CN105728904B - 基于mems传感器的摆动电弧空间焊缝跟踪方法 - Google Patents

Abstract

公开一种基于MEMS(微机械)传感器的摆动电弧空间焊缝跟踪方法。该方法应用了机械手、焊接电源、送丝机、电弧传感器、内置式MEMS传感器焊枪、摆动电弧空间焊缝跟踪信号处理器、焊枪倾角运算器、摆动方向运算器、焊枪姿态实时调整器和焊接专家系统。其核心是通过焊枪倾角运算器、摆动方向运算器实现摆动电弧空间焊缝跟踪。该方法利用电弧传感器、陀螺仪和加速度计采集焊枪的空间姿态，并运用焊缝角度微分识别、垂直位移指向等方法自动调整焊枪倾角、摆动方向，实现空间复杂焊缝的实时跟踪。

Description

基于MEMS传感器的摆动电弧空间焊缝跟踪方法

技术领域

本发明涉及焊接自动化技术领域，具体涉及一种基于MEMS传感器空间焊缝跟踪方法。

背景技术

尽管目前焊缝跟踪技术已经趋于成熟，但对复杂的空间焊缝的研究还不是很多，应用效果亦不是很好。由于大型重要构件越来越多，不仅限于对水平焊缝的自动跟踪，所以对空间焊缝跟踪系统的探讨成为焊接自动化的关键。因此，只有充分考虑了焊接环境的复杂性，焊件位置的多样性，才能够保证焊接的质量，为实现自动化焊接奠定坚实的基础。为适应现代工业生产尤其是工业4.0的发展趋势，工业生产越来越向中小批量生产，甚至是单件生产发展。这就为生产线柔性提出极高的要求。为降低生产成本，焊接自动化设备必须适应空间焊缝的焊接以便于拓展焊接自动化设备的焊接范围。

空间焊缝相比于普通的平焊缝还涉及焊枪倾角与摆动方向的自调节。空间焊缝跟踪的难点在于信号的提取与偏差的识别。如公开发明专利：一种基于激光双目视觉的复杂角焊缝位置检测方法(申请号为2014100428828)中采用的是双目CCD摄像识别技术。CCD易受弧光的干扰，且一般体积较大不易安装，限制了焊枪的可达性。与其相比，电弧传感器就有着难以替代的优势。电弧传感技术从电弧信号直接获取焊缝信息，有着天然的抗干扰和实时特性。《旋转电弧传感器焊枪空间姿态识别》一文采用最小二乘方法构建特征平面,根据特征平面与坐标平面交线的斜率来检测焊枪的左右偏差和倾角。其提取焊缝倾角信号的方法与本文有相似之处但有本质区别。本文是在摆动电弧的基础上提出的空间焊缝识别方法。近年来MEMS陀螺仪、与MEMS加速度计传感器的飞速发展有效解决了航空航天、精准导航、空间定位、位移监测等问题，但至今仍然没有看到将其应用于焊缝跟踪领域的文献与报道。现有焊接机器人普遍具备防碰撞功能，但焊枪作为机器人本体的附加部位并没有专属的防碰撞功能。焊接环境比较恶劣，焊枪在运动中碰到构件导致焊枪偏离正常工作位置、抑或机器人因程序错误发生误动作产生过大抖动，这些都严重影响焊接质量。本发明将MEMS陀螺仪、加速度计与焊枪有机融合，扩展了微机械传感器的应用领域，填补了微机械传感器实现了空间焊缝实时跟踪及焊枪防碰撞功能这一空白。

发明内容

本发明的目的是为了解决空间焊接难以实现自动化的问题，提供一种基于MEMS传感器的摆动电弧空间焊缝跟踪方法。参考附图一，该方法使用了机械手、焊接电源、送丝机、电弧传感器、内置式MEMS传感器焊枪、摆动电弧空间焊缝跟踪信号处理器、焊枪倾角运算器、摆动方向运算器、焊枪姿态实时调整器及焊接专家系统。内置式MEMS传感器焊枪是专门为本系统设计的焊枪，如附图二所示该焊枪内集成了MEMS传感器4(陀螺仪、加速度计)以及碰撞识别电路5，4、5都是独立封装在带屏蔽功能的模块内。碰撞识别电路5的功能是识别焊接工作中的异常碰撞并控制机器人停止工作。其原理如附图二中“碰撞识别”所示。当监测到陀螺仪倾角发生大于M的突变或者加速度突变大于N，便判定焊枪发生了碰撞并发出停机指令。摆动电弧空间焊缝跟踪信号处理器是在现今技术成熟的焊缝跟踪系统的基础上设计而成。该处理器除具有焊缝跟踪功能以外，还集成焊枪倾角、摆动方向的自调节两个功能。焊枪倾角运算器是利用电弧传感器采集到的焊缝高度信息通过焊缝角度微分识别法计算出焊缝的角度，此角度送往焊接专家系统可得到符合工艺要求的焊枪倾角。摆动方向运算器利用加速度计测量的位移及摆动方向与焊缝的垂直关系计算得到正确的摆动方向。本发明中的焊枪姿态调整器同样是集焊缝跟踪姿态调整、焊枪倾角姿态调整、焊枪摆动姿态调整三大功能于一身，并且三大功能之间是耦合关系并不是彼此独立。

基于MEMS传感器的摆动电弧空间焊缝跟踪方法，其工作流程是这样的。参考附图三，电弧传感器采集焊缝偏差信号送入焊缝跟踪信号处理器，经计算后得到焊缝左右偏差值A和前后高差值B。控制A、B实现焊枪对中并与焊缝保持一定高度。B值同时送往焊枪倾角运算器运算出符合焊接工艺要求的焊角C、结合陀螺仪反馈的角度实现焊角的跟踪。在此同时，焊枪内部的加速度计记录焊枪的位移，焊枪位移信号送往摆动方向运算器运算出合适的摆动方向D。最后A、B、C、D送入焊枪空间姿态实时调整器，控制机械手执行跟踪动作。

本发明中焊枪倾角运算器用到的焊缝角度微分识别法是利用微分思想及曲线斜率的计算得到的。参考附图四，将一条焊缝曲线放在y-t坐标系中。焊枪在位置a时，通过焊缝信号的分析可得到焊枪到焊缝的垂直距离y₀，同理记位置b时距离为y₁。若设a、b的时间分别为t₀、t₁，根据斜率公式可得：

则，焊缝倾角θ＝arctank。将焊缝倾角送入焊接专家系统便得到符合工艺要求的焊枪倾角，此角度与陀螺仪测量到的角度进行对比，若有偏差纠偏系统将进行纠偏。以上的解释实际是对一次计算部位的放大解释，接下来说明焊缝角度微分识别法中应用的微分思想。在实际工作中时间间隔和焊枪的高度变化非常小。理论上可以无限小但由于传感器精度及计算器速度等条件，根据焊接质量要求选择满足要求的精度即可。

摆动方向运算器的计算方法是垂直位移指向法，其本质是利用摆动方向与焊缝保持保持垂直的关系。其工作原理是根据加速度计检测焊枪的位移并结合陀螺仪的倾角计算得到摆动方向。如附图五直观的说明了垂直位移指向法。将曲线焊缝看成由多条折线组成的折线段。焊枪由原点A出发在焊缝跟踪的引导下沿短曲线运动到B(X₁、Y₁)点，在此过程中加速度计记录其在X、Y两个方向上的位移。根据斜率公式易得AB线段与X轴夹角为q₁。此时系统运算出焊枪的摆动方向，焊枪进行一次摆动方向的调整。焊枪继续在焊缝跟踪的引导下沿短曲线运动到C(X₂、Y₂)点。同样根据斜率公式得到BC线段与与X轴夹角为q₂。为减少运算量，在此处采用q₂-q₁(角度增量)得到摆动方向需要调整的角度。

本发明有效的解决了空间焊缝的焊缝跟踪问题，拓展了机械手的焊接范围。

附图说明

图一是系统硬件总图

图二是内置式MEMS传感器焊枪结构及碰撞识别工作流程图

图三是系统原理图

图四是焊缝角度微分识别法说明

图五垂直位移指向法说明

具体实施方式

下面结合说明书附图和两个实施例对本发明做进一步的说明。

附图一所示的是本发明实施例的系统硬件链接图，具备机械手1、送丝机2、摆动运算器3、焊枪倾角运算器4、摆动电弧空间焊缝跟踪信号处理器5、焊接专家系统6、焊枪姿态实时调整器7、内置式MEMS传感器焊枪8、电弧传感器9、焊接电源10。

内置式MEMS传感器焊枪8是专门为本系统设计的焊枪，参见附图二该焊枪内除枪头2和盖板6外，还集成了MEMS传感器4(陀螺仪、加速度计)、碰撞识别电路5，以及必要的减震避震垫3。针对焊接机器人存在其本体具备防碰撞但焊枪不具备的缺陷。碰撞识别电路5的功能是识别焊接工作中的异常碰撞并控制机器人停止工作。其原理如附图二中“碰撞识别”所示。当监测到陀螺仪倾角发生大于M的突变或者加速度突变大于N，便判定焊枪发生了碰撞并发出停机指令。

附图一中，摆动电弧空间焊缝跟踪信号处理器5是在现今技术成熟的焊缝跟踪系统的基础上设计改进而成。该处理器除具有焊缝跟踪功能以外，还集成焊枪倾角、摆动方向的自调节两个功能。焊枪倾角运算器4是利用电弧传感器9采集到的焊缝高度信息通过焊缝角度微分识别法计算出焊缝的角度，此角度送往焊接专家系统6可得到符合工艺要求的焊枪倾角C。摆动方向运算器3利用加速度计测量的位移及摆动方向与焊缝垂直的关系计算得到正确的摆动方向。本发明中的焊枪姿态调整器7同样是集焊缝跟踪姿态调整、焊枪倾角姿态调整、焊枪摆动姿态调整三大功能于一身，并且三大功能之间是耦合关系并不是彼此独立。

基于MEMS传感器的摆动电弧空间焊缝跟踪方法，其工作流程是这样的。参考附图三，电弧传感器9采集焊缝偏差信号送入摆动电弧空间焊缝跟踪信号处理器5，经计算后得到焊缝左右偏差值A和前后高差值B。控制A、B实现焊枪对中并与焊缝保持一定高度。B值同时送往焊枪倾角运算器4运算出符合焊接工艺要求的焊角C、结合陀螺仪反馈的角度实现焊角的跟踪。在此同时，焊枪内部的加速度计记录焊枪的位移，焊枪位移信号送往摆动方向运算器3运算出合适的摆动方向D。最后A、B、C、D送入焊枪空间姿态实时调整器，控制机械手执行跟踪动作。

本实施例焊枪倾角运算器用到的焊缝角度微分识别法是利用微分思想及曲线斜率的计算得到的。参考附图四，将一条焊缝曲线放在y-t坐标系中。焊枪在位置a时，通过焊缝信号的分析可得到焊枪到焊缝的垂直距离y₀，同理记位置b时距离为y₁。若设a、b的时间分别为t₀、t₁，根据斜率公式可得：

则，焊缝倾角θ＝arctank。将焊缝倾角送入焊接专家系统6便得到符合工艺要求的焊枪倾角，此角度与陀螺仪测量到的角度进行对比，若有偏差纠偏系统将进行纠偏。以上的解释实际是对一次计算部位的放大解释，接下来说明焊缝角度微分识别法中应用的微分思想。在实际工作中时间间隔t和焊枪的高度y变化非常小。理论上可以无限小但由于传感器精度及计算器速度等条件，根据焊接质量要求选择满足要求的精度即可。

摆动方向运算器的计算方法是垂直位移指向法，其本质是利用摆动方向与焊缝保持垂直的关系。其工作原理是加速度计检测焊枪的位移方向，并将此方向送入焊接专家系统4。焊接专家系统结合陀螺仪的倾角计算得到摆动方向，进而控制机械手1实现摆动方向的自调节。如附图五，直观的说明了垂直位移指向法。将曲线焊缝看成由多条折线组成的折线段。焊枪由原点A出发在焊缝跟踪的引导下沿短曲线运动到B(X₁、Y₁)点，在此过程中加速度计记录其在X、Y两个方向上的位移。根据斜率公式易得AB线段与X轴夹角为q₁。此时系统运算出焊枪的摆动方向，焊枪进行一次摆动方向的调整。焊枪继续在焊缝跟踪的引导下沿短曲线运动到C(X₂、Y₂)点。同样根据斜率公式得到BC线段与与X轴夹角为q₂。为减少运算量，在此处采用q₂-q₁(角度增量)得到摆动方向需要调整的角度。

焊缝跟踪功能始终保持焊枪在焊缝中心摆动(两条虚曲线中间摆动)。虚直线是垂直于焊枪位移的焊枪摆动方向。在实际焊接工作中，摆动方向的调节幅度一般较小，因此本实施例使用的是上一时间周期T内的焊枪位移方向确定的摆动方向，这样就在满足使用要求的前提下降低了对加速度计精度及数据处理速度的要求，同时降低系统成本提高经济效益。同样运用微分思想可知，该方法理论上可达到实时调节。本实施例有效的解决了空间焊缝的焊缝跟踪问题，拓展了机械手的焊接范围并实现了焊枪的防碰撞功能，具有重要的工程应用价值。

Claims (3)

1.一种基于MEMS传感器的摆动电弧空间焊缝跟踪方法，其使用了机械手，焊接电源，送丝机，电弧传感器，内部包含三轴陀螺仪传感器、三轴加速度传感器、及碰撞识别电路的内置式MEMS传感器焊枪，摆动电弧空间焊缝跟踪信号处理器，焊枪倾角运算器，摆动方向运算器，焊枪姿态实时调整器及焊接专家系统；其特征在于包含如下的步骤：系统工作时，电弧传感器采集焊缝偏差信号送入焊缝跟踪信号处理器，经计算后得到焊缝左右偏差值A和前后高差值B；控制A、B实现焊枪对中并与焊缝保持一定高度；B值同时送往焊枪倾角运算器运算出符合焊接工艺要求的焊角C、结合陀螺仪反馈的角度实现焊角的跟踪；在此同时，焊枪内部的加速度计记录焊枪的位移，焊枪位移信号送往摆动方向运算器运算出合适的摆动方向D；最后A、B、C、D送入焊枪空间姿态实时调整器，控制机械手执行跟踪动作。

2.如权利要求1所述的基于MEMS传感器的摆动电弧空间焊缝跟踪方法，其特征在于焊枪倾角运算器通过计算前后两次采集的高差值B对时间周期T的微分,再经转换得到焊缝的角度，该角度送入焊接专家系统并由专家系统给出符合工艺要求的焊角、焊接电源、焊接电流参数。

3.如权利要求1所述的基于MEMS传感器的摆动电弧空间焊缝跟踪方法，其特征在于摆动方向运算器通过记录时间周期T内焊枪的位移方向，再根据摆动方向与焊缝方向垂直的关系得到正确的摆动方向。