CN109702297B - 一种基于焊接偏差变化特征识别90°折线角焊缝交叉点的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于焊接偏差变化特征识别90°折线角焊缝交叉点的方法，所述方法包括，焊枪偏离焊缝焊接偏差的识别方法、利用模式识别实现交叉点识别的方法和交叉点识别精度的检测方法；为了减小焊接熔池对焊接偏差识别的影响，以电弧转动前半圈对应的焊接电流为处理对象，提高焊接偏差识别的准确度和可靠性；当未识别出交叉点时，如果当前识别出的焊接偏差小于‑1，或者当前识别出的焊接偏差小于0且比前一次识别出的焊接偏差小0.5，利用发明的模式识别方法可实现交叉点的识别；本发明基于焊接偏差变化特征识别90°折线角焊缝交叉点的方法，可实现交叉点的实时检测及识别，有利于实现90°折线角焊缝的机器跟踪焊接，提高了焊接质量和效率。

Description

一种基于焊接偏差变化特征识别90°折线角焊缝交叉点的 方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体为一种基于焊接偏差变化特征识别90°折线角焊缝交叉点的方法。

背景技术

焊接是金属连接最有效的方式之一，广泛存在于各种行业中，例如：造船业、容器制造业、钢结构厂房制造业和起重机制造行业等。目前，简单的直线焊缝通过使用自动焊接小车，已经基本实现了机器焊接，但90°折线角焊缝需要人工焊接完成，这些焊缝比较复杂，工作空间狭小，机械手臂也不能实现狭小空间内90°折线角焊缝的自动焊接。针对目前存在的此工程问题，需要研究出一种90°折线角焊缝跟踪焊接的方法，要实现90°折线角焊缝的跟踪焊接，需要实现90°折线角焊缝交叉点的机器识别，其为实现90°折线角焊缝跟踪焊接的关键技术，因此，发明出一种90°折线角焊缝交叉点的识别方法，对于实现工厂中90°折线角焊缝的机器自主焊接，具有重大意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术不足，提供一种基于焊接偏差变化特征识别90°折线角焊缝交叉点的方法，为实现焊接业中90°折线角焊缝的机器自动焊接奠定基础，有助于提高焊接自动化的水平，提高生产质量和效率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于焊接偏差变化特征识别90°折线角焊缝交叉点的方法，所述方法包括，焊枪偏离焊缝焊接偏差的识别方法、利用模式识别实现基于焊接偏差变化特征识别交叉点的方法和交叉点识别精度的检测方法；

所述焊枪偏离焊缝焊接偏差的识别方法为：基于焊接熔池对电弧长度存在影响，并且，沿着焊接方向，熔池对电弧转动前半圈对应电弧长度的影响小于熔池对电弧转动后半圈对应电弧长度的影响；以电弧转动前半圈对应的焊接电流为处理对象，以采样点的序号i为横坐标，采样电流I_i为纵坐标，利用最小二乘法对采样点(i，I_i)进行直线拟合，以拟合直线斜率的大小表示焊枪偏离焊缝的大小，识别出焊枪偏离焊缝的焊接偏差；当拟合直线斜率为正时，沿着焊接方向，焊枪向上偏离焊缝；当拟合直线斜率为负时，沿着焊接方向，焊枪向右偏离焊缝。

进一步得，所述利用模式识别实现基于焊接偏差变化特征识别交叉点的方法如下：

式中，G_n表示当前焊接点的位置；G₁表示当前焊接点位于90°折线角焊缝的第一段直线焊缝上；G₂表示当前焊接点为90°折线角焊缝的交叉点；G₃表示当前焊接点位于90°折线角焊缝的第二段直线焊缝上；e_n为当前焊枪偏离焊缝的焊接偏差，|e_n|为其绝对值；e_n-1为前一次识别出的焊枪偏离焊缝的焊接偏差；flag为交叉点标志，当flag的值为0时，表示未识别出90°折线角焊缝的交叉点，当flag的值为1时，表示已经识别出了90°折线角焊缝的交叉点。

进一步得，所述交叉点识别精度的检测方法为：通过分析焊接90°折线角焊缝过程中焊接偏差的变化特征，发明了基于焊接偏差变化特征识别出交叉点时的识别精度δ₂，交叉点识别精度δ₂满足下式：

式中，δ₂为基于焊接偏差变化特征识别出交叉点时的识别精度，r为电弧旋转半径，α为焊枪在竖直面内的倾角。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过本发明所述一种基于焊接偏差变化特征识别90°折线角焊缝交叉点的方法，可实现交叉点的实时检测及识别，检测成本低、实时性好、准确度高，有利于实现90°折线角焊缝的机器跟踪焊接，能降低工人的劳动强度，减少人工成本，提高焊接质量和效率，能产生经济效益。

附图说明

图1为本发明焊枪位姿的数学模型图；

图2为本发明焊接90°折线角焊缝时焊枪相对于焊缝姿态的变化过程图；

图3为本发明基于焊接偏差变化特征识别90°折线焊缝交叉点的原理图；图3(a)为焊接至交叉点M之前的情景图；图3(b)为焊接至交叉点M时的情景图；图3(c)为识别出交叉点M时的情景图；图3(d)为识别出交叉点M之后的情景图；

图4为本发明识别90°折线角焊缝交叉点过程中焊接偏差变化曲线图。

图中：1.角焊缝，2.干伸长，3.导电嘴，4.焊枪，5.旋转电弧传感焊枪在水平面内的投影，6.水平滑块，7.焊枪转动的中心点，8.90°折线角焊缝的交叉点，9.识别出的交叉点位置，10.竖直钢板，11.水平钢板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

本发明所述一种基于焊接偏差变化特征识别90°折线角焊缝交叉点(8)的方法，详细叙述实施方式如下：

图1为建立的焊枪(4)相对于焊缝位姿的数学模型，AB为直线焊缝，焊接速度为v，以焊缝上的当前焊接点为坐标原点O，沿着焊接速度的反方向为x轴正方向，竖直向上为z轴的正方向，根据右手定则建立y轴，电弧与钢板交于点D，导电嘴(3)端点F在水平面内的投影为点F′，点D至x轴的距离为焊枪(4)相对于焊缝的焊接偏差e；导电嘴(3)端点F至水平钢板(11)的距离为h，表示焊枪(4)的高度；电弧与z轴的夹角α为焊枪(4)在竖直面内的倾角；电弧在水平钢板(11)上的投影与x轴的夹角β为焊枪(4)沿着焊接方向的倾角；焊枪(4)绕其轴线转动的角度γ为焊枪(4)自转的角度。因此，焊枪(4)相对于焊缝位姿的数学模型可表示为F＝(e,h,α,β,γ)。

图2为焊接90°折线角焊缝(1)时焊枪(4)相对于焊缝姿态的变化过程，机器人焊接90°折线角焊缝HMT(1)时，将其分解成焊接线性焊缝HJ、直角焊缝JMR和线性焊缝RT，焊枪(4)从位置1平动至位置2，当焊接至J点时，此时超声波传感器测量到机器人转动中心点P(7)至焊缝MT的距离等于转动半径，此时，焊枪(4)绕转动中心点P(7)转动，同时，水平滑块(6)伸出，使焊接速度为v，沿着线性焊缝HM焊接，当焊接至90°折线角焊缝的交叉点(8)时，由于机器人并不知道当前焊接点M为交叉点(8)，因此，通过路径规划，虚拟焊接点继续以焊接速度v从点M运动至点L，焊枪(4)从位置4运动至位置5，使焊枪(4)相对于焊缝的焊接偏差、干伸长(2)、焊枪(4)沿着焊接方向的倾角等表征焊枪(4)相对于焊缝位姿的信号发生突变，根据信号存在突变的特征，识别出90°折线角焊缝的交叉点(8)，使机器人各关节协调运动，使焊枪(4)相对于焊缝的焊接偏差和干伸长(2)迅速回到设定范围内，并使焊接点沿着90°折线角焊缝(1)的第二段线性焊缝NT方向焊接，使焊接速度的大小为v。当焊接至点R时，完成了直角焊缝JMR的焊接，焊枪(4)平动运动，焊接完线性焊缝RT。因此，机器人焊接90°折线角焊缝(1)的整个过程，焊枪(4)依次从位置1运动至位置2、位置3、位置4、位置5、位置6、位置7和位置8，最终实现了交叉点(8)的机器识别及90°折线角焊缝(1)的跟踪焊接。

图3为基于焊接偏差变化特征识别90°折线角焊缝的交叉点(8)，图3(a)为焊接至交叉点M(8)之前的情景，此时，机器人正在焊接90°折线角焊缝(1)的第一段直线焊缝HM。直流电机带动电弧匀速转动，转动半径为r，转动角速度为w，焊枪(4)依次从位置1转动至位置2、位置3、位置4和位置1，旋转电弧传感器连续等时间间隔采集64个焊接电流。如图3(a)所示，当电弧从点L转动至点K时，电弧长度变长，焊接电流变小；当电弧从点K转动至点J时，电弧长度变短，焊接电流变大；同理，电弧从点J转动至点I时，电弧长度变长，焊接电流变小；电弧从点I转动至点L时，电弧长度变短，使焊接电流变大。由于焊接熔池对电弧长度存在影响，并且，沿着焊接方向，熔池对曲线J'K'L'对应电弧长度的影响小于熔池对曲线L'I'J'对应电弧长度的影响，为了准确求取焊枪(4)偏离焊缝的焊接偏差，以电弧转动前半圈J'K'L'对应的焊接电流为处理对象，以采样点的序号i为横坐标，采样电流I_i为纵坐标，利用最小二乘法对采样点(i，I_i)进行直线拟合，识别出焊枪(4)偏离焊缝的焊接偏差，其中，拟合直线的斜率k满足下式，

式中，i为采样点序号；I_i为采样电流的值；n为用于线性拟合的采样点总数；k为拟合直线的斜率。

以拟合直线斜率的大小表示焊枪(4)偏离焊缝的大小，当拟合直线斜率为正时，沿着焊接方向，焊枪(4)向上偏离焊缝；当拟合直线斜率为负时，沿着焊接方向，焊枪(4)向右偏离焊缝。在图3(a)中，利用路径规划和基于旋转电弧传感的焊缝跟踪技术，可使焊枪(4)偏离焊缝焊接偏差e的绝对值小于1mm。当焊接至交叉点M(8)时，如图3(b)所示，直线UM为两块竖直钢板(10)的交线，点M为90°折线角焊缝的交叉点(8)，为直线UM与水平钢板(11)的交点，由几何关系可知，曲线JK对应的电弧长度之和小于曲线KQL对应的电弧长度之和，使得曲线JK对应的焊接电流之和大于曲线KQL对应的焊接电流之和，并且，由图2可知，由于此时未识别出当前焊接点为90°折线角焊缝的交叉点(8)，通过路径规划，虚拟焊接点以焊接速度v沿着第一条直线焊缝HM运动，焊枪(4)绕转动中心点(7)转动，使电弧随着其转动中心点O整体沿着焊缝MN方向移动，使曲线KQL对应的电弧长度之和变长，对应的焊接电流之和变小，使曲线JKQL对应焊接电流关于采样序号拟合直线的斜率为负值，且其绝对值变大。随着焊枪(4)绕转动中心转动，点L运动至直线UM上时，如图3(c)所示，此时，曲线JKL对应的焊接电流关于采样序号的拟合直线的斜率为负，其值为焊接90°折线角焊缝(1)过程中的最小值，当焊接熔池影响比较小时，其值小于-1，但其绝对值最大，大于1。结合图3(a)、3(b)和3(c)可知，当焊枪(4)焊接至90°折线角焊缝交叉点M(8)之前时，由于焊缝位姿不存在突变，利用路径规划和基于旋转电弧传感的焊缝跟踪技术，可使焊枪(4)相对于焊缝的焊接偏差的绝对值小于1；当焊接至交叉点M(8)时，由于焊缝姿态在交叉点(8)处存在突变，相当于给系统一个阶跃信号输入，使输出信号也存在突变，因此，焊枪(4)相对于焊缝的焊接偏差存在突变，此时焊接偏差为负值，当焊接熔池影响比较小时，其绝对值大于1。根据焊接偏差的变化特征，可识别出90°折线角焊缝的交叉点(8)。图3(d)为识别出交叉点M(8)后，利用路径规划，使焊枪(4)绕转动中心转动，水平滑块(6)缩进，使焊接点沿着焊缝MN方向运动，并且，基于旋转电弧传感技术，识别出焊枪(4)相对于焊缝的焊接偏差和干伸长(2)偏差，控制机器人各关节协调运动，消除焊接偏差和干伸长(2)偏差，如图3(d)所示，此时，曲线IJ对应电弧长度之和近似等于曲线JK对应电弧长度之和，使焊枪(4)相对于焊缝的焊接偏差e的绝对值小于1mm。综上所述，发明了一种模式识别的方法，基于焊接偏差变化的特征可识别出90°折线角焊缝的交叉点(8)，模式识别方法如下，

式中，G_n表示当前焊接点的位置；G₁表示当前焊接点位于90°折线角焊缝(1)的第一段直线焊缝上；G₂表示当前焊接点为90°折线角焊缝的交叉点(8)；G₃表示当前焊接点位于90°折线角焊缝(1)的第二段直线焊缝上；e_n为当前焊枪(4)偏离焊缝的焊接偏差，|e_n|为其绝对值；e_n-1为前一次识别出的焊枪(4)偏离焊缝的焊接偏差；flag为交叉点标志，当flag的值为0时，表示未识别出90°折线角焊缝的交叉点(8)，当flag的值为1时，表示已经识别出了90°折线角焊缝的交叉点(8)。

由于熔池的影响，不同的90°折线角焊缝(1)存在差异，不但工况存在差异，而且焊接至不同的交叉点时，机器人自身的参数也存在差异，当机器人焊接至不同的90°折线角焊缝(1)时，焊接电流的波形和焊接偏差存在差异，使基于焊接偏差识别出90°折线角焊缝交叉点(8)的准确度不同，因此，需要研究基于焊接偏差识别出不同90°折线角焊缝交叉点(8)的精确度。如图3所示，当焊枪(4)从图3(a)对应的位姿依次变成图3(b)和图3(c)对应的位姿时，识别出来的焊枪(4)相对于焊缝的焊接偏差变小。当熔池的影响比较小时，焊枪(4)到达图3(c)对应的位姿时，点L运动至竖直焊缝UM上，识别出的焊接偏差最小，其绝对值大于1，此时，基于焊接偏差变化特征一定可以识别出90°折线角焊缝的交叉点(8)，此时焊接的中心点位于点O，由于电弧旋转的半径为r，因此，如图3(c)所示，交叉点(8)识别的最大误差等于图3(c)中线段LO的长度，其也是基于焊接偏差变化特征识别出交叉点(8)时的识别精度δ₂，在图3(c)中，由几何关系可求到交叉点(8)识别精度δ₂满足下式，

式中，δ₂为基于焊接偏差变化特征识别出交叉点(8)时的识别精度；|LO|为线段LO的长度；|LJ|为线段LJ的长度；r为电弧旋转半径，其值为1.5mm；α为焊枪(4)在竖直面内的倾角，平焊时，其值为45°。

因此，基于焊接偏差变化特征识别出交叉点(8)时，交叉点(8)识别精度为2.121mm，利用此方法识别出交叉点(8)的最大误差为2.121mm。

为了验证基于焊接偏差变化特征识别90°折线角焊缝交叉点(8)的有效性，利用发明的方法，在焊接90°折线角焊缝(1)过程中，进行了识别交叉点(8)的实验，图4为焊接90°折线角焊缝(1)过程中焊接偏差变化的曲线，每隔0.3秒，识别出一次焊接偏差。由于交叉点(8)位于35°至55°范围内，仅绘制出焊枪(4)转过角度位于35°至55°范围内的焊接偏差曲线。从图中可以发现，焊接偏差的绝对值小于1，焊接偏差的值在0附近小幅度波动。当焊枪(4)绕转动中心转过的角度位于35°至44.9°范围内，相邻两次识别出的焊接偏差的差值大于-0.5，并且，从44.9°变化至45.1°时，使图4中的点a(44.9°,0.27)变化至点b(45.1°,-0.4)，时间经过了0.3秒，但焊接偏差却减少了0.67mm，利用式(2)设计的模式识别算法可知，图4中点b对应的焊接点为基于焊接偏差变化特征识别出的90°折线角焊缝的交叉点(8)，此时，焊枪(4)绕转动中心转动的角度为45.1°。当焊枪(4)绕转动中心转过的角度从45.1°变化成55°的过程中，相邻两次焊接偏差的绝对值没有发生突变，最终完成了基于焊接偏差变化特征识别出90°折线角焊缝的交叉点(8)。

综上所述，利用模式识别的方法，基于焊接偏差的变化特征可实现90°折线角焊缝交叉点(8)的机器自动识别。

以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种基于焊接偏差变化特征识别90°折线角焊缝交叉点的方法，其特征在于：所述方法包括，焊枪偏离焊缝焊接偏差的识别方法、利用模式识别实现基于焊接偏差变化特征识别交叉点的方法和交叉点识别精度的检测方法；

所述焊枪偏离焊缝焊接偏差的识别方法为：基于焊接熔池对电弧长度存在影响，并且，沿着焊接方向，熔池对电弧转动前半圈对应电弧长度的影响小于熔池对电弧转动后半圈对应电弧长度的影响；以电弧转动前半圈对应的焊接电流为处理对象，以采样点的序号i为横坐标，采样电流I_i为纵坐标，利用最小二乘法对采样点(i，I_i)进行直线拟合，以拟合直线斜率的大小表示焊枪偏离焊缝的大小，识别出焊枪偏离焊缝的焊接偏差；当拟合直线斜率为正时，沿着焊接方向，焊枪向上偏离焊缝；当拟合直线斜率为负时，沿着焊接方向，焊枪向右偏离焊缝；

当焊枪焊接至90°折线角焊缝交叉点之前时，由于焊缝位姿不存在突变，利用路径规划和基于旋转电弧传感的焊缝跟踪技术，可使焊枪相对于焊缝的焊接偏差的绝对值小于1；当焊接至交叉点时，由于焊缝姿态在交叉点处存在突变，相当于给系统一个阶跃信号输入，使输出信号也存在突变，因此，焊枪相对于焊缝的焊接偏差存在突变，此时焊接偏差为负值，当焊接熔池影响比较小时，其绝对值大于1；根据焊接偏差的变化特征，可识别出90°折线角焊缝的交叉点；因此，所述利用模式识别实现基于焊接偏差变化特征识别交叉点的方法如下，

式中，G_n表示当前焊接点的位置；G₁表示当前焊接点位于90°折线角焊缝的第一段直线焊缝上；G₂表示当前焊接点为90°折线角焊缝的交叉点；G₃表示当前焊接点位于90°折线角焊缝的第二段直线焊缝上；e_n为当前焊枪偏离焊缝的焊接偏差，|e_n|为其绝对值；e_n-1为前一次识别出的焊枪偏离焊缝的焊接偏差；flag为交叉点标志，当flag的值为0时，表示未识别出90°折线角焊缝的交叉点，当flag的值为1时，表示已经识别出了90°折线角焊缝的交叉点；

所述交叉点识别精度的检测方法为：通过分析焊接90°折线角焊缝过程中焊接偏差的变化特征，发明了基于焊接偏差变化特征识别出交叉点时的识别精度δ₂，交叉点识别精度δ₂满足下式：

式中，δ₂为基于焊接偏差变化特征识别出交叉点时的识别精度，r为电弧旋转半径，α为焊枪在竖直面内的倾角。

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