并准备输入至下一模块。在电感线圈其他因素不变的情况下， 电感线圈距工件表面距离不同，所产生的感应电流会有所差异，根据采集到的不 同电流信号，通过数据处理模块逆推出各个电感线圈距工件表面的距离，这样，便可反映出焊缝坡口的形貌特征。

本发明所述的三点归一寻优算法，其特征是：所述的三点归一寻优算法根据电感线圈到工件的距离，将每三个距离值在误差允许范围内经过处理取其最优值，所得的最优值作为线圈在某点距工件的距离值，通过对各距离进行分析计算，提取焊枪对于工件的偏差距离和角度偏差值（俯仰角、偏航角）等特征信号，从而实现对焊枪进行位姿调整。

附图说明

图 1 是基于电感阵列传感器的焊枪位姿识别系统的系统框图。

图 2 是电感阵列传感器结构图。

图 3是工件角度识别示意图。

图 4是焊枪直线偏差识别示意图。

图 5是焊枪俯仰角偏差偏差识别示意图。

图 6是焊枪偏航角偏差识别示意图。

具体实施方式

为了更好地表达整个发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述，但是，本发明的实施方式不限于此。

实施例一：本发明一种基于电感阵列传感器的焊枪位姿识别系统的系统框图如图1 所示，包括电感阵列传感器、信号采集模块、数据处理模块、偏差调节模块以及执行机构。电感阵列传感器结构如图2所示，该电感阵列传感器包括 2 块规格参数完全相同的方形极板，每块极板包括：9个电感线圈、屏蔽条、绝缘底板和保护罩；电感阵列传感器采用分时测试的扫描方法，采用时序控制电路控制对电感线圈的交变电流的输入，电感线圈输入的交变电流有时间先后顺序，电感线圈的检测方式为绝对式检测方式，仅由一个检测线圈进行感应电流的检测，电感线圈既是电感场的发生器，又是电感场的接收器；两块极板相互垂直，实现不同角度的角焊缝识别以及执行机构对焊枪进行位姿调整。

实施例二：电感阵列传感器数据信号的提取。

电感阵列传感器的两块极板 A、B相互垂直，且 A、B两极板独立工作，互不干扰，其中每块极板中的9个电感线圈记为 Aij ，Biji，j=1，2，3。每个线圈依次进行分时激励和检测，采用时序控制电路控制对电感线圈的交变电流的输入，电感线圈输入的交变电流有时间先后顺序，电感线圈的检测方式为绝对式检测方式，仅由一个检测线圈进行感应电流的检测；数据采集模块采集每个电感线圈的电流信号，并由放大器放大输入到信号转换器中，由信号转换器将电流信号转换为距离信号，将得到 的信号保存起来并准备输入至下一模块。在电感线圈其他因素不变的情况下， 电感线圈距工件表面距离不同，所产生的感应电流会有所差异，根据采集到的不 同电流信号，通过数据处理模块逆推出各个电感线圈距工件表面的距离，这样，便可反映出焊缝坡口的形貌特征。

实施例三：距离参数的确定。

由信号采集模块采取的距离信号，对这些数据进行分析，可以得出每组线圈距工件表面的距离。具体形式如下：假设工件角度为直角。

对A极板：线圈A1j （j=1，2，3）距工件立板的距离HA1j在相差较小时可认为焊枪对中即无偏差，则取线圈A1j 距工件立板的距离为a点距工件立板的距离

a点定为线圈A12 的中心点，根据相同原则，可得b点距工件立板的距离Hb，b点定为线圈 A22的中心点，c点距工件立板的距离 Hc，c点定为线圈 A32 的中心点。

对B极板：线圈B_1j （j=1，2，3）距工件立板的距离HB_1j在相差较小时可认为焊枪对中即无偏差，则取线圈B_1j 距工件立板的距离为d点距工件立板的距离

d点定为线圈B₁₂的中心点，根据相同原则，可得e点距工件立板的距离H_e，e点定为线圈B₂₂的中心点，f点距工件立板的距离H_f，f点定为线圈B₃₂的中心点。

A板至工件立板的距离为H_A

B板至工件平板的距离为H_B

线圈A_i1（i=1，2，3）距工件立板的距离为k点距工件立板的距离H_k

k点定为线圈A₂₁的中心点，根据相同原则，可得g点距工件立板的距离H_g，g点定为线圈A₂₂的中心点，j点距工件立板的距离H_j，j点定为线圈A₂₃的中心点。

实施例四：工件角度识别。

如图3所示，a、b、c三点至A板距离分别为H_a、H_b、H_c，a、c两点距离为已知值，设为L。则工件立板与A板之间的夹角为

Ѳ_A=arctan[（H_a-H_c）/L]

d、e、f三点至B板距离分别为H_d、H_e、H_f，d、f两点距离为已知值，为L。则工件平板与B板之间的夹角为

Ѳ_B=arctan[（H_f-H_d）/L]

则工件角度Ѳ=90˚+Ѳ_A+Ѳ_B

实施例五：焊枪偏差识别。

焊枪直线偏差（上下偏差、左右偏差）的识别：如图4所示，当A板至工件立板的距离为H_A，B板至工件平板的距离为H_B，设定极板至工件距离的阀值为H₀。若H_A=H_B=H₀，则焊枪无直线偏差即焊枪对中；若H_A> H₀=H_B，则焊枪直线右偏，右偏大小为H_A-H_B，通过调节机构使焊枪向左平移H_A-H_B使H_A=H_B=H₀；若H_A=H₀<H_B，则焊枪直线上偏，上偏大小为H_B-H_A，通过调节机构使焊枪向下平移H_B-H_A使H_A=H_B=H₀。

焊枪俯仰角偏差识别：如图5所示，a、b、c三点至A板距离分别为H_a、H_b、H_c，a、c两点距离为已知值，设为L。当焊枪出现左右角度偏差时，此时测得工件立板与A板之间的夹角为

Ѳ’_A=arctan[（H_a-H_c）/L]

d、e、f三点至B板距离分别为H_d、H_e、H_f，d、f两点距离为已知值，为L。此时测得工件平板与B板之间的夹角为

Ѳ’_B=arctan[（H_f-H_d）/L]

当Ѳ^’ _A为正值时，则焊枪右偏，右偏角度为Ѳ^’ _A ,通过调节机构使焊枪向左旋转Ѳ^’ _A 或Ѳ^’ _B为负值时，则焊枪右偏，右偏角度为|Ѳ^’ _B|,通过调节机构使焊枪向左旋转|Ѳ^’ _B|；当Ѳ^’ _A为负值时，则焊枪左偏，左偏角度为|Ѳ^’ _A|,通过调节机构使焊枪向右旋转|Ѳ^’ _A|或Ѳ^’ _B为正值时，则焊枪左偏，左偏角度为Ѳ^’ _B ,通过调节机构使焊枪向右旋转Ѳ^’ _B。

焊枪偏航角偏差识别：如图6所示，j、g、k三点至工件立板的距离为H_j、H_g、H_k，j、k两点距离为已知值，设为L。当焊枪出现焊枪偏航角及翻滚角偏差时，则偏差角度

Φ= arctan[（H_j-H_k）/L]

当Φ>0时，则焊枪后偏，偏差角度为Φ，调节机构向前偏转角度Φ；当Φ<0时，则焊枪前偏，偏差角度为Φ，调节机构向后偏转角度Φ。

通过以上焊枪直线偏差的识别、焊枪左右角度偏差识别、焊接方向偏差识别，可以有效确定焊枪最佳位姿，实现焊缝自动跟踪。

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

提下所作出的若干改进，都视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于电感阵列传感器的焊枪位姿识别系统，其特征是：由电感阵列传感器、信号采集模块、数据处理模块、偏差调节模块以及执行机构组成；该焊枪位姿识别系统通过电感阵列传感器提取焊枪相对于工件的距离，数据处理模块利用三点归一寻优算法对工件距离进行寻优，快速提取焊枪相对于焊缝的距离及偏差角度等特征信号，进而确定焊枪位姿。

2.根据权利要求1 所述的一种基于电感阵列传感器角焊缝焊枪位姿识别系统，其特征是：所述的电感阵列传感器包括 2块规格参数完全相同的方 形极板，每块极板包括9个电感线圈，屏蔽条，绝缘底板和保护罩；两块极板相互垂直，实现不同角度的角焊缝焊枪位姿识别。

3.根据权利要求1所述的一种基于电感阵列传感器的焊枪位姿识别系统，其特征是：所述的三点归一寻优算法根据电感线圈到工件的距离，将每三个距离值在误差允许范围内经过处理取其最优值，所得的最优值作为线圈在某点距工件的距离值，通过对各距离进行分析计算，提取焊枪对于工件的偏差距离和角度偏差值等特征信号，从而实现对焊枪进行位姿调整。