基于超声波摆动扫描的角焊缝跟踪系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及焊接机器人及自动化领域，特别涉及到一种基于超声波摆动扫描的角 焊缝跟踪系统及方法。
【背景技术】
[0002] 当前我国角焊缝焊接生产线的自动化生产水平不高，在焊接生产车间大多还采用 手工焊接或者半自动焊接，使得焊接生产率不高、生产周期长，而且焊接过程中烟尘较大会 危害工人身体健康，生产环境差；另外现有的焊缝跟踪系统存在结构和运算繁杂、成本高 昂、跟踪不稳定等技术问题，目前大多采用CCD视觉传感器进行跟踪的系统受弧光、电磁场 干扰严重，而且在焊接铝合金时存在铝合金反光严重的问题。与此同时超声波传感器在焊 接应用中声速受温度场影响，而导致超声波在焊接方面的应用有一定难度。本发明涉及的 一种基于超声波摆动扫描的角焊缝跟踪系统及方法，起到推进角焊缝焊接自动化发展的重 要作用。
【发明内容】
[0003] 为了更好的解决当前焊接方法存在的缺陷，提高焊接系统的稳定性、精度和自适 应能力，提高焊接生产率，改善焊接环境，降低劳动强度，获得优质焊接工件，现提出一种基 于超声波摆动扫描的角焊缝跟踪系统及方法。其主要内容是:它包括超声波传感器、离散信 号采集与处理装置、数据拟合处理装置、校正控制装置、温度监测装置、执行装置、焊炬、焊 接电源等。本发明利用超声波传感器输出的扫描信号，结合温度监测装置的温度特性，数据 拟合处理器采用加权最小二乘法识别角焊缝中心，校正控制装置采用前馈加反馈的智能调 节对偏差量进行校正，执行装置根据校正特性驱动焊炬进行角焊缝跟踪。
[0004] 本发明采用的技术方案是：
[0005] 第一步:超声波传感器做摆动运动同时输出扫描信号，安装在旋转轴上的超声波 发射器，在伺服电机的带动下经减速装置减速后驱动旋转轴运动，超声波接收器同时接收 扫描信号。
[0006] 第二步:离散信号采集与处理装置的采集部分根据超声波接收器接收的扫描信号 做角度均匀的采样，将采样信号输送到处理部分进行滤波与放大处理。
[0007] 第三步：因为超声波的传播速度与温度场有关，且焊接过程中形成的温度场是复 杂多变的，数据拟合处理装置根据温度监测装置反馈的焊接温度场信号，将存在温度场异 方差性的数据模型变成同方差性数据模型，保证了温度参数估计量的良好统计性，采用加 权最小二乘法通过温度补偿的方式进而准确识别角焊缝中心。
[0008] 第四步:校正控制装置根据超声波传感器的扫描信号、输出特性和温度监测装置 的温度特性，系统进行在线学习与调整，使反馈偏差量e趋近于零，此时前馈调节占据主导 控制作用，反馈调节不参与控制，执行装置根据校正特性驱动焊炬进行角焊缝跟踪，当系统 出现扰动偏差时反馈调节重新启动，实现前馈加反馈的智能控制。
[0009] 本发明涉及的一种基于超声波摆动扫描的角焊缝跟踪系统及方法，其有益效果 是:采用超声波传感器进行角焊缝扫描，超声波不易受弧光、电磁场等因素影响；离散信号 采集与处理装置进行离散采样，减少了数据样本空间，为后续数据拟合处理装置的曲线拟 合减少了计算量;数据拟合处理装置采用加权最小二乘法识别角焊缝中心，将存在温度场 异方差性的数据模型变成同方差性模型，保证了温度参数估计量的良好统计性;校正控制 装置采用前馈加反馈的智能控制，温度监测装置实时监测，可以提高系统的精度和自适应 能力。
【附图说明】
[0010] 图1是基于超声波摆动扫描的角焊缝跟踪系统及方法框图。
[0011] 图2是校正控制装置信号框图。
[0012]图3是超声波传感器框图。
[0013] 图4是超声波传感器、温度监测装置与焊炬位置框图。
[0014] 图中1-伺服电机、2-减速装置、3-旋转轴、4-超声波发射器、5-超声波接收器、6角 焊缝、7-焊炬、8-超声波传感器、9-温度监测装置。
【具体实施方式】
[0015] 为了更好的描述本发明的技术方案与有益效果，接下来结合附图与实施例进一步 详尽表述。
[0016] 实施例1本发明公开了一种基于超声波摆动扫描的角焊缝跟踪系统及方法，它包 括超声波传感器、离散信号采集与处理装置、数据拟合处理装置、校正控制装置、温度监测 装置、执行装置、焊炬、焊接电源等。本发明利用超声波传感器输出的扫描信号，结合温度监 测装置的温度特性，数据拟合处理器采用加权最小二乘法识别角焊缝中心，校正控制装置 采用前馈加反馈的智能调节对偏差量进行校正，执行装置根据校正特性驱动焊炬进行角焊 缝跟踪，参阅图1 -图4。
[0017] 本发明公开了一种基于超声波摆动扫描的角焊缝跟踪系统及方法，其具体实施步 骤如下：
[0018] 第一步:超声波发射器4安装在由伺服电机1带动的旋转轴3上，伺服电机1经减速 装置2减速后驱动旋转轴3使超声波发射器4进行摆动扫描，超声波接收器5同时接收扫描信 号，如图3所示，超声波传感器做摆动扫描，输出扫描信号扫描焊缝信息，扫描角度为α，参阅 图3。
[0019] 第二步:离散信号采集与处理装置的采集部分根据超声波接收器接受的扫描信号 做角度均匀离散采样，采集Ν个离散扫描信号，依次记录为……X n，处理部分对这N 个采样信号进行滤波放大处理，以便进行后续的数据拟合处理。
[0020] 第三步：将滤波放大处理后的采样信号输送到数据拟合处理装置进行运算处理。 由于声波速度与焊接温度场有关，需要采用温度补偿的方式才能保证数据拟合的精准。 [0021 ]建立数据模型：Yi =
[0022]而数据模型在检验过程中存在：
[0023]
i = 1、2、3......
[0024] 即温度误差项ei与解释变量间具有相关性，也即数据模型存在温度场异方差 性。
[0027]新的数据模型中存在：
[0025] 数据拟合处理装置将存在温度场异方差性的数据模型变成同方差性模型，为了保 证了温度参数估计量的良好统计性，使用去除该数据模型，使其变成一个新的数据 模型：
[0026]
[0028]
[0029] 即满足同方差性。记温度参数估计量为l/ei，也就是把原来的被解释变量1和解释 变量Xi都除以
[0030] 然后对变换后的变量采用普通的最小二乘法进行曲线拟合。
[0031] 目
在S(X)式中 求一函数Y = S$(X)，#
式取得最小，转化为求
丨勺极值点问题。
[0032] 此时由函数求极值的必要条件，可以求得极值点，此时通过温度补偿的方式得到 的极值点也就是角焊缝的中心。
[0033]第四步:校正控制装置如图2根据超声波传感器的扫描信号、输出特性和温度监测 装置的温度特性，系统进行在线学习与调整，使反馈偏差量e趋近于零，此时前馈调节根据 实时温度特性提前快速的占据主导控制作用，将可能产生的偏差消除，使得反馈调节不参 与控制，执行装置根据校正特性由步进电机驱动焊接小车和十字滑架配合运动，带动焊炬 进行角焊缝焊接跟踪，当系统出现扰动偏差时反馈调节重新启动，实现前馈加反馈的智能 控制，参阅图2。
[0034] 实施例2本发明同时可以应用于任意角度的角焊缝跟踪。
[0035] 以上所描述的是本发明的最优实施方案，应当指出的是，在不脱离本发明原理的 前提下做出的若干改进，全可以视作本发明的保护范围。
【主权项】
1. 本发明公开了一种基于超声波摆动扫描的角焊缝跟踪系统及方法，它主要是解决现 有的焊缝跟踪系统结构和运算繁杂、成本高昂、跟踪不稳定等技术问题，主要适用于角焊缝 的自动化焊接，其特征是：它包括超声波传感器、离散信号采集与处理装置、数据拟合处理 装置、校正控制装置、温度监测装置、执行装置、焊炬、焊接电源等;超声波传感器包括伺服 电机、减速装置、旋转轴、超声波发射器和超声波接收器，超声波传感器与温度监测装置固 连安装在焊炬的前方，三者固连随焊炬运动;离散信号采集与处理装置包括采集部分和处 理部分;执行装置包括步进电机、焊接小车和十字滑架。2. 根据权利要求1所述的基于超声波摆动扫描的角焊缝跟踪系统及方法，其特征是:本 发明利用超声波传感器输出的扫描信号，结合温度监测装置的温度特性，数据拟合处理器 采用加权最小二乘法识别角焊缝中心，校正控制装置采用前馈加反馈的智能调节对偏差量 进行校正，执行装置根据校正特性驱动焊炬进行角焊缝跟踪。3. 根据权利要求1和2所述的基于超声波摆动扫描的角焊缝跟踪系统及方法，其特征 是:数据拟合处理装置根据温度监测装置反馈的焊接温度场信号，将存在温度场异方差性 的数据模型变成同方差性数据模型，保证了温度参数估计量的良好统计性，采用加权最小 二乘法通过温度补偿的方式进而准确识别角焊缝中心。4. 根据权利要求1和2所述的基于超声波摆动扫描的角焊缝跟踪系统及方法，其特征 是:校正控制装置根据超声波传感器的扫描信号和温度监测装置的温度特性，系统进行在 线学习与调整，使反馈偏差量 e趋近于零，此时前馈调节占据主导控制作用，反馈调节不参 与控制，当系统出现扰动偏差时反馈调节重新启动，实现前馈加反馈的智能控制。
【专利摘要】本发明公开了一种基于超声波摆动扫描的角焊缝跟踪系统及方法，它主要是解决现有的焊缝跟踪系统结构和运算繁杂、成本高昂、跟踪不稳定等技术问题，其主要适用于角焊缝的自动化焊接。该系统利用超声波传感器做摆动同时输出扫描信号；离散信号采集与处理装置进行采样与滤波放大处理；数据拟合处理装置对采样信号进行数据拟合采用加权最小二乘法识别角焊缝中心；校正控制装置根据超声波传感器的扫描信号和温度监测装置的温度特性采用前馈加反馈的智能调节，对偏差量进行校正，输出一定的校正特性；执行装置接收校正特性驱动焊炬实现角焊缝跟踪。
【IPC分类】B23K9/127
【公开号】CN105598559
【申请号】CN201610149289
【发明人】洪波, 钟勇, 贾爱亭, 刘龙
【申请人】湘潭大学
【公开日】2016年5月25日
【申请日】2016年3月16日