CN112846551B - 一种旋转超声波-电弧复合式焊缝跟踪方法 - Google Patents

Abstract

一种旋转超声波‑电弧复合式焊缝跟踪方法，它主要是解决单个传感器受到焊接现场的电场及磁场等复杂工况的干扰，导致焊缝跟踪精度低、焊接质量差、系统容错率低等问题。其技术方案主要是：该方法采用超声波‑电弧复合式传感器，由锥齿轮传动机构驱动焊枪产生旋转运动，双侧超声波发射模块同时旋转形成旋转超声波扫描V形坡口，对采样数据分别采用温度补偿算法对数据进行补正和最小二乘法进行拟合并得出两种焊缝偏差信息，将两种焊缝偏差信息采用双变量自适应系数加权算法进行信息融合，得到最优焊缝偏差e，输入到PLC中采用PID控制对焊缝偏差通过十字滑架、焊接小车对焊接过程进行闭环控制，最终实现焊缝的精确跟踪。

Description

一种旋转超声波-电弧复合式焊缝跟踪方法

技术领域

本发明涉及到一种旋转超声波-电弧复合式焊缝跟踪方法，该方法应用于焊接自动跟踪领域。

背景技术

焊接被广泛应用于机械制造、汽车制造及配件、航空航天、船舶制造等多个行业，为了保证焊接产品质量的稳定性和提高焊接效率，改善焊工的工作环境，人们不断地提高焊接自动化的水平，其核心就是发展焊缝自动跟踪系统及方法。在焊接过程中会产生大量弧光干扰和焊接电弧短路使得电流信号含有很多短路尖峰和噪声等干扰，再加上焊接现场的电场及磁场等复杂工况的干扰，单个传感器组成的焊缝跟踪系统难以克服焊接过程中各种不确定因素对焊缝偏差信息提取的影响，焊缝跟踪失败的可能性较大。将多种不同的传感器有机结合，是解决复杂环境下焊缝跟踪的有效途径，也是焊接自动化发展的必然趋势，多传感信息融合技术在军事运用方面取得了较大的发展，但在自动化焊接系统的焊缝跟踪中研究较少。

针对上述问题，设计了一种旋转超声波-电弧复合式焊缝跟踪方法，主要是解决单个传感器受到焊接现场的电场及磁场等复杂工况的干扰，导致焊缝跟踪精度低、焊接质量差、系统容错率低等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、抗干扰能力强、跟踪精度高、稳定性好、灵敏性高的基于超声波传感器和电弧传感器的焊缝跟踪系统及方法。由于超声波传感器对焊接过程中产生的强光以及电、磁场等干扰不敏感，但温度对声波有一定干扰，因此要使用温度补偿算法对其进行温度补偿，即可适用于各种复杂工况，再结合电弧传感器实时性能好，响应迅速等特点，提出了超声波-电弧复合式焊缝跟踪方法，对采样数据分别采用温度补偿算法对数据进行补正和最小二乘法进行拟合并得出两种焊缝偏差信息，将两种焊缝偏差信息采用双变量自适应系数加权算法进行信息融合，得到最优焊缝偏差e，最终实现焊缝的精确跟踪。该方法能有效避免单传感器在复杂工况下提取焊缝偏差精度低甚至是失效等情况，提高了系统的容错率和焊缝跟踪精度，信息融合算法简单且实用性强，为多传感信息融合技术在焊接自动化控制中提供理论参考。

本发明针对上述问题采用的技术方案如下：该系统由环形超声波接收阵列模块，双侧超声波发射模块，温度传感器，电弧传感器，锥齿轮传动机构，伺服电机，焊接电源，环形数据采集及处理模块，焊枪，PLC，十字滑架，焊接小车所组成，该方法采用超声波-电弧复合式传感器，由锥齿轮传动机构驱动焊枪产生旋转运动，双侧超声波发射模块同时旋转形成旋转超声波扫描V形坡口，数据采集及处理模块对环形超声波接收阵列模块进行数据采样，对采样数据采用温度补偿算法对数据进行补正并得出焊缝偏差信息，数据采集模块对电弧传感器输出信号进行数据采样，对采样数据采用最小二乘法进行拟合并得出焊缝偏差信息；将两种焊缝偏差信息采用双变量自适应系数加权算法进行信息融合，得到最优焊缝偏差e，输入到PLC中采用PID控制对焊缝偏差通过十字滑架、焊接小车对焊接过程进行闭环控制，最终实现焊缝的精确跟踪。

双侧超声波发射模块是由对称分布的左侧超声波发射器和右侧超声波发射器组成，左侧超声波发射器与右侧超声波发射器同时进行旋转扫描焊缝，环形超声波接收阵列模块由超声波接收器围绕焊枪盖板旋转一圈所组成，用来接收双侧超声波发射模块的信息，并与光码盘一并固定在焊枪盖板上。伺服电机固定在横向十字滑架上，通过锥齿轮传动机构连接焊枪，环形数据采集及处理模块根据光码盘的定位信息对数据进行采样处理，环形超声波接收阵列模块测得的距离信息分别为H_f和H_L，首先当H_f＝H_L时，焊缝中心校准完毕，启动伺服电机驱动锥齿轮传动机构带动焊枪旋转。

所述旋转超声波扫描焊缝具有以下作用：得到焊缝偏差信息、得到焊缝高度信息、反馈并二次调节焊缝偏差信息。通过光码盘定位焊缝中心位置，双侧超声波发射器第一次经过焊缝中心位置时开始进行数据采样，每次双侧超声波发射器通过焊缝中心位置时环形超声波接收阵列模块测得的距离信息分别为H_cf和H_cL，下次得到H_cf和H_cL时，将这之间的H_f和H_L信息分别进行累加，当∑H_f-∑H_L＝0，焊枪对中，当∑H_f-∑H_L＞0，焊枪左偏，当∑H_f-∑H_L＜0，焊枪右偏；|H_cf-H_cL|为焊缝高度h，根据工艺要求可以通过 PLC自适应调整焊接小车的焊接速度、焊接电源的焊接电流、电弧电压等工艺参数；若在H_f和H_L之间存在比H_cf和H_cL大的数据时，通过光码盘可以定位到偏离焊缝中心的角度θ，通过PLC调节十字滑架上的电机进行二次调节。

所述光码盘定位方法是在光码盘上开有和焊缝中心位置一致的1条长齿，60条短齿，安装在焊枪盖板下方，在电弧传感器上安装两个光耦。当光码盘转动时，齿形槽将交替地阻挡和允许由光耦的发光管通往光敏接收管的光路，光敏管也周期性工作输出脉冲，长齿发出的脉冲信号用来定位并采集H_cf和H_cL，短齿发出脉冲信号时采集H_f和H_L。

本发明的有益效果是：对于单个传感器受到焊接现场的电场及磁场等复杂工况的干扰，导致焊缝跟踪精度低、焊接质量差、系统容错率低等问题，提出了一种旋转超声波-电弧复合式焊缝跟踪方法，该方法采用锥齿轮传动机构驱动焊枪产生旋转运动，双侧超声波发射模块同时旋转形成旋转超声波扫描V形坡口，对采样数据分别采用温度补偿算法对数据进行补正和最小二乘法进行拟合并得出两种焊缝偏差信息，将两种焊缝偏差信息采用双变量解耦自适应系数加权算法进行信息融合，得到最优焊缝偏差e，再输入到PLC中采用PID控制对焊缝偏差通过执行机构进行闭环控制，最终实现焊缝的精确跟踪。该方法使系统充分发挥超声波传感器与电弧传感器的综合优势，避免了单一传感器无法全面有效地获取焊缝偏差信息，实现了高精度的焊缝偏差信息提取，跟踪效果优于单传感器焊缝跟踪方法，实现抗干扰能力强、跟踪精度高、稳定性好、容错率高的焊缝跟踪系统，可广泛应用于焊接自动化系统中。

附图说明

图1是旋转超声波-电弧复合式焊缝跟踪方法流程图

图2是超声波-电弧复合式传感器结构示意图

图3是超声波-电弧复合式焊缝跟踪系统示意图

图4是单侧旋转超声波测距原理图

图5是超声波-电弧传感器信息融合方法流程图

具体实施步骤

以下将附图说明和实施例结合对本发明做出进一步的说明，所描述的实施例仅旨在对本发明的理解，而不其任何限定说明。

实施例1，参见图1，本发明采用基于超声波传感器和电弧传感器的焊缝跟踪方法，该系统由环形超声波接收阵列模块，双侧超声波发射模块，温度传感器，电弧传感器，锥齿轮传动机构，伺服电机，焊接电源，双侧数据采集及处理模块，焊枪，PLC，十字滑架，焊接小车所组成，该方法采用超声波-电弧复合式传感器，由锥齿轮传动机构驱动焊枪产生旋转运动，双侧超声波发射模块同时旋转形成旋转超声波扫描V形坡口，环形数据采集及处理模块对环形超声波接收阵列模块进行数据采样，对采样数据采用温度补偿算法对数据进行补正并得出焊缝偏差信息，数据采集模块对电弧传感器输出信号进行数据采样，对采样数据采用最小二乘法进行拟合并得出焊缝偏差信息；将两种焊缝偏差信息采用双变量自适应系数加权算法进行信息融合，得到最优焊缝偏差e，输入到PLC中采用PID控制对焊缝偏差通过十字滑架、焊接小车对焊接过程进行闭环控制，最终实现焊缝的精确跟踪。

实施例2，参见图2至图4，超声波-电弧复合式传感器结构示意图如图2所示，其中(1)是锥齿轮传动机构，(2)是焊枪盖板，(3)是环形超声波接收阵列模块，(4)是焊枪，(5)是双侧超声波发射模块，(6)是光码盘。双侧超声波发射模块是由对称分布的左侧超声波发射器和右侧超声波发射器组成，环形超声波接收阵列模块由超声波接收器围绕焊枪盖板旋转一圈所组成，与光码盘一并固定在焊枪盖板上。伺服电机固定在横向十字滑架上，通过锥齿轮传动机构连接焊枪，环形数据采集及处理模块根据光码盘的定位信息对数据进行采样处理，若处于焊缝中心位置时，启动伺服电机驱动锥齿轮传动机构带动焊枪旋转。

超声波-电弧复合式焊缝跟踪系统示意图如图3所示，其中(1)是纵向十字滑架驱动电机，(2)是纵向十字滑架，(3)是横向十字滑架驱动电机，(4)是纵向十字滑架，(5)是焊接小车，(6)是伺服电机，(7)是超声波-电弧复合式传感器。

单侧旋转超声波测距原理图如图4所示，超声波传感器测距原理是超声波发射器发射超声波信号，在空气中传播，遇到焊件金属表面时，超声波信号被反射回来，并由超声传感器接收。通过计算超声波信号由发射到接收的声程时间t，可以得到超声波发射器与焊件之间的垂直距离h，从而实现焊枪与工件高度之间距离的检测。虽然超声波传感器对焊接过程中产生的强光以及电、磁场等干扰不敏感，但温度对声波有一定干扰，因此要使用温度补偿算法对其进行温度补偿，补偿算法如下：

C＝331.4+0.6T (1)

其中C为声波在空气中传播的速度，T为摄氏度。

当焊枪处于焊缝中心位置时，对坡口角为α的V形坡口旋转扫描，对其过程进行数学建模，可以得到以下公式：

其中h为单侧超声波发射器与焊件之间的垂直距离，L为单侧超声波发射器与环形超声波接收模块之间的水平距离，H为焊枪盖板与焊件之间的垂直距离，t为超声波信号从发射到接收的声程时间，C为声波在空气中传播的速度，α为坡口角度，β为超声波信号的入射角度。

联立上述方程组各式，可以得到h，H，β的值，通过光码盘定位焊缝中心位置，定位方法是在光码盘上开有和焊缝中心位置一致的1条长齿，60条短齿，安装在焊枪盖板下方，在电弧传感器上安装两个光耦。当光码盘转动时，齿形槽将交替地阻挡和允许由光耦的发光管通往光敏接收管的光路，光敏管也周期性工作输出脉冲，长齿发出的脉冲信号用来定位并采集H_cf和H_cL，短齿发出脉冲信号时采集H_f和H_L。双侧超声波发射器第一次经过焊缝中心位置时开始进行数据采样，每次双侧超声波发射器通过焊缝中心位置时环形超声波接收阵列模块测得的距离信息分别为H_cf和H_cL，当下次得到 H_cf和H_cL时，将这之间的H_f和H_L信息分别进行累加，当∑H_f-∑H_L＝0，焊枪对中，当∑H_f-∑H_L＞0，焊枪左偏，当∑H_f-∑H_L＜0，焊枪右偏。

实施例3，参见图5，所述旋转超声波扫描焊缝具有以下作用：得到焊缝偏差信息、得到焊缝高度信息、反馈并二次调节焊缝偏差信息。双侧超声波发射模块是由对称分布的左侧超声波发射器和右侧超声波发射器组成，环形超声波接收阵列模块测得的距离信息分别为H_f和H_L，首先当H_f＝H_L时，焊缝中心校准完毕，启动伺服电机驱动焊枪旋转得到旋转超声波扫描焊缝。|H_cf-H_cL|为焊缝高度h，根据工艺要求可以通过PLC 自适应调整焊接小车的焊接速度、焊接电源的焊接电流、电弧电压等工艺参数；若在H_f和H_L之间存在比H_cf和H_cL大的数据时，通过光码盘可以定位到偏离焊缝中心的角度θ，通过PLC调节十字滑架上的电机进行二次调节。在焊接过程中受到大量弧光干扰、焊接电弧短路、焊接现场的电场及磁场等复杂工况的干扰使得电弧传感器检测到的含有焊缝偏差信息的电流、电压信息含有很多短路尖峰值，通过最小二乘法拟合含有偏差信息的曲线，设电弧传感器测量的电流信号为I₁、I₂、...、I_n，对应的电弧弧长为s₁、 s₂、...、s_n。令I(s)＝a+bs，建立法方程组如下：

通过求解法方程组求出系数a、b可以得到电弧传感器电流信号与电弧弧长之间的经验公式，过滤掉短路尖峰值，初步提高了焊缝跟踪的精度和稳定性。通过双变量自适应系数加权调整两种测量精度不同的传感器的加权因子进行数据融合，设超声波传感器测量的焊缝偏差信息为X₁、X₂、...、X_n，电弧传感器测量的焊缝偏差信息为Y₁、 Y₂、...、Y_n。超声波传感器的加权因子为O₁、O₂、...、O_n，电弧传感器的加权因子为 P₁、P₂、...、P_n。超声波传感器的方差为U，电弧传感器的方差为S，总均方差为δ，将两种传感器进行加权融合如下：

e_i＝X_iO_i+Y_iP_i (7)

O_i+P_i＝1 (8)

联立以上三式，根据多元函数求极值理论，可求出总均方误差最小时所对应的加权因子O和P，从而得到最优焊缝偏差的融合值e，充分发挥超声波传感器与电弧传感器的综合优势，更加接近于焊枪偏离焊缝中心的实际位移，实现了高精度的焊缝偏差信息提取，大大提高了焊缝跟踪的精度和稳定性。

Claims (1)

1.一种旋转超声波-电弧复合式焊缝跟踪方法，其特征是：采用旋转超声波-电弧复合式焊接系统，该系统由环形超声波接收阵列模块，双侧超声波发射模块，环形数据采集及处理模块，温度传感器，电弧传感器，锥齿轮传动机构，伺服电机，焊接电源，焊枪，PLC，十字滑架，焊接小车所组成，该方法采用超声波电弧复合式传感器，由锥齿轮传动机构驱动焊枪产生旋转运动，双侧超声波发射模块同时旋转形成旋转超声波扫描V形坡口，环形数据采集及处理模块对环形超声波接收阵列模块进行数据采样，对采样数据采用温度补偿算法对数据进行补正并得出焊缝偏差信息，数据采集模块对电弧传感器输出信号进行数据采样，对采样数据采用最小二乘法进行拟合并得出焊缝偏差信息，将两种焊缝偏差信息采用双变量自适应系数加权算法进行信息融合，得到最优焊缝偏差e，输入到PLC中采用PID控制对焊缝偏差通过十字滑架、焊接小车对焊接过程进行闭环控制，最终实现焊缝的精确跟踪；双侧超声波发射模块是由对称分布的左侧超声波发射器和右侧超声波发射器组成，环形超声波接收阵列模块由超声波接收器围绕焊枪盖板旋转一圈所组成，与光码盘一并固定在焊枪盖板上，伺服电机固定在横向十字滑架上，通过锥齿轮传动机构连接焊枪，环形数据采集及处理模块根据光码盘的定位信息对数据进行采样处理，若处于焊缝中心位置时，启动伺服电机驱动锥齿轮传动机构带动焊枪旋转；所述旋转超声波扫描焊缝具有以下作用：得到焊缝偏差信息、得到焊缝高度信息、反馈并二次调节焊缝偏差信息，通过光码盘定位焊缝中心位置，双侧超声波发射器第一次经过焊缝中心位置时开始进行数据采样，每次双侧超声波发射器通过焊缝中心位置时环形超声波接收阵列模块测得的距离信息分别为Hcf和HcL，其他位置测得的距离信息分别为Hf和HL，下次得到Hcf和HcL时，将这之间的Hf和HL信息分别进行累加，当∑Hf-∑HL＝0，焊枪对中，当∑Hf-∑HL＞0，焊枪左偏，当∑Hf-∑HL＜0，焊枪右偏，|Hcf-HcL|为焊缝高度h，根据工艺要求可以通过PLC自适应调整焊接小车的焊接速度、焊接电源的焊接电流、电弧电压工艺参数，若在Hf和HL之间存在比Hcf和HcL大的数据时，通过光码盘可以定位到偏离焊缝中心的角度θ，通过PLC调节十字滑架上的电机进行二次调节。

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