一种基于干伸长变化特征识别90°折线角焊缝交叉点的方法与流程

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

背景技术：

造船的过程中，需要在船舱内焊接大量的90°折线角焊缝，由于焊缝姿态存在突变，焊缝形式复杂，焊接空间狭小，而自动焊接小车和固定式机械手臂的应用范围比较局限，目前，90°折线角焊缝仍然依靠人工焊接完成，使焊接成本很高，焊接的质量和效率不高，因此，研究90°折线角焊缝的机器焊接能产生重大的经济利益，而90°折线角焊缝交叉点的机器识别为90°折线角焊缝自动焊接的一项关键技术，研究90°折线角焊缝交叉点的机器识别，具有重大意义。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术不足，提供一种基于干伸长变化特征识别90°折线角焊缝交叉点的方法，为实现90°折线角焊缝的机器焊接奠定基础，最终提高造船业焊接的自动化水平，提高造船质量。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于干伸长变化特征识别90°折线角焊缝交叉点的方法，所述方法包括，干伸长的计算方法、模式识别的方法及交叉点识别精度的检测方法；

所述干伸长的计算方法为：利用焊接90°折线角焊缝过程中干伸长变化的特征，设计了能分别求到焊接90°折线角焊缝第一段直线焊缝、交叉点和第二段直线焊缝时，干伸长|df|的计算公式；

所述模式识别的方法为：焊接至90°折线角焊缝的交叉点时，焊枪绕转动中心转过的角度δθ越大，实际的干伸长则越短，使采样到的焊接电流越大，根据焊接至90°折线角焊缝交叉点时干伸长的这一特征，利用模式识别的方法识别出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：当电弧长度小于干伸长阈值δ时，焊接电流很大，此时焊接电流比正常焊接时焊接电流大很多，焊接电流存在阶跃变化，信号存在突变，可以识别出90°折线角焊缝的交叉点，实际90°折线角焊缝的交叉点至识别出交叉点的位置的长度为|ln|，|ln|为交叉点识别的精度。

进一步得，所述干伸长|df|的计算公式为：

式中，|df|为焊接过程中实际的干伸长；l为理论电弧长度在水平面内投影的长度；α为焊枪在竖直面内的倾角；|nf5|为实际的干伸长在水平面内投影的长度；v为理论焊接速度；t为从焊接至90°折线角焊缝的交叉点开始，焊枪转动的时间；w为焊枪转动的角速度；θ为当焊接至90°折线角焊缝的交叉点l时，焊枪转过的角度；flag1为焊接点位置标志，当flag1的值为0时，正在焊接90°折线角焊缝的第一段直线焊缝，当flag1的值为1时，正在焊接90°折线角焊缝的交叉点，当flag1的值为2时，正在焊接90°折线角焊缝的第二段直线焊缝。

进一步得，所述模式识别的方法满足下式：

式中，fn表示当前焊接点的位置；f1表示焊接点位于90°折线角焊缝的第一段直线焊缝上；f2表示当前焊接点为90°折线角焊缝的交叉点；f3表示焊接点位于90°折线角焊缝的第二段直线焊缝上；|df|n为焊接过程中实际测量到的干伸长；|df|n-1为焊接过程中前一次实际测量到的干伸长；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；l为理论电弧长度在水平面内投影的长度；α为焊枪在竖直面内的倾角。

进一步得，所述交叉点识别的精度|ln|满足下式：

式中，|ln|为交叉点识别的精度；m为虚拟焊接长度的值；θ为当焊接至90°折线角焊缝的交叉点时，焊枪转过的角度，它不随时间t变化，不是时间t的函数；δθ为当焊枪从实际90°折线角焊缝交叉点转动至识别出交叉点的位置时，焊枪绕转动中心点转动的角度；l为理论电弧长度在水平面内投影的长度；δ为干伸长阈值；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干伸长变化特征识别90°折线角焊缝交叉点的方法，有助于90°折线角焊缝机器自动焊接的实现，可提高造船厂船舱内90°折线角焊缝跟踪焊接的质量和效率，提高机器焊接的可靠性，提升我国造船水平，能产生重大的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明建立焊枪相对于焊缝位姿的数学模型图；

图2为本发明基于干伸长变化特征识别90°折线角焊缝交叉点的原理图；

图3为本发明反映干伸长变化的滤波后焊接电流曲线图。

图中：1.角焊缝，2.干伸长，3.导电嘴，4.焊枪，5.焊枪在水平面内的投影，6.干伸长在水平面内的投影，7.水平滑块，8.焊枪的转动中心，9.90°折线角焊缝实际的交叉点，10.识别出的交叉点位置。

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干伸长变化特征识别90°折线角焊缝交叉点(9)的方法，详细叙述实施方式如下：

将实际的焊缝分成许多段长度非常短的焊缝，每段焊缝由于长度非常短，可近似为直线焊缝，图1为建立的焊枪(4)相对于焊缝位姿的数学模型，线段ab为一段长度非常短的直线焊缝，焊接速度为v，以当前焊接点为坐标原点o，沿着焊接速度的反方向建立x轴，竖直向上建立z轴，根据右手定则，确定y轴的方向，完成空间直角坐标系oxyz的建立，水平钢板位于平面oxy内，竖直钢板位于平面oxz内，水平钢板与竖直钢板的交线ab为角焊缝(1)，fd为电弧长度，与水平钢板交于点d，过点d作水平的直线de平行于x轴，直线de与x轴的直线距离为焊枪(4)偏离焊缝的水平偏差e。过点d作竖直的直线cd平行于z轴，电弧长度fd与竖直直线cd的夹角α为焊枪(4)在竖直面内的倾角。点f为导电嘴(3)的端点，点f在平面oxy内投影为点f′，直线df′与x轴的夹角β为焊枪(4)沿着焊接方向的倾角。当投影点f′位于第1象限内时，焊枪(4)沿着焊接方向向后倾斜；当投影点f′位于第2象限内时，焊枪(4)沿着焊接方向向前倾斜。线段ff′的长度h为焊枪(4)的高度，线段df′为干伸长在水平面内的投影(6)，投影的长度为l，焊枪(4)绕其轴线df转动的角度γ为焊枪(4)的自转角。综上所述，可以用五个物理量来表征焊枪(4)相对于焊缝的位姿，这五个特征物理量分别为焊枪(4)相对于焊缝的水平偏差e、焊枪(4)的高度h、焊枪(4)在竖直面内的倾角α、焊枪(4)沿着焊接方向的倾角β、焊枪(4)的自转角γ，因此，焊枪(4)相对于焊缝位姿的数学模型f＝(e,h,α,β,γ)。

图2为基于干伸长变化特征识别90°折线角焊缝交叉点(9)的原理图，焊缝hlt为90°折线角焊缝(1)，为了实现90°折线角焊缝(1)的跟踪焊接，将90°折线角焊缝(1)分成直角焊缝jlr、线性焊缝hj及线性焊缝rt，焊接线性焊缝hj时，焊枪(4)平动，从位置1运动至位置2，并保持干伸长(2)不变，使干伸长在水平面内的投影(6)长度l也近似不变。

由图1可知，干伸长在水平面内的投影(6)长度l满足下式，

l＝htanα(1)

式中，l为干伸长在水平面内的投影(6)长度，h为焊枪(4)的高度，α为焊枪(4)在竖直面内的倾角。

通过超声波传感器，检测到当前焊接点j至90°折线角焊缝交叉点l(9)的距离等于机器人设定的转弯半径时，此时，机器人焊接直角焊缝的第一段直线焊缝jl，焊枪(4)和水平滑块(7)绕转动中心(8)转动，转动的角速度为w，同时，水平滑块(7)带动焊枪(4)沿着水平滑块(7)运动方向直线运动，最终使焊接速度v的大小和方向保持不变，同时，保证干伸长(2)近似不变，从而使干伸长(2)在水平面内的投影(6)长度l近似保持不变，焊枪(4)从位置2经过位置3，焊接至90°折线角焊缝交叉点l(9)时，由于实际的焊缝存在弯曲，存在装配误差，机器人的轮子存在打滑，超声波传感器测量距离时存在误差等，使焊接至90°折线角焊缝交叉点l(9)时，焊枪(4)转过的角度θ不一定等于45°，但接近45°，其值一般为35°至55°之间的某一个角度值，所以，不能单纯依靠路径规划来识别出90°折线角焊缝的交叉点l(9)。当焊接至90°折线角焊缝交叉点l(9)时，机器人认为当前焊接点不是90°折线角焊缝的交叉点(9)，认为仍然在焊接90°折线角焊缝(1)的第一条直角边，所以，通过焊枪(4)的转动及水平滑块(7)的运动，使虚拟焊接点保持原来焊接速度的大小和方向不变，并使理论干伸长(2)及其在水平面内的投影(6)长度l保持不变，从点l(9)运动至虚拟点m，在此过程中，由于直角焊缝第二段直线焊缝lr对应竖直钢板的存在，使实际的焊接点沿着焊缝lt方向运动，从点l(9)焊接至点n(10)。当焊接至点n(10)时，由于机器人的路径规划，使理论干伸长(2)在水平面内的投影mf5(6)的长度等于l，由于焊缝lt的存在，使实际的干伸长(2)在水平面内的投影(6)为线段nf5，设虚拟焊接长度lm的值为m，虚拟焊接点m至实际焊接点n(10)的长度为n，当焊接至90°折线角焊缝的交叉点l(9)时，焊枪(4)转过的角度为θ。当焊枪(4)从位置4转动至位置5时，焊枪(4)绕转动中心点p(8)转动的角度为δθ，焊接至点n(10)时，实际的干伸长在水平面内投影nf5的长度为|nf5|，由几何关系可知，虚拟焊接长度lm的值m满足下式，

m＝vt(2)

焊枪(4)从位置4转动至位置5时，焊枪(4)绕转动中心点p(8)转动的角度δθ满足下式，

δθ＝wt(3)

虚拟焊接点m至实际焊接点n(10)的长度n满足下式，

焊接至点n(10)时，实际的干伸长在水平面内投影nf5的长度|nf5|满足下式，

此时，焊接至n点(10)时，实际的干伸长|nf|满足下式，

对实际的干伸长|nf|关于时间t求导，可得，

式(2)至式(7)中，m为虚拟焊接长度|lm|的值；v为焊接速度的大小；t为从焊接至90°折线角焊缝的交叉点l(9)开始，焊枪(4)转动的时间；δθ为当焊枪(4)从位置4转动至位置5时，焊枪(4)绕转动中心点p(8)转动的角度；w为焊枪(4)转动的角速度；n为虚拟焊接点m至实际焊接点n(10)的长度；θ为当焊接至90°折线角焊缝的交叉点l(9)时，焊枪(4)转过的角度，它不随时间t变化，不是时间t的函数；l为理论电弧长度在水平面内投影的长度；|nf5|为焊接至点n(10)时，实际的干伸长在水平面内投影nf5的长度；|nf|为焊接至n点(10)时，实际干伸长的长度；α为焊枪(4)在竖直面内的倾角；为辅助角，其满足

由于焊接速度v＞0，焊枪(4)转动的角速度w＞0，时间t＞0，焊枪(4)在竖直面内的倾角α满足0°＜α＜180°；并且，焊接至交叉点(9)时，焊枪(4)转动的角度δθ＝wt，θ+wt的值大于0°，小于90°，在式(7)中，其值大于0，小于10，所以，实际的干伸长|nf|关于时间t的导数因此，从90°折线角焊缝的交叉点l(9)焊接至点n(10)时，实际的干伸长随着时间的推移，即焊枪(4)的转动，实际的干伸长慢慢变短。

如图2所示，焊接90°折线角焊缝hlt(1)过程中，由于钢板存在弯曲、装配误差等，造成的焊接偏差都非常小，其对焊接过程中干伸长(2)的影响非常小，可忽略不计，通过干伸长(2)的实时控制，焊接位姿连续变化焊缝过程中，干伸长(2)的长度近似不变，干伸长(2)在水平面内投影的长度也近似不变，其值为l，因此，结合图1和图2，可求到干伸长|df|满足下式，

式中，|df|为焊接过程中实际的干伸长；l为理论电弧长度在水平面内投影的长度；α为焊枪(4)在竖直面内的倾角；|nf5|为焊接焊缝ln时实际的干伸长在水平面内投影的长度；v为理论焊接速度；t为从焊接至90°折线角焊缝的交叉点l(9)开始，焊枪(4)转动的时间；w为焊枪(4)转动的角速度；θ为当焊接至90°折线角焊缝的交叉点l(9)时，焊枪(4)转过的角度；flag1为焊接点位置标志，当flag1的值为0时，正在焊接焊缝hl，当flag1的值为1时，正在焊接焊缝ln，当flag1的值为2时，正在焊接焊缝nt。

可利用模式识别的算法识别出90°折线角焊缝的交叉点(9)，其满足下式，

式中，fn表示当前焊接点的位置；f1表示焊接点位于90°折线角焊缝(1)的第一段直线焊缝hl上；f2表示当前焊接点为90°折线角焊缝的交叉点(9)；f3表示焊接点位于90°折线角焊缝(1)的第二段直线焊缝nt上；|df|n为焊接过程中实际测量到的干伸长；|df|n-1为焊接过程中前一次实际测量到的干伸长；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(9)，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(9)；l为理论电弧长度在水平面内投影的长度；α为焊枪(4)在竖直面内的倾角。

当干伸长(2)在一定范围内时，电弧比较稳定，干伸长(2)越短，焊接电流越大，因此，当从点l(9)焊接至点n(10)时，实际的干伸长变短，使旋转电弧传感器采集到的焊接电流变大，并且焊接至90°折线角焊缝的交叉点l(9)时，焊枪(4)绕转动中心(8)转过的角度δθ越大，实际的干伸长则越短，使采样到的焊接电流越大，根据焊接至90°折线角焊缝交叉点(9)时干伸长(2)的这一变化特征，利用模式识别的方法能可靠地识别出90°折线角焊缝的交叉点(9)。

当电弧长度小于干伸长阈值δ时，焊接电流很大，此时焊接电流比正常焊接时焊接电流大很多，焊接电流存在阶跃变化，信号存在突变，可以识别出90°折线角焊缝的交叉点(9)。因此，虚拟焊接点m至当前焊接点n(10)的长度|mn|，满足下式，

式中，|mn|为虚拟焊接点m至当前焊接点n(10)的长度，δ为干伸长阈值，其它物理量的含义与式(5)和式(6)相同。

由图2可知，实际90°折线角焊缝的交叉点l(9)至当前焊接点n(10)的长度|ln|满足下式，

式中，|ln|为实际90°折线角焊缝的交叉点l(9)至当前焊接点n(10)的长度，也就是90°折线角焊缝交叉点(9)识别的误差，其它物理量的含义与式(4)相同。

由式(10)和式(11)可得，

式中，各物理量的含义与式(10)和式(11)相同。

由于装配误差等，焊接至交叉点l(9)时，焊枪(4)绕转动中心(8)转过的角度θ为大于35°且小于55°内的某个角度，即35°＜θ＜55°，并且35°＜θ+δθ＜90°，0＜cos(θ+δθ)＜cosθ＜cos35°。焊接过程中，干伸长(2)控制在15mm附近，电弧非常稳定。大量实验发现，干伸长阈值δ取为10mm。α为焊枪(4)在竖直面内的倾角，平焊时，其值为45°。因此，由式(12)可得，

0＜|ln|＜(l-δsinα)cosθ＜(15sin45°-10sin45°)cos35°＝2.9mm(13)

因此，基于干伸长变化特征识别交叉点(9)时，90°折线角焊缝交叉点(9)最大识别的误差为2.9mm，交叉点(9)识别的精度高、实时性强、可靠性好。

为了验证基于干伸长变化特征识别90°折线角焊缝交叉点(9)的准确性及可靠性，机器人在跟踪焊接90°折线角焊缝(1)的过程中，利用设计的方法进行了90°折线角焊缝交叉点(9)的识别实验。图3为反映干伸长变化的滤波后焊接电流曲线，利用旋转电弧传感器连续采集焊接电流，由于焊接过程中存在飞溅、电磁场、焊接电压存在波动、送丝速度不稳定等干扰，使焊接电流中存在噪声，采用基于软阈值小波滤波的方法，滤除采样电流中的大部分噪声，以滤波后的焊接电流值i为纵轴，焊枪(4)绕转动中心(8)转动的角度θ为横轴，绘制滤波后焊接电流的曲线图，每隔0.3秒，采集一次滤波后的焊接电流，由于焊接90°折线角焊缝的交叉点(9)时，焊枪(4)绕转动中心(8)转过的角度θ一般为35°至55°之间的某个值，所以，仅绘制焊枪(4)转动角度为35°至55°范围内滤波后焊接电流的曲线，从图中可以发现，当焊枪(4)绕转动中心(8)从35°转动至44.9°时，滤波后焊接电流的值位于25a至30a之间，当焊枪(4)绕转动中心点(8)从44.9°转动至45.1°时，在0.3秒内，焊枪(4)转动了0.2°，但滤波后的焊接电流却在0.3秒内从28.3a快速变成31.4a，使图3中点a运动至点b，再经过0.3秒，滤波后的焊接电流从31.4a上升到31.8a，由于电弧稳定时，焊接电流与干伸长(2)近似成线性关系，所以，焊接过程中，电弧长度存在突变，此时，利用式(9)中模式识别的方法，识别出当前焊接点c为90°折线角焊缝的交叉点(9)，完成了交叉点(9)的机器识别，由于此时干伸长(2)非常短，电弧不稳定，识别出90°折线角焊缝的交叉点(9)后，控制机器人各关节协调运动，使焊枪(4)绕转动中心(8)转动，在1.5秒内从45.3°转动至45.8°，滤波后的焊接电流在1.5秒内从31.8a快速变成28.9a，对应图3中的c点运动至d点，使干伸长(2)在1.5秒内快速变回到设定值附近，使电弧稳定，焊接质量可靠。然后，控制水平滑块(7)缩进，焊枪(4)绕转动中心(8)转动，使焊接点沿着90°折线角焊缝(1)的第二段直线焊缝焊接，焊接速度为v。在焊接90°折线角焊缝(1)的第二段直线焊缝时，滤波后的焊接电流保持在25a至30a内，干伸长(2)的长度在设定值附近小幅度变化，使电弧稳定，焊接质量好。综上所述，机器人在焊接90°折线角焊缝(1)过程中，利用发明的90°折线角焊缝交叉点(9)识别算法，机器人可以稳定地、准确地、快速地识别出90°折线角焊缝的交叉点(9)，保证交叉点(9)处不存在堆焊，保证了90°折线角焊缝(1)整体焊接的质量，有助于实现90°折线角焊缝(1)的自动焊接。

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。