1、The technology of welding is absolutely necessary in manufacturing. In order to improve the welding quality and efficiency, and to save the manpower, the students of the domestic and foreign welding study continuously adopt many kinds of methods to develop welding research so that implement the weld
2、ing automation. The key of the realization of welding automation is that a highly effective welding seam automatic tracking system is studied. A welding seam automatic tracking system is that welding torch adjust warp along welding seam in order to the center of electric arc concentrate on the cente
3、r of welding seam.A welding seam automatic tracking system mainly contains three parts: sensor、control system、effective machine, and the sensor is the most important part. At present, the study of welding seam automatic tracking system is also based on the sensors choice in domestic and abroad. Main
4、ly includes: electric type sensor、electric arc type sensor、electromagnetism induction type sensor. The main technology of the system are testing and arithmetic of control.In this paper, a seam tracking system based on photoelectric sensor which consisted of a photoelectric sensor, a sub-system of co
5、ntrol and executive machine is studied.Because the output from sensor is great different under the different states of material surface, lots of photoelectric sensor failed to seam tracking. In this paper, a method of comparing the signal is put forward after a great deal experiments. And by this wa
6、y, the precision of the photoelectric sensor has been great improved.Based on the analysis of previous work, a sensor-rotating model is puts forward in this paper. The author set up the corresponding mathematical model after theoretical analysis and designed a fuzzy control system. Simulation resear
7、ch indicates that it is simple and tried whats more it also has highly precise.The technique of fuzzy control improves the system in stability and precision.Keywords: Seam Tracking；Photoelectric Sensor；Fuzzy Control第1章 绪 论1.1课题研究的目的和意义 在金属制造业中，焊接是仅次于装配和机械加工的第三大产业。在工业发达国家，每年钢铁产量的40%以上要通过焊接才能转化为最终的产品。
8、自现代焊接技术问世以来，焊接生产的机械化、自动化和机器人化一直在不断发展之中。据统计，日本在1975年共有焊接工人460,930名，而1985年减少为335,600名，1990年则为210,800名，大约每10年减少2737%的焊接工人数。而日本工业机器人协会的统计表明，至1990年，在日本生产和销售的弧焊机器人已达到9,563台，点焊机器人为5,378台。对焊接材料用量的统计也显示，过去大约每10年手工药皮焊条的用量减少一半，而实心焊丝和药芯焊丝的用量则显著增加了1。这些数据表明，在过去的二十多年中，焊接工作不断地由手工操作转为自动、半自动焊接乃至机器人焊接。手工焊接的场合依靠人的眼睛和手的
9、配合来跟踪焊缝，而在自动焊接的场合则需要解决焊接熔池（或电弧）始终对准待焊焊缝的问题。由此可见，随着现代焊接生产的自动化程度越来越高以及机器人焊接技术的发展，对焊缝自动跟踪技术的需求也越来越迫切，这主要表现在三个方面2：（1）提高焊接质量由于待焊工件存在加工及装配的误差，焊接热过程引起的变形事先也难以预料，因此给定轨迹的目标控制（或程序控制）方式己无能为力，具有焊缝自动跟踪能力的自适应系统自然成为首选目标。在机器人焊接领域，国内外使用的弧焊机器人大多数仍是第一代示教再现式机器人，虽然这种机器人能够完成大量的重复性的工作，具有简单、直观、易于操作和重复定位精度高等优点，但当变更工件的种类时，必须
10、更换工装，这在小批量、多品种的生产中必然会造成成本过高的问题3，4。而且，由于焊接是一种热加工工艺过程，一些尺寸较大、刚性较差（如薄板）的工件在焊接过程中很可能会产生热变形，或者由于大型焊件的焊缝开口一致性不好，可能会导致实际的焊道偏离了预先示教的轨迹，此时，示教再现法就难以保证焊接质量。因此，虽然示教反馈式的传统型机器人己经有所应用，但是在精度要求更高和产品经常变化的场合是不合适的。因此需要研究开发能灵活移动，具有一定智能的焊接机械，以适应不同结构、不同的地点的焊接任务5。所以有必要加入自动跟踪装置以增强它们的适应性，发展配带传感器、智能化更加灵活的制造系统的需求非常迫切。（2）改善焊接工人
11、的工作条件由于焊接过程产生强烈的热、烟尘和弧光，导致现场工作环境非常恶劣，对工人的体能消耗很大，而且焊接现场的空气污染电磁污染和强烈的弧光辐射会对工人的健康造成危害。采用自动化、机器人化的焊接系统是将人从手工焊接的恶劣环境中解放出来的根本途径。在发达国家，手工焊接只占40%左 右，而在我国则高达60%以上。未来这一部分由手工操作的焊接工作将由自动化焊接装置来完成。由此可见，自动焊接装置和工业机器人在焊接领域的应用有着非常广阔的前景，进而催生了对焊缝自动跟踪系统的需求。（3）提高生产率手工焊接的效率很低。据统计，工人实际焊接的时间不足其工作时间的30%3，而且手工焊接质量受操作者人为因素的影响大
12、，不能维持产品质量的稳定。毫无疑问，自动焊接系统的生产效率远远高于手工焊接，而采用焊缝自动跟踪系统的自动焊接系统又可大大提高焊接生产效率。这是因为与示教型和程序控制焊接系统相比，它省去了繁重的示教工作或事先的编程工作，也降低了对工件加工精度和装配精度的要求，从而降低了焊接准备时间，提高了整个系统的生产效率。特别是对于曲线焊缝，示教型焊接机器人为了保证示教轨迹的精度，示教的点数要求较多，为此需要较长时间的示教操作，这是一件很繁琐的工作，对于小批量生产更为不利6。1.2国内外焊缝自动跟踪技术研究发展的概况1.2.1焊缝跟踪技术在国外的发展状况据资料显示，工业发达国家，如美国、日本、德国的焊接自动化
13、、机械化程度已达6070，而我国仅为20-30。因此，发展和应用新型焊接自动化技术对我国 国民经济将起到巨大的作用。在焊接过程中由于各种因素的影响，实际的焊接条件经常发生变化。例如，由于强烈的弧光辐射、高温、烟尘、飞溅、坡口状况、加工误差、装夹精度、表面状态、工件热变形等影响会使焊炬偏离焊缝，从而造成焊接质量下降甚至失败。焊接条件的这种变化要求焊接过程中能够实时检测出焊缝偏差，并实时调整焊接路径和焊接参数，从而保证焊接质量。焊缝跟踪技术主要解决焊缝检测、焊缝识别和跟踪控制三方面问题7。焊缝检测的关键是传感方式，而传感方式的差异主要取决于传感器的类型，目前主要有机械（电子）式、电弧传感式、超声波
14、、电磁式和光电式（视觉）。 机械（探针）接触式传感器（Tactile probe sensors） 机械接触式传感器焊缝跟踪的工作原理是将一根金属探针放置在焊接熔池的前沿，探针沿焊缝移动，将焊缝位置信号传递给控制系统，控制系统根据探针的信号对焊枪移动轨迹进行修正。探针式焊缝跟踪的特点是结构简单、操作方便、抗弧光、电磁和烟尘干扰的能力强。另外，由于跟踪信号是在靠近熔池的地方获得，省去了有些跟踪方法中的延时控制，简化了设备，提高了跟踪精度。机械探针式传感器一般用于长、直焊缝的单层焊及角焊缝。目前，在航天运载器推进系统焊接中使用的这种探针式焊缝跟踪装置的跟踪精度为0.15mm8。但是探针式传感器对于
15、结合比较紧密的焊缝接头，效果不佳，因为此时探针没有地方依靠9。此外，这种传感器还存在的问题是：对不同形式的坡口需要不同形状的探头；对坡口的加工要求高，跟踪表面的任何损伤和粗糙不平都会影响跟踪的稳定性；探头磨损大、易变形；不适于高速焊接等1，2，6。 电磁传感器（Electromagnetic sensors） 电磁传感器的原理是一次线圈中流过高频电流后在二次线圈上产生感应电势。偏差的存在将使左右两个二次线圈的磁路出现不对称。通过比较两个线圈中的电势反映焊炬偏离焊缝的大小和方向。 电磁式传感适用于对接、错接和角焊缝。其体积较大，使用灵活性差，且对于磁场干扰和工件装配精度比较敏感、一般应用于对精度
16、要求不高的场合6。电极接触式传感器 这种传感器检测焊丝与母材（或工件）接触时电压和微电流（10mA或更小）的变化，从而决定接触点的坐标。它也叫做焊丝接触式传感器（Wire-touch sensors）、或接触式传感器（Touchsensors）。为了保证接触，一般使用300600V的电压，频率为50或60Hz1。因为这种传感器不能在焊接过程中使用，所以它一般用来检接的起始位置。在许多场合，它与电弧传感器相配合使用。电弧传感器（Arc sensors）电弧传感器是一种非（半）接触式传感器。与其他传感器相比，电弧传感器不需要在焊炬上附加另外传感器元件，而且结构简单，有更好的动态品质及更高的控制精度
17、。电弧传感主要有摆动式电弧传感和旋转式电弧传感两种。电弧传感从电弧的电流与电压变化中获得焊缝横向与高低偏差信息。当焊炬至工件距离发生变化时，电弧电流会相应变化，以保持原来的熔化率。因此，电弧电流的变化就反映焊炬高度的变化，通过电弧扫描坡口，从电流波形特性中可获得横向对中信息10。电弧传感焊缝跟踪的基本原理是：在焊接过程中，根据电弧在焊缝中进行摆动或旋转扫描时由于焊炬与工件表面距离发生变化而使电弧本身的参数（如电流、电压等）产生变化来确定电弧与焊缝之间的关系，从而进行焊缝跟踪的。 电弧传感器的最大优势在于抗弧光、高温等的能力很强，它利用电弧本身的信号进行传感，检测点即为电弧焊接点，不会带来附加误
18、差，简单、方便、实时性好。但是，电弧传感要求焊接时电弧比较稳定，其电流、电压的波动较小;而且在薄板焊接、坡口高度小于4mm或I型对接接头的焊接中，使用电弧传感器进行焊缝跟踪难以实现11，12。另外，它只能在焊接（也即电弧燃烧）时工作13，这样就无法单独做到在焊前预先定位，需要与其他传感方法如前述的电极接触式传感器相配合使用。光电传感器（Photoelectric sensors）光电传感器跟踪精度高，动态响应快，信息丰富，是目前研究得最多的传感器之一。传感器包括信号光源和接收器两部分，结构形式种类繁多。所用信号光源有白炽灯、激光、红外光等；按接收器件的特征可分为单点式光电传感器和图像传感器两大
19、类。前者以单个或几个分支光电器件为接收元件，后者以集成光电器件（如CCD、PSD等）为接收元件。下面是其中的几种形式。单点式光电传感器这类传感器以人工辅助线塑料胶带，白漆线等、坡口面或坡口棱边作为跟踪基准。这种传感器的工作原理是以人工辅助线为跟踪基准的单点式光电传感器工作原理，焊前在焊接线一侧用白漆画一条宽14mm的平行线，以灯泡作为光源，它经透镜照射在白线上。形成一个长方形光斑，反射光经凸、凹透镜在光电元件屏上成像，其中白线的像最亮，当传感器对中白线时，阴影部分处于元件屏两光电管之间两管受光面积相等，输出信号也相等；如传感器不对中，白线偏离光斑中心，则两管输出信号不等，据此可获得跟踪信号14
20、，15。集成电路图像传感器图像传感器以维或二维的集成光电阵列作为接收器，如CCD图像传感器一般都包含有256（线阵）或256256（面阵）个以上的象素，可以获得坡口及其附近区域的图像信息，以微机进行处理和控制。为了在CCD器件上获得清晰的坡口图像，要求辅助光以较大的强度投射到所要检测的部位，工件表面的光照度越强，图像的信噪比较高，跟踪系统越可靠16,17。1.2.2焊缝跟踪技术在我国的研究现状焊缝自动跟踪是焊接生产机械化、自动化的关键。基于生产实践的需要，50年来我国在焊缝自动跟踪方面有了长足发展，技术水平不断提高，并取得了许多应用成果。我国已发展了各种类型的传感器技术，控制坐标已从单坐标和双
21、坐标发展到了多坐标。5060年代多采用接触跟踪，西安交通大学和三桥机车车辆厂是中国从事接触跟踪和电磁跟踪研究较早的单位。6070年代后期发展了电磁跟踪、光电跟踪、电弧跟踪、激光跟踪等非接触跟踪技术。华中理工大学与湖北造船厂合作研制成功全位置电磁跟踪气体保护焊机，跟踪精度达1mm。华南理工大学与广州造船厂共同研制的电磁立焊缝自动跟踪焊机，用在万吨轮的焊接上。天水电气传动研究所和上海造船工艺研究所合作，研制的光电跟踪装置用于螺旋管焊接和船舶的焊接生产中。哈尔滨焊接研究所与辽阳钢厂合作研制的激光跟踪装置用于螺旋管焊接自动生产线等。80年代后期，微机跟踪和电视跟踪技术得到迅速发展，从而为传统焊接自动化
22、向现代焊接自动化发展奠定了基础18。从70年代末开始，清华大学潘际銮院士对电弧传感焊缝跟踪做了大量研究。80年代末，潘院士在电弧传感器结构及控制方面又进行了新的研究，研制出一种空心马达式高速旋转扫描电弧传感器，并成功地对一种无道轨的自动小车进行跟踪控制，获得了专利6，10，19。此外哈尔滨工业大学研制成功了单片机控制高精度激光跟踪系统，西北工业大学研制成功微处理机控制熔化极脉冲窄间隙焊缝自动跟踪系统等，都获得了较好的自动控制效果。计算机图像法控制技术也在80年代研究成功，如水电部电力建设研究所研制成功DL-64固态图像传感器进行焊缝跟踪的装置。1.3本文的主要研究内容1.3.1研究对象本课题以
23、二氧化碳气体保护焊焊缝自动跟踪系统为研究对象，对影响二氧化碳气体保护焊焊接质量的外界因素加以研究，着重研究实现焊缝跟踪所采用采用传感器的类型以及实现焊缝跟踪的方法，并对如何降低外界因素对焊缝跟踪系统的影响和如何提高焊缝的质量的方法加以研究。1.3.2研究内容（1）对焊缝跟踪系统进行基本研究，论述其组成结构、原理及其功能；（2）仔细分析和比较各种焊缝跟踪系统中使用的传感器特点，确立在本课题中使用的传感器类型和检测方法；（3）根据传感器使用的不同，选择不同的信号处理方法；（4） 识别出焊缝信息后，将其送往控制器通过合适的控制算法来控制执行机构，从而达到焊枪纠偏的最终目的。第2章 实现焊缝跟踪的技术
24、基础2.1光电传感器的工作原理2.1.1光敏二极管的工作原理光敏二极管又称光电二极管，它与普通二极管类似，不同之处在于PN结装在管壳顶部，可以直接受到光照，在电路中一般处于反向工作状态，它的符号图及其在电路中的接法如图2-1所示。图2-1 光敏二极管的符号图及应用电路当无光照时，其反向电阻很大，电路中有很小的反向饱和漏电流（称之为暗电流），一般为10-810-9A，此时相当于光敏二极管截止；当有光照时，PN结附近受光子的轰击，半导体内被束缚的价电子吸收光子能量，产生电子-空穴对，并在PN结所形成的电场作用下作定向运动而形成光电流。光照度越大，光电流就越大。故光敏二极管不受光照时处于截止状态，受
25、光照时处于导通状态。光电流流过负载电阻R时，在电阻两端将得到随入射光变化的电压信号。光敏二极管就是这样完成光电功能转换的。2.1.2光敏三极管的工作原理光敏三极管是具有NPN和PNP结构的半导体器件，它在结构上与普通三极管类似，通常只有两个引出电极（也有三个的）。为适应光电转换的要求，它的基区面积做得较大，发射区面积做得较小，并在基区边缘，以避免发射极引线遮住基区影响灵敏度。管子的芯片被装在带有玻璃透镜的金属管壳内，当光照射时，光线通过透镜集中照射在芯片的集电结上,入射光主要被基区吸收20。将光敏三极管接在图2-2所示的电路中，在正常情况下，集电结为受光（相 图2-2 光敏三极管工作原理图当于
26、光敏二极管）。集电结相对于发射极为正电压；而基极开路，则集电结处反向偏置。无光照射时，由热激发产生少数载流子（电子-空穴对），电子从基极进入集电极，空穴从集电极移向基极，在外电路中有暗电流（正常情况下光敏三极管集电极与发射极之间的穿透电流）Iceo流过，其大小为：ICEO=（1+）Icbo （2-1）式中，为共射极直流放大系数；Icbo为集电极与基极间的反向饱和电流。当光照射在光敏面（集电极）上时，光照激发产生的光生电子-空穴对增加了少数载流子的浓度，由于集电结处于反向偏置，使内电场增强。在内电场的作用下，光生电子漂移到集电区，在基区留下空穴，使基极电位升高，促使发射区有大量电子经基区被集电区
27、收集而形成放大的集电极光电流，即IC=IS （2-2）式中IC为bc结产生的光生电流，为光敏三极管的直流放大系数。可以看出，光敏三极管利用类似普通半导体三极管的放大作用，将光敏三极管的光电流放大了（1+）倍。所以，光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度。2.2跟踪系统的控制原理以及系统模型的提出2.2.1跟踪系统的控制原理光电传感器焊缝跟踪系统属于附加传感器式的焊缝跟踪系统。焊缝跟踪系统的被控量是在垂直于焊接方向上焊炬相对于焊缝的位置（距离），而焊缝的变动既不是参考输入也不是反馈信号，是一种干扰。焊接工作者研究了采用各种各样的传感器（如电弧传感器、光电传感器、超声波传感器等）的实时跟踪系统。在
28、这些系统中，除采用电弧传感器的跟踪系统是闭环自动调节系统外，其余都是开环干扰（前馈）控制系统。传感器检测出的实际上是焊接点前方焊缝的变动干扰，也就是说，我们在焊缝变动干扰尚未影响被控量时就已经把它检测出来了，然后调节焊炬的位置补偿这种干扰，因此属于一种干扰补偿前馈控制。此时控制系统没有参考输入，输入随焊缝的变动（干扰）而变化。由于焊缝的变动是不确定的，因此这是一种随动系统。需要指出的是，前馈随动焊缝跟踪系统检测补偿的是焊缝的变动，而对其他干扰造成的跟踪误差（比如执行机构造成的误差）无能为力。不过对于焊缝跟踪系统来说，最大的干扰是焊缝的变动，只要正确地检测出焊缝的变动就基本能够保证系统的跟踪精度
29、。对其他干扰，比如执行机构传动过程中的摩擦造成的调节量衰减，可通过比例调节器适当增大调节量进行补偿21。2.2.2系统模型的提出在附加传感器式的焊缝自动跟踪系统中，传感器的检测点与焊接点有一固定的距离，传感器输出的数据是焊接点前方某一距离处的焊缝偏差信号，从而使系统形成固有偏差=K。K为焊缝曲线的斜率，为传感器的检测点与焊接点的固定距离。在这种传感器检测点超前焊接点的跟踪方式中，为了消除这种固有偏差,我们使传感器与焊炬分别由两套执行机构独立驱动,即对传感器进行实时调整，然后延迟固定的时间（由检测点与焊接点的间距及焊接速度决定），让焊炬执行机构做完全相同的随动。在本方案中，采用了旋转机构代替十字
30、滑块机构，即焊炬固定在十字滑块上，同时旋转机构也固定连接在十字滑块上，传感器则固定在旋转机构上，传感器可以绕一固定点旋转摆动。这样就实现传感器与焊炬由两套执行机构驱动目的，同时两套执行机构之间又存在部分联系。控制执行机构如图2-3所示。图2-3 控制执行机构在焊缝跟踪过程中，传感器在前，对焊缝进行实时跟踪，经过一段时间的延时以后，执行机构再调节焊炬的位置，使焊炬沿传感器行走的轨迹行走，从而实现焊缝跟踪。2.3焊缝跟踪的控制方法精确的焊缝跟踪是保证焊接质量，在焊接过程中使焊炬对中的关键。焊接是一个复杂的热加工工艺过程，具有高度非线性、时变性和不确定性，使得实现焊缝的精确跟踪又较大的困难。长期以来，国内外的焊接研究专家研制了许多种焊缝跟踪控制系统。从控制方式来看，这些系统大致可以归为两类：程序控制系统和前馈随动实时跟踪系统。所谓程序控制系统，就是焊炬运动轨迹在焊接前根据焊缝形状预先设定，而在焊接过程中不加任何调节，这种方式简单易行，但这种方法对装配精度要求高，而且有些焊缝形状很难用数学方法表示出来。因此，近年来对实时焊缝自动跟踪系统的研究颇多22。2.3.1经典控制方法焊缝跟踪算法最早的也是最普遍的方法是PID控制法。这种
