1、前言第 1 页 共 34 页石油管道焊接成形光学式跟踪系统的设计1 前言1.1 研究指导思想在金属制造业中，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。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1。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
2、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。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：1.1.1、提高焊接质量由于待焊工件存在下料加工及装配的误差，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
3、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。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
4、所应用，但是在精度要求更高石油管道焊接成形光学式跟踪系统的设计第 2 页 共 34 页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1。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。1.1.2、改善焊接工人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
5、仍占 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。1.1.3、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%4，而且手工焊接质量受操作者人为因素的影响很大，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
6、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1.2 国内外研究的动态1.2.1 焊缝传感技术焊接生产时自动焊接装置或机器人焊接系统对焊缝的自动、实时跟踪已成为自动化焊接和智能化焊接的重要内容。图 1-1 是日本焊接协会分别于 1981 年和 1990 年进行的有关焊接传感器用途的调查统计，这些统计结果从一个侧面反映了焊缝跟踪在焊接生产过程中占有非常重要的地位。前言第 3 页 共 34 页图 1-1 焊接传感器用途的调查统计焊缝自动跟
7、踪系统研究中首要解决的问题是焊缝位置的实时传感，而这种位置信息的获得很大程度上取决于传感方式。因此，传感器是决定整个系统跟踪精度的首要因素。最近十年来，焊缝跟踪技术的研究、应用得到了飞速的发展，尤其是焊缝传感技术己从简单的机械接触、电磁感应转变为信息量更大、精确度更高的电弧传感、光电（视觉）传感等方式，同时计算机信息处理也成为必不可少的辅助手段。焊缝跟踪的传感器的分类如图 1-2 所示。按其作原理通常可分为接触式和非接触式。具体来说，常用的焊缝跟踪传感器有机械（电子）式、电弧传感式、超声波、电磁式和光电（视觉）式等多种。图 1-2 焊缝跟踪的传感器的分类电弧传感器是直接利用焊接电弧的电流、电压
8、信号来检测坡口位置，不需要附加传感装置，因此又称为直接式传感器；而其他的传感方式均需要外加的传感器件，称为间接式传感器。在各种传感方式中，机械（电子）式使用不够灵活，适应面窄。而电弧和光电传感器各具特色，国内外研究较多。随着传感器和信号处理技术的进步，多传感器信息融合将会与弧焊机器人技术相结合，在焊缝自动跟踪中得到广泛石油管道焊接成形光学式跟踪系统的设计第 4 页 共 34 页的应用。由图 1-3 可见电弧传感器和光电传感器已发展成为焊缝跟踪传感器的主流。而从最近几年国内外公开发表的论文来看，光电传感器的研究更为活跃图 1-3 传感器应用情况调查1.2.1.1 机械（探针）接触式传感器机械接触
9、式传感器的结构如图 1-4 所示。焊缝跟踪的工作原理是将一根金属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。 图 1-4 机械接触式传感器的结构另外，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 0.15mm。但是探
10、针式传感器对于结合比较紧密的焊缝接头，效果不佳，因为前言第 5 页 共 34 页此时探针没有地方依靠。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1.2.1.2 电磁传感器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，U21、U22 之差可以反映焊炬偏离焊缝的大小和方向。为了抑制错边、点固点引起的干扰信号，可采用漏磁抑制式、电势抑制式和扫描式电磁传感器。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，
11、且对于磁场干扰和工件装配精度比较敏感、一般应用于对精度要求不高的场合1.2.1.3 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、或接触式传感器。为了保证接触，一般使用 300600V 的电压，频率为 50 或 60Hz。因为这种传感器不能在焊接过程中使用，所以它一般用来检测焊接的起始位置。在许多场合，它与电弧传感器相配合使用。1.2.1.4 电弧传感器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
12、度。通常情况下，电弧的稳定性及熔滴过渡情况对电弧的参数影响非常大。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。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。摆动式电弧焊缝传感的工作原理如图 石油管道焊接成形光学式跟
13、踪系统的设计第 6 页 共 34 页1-5 所示。恒速送丝配合恒压特性的焊接电源，在电弧自身调节的作用下，弧长的变化引起焊接电流变化可检测出电弧与焊缝中心偏离程度。但事实上，不同尺寸的坡口、焊接规范的差别、与焊缝成形有关的电弧摆动幅度及频率等条件变化，导致电流信号的灵敏度相差甚远，需要在信号增益上的自动适应；焊接过程中的电弧会受到各种干扰，如短路、飞溅等，送丝速度与电源特性也难以保证每时每刻的理想恒定，这些原因造成的噪声也必须滤除；机械摆动位置与电弧长度变化之间的延迟、电弧运动中弧长自调节作用的电流响应速度等引起的信号相位差要计算考虑。图 1-5 摆动电弧的工作原理 图 1-6 旋转电弧传 感
14、器的工作原理1.2.1.5 光电传感器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。1.2.1.6 超声波传感器许多研究者使用超声波传感器对焊缝跟踪进行了研究2。超声波传感焊缝跟踪实际上利用了超声波测距的原理。将超声波传感器置于焊炬前方，用一套扫描装置使传感器在焊道上方左右扫描。超声传感器发射超声波，遇到焊件金属表面时，超声
15、波信号被反射回来，并由超声传感器接收，通过计算传感器发射到接收的声程时前言第 7 页 共 34 页间，可以得到传感器与焊件之间的垂直距离，再与给定的垂直高度相比较，可得到高度方向的偏差大小与方向。控制系统则根据检测到的偏差大小及方向在高度方向进行纠偏调整。为了要获得焊缝横向位置偏差信息，可以采用寻找坡口的两个边缘的方法，因为在坡口的边缘处，超声波从发射到接收的声程时间较短，而在坡口中心处声程时间较长，从而可分别确定坡口中心与边缘的位置，控制系统可据此进行横向的纠偏调整。与光电传感器相比，超声波传感器计算强度较小，但是跟踪的精度也较低综上所述，电弧传感器和光电传感器已成为焊缝跟踪传感器发展的主流
16、，而光电传感器最近得到了更多的重视，已成为焊缝自动跟踪传感器发展的重要方向。1.3 本研究的内容和意义从国内外的研究可以看出：（1）焊接自动化与机器人焊接是焊接领域的发展方向；（2）在焊接自动控制领域最迫切需要解决的课题是自动跟踪，在今后一段时期内仍将是国际上研究与开发的热点之一；（3）光电传感器与电弧传感器是焊缝自动跟踪传感器的两大重要研究方向，智能控制是焊缝自动跟踪控制技术的突破口；（4）如何使系统满足低成本、高性能、稳定可靠的要求是当今焊缝自动跟踪研究的重要课题；我认为，光电传感器由于其特点，是焊缝自动跟踪系统中比较理想的传感器模式，尤其是采用点光源扫描，不失为一种既满足跟踪精度又简单可
17、靠的有效方法。因此，一种光电传感器式焊缝自动跟踪系统，其内容应包括：（1）光电传感器。研制一种光电传感器，通过检测人工辅助线，根据其偏差情况输出焊缝偏差信号。（2）系统控制技术。根据光电传感器式焊缝自动跟踪系统的特点并结合工厂实际应用情况，提出并实施控制方案。（3）单片机系统。根据光电传感器式焊缝自动跟踪系统的要求，设计一套单片机系统，包括：研制硬件、编写软件，确定各参数。（4）在以上设计的基础上完成系统的联调，实现跟踪。石油管道焊接成形光学式跟踪系统的设计第 8 页 共 34 页为此，我们主要解决了以下技术难点：（1）采用信号加权比较的处理方法使传感器在材料种类和表面状态不同时也能可靠地判断
18、焊缝偏差。（2）提出了一种传感器旋转摆动的模型并采用模糊控制理论实现了传感器前置情况下的焊缝跟踪。（3）采用定义状态数据存储空间大小的方法可以简单、有效地实现跟踪动作的延时，大大简化了程序软件，提高了系统的跟踪精度。这样，该系统具有稳定可靠，成本低，性价比高的优点，容易实现产业化，对提高我国焊接自动化水平大有好处。2 系统的主要部件布置图 2-1 系统组成示意图1 单片机2 横向调节步进电机控制器3 小车驱动直流电动机控制4 工件 5 小车6 坡口检测系统 7 步进电动机8 数据采集 9 数据存储如图 2-1 所示，在解决焊枪左右摆动调整的问题中，单片机根据传感器输入的信息判断出焊缝的实际位置
19、，如果焊枪偏移焊缝，单片机然就出指令驱动步进电动系统的主要部件布置第 9 页 共 34 页机往相应的方向转动一定的步数，驱使焊接小车在相同的方向上转动一定的角度，从而使焊枪能够对准焊缝的中心，保证了焊缝的焊接质量。因次步进电动机的相关设计是本设计的重点。焊接小车由一个直流电动机驱动，其转速可由单片机控制，在小车上有测速的码盘（在本设计中不做重点） ，由其测出小车前进速度。单片机和预定速度进行比较，然后做出相应的控制。焊枪在垂直方向上通过调节带手柄丝杠来调节高度，也可以选用步进电机做自动控制但这对工作环境的要求来说不是很重要，所以省略为用手柄调节。在传感器选用上，由于石油管道有周向和沿长度方向两
20、种工作环境，在周向上，采用 CCD 线阵传感器如下节图 3-2 所示原理，其精确度高，抗干扰性好，在目前国内应用还较少，但其有工作条件的限制，其线光源照射到的工件面上的光线须为直线，否则，须进行光学处理，比较复杂。在沿长度方向上，我们采用传统的传感器，如下节图 3-1 所示在沿焊缝方向画一白色直线，用三个光敏三极管来检测其是否偏离，这种方法应用的较广，实际中的跟踪效果也较好。在单片机的选用上，本设计采用 8098，在目前普通 8098 单片机价格已经不算很贵了，相对整个跟踪系统来说，选用 8098 成本不是很高。8098 单片机拥有许多51 系列不具有的优点。在跟踪机械本体上，本设计采用带有磁
21、轮的焊接小车，由于不同管道直径可能不同所以在应用上要注意根据管道直径来确定小车底盘的高低。小车驱动由直流电动机来执行，电动机可以通过驱动小车车轮轴来驱动小车（在本设计中这里不是重点，所以没有涉及到） 。3 光电传感器选用及原理3.1 光电传感器分类及简介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 石油管道焊接成形光学式跟踪系统的设计第 10 页 共 34
22、页CCD、PSD 等)为接收元件。下面是其中的几种形式。3.1.1 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。图所示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，图 3-1 本设计中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，图 3-1 跟踪辅助线的光电传感器其中白线的像最亮(图 3-1 中 b、c、d 的阴影线部分)。当传感器对中白线时，阴影部分处于元件屏两光电管，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(图 3-1 c 和 d)，据此可获得跟踪信号在 2003 年的上海埃森焊接博览会上，北京石油化工学院装备技术研究所推出了这类传感器式的焊接机器人。但是这类传感器需预画的辅助线形状要求与焊缝形状完全一致，其跟踪精度受辅助线的影响，大大增加了焊接前的准备工作量。单点式光电传感器还有许多其它形式，其结构和控制电路都比较简单，成本低，容易产业化。3.1.2 集成电路图像传感器
