基于視覺傳感的機器人鋁合金脈沖TIG焊接過程MLD建模方法研究.pdf

1、研究焊工的智能行為對焊接自動化的發(fā)展具有重要的啟發(fā)意義。一個熟練的焊工所表現(xiàn)出的高度適應(yīng)能力，是任何焊接機器人所無法比擬的。如果希望焊接過程由機器人來完成，即實現(xiàn)焊接過程自動化，首先需要類似人體感官的焊接傳感器，焊接傳感器是用于檢測影響焊接結(jié)果的內(nèi)部和外部條件的探測器；還需要類似于焊工的對焊接過程的認(rèn)識，即能夠描述焊接過程各種狀態(tài)的知識，也就是對焊接過程模型化；最后還需要類似于人腦思維的控制器，以實現(xiàn)合理的控制規(guī)律。因此，焊接過程傳感技

2、術(shù)、焊接過程建模技術(shù)和焊接過程控制技術(shù)是實現(xiàn)焊接過程從手工焊接向自動化焊接或智能化焊接轉(zhuǎn)變的三個關(guān)鍵技術(shù)。
　　 視覺傳感技術(shù)，特別是被動視覺傳感技術(shù)，由于其類似焊工觀察焊接過程行為，因此成為眾多焊接過程傳感技術(shù)中的研究熱點。機器人由于其靈活性和柔性，已經(jīng)成為手工焊接向自動焊接轉(zhuǎn)變實現(xiàn)的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。通過分析，機器人焊接過程本身具有連續(xù)和離散動態(tài)混合的混雜特性，采用基于混雜系統(tǒng)的混合邏輯動態(tài)(Mixed Logical Dy

3、namical，MLD)建模方法研究機器人焊接過程的建模問題，可以全面的描述機器人焊接過程并給出一般性的模型結(jié)構(gòu)，該研究對于機器人焊接過程建模與控制的系統(tǒng)性研究具有非常重要的意義。因此，本篇論文以鋁合金脈沖TIG(Tungsten Inert Gas)焊接過程為例，研究了機器人焊接過程雙目被動視覺傳感的焊接過程視覺信息獲取和處理，分析了機器人脈沖TIG焊接過程混合邏輯動態(tài)特性，進而建立機器人焊接系統(tǒng)混合邏輯動態(tài)模型和基于視覺特征的脈沖T

4、IG焊接熔池動態(tài)過程混合邏輯動態(tài)模型，最終通過焊接實驗驗證所建模型的有效性。研究結(jié)果表明，機器人脈沖TIG焊接過程本身是一種典型的混合邏輯動態(tài)系統(tǒng)，研究機器人焊接過程混合邏輯動態(tài)建模方法可以在統(tǒng)一的模型框架下描述機器人焊接系統(tǒng)和焊接熔池動態(tài)過程，同時也體現(xiàn)混合邏輯動態(tài)理論在機器人焊接過程應(yīng)用的示范性作用。
　　 本文首先設(shè)計一套雙目被動視覺傳感器，構(gòu)建一套具有視覺傳感功能的機器人焊接實驗平臺，設(shè)計了鋁合金脈沖TIG焊接過程視覺信

5、息獲取與處理軟件。該平臺不僅可以實現(xiàn)焊接過程焊縫和熔池信息的實時采集和處理，還可以實現(xiàn)焊接熔池動態(tài)過程的建模和控制。
　　 根據(jù)焊接過程建模的需要，首先給出焊縫和熔池幾何特征參數(shù)的定義，通過采集鋁合金脈沖TIG焊接過程電弧光譜強度譜線，分析鋁合金脈沖TIG焊接過程電弧光譜強度分布特點，發(fā)現(xiàn)鋁合金脈沖TIG焊接過程電弧光譜在610nm到690nm之間主要由強度較低的連續(xù)光譜組成。這段電弧光不僅可以給被動視覺技術(shù)提供焊縫和熔池區(qū)域有

6、效的照明，還可以避免焊縫和熔池區(qū)域強烈的弧光干擾，從而確定選用帶通范圍在610nm到690nm之間的濾光片來實現(xiàn)鋁合金脈沖TIG焊接過程視覺信息獲取，成功采集得到焊接過程幾種典型的焊縫和熔池圖像。
　　 基于焊縫圖像灰度變化具有方向性的特點，提出改進Roberts邊緣提取算法(AR-SF)，實現(xiàn)直線焊縫幾何特征的快速提取。通過分析不同熔透狀態(tài)熔池圖像的特點，避開檢測熔池邊緣的復(fù)雜圖像處理，提出熔池特征點定位算法(PL-PF)，實

7、現(xiàn)熔池幾何特征信息的實時準(zhǔn)確計算，為后續(xù)的焊接熔池動態(tài)過程建模和控制打下堅實基礎(chǔ)。
　　 從混雜系統(tǒng)角度出發(fā)，在混合邏輯動態(tài)建模框架基礎(chǔ)上，分析機器人運動過程和焊接設(shè)備操作過程的連續(xù)和離散動態(tài)，建立了焊接機器人運動過程MLD模型(WRMP-MLD)和焊接設(shè)備操作過程MLD模型(WDOP-MLD)，通過采集焊接實驗過程離散變量的變化，驗證了這兩個模型的正確性。該研究為未來研究多焊接機器人協(xié)調(diào)或者焊接電源內(nèi)部電路控制提供有效的混合邏

8、輯動態(tài)建模途徑。
　　 通過分析焊接熔池動態(tài)過程的連續(xù)和離散動態(tài)，結(jié)合兩類常見的焊接過程視覺信息--錯邊和間隙，將其抽象為離散變化的變量，研究這兩類視覺信息產(chǎn)生的離散動態(tài)對熔池連續(xù)動態(tài)過程的影響，建立錯邊熔池混合邏輯動態(tài)模型(WPM-MLD)和間隙熔池混合邏輯動態(tài)模型(WPG-MLD)，該模型為后續(xù)熔透控制提供背面熔寬的有效預(yù)估。
　　 根據(jù)焊接過程熔透控制的要求，利用建立的錯邊和間隙情況下熔池動態(tài)過程混合邏輯動態(tài)模型，