487 焊縫跟蹤光電傳感器控制
487 焊縫跟蹤光電傳感器控制,焊縫,跟蹤,光電,傳感器,控制,節(jié)制
? ?te1 ? ?tS1 ? ?te2 ? ?tS2? ?tY1? ?tY2? ?tG1 ? ?tG2? ? tt dtS?0 1? ? tt dtS? ??0 2? ? tttdtS??? 2? ?tY2? ?tY1? ?te? ?te2? ?te1? ?se1 ? ?sS1 ? ?se2 ? ?sS2? ?sY1? ?sY2? ?sG1 ? ?sG2s1 ses??se s???1??t`N系統(tǒng)啟動(dòng)初始參數(shù)設(shè)置檢測(cè)焊槍對(duì)焊縫偏差采樣時(shí)間到？偏差＞3mm？模糊控制調(diào)整焊槍方向跟蹤焊縫焊接結(jié)束？系統(tǒng)結(jié)束比例控制NYNYYU1OPTOISO1U2OPTOISO1S3SW DPDTS1SW SPDTS2SW SPSTR5R1R4R6R2C2C1D1D2R3P15P16VCCVCCP14P138 476351 2手控開關(guān)/手控機(jī)控手控方向EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32P20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28PSEN 29ALE/P 30TXD 11RXD 10U18051IN-026 msb2-1 212-2 20IN-127 2-3 192-4 18IN-228 2-5 82-6 15IN-31 2-7 14lsb2-8 17IN-42EOC 7IN-53ADD-A 25IN-64 ADD-B 24ADD-C 23IN-75ALE 22ref(-)16 ENABLE 9START 6ref(+)12 CLOCK 10U2ADC0809R0(1)2R0(2)3R9(1)6R9(2)7CKA14QA 12CKB1QB 9QC 8QD 11U574LS90CS1D02D13D24D35D46D57D68D79VCC 20Q0 19Q1 18Q2 17Q3 16Q4 15Q5 14Q6 13Q7 12GND10 G 11U374LS573CLK1102113124135146157168179GND10VCC 2007 1906 1805 1704 1603 1502 1401 1300 12OE 11U4GAL16V812345678JP11234JP2 R1Y1C1C2U7NORU6NORU8NOTU9NOTVCCVCCVCCRSETIN0IN1P10P00P01P02湘 潭 大 學(xué) 興湘學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告題 目 焊縫跟蹤光電傳感器控制姓 名 李文彬 學(xué)號(hào) 2007964207專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班級(jí) 07 機(jī)械一班指導(dǎo)教師 李衛(wèi) 職稱 副教授填寫時(shí)間 2011 年 3 月 12 日2011 年 3 月說 明1．根據(jù)湘潭大學(xué)《畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作管理規(guī)定》，學(xué)生必須撰寫《畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告》，由指導(dǎo)教師簽署意見，系主任批準(zhǔn)后實(shí)施。2．開題報(bào)告是畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。學(xué)生應(yīng)當(dāng)在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成，開題報(bào)告不合格者不得參加答辯。3．畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告各項(xiàng)內(nèi)容要實(shí)事求是，逐條認(rèn)真填寫。其中的文字表達(dá)要明確、嚴(yán)謹(jǐn)，語言通順，外來 語要同 時(shí)用原文和中文表達(dá)。第一次出現(xiàn)縮寫詞， 須注出全稱。4．本報(bào)告中，由學(xué)生本人撰寫的對(duì)課題和研究工作的分析及描述，應(yīng)不少于 2000 字。5．開題報(bào)告檢查原則上在第 2～4 周完成，各系完成畢業(yè)設(shè)計(jì)開題檢查后，應(yīng)寫一份開題情況總結(jié)報(bào)告。6. 填寫說明：(1) 課題性質(zhì) ：可填寫 A．工程設(shè)計(jì)；B． 論文；C. 工程技術(shù)研究；E.其它。(2) 課題來源：可填寫 A．自然科學(xué)基金與部、省、市 級(jí)以上科研課題；B．企、事 業(yè)單位委托課題；C．校級(jí)基金 課題；D．自擬課題。(3) 除自擬課題 外，其它課題必須要填寫課題的名稱。(4) 參考文獻(xiàn)不能少于 10 篇。(5) 填寫內(nèi)容的字體大小 為小四，表格所留空不夠可增頁。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告學(xué)生姓名 李文彬 學(xué) 號(hào) 2007964207 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自 動(dòng)化指導(dǎo)教師 李衛(wèi) 職 稱 副教授 所在系 工程課題來源 自擬課題 課題性質(zhì) 工程設(shè)計(jì)課題名稱 焊縫跟蹤光電傳感器控制一、選題的依據(jù)、課題的意義及國(guó)內(nèi)外基本研究情況（1）選題依據(jù)該項(xiàng)目主要是解決現(xiàn)有的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)算復(fù)雜、成本高等問題。由于采用了多重比較和譯碼的方式，降低了焊炬的高度和人工白色標(biāo)志帶精度對(duì)焊縫自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)精度的影響，使計(jì)算過程和電路結(jié)構(gòu)極大簡(jiǎn)化。實(shí)際焊接工藝試驗(yàn)系統(tǒng)跟蹤精度高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)用性強(qiáng)。系統(tǒng)主要用于自動(dòng)角焊機(jī)，在一定范圍內(nèi)進(jìn)行焊縫水平跟蹤，用于水平高低調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定、工件旋轉(zhuǎn)的環(huán)焊縫自動(dòng)跟蹤，在多種焊接專機(jī)上作為標(biāo)準(zhǔn)配置，用于焊縫自動(dòng)跟蹤，裝配在普通焊接設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)焊縫自動(dòng)跟蹤，用于焊接機(jī)器人智能焊縫跟蹤。（2）課程意義制造業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)自動(dòng)化焊接與機(jī)器人焊接技術(shù)提出了更高的要求。作為焊接自動(dòng)化的重要內(nèi)容，焊縫自動(dòng)跟蹤在焊接生產(chǎn)中具有非常重要的作用。論文設(shè)計(jì)并研制了一套光電傳感器式焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)由光電傳感器、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成，并根據(jù)系統(tǒng)的要求開發(fā)了基于 MSC-51 單片機(jī)的跟蹤系統(tǒng)軟件。（3）國(guó)內(nèi)外基本研究情況在金屬制造業(yè)中，焊接是僅次于裝配和機(jī)械加工的第三大產(chǎn)業(yè)。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，每年鋼鐵產(chǎn)量的 40%以上要通過焊接才能轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品。自動(dòng)化焊接技術(shù)問世以來，焊接生產(chǎn)的機(jī)械化、自動(dòng)化和機(jī)器人一直在不斷發(fā)展之中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，日本在 1975 年共有焊接工人 460，930 名，而 1985 年減少為 335，600 名，1990 年則為 210，800 名，在過去的二十多年中，焊接工作不斷地由手工操作轉(zhuǎn)化為自動(dòng)、半自動(dòng)焊接乃至機(jī)器人焊接。隨著現(xiàn)代焊接生產(chǎn)的自動(dòng)化程度越來越高以及機(jī)器人焊接技術(shù)的發(fā)展，對(duì)焊接自動(dòng)跟蹤技術(shù)的要求也越來越迫切。二、研究?jī)?nèi)容、預(yù)計(jì)達(dá)到的目標(biāo)、關(guān)鍵理論和技術(shù)、技術(shù)指標(biāo)、完成課題的方案和主要措施（1）研究?jī)?nèi)容縫跟蹤作為一門綜合性應(yīng)用技術(shù)，具有多學(xué)科交叉融合的特點(diǎn)，包括電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)焊、焊接、結(jié)構(gòu)、流體、光學(xué)、電磁等學(xué)科，國(guó)內(nèi)外眾多研究工作者投入到這一領(lǐng)域進(jìn)行研究，從示教型焊接機(jī)器人到程序控制焊接系統(tǒng)，再到移動(dòng)式自動(dòng)焊縫跟蹤技術(shù)，焊接自動(dòng)化的每一次進(jìn)步都顯著提高了生產(chǎn)效率。焊接技術(shù)的自動(dòng)化、柔韌性和智能化是未來焊接技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。焊接自動(dòng)跟蹤主要由傳感器、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)三大部分組成，并構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)。（2）關(guān)鍵理論和技術(shù)傳感器是焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。其作用是精確檢測(cè)出焊縫的位置和形狀信息比轉(zhuǎn)化為電信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)才能對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果控制自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)整焊槍位置，從而實(shí)現(xiàn)焊縫自動(dòng)跟蹤。（3（完成課題的方案和措施接觸式傳感器是最早使用的傳感器，其特點(diǎn)為不受電弧干擾、工作可靠、成本低，曾在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，但由于跟蹤精度不高，目前正在被其他傳感器方法取代。聲學(xué)傳感器尤其是超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、價(jià)格便宜。超聲波傳感器由超聲波發(fā)生及接受裝置組成。超聲波傳感器的測(cè)量精度主要取決于超聲波的頻率，頻率越高，誤差越小，一般超聲波的頻率在 1.25 至 2.5MHZ。電弧傳感器的工作原理是在焊接過程中，當(dāng)焊槍與工件之間的相對(duì)位置發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起電弧電壓和電流的變化，這些變化都可以作為特征信號(hào)被提取出來實(shí)現(xiàn)焊槍高低和左右兩個(gè)方向的跟蹤控制。三、主要特色及工作進(jìn)度第 1～4 周：搜集資料，掌握 PLC 使用方法。第 5～8 周：了解焊縫跟蹤光電傳感器控制系統(tǒng)。提出可行性控制方案。第 9～12 周：選擇元器件、畫梯形圖。第 13～16 周：編程調(diào)試第 17 周：制圖、寫論文準(zhǔn)備答辯四、主要參考文獻(xiàn)（按作者、文章名、刊物名、刊期及頁碼列出）[ 1 ] B o b I r v i n g． S e n s o r s a n d c o n t r o l s c o n t i n u e t o c l o s et h el o o pi n a r cw e l d — i n _ g [ J ]．We l d i n g J o u r n a l ，1 9 9 9 ，7 8 ( 4) ： 3 1 —3 6 ． [ 2 ] 潘際鑾． 現(xiàn)代弧焊控制[ M] ． 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2 0 0 0 ． [ 3 ] 陳 強(qiáng)， 潘際鑾， 大島健司． 焊接過程的模糊控制[ J ] ． 機(jī)械工 程學(xué)報(bào)，1 9 9 5 ， 3 1 ( 4 ) ： 8 7 —9 1 ． [ 4 ] 蔣力培，張甲英，馬宏澤．傳感器超前檢測(cè)式焊縫自動(dòng)跟蹤系 統(tǒng)的控制模型[ J ] ．焊接學(xué)報(bào)，1 9 9 8 ，1 9 ( 3 ) ：1 8 4—1 8 9 ． [ 5 ] 陳伯蠡 ． 焊接冶金原理[ M] ． 北京：清華大學(xué)出版社，1 9 9 1 ． [ 6 ] 張文鉞 ． 焊接冶金學(xué)( 基本原理 ) [ M] ． 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 ，1 9 9 6 ． [7 ] 陳武柱 ,王勇,林青松.焊縫自動(dòng)跟蹤技術(shù)的現(xiàn)狀及新發(fā)展.焊管[ M],1992(5) :1 - 10.[8 ] 潘際鑾 ,陳武柱. 焊縫棱邊雙向激光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)[N]. 焊接學(xué)報(bào),1984(2) :34 - 40.[9 ] 李士勇 .模糊控制·神經(jīng)控制和智能控制論[ J ].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1996.指導(dǎo)教師意 見 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系意見系主任簽名：年 月 日院意見 教學(xué)院長(zhǎng)簽名： 年 月 日湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書題 目： 學(xué) 院： 興湘學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī) 械 設(shè) 計(jì) 制 造 及 其 自 動(dòng) 化 學(xué) 號(hào)： 2007964207 姓 名： 李 文 彬 指導(dǎo)教師： 李 衛(wèi) 完成日期： 2011 年 05 月 20 日 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書設(shè)計(jì)（論文）題目： 焊 縫 跟 蹤 光 電 傳 感 器 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 學(xué) 號(hào)： 2007964207 姓名 李文彬 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師： 李 衛(wèi) 系主任： 一、主要內(nèi)容及基本要求： 1、檢索國(guó)外焊縫跟蹤光電傳感器控制系統(tǒng)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，分析國(guó)內(nèi)的現(xiàn)狀； 2、分析焊縫跟蹤光電傳感器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問題； 3、完成焊縫跟蹤光電傳感器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的一體化設(shè)計(jì)； 4、完成焊縫跟蹤光電傳感器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 5、完成焊縫跟蹤光電傳感器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中硬件設(shè)計(jì)； 6、完成焊縫跟蹤光電傳感器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中軟件設(shè)計(jì)； 7、完成畢業(yè)論文的文稿工作，要求：總字?jǐn)?shù)不低于一萬字，使用 A4 編輯及打印裝訂成冊(cè)； 8、技術(shù)圖紙：控制系統(tǒng)原理圖 1 張（0 號(hào)）、控制系統(tǒng)程序流程圖 1 張（0 號(hào)）、 電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖 1 張（1 號(hào)）； 9、翻譯英文技術(shù)資料：翻譯國(guó)焊縫跟蹤光電傳感器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的（或相關(guān)課題）開發(fā)及設(shè)計(jì)的英文資料。要求：3000 單詞，復(fù)印原稿與翻譯(打印)稿同冊(cè)裝訂。 二、重點(diǎn)設(shè)計(jì)的問題：1、 焊縫跟蹤光電傳感器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案選擇設(shè)計(jì)； 2、 焊縫跟蹤光電傳感器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)； 3、 焊縫跟蹤光電傳感器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中外圍設(shè)備硬件的設(shè)計(jì)。 三、進(jìn)度安排四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)[1]賈劍平，張華，徐建寧.電弧傳感器的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀與展望[J]. 焊接.2005（11）北京 [2]左士強(qiáng)，.焊縫自動(dòng)跟蹤技術(shù)的發(fā)展和系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)[J].煤礦現(xiàn)代化， 2008,84(3)北京 [3]姚河清,.一種基于 DSP 的焊縫跟蹤模糊控制器系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].儀器儀表用戶.2004(6)北京 [4]康麗，焊縫跟蹤系統(tǒng)及焊接過程智能控制技術(shù)的設(shè)計(jì)[J].山西科技， 2008(3)：北京 [5]葉建雄， 張華，謝劍鋒，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在焊縫跟蹤中的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J] ，焊接技術(shù)，No(2)(2006)北京。 各階段完成的內(nèi)容 起止時(shí)間1 資料檢索、查詢 2011 年 2 月 20 日 ～ 3 月 5 日2 系統(tǒng)總體方案構(gòu)思及設(shè)計(jì) 2011 年 3 月 6 日 ～ 3 月 20 日3完成焊縫跟蹤光電傳感器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案選擇設(shè)計(jì)2011 年 3 月 21 日 ～ 4 月 10 日4完成焊縫跟蹤光電傳感器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)； 2011 年 4 月 11 日 ～ 4 月 25 日5完成焊縫跟蹤光電傳感器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)2011 年 4 月 26 日 ～ 5 月 10 日6 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文撰寫和編輯 2011 年 5 月 11 日 ～ 5 月 19 日7交畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書和圖紙，答辯準(zhǔn)備 2011 年 5 月 20 日 ～ 5 月 25 日[6]丁度坤， BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在焊縫位置識(shí)別中的應(yīng)用，焊縫技術(shù)，No(3)(2007).北京。 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）評(píng)閱表學(xué)號(hào) 2007964207 姓名 李文彬 專業(yè) 機(jī) 械 設(shè) 計(jì) 制 造 及 其 自 動(dòng) 化 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目： 焊 縫 跟 蹤 光 電 傳 感 器 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 評(píng)價(jià)項(xiàng)目 評(píng) 價(jià) 內(nèi) 容選題1.是否符合培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點(diǎn)和教學(xué)計(jì)劃的基本要求，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的；2.難度、份量是否適當(dāng)；3.是否與生產(chǎn)、科研、社會(huì)等實(shí)際相結(jié)合。能力1.是否有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力；2.是否有綜合運(yùn)用知識(shí)的能力；3.是否具備設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)能力、設(shè)計(jì)方法和手段的運(yùn)用能力；4.是否具備一定的外文與計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力；5.工科是否有經(jīng)濟(jì)分析能力。論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理；實(shí)驗(yàn)是否正確，設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語是否準(zhǔn)確，符號(hào)是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；2.文字是否通順，有無觀點(diǎn)提煉，綜合概括能力如何；3.有無理論價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值，有無創(chuàng)新之處。綜合評(píng)價(jià)評(píng)閱人： 2011 年 5 月 日湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）鑒定意見學(xué) 號(hào)： 2007964207 姓名： 李文彬 專 業(yè)： 機(jī) 械 設(shè) 計(jì) 制 造 及 其 自 動(dòng) 化 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 56 頁 圖 表 3 張論文（設(shè)計(jì)）題目： 焊 縫 跟 蹤 光 電 傳 感 器 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 內(nèi)容提要：該題目主要是解決現(xiàn)有的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)算復(fù)雜等問題。由于采用了多重比較和譯碼的方式，降低了焊炬的高度和人工白色標(biāo)志帶精度對(duì)焊縫自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)精度的影響，使計(jì)算過程和電路結(jié)構(gòu)極大簡(jiǎn)化。系 統(tǒng)主要用于自動(dòng)角焊機(jī)，在一定范 圍內(nèi)進(jìn)行焊縫水平跟蹤，實(shí)現(xiàn)焊縫自動(dòng)跟蹤，用于 焊接機(jī)器人智能焊縫跟蹤。焊縫跟蹤作為一門綜合性應(yīng)用技術(shù)，具有多學(xué)科交叉融合的特點(diǎn)，包括電子技術(shù)， 計(jì)算機(jī)焊接，焊接，結(jié)構(gòu)，流體，光學(xué)，電磁等學(xué)科，國(guó)內(nèi)外眾多研究工作者投入到這一領(lǐng)域進(jìn)行研究，從事教型焊接機(jī)器人到程序控制焊接系統(tǒng)，再到移動(dòng)式自動(dòng)焊接跟蹤技術(shù)，焊接自動(dòng)化的每一次進(jìn)步都顯著提高了生產(chǎn)效率。傳感器是焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。其作用是精確檢測(cè)出焊縫的位置和形狀信息比較化為電信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)才能對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果控制自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)整焊槍位置，從而實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤。因此為了適應(yīng)以上要求，本課題將對(duì)弧焊機(jī)器人光電傳感器式智能焊縫跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，與其它系統(tǒng)相比較，從理論上它具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)，光 電傳感器跟蹤精度高，控制系統(tǒng)多重選擇，系統(tǒng)經(jīng)過理論分析，在大范 圍內(nèi)采用 PID 控制，在小范 圍內(nèi)則轉(zhuǎn)化成模糊控制，兩者的轉(zhuǎn)化由微機(jī)程序根據(jù)事先給定的誤差范圍自動(dòng)選擇切換，相關(guān)的焊接實(shí)驗(yàn)與仿真表明，光電傳感器式焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)總體上達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有深入開發(fā)的潛力。指導(dǎo)教師評(píng)語指導(dǎo)教師： 年 月 日答辯簡(jiǎn)要情況及評(píng)語答辯小組： 年 月 日答辯委員會(huì)意見答辯委員會(huì)主任： 年 月 日基于光電傳感器的智能焊縫跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要焊接自動(dòng)化具有提高生產(chǎn)效率，優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量和改善勞動(dòng)條件等優(yōu)點(diǎn)，能夠大力促進(jìn)制造業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而焊縫跟蹤技術(shù)是實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化的必要技術(shù)，因此，發(fā)展焊縫跟蹤技術(shù)具有重要意義。本文設(shè)計(jì)的光電傳感器式焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)有三個(gè)主要部分組成，即光電傳感器，控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三個(gè)主要部分?？刂葡到y(tǒng)是基于 MSC-51 的單片機(jī)系統(tǒng)，跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)由焊接小車和雙十字滑架組成。對(duì)于常態(tài)表面狀態(tài)和打磨表面狀態(tài)下的工件，系統(tǒng)針對(duì)性地采用兩種不同的信號(hào)采集和處理方法：對(duì)于表面常態(tài)下的工件，采用了加權(quán)比較的信號(hào)處理方法；對(duì)于表面打磨的工件，采用了另一種信號(hào)處理方法——信號(hào)差值比較的方法。因此，這兩種方法的綜合使用可以有效地提高傳感器的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性。在分析前人實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的是小車配合雙十字滑架的模式。系統(tǒng)經(jīng)過理論分析，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了符合系統(tǒng)要求的模糊-PID 控制系統(tǒng)。模糊-PID 控制系統(tǒng)采用開關(guān)切換控制的方式，在大誤差范圍內(nèi)采用 PID控制，在小誤差范圍內(nèi)則轉(zhuǎn)換成模糊控制，兩者的轉(zhuǎn)換由微機(jī)程序根據(jù)事先給定的誤差范圍自動(dòng)選擇切換。仿真設(shè)計(jì)表明，該模型不僅簡(jiǎn)單可靠，而且跟蹤精度高。相關(guān)的焊接實(shí)驗(yàn)與仿真表明，光電傳感器式焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)總體上達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有深入開發(fā)的潛力。關(guān)鍵詞：光電傳感器；焊縫跟蹤；單片機(jī)；模糊-PID 控制AbstractWelding Automation has the advantages of increasing production efficiency,optimizing product`s quality and improving working conditions,etc.So it canvigorously promote the economic development of the manufacturing.Thedevelopment of the seam tracking technology which is a necessary for the weldingautomation technology has a great significance.In this paper,Seam Tracking System Based on Photoelectric Sensor has threemain components,namely,Photoelectric Sensor,a sub-system of control and theexecutive machine.The whole control system is consists of MSC-51 microcomputerhardware and the corresponding control software.The executive machine has twoparts,one of parts is called welded car,the other is the double-cross slider machine.the system has two different signal acquisition-processing methods for thedifferent surfaces of workpiece:For the normal surface of the workpiece,it uses themethod of comparing the signal;for the polished surface of the workpiece,it useanother different kind method of signal processing—subtraction-divided method.Therefore,it can effectively improve the accuracy and adaptability of thephotoelectric sensor by these ways.Based on the experience,the executive machine is made up by welded car anddouble-cross slider machine.By the theoretical analysis of the system,we establishthe corresponding mathematical model,and design the Fuzzy-PID control systemwhich can meet the requirements of the system.Fuzzy-PID control system uses aprogram switch to convert.when the warp detected is big,the Proportional control isapplied;when the warp detected is small,Fuzzy technology is applied.Theconversion of program switch is decided by the warp range.By the simulation,itshows that these methods are not only simple and reliable,but also more accurate forthe seam tracking.After the welding experiment and simulation,it shows that seam tracking systembased on photoelectric sensor can meet the requirements of designing generally,it candevelop more better in the future.Key Words: Photoelectric Sensor；Seam Tracking；Microcomputer；Fuzzy-PID Control目 錄摘 要 ...............................................................................................................I ABSTRACT........................................................................................................II第一章 緒論.............................................................................. ...........................11.1 選題依據(jù)及課題意義........................................................... ...............................21.2 國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)現(xiàn)狀.................................................................... .............................21.2.1 焊縫自動(dòng)跟蹤技術(shù)概述............................................... ................. ...........31.2.2 焊縫跟蹤傳感器的發(fā)展?fàn)顩r......................................................................31.2.3 焊縫自動(dòng)跟蹤中控制理論發(fā)展概況........................... ................................61.2.4 焊縫跟蹤伺服系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)................................. ...............................101.3 本文設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容.......................................................... ................. ............10第二章 光電傳感器的設(shè)計(jì)..................................................... .........................122.1 光電傳感器的組成和原理................................................. ................. ..............122.1.1 光電傳感器的元件組成............................................ ................. .............122.1.2 光電傳感器的電路設(shè)計(jì)............................................. ................. ............132.1.3 傳感器元件的選擇和工作特性................................. ................. .............142.1.4 光電傳感器的工作原理............................................. ................. ............152.2 影響光電傳感器工作的因素.............................................. ...............................162.2.1 傳感器高度實(shí)驗(yàn)......................................................... ............................162.2.2 工件表面狀況影響實(shí)驗(yàn)............................................. ................. ............172.2.3 人工輔助線影響實(shí)驗(yàn)................................................. ................. ...........182.2.4 弧光影響實(shí)驗(yàn)............................................................ ................. ........ 182.2.5 白線偏移實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理........................................ ................. .............192.3 工件表面打磨狀態(tài)下傳感器信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)..................... ................. ..................22第三章 硬件選擇及系統(tǒng)整體組成......................................... .........................253.1 焊接小車和執(zhí)行機(jī)構(gòu)......................................................... ................. .............253.1.1 焊接小車..................................................................... ................. .......253.1.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu).................................................................... ................. .........253.1.3 十字滑架步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路............................. ................................273.2 MSC-51 單片機(jī)系統(tǒng)......................................................... ................. ...............293.2.1 單片機(jī)的 P 口分配..................................................... ................. ...........29 3.2.2 單片機(jī)存儲(chǔ)空間分配................................................. ................. ...........29第四章 焊縫跟蹤控制系統(tǒng)...............................................................................314.1 數(shù)學(xué)模型的建立.................................................................. ................. ..........314.1.1 控制原理..................................................................... ................. ........314.1.2 數(shù)學(xué)模型..................................................................... ................. ........324.2 控制器的設(shè)計(jì)...................................................................... ................. ..........344.2.1 Fuzzy-PID 復(fù)合控制器............................................ ................. .............344.2.2 PID 控制部分............................................................ ................. .........374.2.3 模糊控制器的設(shè)計(jì).................................................... ................. ...........374.3 仿真與分析......................................................................... ................. ........45第五章 結(jié)論和分析.................................................................................. ........505.1 光電傳感器式焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)論................ ................. ...................505.2 進(jìn)一步設(shè)計(jì)的建議............................................................. ................. ............50參考文獻(xiàn).................................................................................. ................. ..........51附錄：中文翻譯和外文資料......................................................................................52致謝........................................................................................... ................. ........59第一章 緒論1.1 選題依據(jù)及課題意義焊接技術(shù)作為一門綜合性應(yīng)用技術(shù)，具有多學(xué)科交叉融合的特點(diǎn)。焊接技術(shù)的自動(dòng)化、柔性化與智能化是未來焊接技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。采用機(jī)器人焊接不但可以提高生產(chǎn)率、改善勞動(dòng)條件、穩(wěn)定和保證焊接質(zhì)量、而且可以實(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動(dòng)化。近幾年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)焊接自動(dòng)化的設(shè)計(jì)主要集中以下幾個(gè)方面：(1)具有焊縫智能識(shí)別與跟蹤功能的焊接機(jī)器人系統(tǒng)，是目前設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，在智能識(shí)別方面以電弧傳感器和光電傳感器為兩大典型代表，且目前已出現(xiàn)了比較成熟的系統(tǒng)。(2)焊接多自由度的焊接機(jī)器人系統(tǒng)。(3)多機(jī)器人組成的焊接柔性制造系統(tǒng)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，和對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，弧焊機(jī)器人正朝著“高效化、自動(dòng)化、智能化、柔性化”的方向發(fā)展，所采用的傳感器多是電弧傳感器或光電傳感器。但從整體上看，目前國(guó)內(nèi)外大量應(yīng)用的弧焊機(jī)器人系統(tǒng)基本都屬于示教再現(xiàn)階段或離線編程階段的成果，雖然這類機(jī)器人能夠完成大量的重復(fù)性的工作，具有簡(jiǎn)單、直觀、易于操作和重復(fù)定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)工件變更種類時(shí)，一般都要求系統(tǒng)更換工裝，這在小批量、多品種的生產(chǎn)中必然會(huì)導(dǎo)致成本提升的問題。而且，由于焊接是一種熱加工工藝過程，一些尺寸較大、剛性較差（如薄板）的工件在焊接過程中很可能會(huì)產(chǎn)生熱變形，或者由于大型焊件的焊縫開口一致性不好，可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)際的焊道偏離了預(yù)先示教的軌跡，此時(shí)，示教再現(xiàn)法就難以保證焊接質(zhì)量。造成這個(gè)局面的主要原因是由于焊接過程是一個(gè)多參數(shù)相互耦合的時(shí)變的非線性系統(tǒng)，影響焊接質(zhì)量的因素眾多，并帶有顯著的隨機(jī)性，很難用精確的數(shù)學(xué)模型來描述，這使得已往的一些線性分析方法，在不同程度上存在適應(yīng)性差、對(duì)經(jīng)驗(yàn)依賴性大等缺點(diǎn)。因此，雖然傳統(tǒng)型的機(jī)器人己經(jīng)有所應(yīng)用，但是在精度要求更高和產(chǎn)品經(jīng)常變化的場(chǎng)合是不合適的，仍需要設(shè)計(jì)開發(fā)能靈活移動(dòng)，有一定智能的焊接機(jī)械，以適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)、不同地點(diǎn)的焊接任務(wù)。所以有必要加入自動(dòng)跟蹤裝置以增強(qiáng)它們的適應(yīng)性，發(fā)展配帶傳感器、智能化更加靈活的制造系統(tǒng)的需求非常迫切。由于待焊工件存在下料加工及裝配的誤差，焊接熱過程引起的變形事先也難以預(yù)料，因此給定軌跡的目標(biāo)控制（或離線編程）方式己無能為力，具有焊縫自動(dòng)跟蹤能力的自適應(yīng)系統(tǒng)自然成為首選目標(biāo)。因此，為了適應(yīng)以上要求，本課題將對(duì)弧焊機(jī)器人光電傳感器式智能焊縫跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)。與其它系統(tǒng)相比，從理論上講它具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：（1）傳感器方面光電傳感器跟蹤精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，信息豐富，是目前設(shè)計(jì)得最多的傳感器之一。傳感器包括信號(hào)光源和接收器兩部分，結(jié)構(gòu)形式種類繁多。所用信號(hào)光源有白熾燈、激光、紅外光等；按接收器件的特征可分為單點(diǎn)式光電傳感器和圖像傳感器兩大類。前者以單個(gè)或幾個(gè)分支光電器件為接收元件，后者以集成光電器件(如 CCD、PSD 等)為接收元件。單點(diǎn)式光電傳感器以人工輔助線〔塑料膠帶，白漆線等〕 、坡口面或坡口棱邊作為跟蹤基準(zhǔn)，據(jù)此可獲得跟蹤信號(hào)。單點(diǎn)式光電傳感器還有許多其它形式，其結(jié)構(gòu)和控制電路都比較簡(jiǎn)單，成本低，容易產(chǎn)業(yè)化，所以本課題采用單點(diǎn)式光電傳感器。（2）控制系統(tǒng)方面由于焊接過程的特殊性，其往往表現(xiàn)為一些復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，難以找到合適的數(shù)學(xué)物理模型，對(duì)此傳統(tǒng)的控制方法就容易顯現(xiàn)出它自身的局限性。因此，在自動(dòng)焊接過程如何模仿人類特有的智能來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的焊接控制是目前和將來焊接自動(dòng)化的重要內(nèi)容。目前，在焊縫跟蹤設(shè)計(jì)領(lǐng)域涉及的人工智能方法主要有模糊邏輯、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法三種，目前運(yùn)用最多的是模糊控制方法。模糊控制可以不需要建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，它是一種基于規(guī)則的非線性控制方法。它所采用的語言型控制規(guī)則是基于現(xiàn)場(chǎng)操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)專家的知識(shí)。因此，在處理一些復(fù)雜性、不確定性問題的性能方面，就單一方法來講，相對(duì)于傳統(tǒng)經(jīng)典控制方法，選擇模糊控制方法要更加的合適。但是，模糊控制也有其自身的不足，由于模糊控制表的量化等級(jí)有限，造成其精確度不高，還有就是自適應(yīng)能力有限和易產(chǎn)生震蕩現(xiàn)象等缺點(diǎn)。因此，單一控制方法都有其不足之處，往往達(dá)不到較理想的效果，所以本課題計(jì)劃把兩種控制方法綜合起來應(yīng)用：即模糊控制-PID 復(fù)合控制方法。其中，最常見的一種就是 Fuzzy-P 雙?？刂品椒ā＿@種復(fù)合控制方法的原理是在大偏差范圍內(nèi)采用經(jīng)典比例控制，而在小偏差范圍內(nèi)則采用模糊控制，二都之間的轉(zhuǎn)換由程序根據(jù)事先給定的誤差范圍自動(dòng)轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)的。這種改進(jìn)的控制方法的優(yōu)點(diǎn)主要是比例控制可以進(jìn)行高速的糾編，而在小偏差范圍內(nèi)模糊控制則可以很好的消除穩(wěn)態(tài)誤差。因此，它可以提高控制的速度和控制的穩(wěn)態(tài)性能。1.2 國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)現(xiàn)狀1.2.1 焊縫自動(dòng)跟蹤技術(shù)概述焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)一般有傳感器、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)三大部分組成，常構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)。焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)是一定程度上的智能控制系統(tǒng)，要提高焊縫跟蹤系統(tǒng)的精度，除了在軟件方面的改進(jìn)之外，還需要以上三大部分硬件方面的提升：1、自動(dòng)跟蹤傳感器方面。設(shè)計(jì)更加靈敏的傳感器，使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。2、控制器方面。設(shè)計(jì)功能強(qiáng)、成本低的控制器硬件，設(shè)計(jì)更加合理有效的協(xié)調(diào)各自由度運(yùn)動(dòng)控制的原理與方法。3、執(zhí)行機(jī)構(gòu)方面。需要設(shè)計(jì)出更為合理的自由度配置形式和結(jié)構(gòu)，以保證機(jī)構(gòu)更為輕便、運(yùn)動(dòng)靈活。1.2.2 焊縫跟蹤傳感器的發(fā)展?fàn)顩r設(shè)計(jì)和發(fā)展智能化的焊接自動(dòng)化系統(tǒng)是保證焊接質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、改善勞動(dòng)條件的重要手段，也是目前焊接技術(shù)的發(fā)展方向。世界上許多著名的焊接設(shè)備設(shè)計(jì)和制造機(jī)構(gòu)都在努力開發(fā)這一領(lǐng)域。焊接過程自動(dòng)控制系統(tǒng)首先要解決的問題是焊縫跟蹤。經(jīng)過幾十年的設(shè)計(jì)和實(shí)踐，焊縫跟蹤技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，而新型傳感器的不斷出現(xiàn)正是這一進(jìn)步的標(biāo)志。對(duì)于焊接傳感器，目前還沒有形成統(tǒng)一的定義。大家普遍認(rèn)為，一個(gè)傳感器，如果能夠檢測(cè)到焊接質(zhì)量的外部和內(nèi)部狀況（比如坡口變化、溶池子尺寸、溫度變化、電弧聲光等特征信息） ，并能將檢測(cè)值作為信號(hào)輸出，以監(jiān)測(cè)和控制焊接生產(chǎn)過程，就可以稱之為傳感器。焊接傳感器是焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。在整個(gè)系統(tǒng)中的作用是精確檢測(cè)出焊縫的位置和形狀信息并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)之后再對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，控制自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)整焊槍位置，從而實(shí)現(xiàn)焊縫自動(dòng)跟蹤。跟蹤傳感器從原理上來分有多種形式。其中比較重要的有接觸式傳感器、電磁傳感器、直接式的電弧傳感器和間接式的光電傳感器。最早使用的是接觸式傳感器。但是由于磨損大，易變形等，所以不適用于高速焊接。針對(duì)壓力容器中采用最多的 I 型坡口，使用電磁傳感器的焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)能較好的實(shí)現(xiàn)壓力容器焊接過程中的焊縫自動(dòng)跟蹤。其理論基礎(chǔ)為電磁理論。對(duì)于液壓支架的焊接，此種傳感器不適合。其原因在于傳感器與焊絲之間有一定的距離，難以實(shí)現(xiàn)液壓支架角型焊縫的實(shí)時(shí)跟蹤。電磁式傳感器按頻率分為高頻式（渦流傳感器）和普通頻率式兩種，高頻式（渦流）傳感器的頻率為 30-160KHz，而普通式的頻率低于 10KHz。它的不足是容易受到焊接過程中的電磁噪聲和工件錯(cuò)邊的影響產(chǎn)生電磁誤差信號(hào)。聲學(xué)傳感器尤其是超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度高，價(jià)格便宜。超聲波傳感器主要由超聲波發(fā)生和接收裝置兩大部分組成。超聲波傳感器的測(cè)量精度主要取決于超聲波的頻率，頻率越高，誤差越小，一般超聲波的頻率在 1.25-2.5MHZ。超聲波傳感器不易受焊接中的電磁、光、煙塵等干擾，但需要貼近工件，又對(duì)噪聲比較敏感，因而容易受到噪聲干擾，如 CO2 焊接的應(yīng)用中就有一定的限制。電弧傳感器的工作原理：在焊接過程中，焊槍與工件之間的相對(duì)位置發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起電弧電壓和電流的變化，這些變化都可以作為特征信號(hào)被提取出來，用于實(shí)現(xiàn)焊槍高低和左右兩個(gè)方向的跟蹤控制。電弧傳感器以電弧本身為傳感器，相對(duì)其它傳感器來說，它結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，保用方便靈活，它的最大優(yōu)勢(shì)是它能抗弧光，高溫及強(qiáng)磁場(chǎng)能力很強(qiáng)。因?yàn)樗皇芑」狻⒋艌?chǎng)、飛濺、煙塵等干擾，因而，它具有響應(yīng)快、精度高，抗干擾強(qiáng)等特點(diǎn)。它的缺點(diǎn)如下：由于它是以電弧本身作為檢測(cè)元件，所以只有在焊接過程中才能發(fā)揮作用。另外，焊槍的擺動(dòng)或旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，電弧各參數(shù)間耦合性很強(qiáng)，實(shí)際得到的波形未達(dá)到預(yù)期的效果，故需要對(duì)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，且控制量需要根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)來確定，對(duì)于無對(duì)稱側(cè)壁或根本無側(cè)壁的接頭形式，現(xiàn)有的傳感器不能識(shí)別，也不能實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接起始點(diǎn)與終止點(diǎn)的自動(dòng)檢測(cè)。國(guó)內(nèi)外已做了很多電弧傳感器的焊縫跟蹤方面的工作。電弧擺動(dòng)的實(shí)現(xiàn)有多種方法，可以通過擺動(dòng)焊炬，也可以是焊炬不動(dòng)，通過電磁力來驅(qū)動(dòng)電弧擺動(dòng)，或者將氣體吹入電弧中，利用熱收縮效應(yīng)使電弧擺動(dòng)。光學(xué)傳感器精度高、再現(xiàn)性好，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)坡口形狀、寬度和截面的檢測(cè)和焊縫跟蹤,為焊接參數(shù)的自適應(yīng)控制提供依據(jù)。光電傳感器又可以分為基于分立光電元件的單點(diǎn)式光電傳感器和能夠獲得坡口圖像信息的視覺傳感器。視覺傳感器能夠檢測(cè)坡口二維圖像信息，由于其包括的信息多、靈敏度高、動(dòng)作相應(yīng)快,成為最新式、功能最強(qiáng)、性能最先進(jìn)的焊縫自動(dòng)跟蹤傳感器。利用視覺傳感器的焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)是未來焊接自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)輔助光源形式的不同，焊縫跟蹤視覺傳感器可以分為基于結(jié)構(gòu)光的視覺傳感器和基于光點(diǎn)掃描的視覺傳感器。與采用結(jié)構(gòu)光的視覺傳感器相比較,采用光點(diǎn)掃描獲得二維圖像信息的視覺傳感器的缺點(diǎn)是所使用的振鏡結(jié)構(gòu)復(fù)雜,價(jià)格昂貴。視覺傳感器所能獲得的信息量大，同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)的迅速發(fā)展，大大提高了焊接系統(tǒng)的外部適應(yīng)能力。特別是 CCD 傳感器因其可靠的性能、清晰直觀的圖像和良好的使用效果而得到了普遍的重視。例如，線陣CCD 圖像傳感器,它的白熾燈光通過光導(dǎo)纖維投射在工件上形成圓形光斑，其反射光成像于上方的器件上，由于是線陣（包含個(gè)光敏單元） ，僅獲得光斑中與焊縫垂直的一條線的信號(hào)，與工件表面對(duì)應(yīng)的光敏單元信號(hào)強(qiáng)，與縫隙對(duì)應(yīng)的光敏單元信號(hào)弱，用微機(jī)處理 256 這個(gè)信號(hào)，即可求出焊線中心線的位置，用于自動(dòng)跟蹤。這類傳感器由于光斑面積大，如何提高其光照度以獲得必要的信噪比是其關(guān)健。其工作原理如圖 1—1所示。 圖 1-1 線陣 CCD 圖像傳感器單點(diǎn)式光電傳感器相對(duì)視覺傳感器來說，它的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，對(duì)相應(yīng)設(shè)備的要求條件沒那么高，價(jià)格更加便宜，在滿足跟蹤精度要求的條件下，更容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，對(duì)提高國(guó)內(nèi)的焊接自動(dòng)化水平大有裨益。但它采集的信息量相對(duì)視覺傳感器要少，對(duì)實(shí)驗(yàn)的條件和環(huán)境要求較高，抗干擾能力有待提高。1.2.3 焊縫自動(dòng)跟蹤中控制理論發(fā)展概況發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)弧焊過程的焊縫跟蹤已進(jìn)行了很多年的設(shè)計(jì)和探索，取得了可觀的成績(jī)。近代由于電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，并將其應(yīng)用到焊接這一復(fù)雜的不確定性的非線性系統(tǒng)，使焊縫跟蹤跨入一個(gè)嶄新的朝代——智能焊縫跟蹤時(shí)代。所謂現(xiàn)代智能控制就是主要利用人的操作經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和推理規(guī)則，同時(shí)利用控制系統(tǒng)所提供的某些信息得出相應(yīng)的控制動(dòng)作，以達(dá)到預(yù)期控制目的的一種控制方法。目前，采用的控制方法主要可以分為經(jīng)典控制方法和現(xiàn)代智能控制方法兩大類，而經(jīng)典控制方法主要有 PID 控制，智能控制則主要有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等等。1）經(jīng)典控制方法的發(fā)展應(yīng)用經(jīng)典控制方法中應(yīng)用最普遍的是 PID 控制方法，這種方法的實(shí)質(zhì)是檢測(cè)出被控對(duì)象的某個(gè)或某些狀態(tài)參數(shù)，與期望值進(jìn)行比較，得出偏差值，輸送到采用 PID 算法設(shè)計(jì)的控制器中，得出控制量，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，從而減小甚至消除偏差。PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。這種控制方法也是工程中較為成熟的一種方法。常規(guī) PID 控制也有許多不完善之處，其中最主要的問題就是 PID 控制器參數(shù)的整定問題，且一旦整定計(jì)算好后，在整個(gè)控制過程中都是固定不變的，而實(shí)際中，由于實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)等發(fā)生變化，而使系統(tǒng)很難達(dá)到最佳的控制效果?，F(xiàn)代工業(yè)控制過程中，許多被控對(duì)象機(jī)理復(fù)雜，它不僅表現(xiàn)在控制系統(tǒng)具有多輸入、多輸出的強(qiáng)耦合性、參數(shù)時(shí)變性和嚴(yán)重的非線性特性，而且從系統(tǒng)對(duì)象所能獲得的知識(shí)訊息量也相對(duì)地減少，然而對(duì)控制性能的要求卻日益提高。因此，采用常規(guī) PID 控制器難以獲得滿意的控制效果。它的發(fā)展趨勢(shì)是與智能控制相結(jié)合，形成控制性能更優(yōu)的復(fù)合控制。2) 模糊控制方法在焊縫跟蹤中的發(fā)展?fàn)顩r模糊控制是基于豐富操作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出的、用自然語言表述控制策略，或通過大量實(shí)際操作數(shù)據(jù)歸納總結(jié)出的控制規(guī)則，用計(jì)算機(jī)予以實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)控制。它與傳統(tǒng)控制的最大不同，在于不需要知道控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，而需要積累對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制的操作經(jīng)驗(yàn)或數(shù)據(jù)。由于模糊控制是以人的操作經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，而不依賴于控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)際上是把人的智能融入了控制系統(tǒng)，自然實(shí)現(xiàn)了人的某些潛能，所以它屬于一種智能控制。1965 年，美國(guó)加州大學(xué)自動(dòng)控制系 L.A.Zedeh 教授把經(jīng)典集合與 J.Lukasiewicz的多值邏輯融為一體，用數(shù)字或函數(shù)表述和運(yùn)算含有像“冷” 、 “熱”之類純屬主觀意義的模糊概念，創(chuàng)立了模糊集合理論，這就開創(chuàng)了模糊控制數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。其后，出現(xiàn)了許多設(shè)計(jì)模糊集合理論和模糊邏輯推理的成果：1968 年提出了模糊算法概念，1970 年提出模糊決策，1971 年提出模糊排序，1973 年，L.A.Zedeh 引入語言變量這個(gè)概念，提出模糊 if-then 規(guī)則來量化人類模糊語言的知識(shí)規(guī)則，建議把模糊邏輯應(yīng)用于控制領(lǐng)域，從而奠定了模糊控制的理論基礎(chǔ)。1983 年，日本富士電機(jī)開創(chuàng)了模糊控制在日本的第一項(xiàng)應(yīng)用——水凈化處理。日本的 S.Murakami 等人設(shè)計(jì)了基于模糊控制的焊縫跟蹤系統(tǒng)，根據(jù)語言規(guī)則設(shè)計(jì)了模糊濾波器和模糊控制器，控制效果很好。1989 年日本將模糊控制應(yīng)用于電冰箱、洗衣機(jī)、微波爐等消費(fèi)產(chǎn)品上，把模糊控制的應(yīng)用推向了高潮。1985 年，保加利亞的 D.Lakov 提出用模糊模型描述弧焊過程的不確定性，借助于配置的非接觸式激光傳感器，它能按示教內(nèi)容對(duì)焊縫進(jìn)行跟蹤，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用模糊集概念可以進(jìn)行在線評(píng)估、預(yù)測(cè)和控制。隨著計(jì)算機(jī)及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和模糊控制的廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了許多模糊硬件系統(tǒng)，進(jìn)一步推動(dòng)了模糊控制理論的發(fā)展和應(yīng)用。模糊控制也由最初的經(jīng)典模糊控制發(fā)展到自適應(yīng)模糊控制、專家模糊控制和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)模糊控制。3) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法在焊縫跟蹤中的發(fā)展?fàn)顩r人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是在設(shè)計(jì)人腦結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上，通過簡(jiǎn)化、抽象和模擬，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，再通過相應(yīng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)反映人腦結(jié)構(gòu)和功能來處理問題的過程控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擅長(zhǎng)于從輸入-輸出數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)有用的知識(shí)，總結(jié)出規(guī)律性的東西。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是把模仿人腦生理結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理的數(shù)學(xué)模型——人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)跟自動(dòng)控制相結(jié)合的產(chǎn)物，它具有人腦可以并行處理信息、模式識(shí)別、記憶和自學(xué)習(xí)的能力，因而對(duì)于多維、非線性、強(qiáng)耦合和不確定的復(fù)雜系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的設(shè)計(jì)主要集中在以下幾個(gè)方面：模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)；模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法(GA)的結(jié)合；模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與其他控制方法綜臺(tái)的選擇；閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)；新型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和快速算法及其在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用的設(shè)計(jì)。盡管神經(jīng)控制相對(duì)于常規(guī)控制在某些方面有無可比擬的優(yōu)勢(shì),它可以用來處理常規(guī)控制方法難以處理的復(fù)雜非線性系統(tǒng)的控制問題，而這并不意味著對(duì)所有的非線性系統(tǒng)的控制問題，神經(jīng)控制就一定比常規(guī)控制好。對(duì)有些可以用常規(guī)控制解決的非線性系統(tǒng)的控制問題，究竟采用哪一種方法好，目前尚無定論。因此，可將神經(jīng)控制和常規(guī)控制用于相同的非線性系統(tǒng)，并對(duì)它們的控制效果進(jìn)行比較設(shè)計(jì)。它可為人們選擇合適的控制方案提供指導(dǎo)。目前，誤差傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及 BP 網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用最廣、且它的基本思想也最直觀的，BP網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是進(jìn)行誤差逆?zhèn)鞑?，即根?jù)網(wǎng)絡(luò)的希望輸出與網(wǎng)絡(luò)實(shí)際輸出之差的誤差信號(hào)，由輸出層經(jīng)中間層向輸入層逐層修正連接權(quán)及各單元的輸出閾值，BP 算法在求誤差函數(shù)的極小值，通過樣本的反復(fù)訓(xùn)練并朝減少偏差的方向修改權(quán)值，直到達(dá)到滿意的精度為止。在國(guó)內(nèi)焊縫跟蹤領(lǐng)域方面，華南理工大學(xué)把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于弧焊機(jī)器人中，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在笛卡爾空間軌跡的補(bǔ)償作用，設(shè)計(jì)出了一種基于笛卡爾空間軌跡調(diào)整的機(jī)器人焊縫跟蹤神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，這種控制器具有良好的控制特性和較強(qiáng)的魯棒性，顯著提高了弧焊機(jī)器人的焊縫跟蹤精。上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)了基于高斯基模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)焊接機(jī)器人焊縫實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，對(duì)所設(shè)計(jì)的焊接移動(dòng)機(jī)器人建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型并設(shè)計(jì)了基于高斯基模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的焊縫跟蹤控制器。采用 Denavit-Hartenberg(D-H)齊次坐標(biāo)變換法分析了機(jī)器人本體和滑架對(duì)焊炬點(diǎn)位姿的運(yùn)動(dòng)學(xué)行為,采用高斯函數(shù)作為隸屬函數(shù),以滑架位置和小車方位角作為輸入,焊炬的轉(zhuǎn)向調(diào)整角作為輸出,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力,實(shí)現(xiàn)模糊隸屬函數(shù)和控制規(guī)則的在線修改。焊縫跟蹤試驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制器的有效性,其跟蹤精度可控制在±0.5 mm 以內(nèi)。廣東工業(yè)大學(xué)把 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在焊縫位置識(shí)別中，,使用視覺傳感器采集焊接熔池圖像,選取圖像中熔池前端部分進(jìn)行處理,先對(duì)其進(jìn)行中值濾波與灰度變換,在此基礎(chǔ)上,獲取每一幅熔池圖像的質(zhì)心值、質(zhì)心位移、質(zhì)心速度及電弧與焊縫的偏差值作為訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)。以質(zhì)心值、質(zhì)心位移和質(zhì)心速度為輸入量,以偏差值為輸出量,利用 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立其數(shù)學(xué)模型,最后對(duì)該模型進(jìn)行檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)證明了有效性。在國(guó)外，英國(guó)利物浦大學(xué)的專家們進(jìn)行了大量的關(guān)于人工神經(jīng)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)控制在 TIG焊接中的應(yīng)用的設(shè)計(jì)，且取得了很好的結(jié)果。他們利用比較成功的焊接實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為數(shù)據(jù)，建立了一個(gè)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)焊接參數(shù)對(duì)焊縫的質(zhì)量進(jìn)行較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)判斷。日本的 Y.Suga 等人將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用到焊縫跟蹤中，在該系統(tǒng)中采用了視覺傳感器并用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行圖像處理以獲得焊縫的形狀數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性，能有較地進(jìn)行焊縫跟蹤。國(guó)內(nèi)外焊接界的設(shè)計(jì)者們對(duì)焊接過程中焊縫的自動(dòng)跟蹤技術(shù)進(jìn)行了大量而且富有成效的設(shè)計(jì)，特別是在控制算法上進(jìn)行了許多嘗試工，從傳統(tǒng)的控制算法到現(xiàn)代控制算法，以及目前比較受人們關(guān)注的模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法都進(jìn)行細(xì)致的設(shè)計(jì)，并獲得了許多富貴的應(yīng)用成果。4) 焊接專家系統(tǒng)方法在焊縫跟蹤中的發(fā)展?fàn)顩r專家系統(tǒng)是一種基于知識(shí)的計(jì)算程序系統(tǒng)，它能夠利用已獲取的特定領(lǐng)域的專家知識(shí)，模擬人類專家解決問題的能力，對(duì)所面臨的問題做出具有專家水平的結(jié)論。隨著人工智能技術(shù)、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和模糊推理等技術(shù)發(fā)展，專家系統(tǒng)有了較大的發(fā)展。焊接領(lǐng)域的專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)約始于 80 年代中。最早見于報(bào)道的是美國(guó)科羅拉多礦業(yè)學(xué)院(CSM)與美國(guó)焊接設(shè)計(jì)所(AWI)聯(lián)合開發(fā)的焊接材料選擇系統(tǒng) Weldselector。我國(guó)與國(guó)外幾乎同時(shí)開始焊接專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。最早見于報(bào)道的經(jīng)過國(guó)內(nèi)外焊接工作者的不懈努力,目前焊接專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)已觸及焊接生產(chǎn)的所有主要方面,主要集中在工藝制定、缺陷分析、材料設(shè)備選擇等方面。工藝選擇與工藝制定專家系統(tǒng)。這是目前最主要的焊接專家系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域,有關(guān)工藝選擇及工藝制定的焊接專家系統(tǒng)約占 70%。焊接過程實(shí)時(shí)控制專家系統(tǒng)。這是焊接專家系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要方向,但目前已開發(fā)的系統(tǒng)不是很多。國(guó)外已開發(fā)的此類專家系統(tǒng)有美國(guó)的 GeneralDigital Industries開發(fā)的 NEWCS，Adaptive technologies 開發(fā)的 Camtech1000 和Adaptitech1000，AWI&NIST 開發(fā)的 Weld excel，還有就是日本的 NKK 公司開發(fā)的Expert System for Control of Welding arc meters。其中 Weld excel 與 NEWCS 兩個(gè)軟件雖已將離線工藝設(shè)與在線實(shí)時(shí)控制結(jié)合起來,但只是按已經(jīng)擬訂的工藝對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。而 Camtech1000 和 Adaptitech1000 則具有真正的實(shí)時(shí)性,可完成零件定位、焊接操作、質(zhì)量檢查等功能。Expert System for Control of Welding arc meters 還可給出最優(yōu)焊接參數(shù),從而控制焊接設(shè)備,保持恒定的熔深和焊道高度。焊接專家系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)雖然已取得了可喜的成就,但其發(fā)展程度還相當(dāng)不完善,焊接專家系統(tǒng)今后的發(fā)展趨勢(shì)為：①專家系統(tǒng)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、模糊系統(tǒng)等智能技術(shù)結(jié)合起來形成混合系統(tǒng),克服單一技術(shù)的缺陷與不足；②充分利用焊接數(shù)據(jù)庫(kù),設(shè)計(jì)以當(dāng)前獲得快速發(fā)展的焊接數(shù)據(jù)庫(kù)作為知識(shí)源的自動(dòng)知識(shí)獲取機(jī)制將成為焊接專家系統(tǒng)的一個(gè)值得重視的設(shè)計(jì)方向；③系統(tǒng)的集成將進(jìn)一步加強(qiáng)；④多媒體技術(shù)將在焊接專家系統(tǒng)中得到進(jìn)一步應(yīng)用。多媒體技術(shù)以其生動(dòng)的圖文聲效果、強(qiáng)大的感染力有著廣闊的發(fā)展空間,但目前由于其巨大的工作量?jī)H限于在培訓(xùn)、銷售環(huán)節(jié)的焊接軟件中應(yīng)用,隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件環(huán)境的進(jìn)一步發(fā)展,將會(huì)更多地應(yīng)用于焊接專家系統(tǒng)中。5) 復(fù)合控制方法在焊縫跟蹤中的發(fā)展?fàn)顩r在很多情況下,單獨(dú)采用一種控制方法都有不足之處,往往達(dá)不到理想的效果。如果采用上述兩種或者三種方法復(fù)合的控制方法,則可以互補(bǔ)不足,得到很好的控制效果。在實(shí)際的應(yīng)用中,已有很多的例子證明了這種復(fù)合控制方法的優(yōu)越性。例如：模糊數(shù)學(xué)-PID 復(fù)合控制方法、專家系統(tǒng)-PID 復(fù)合方法等等諸多復(fù)合控制方法。2006 年巴西大學(xué)的 Alfaro Sadek C·A 將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制結(jié)合起來,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用來提高計(jì)算機(jī)的視覺效果,模糊控制規(guī)則用來保證傳感器的連續(xù)光感。在其系統(tǒng)中,采用了 12 個(gè)處理器、多個(gè)傳感器,采取了并行結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該種方法比總線控制的效果好。國(guó)內(nèi)，南昌大學(xué)設(shè)計(jì)了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的模糊控制器,并將它與 PID 控制器相結(jié)合,動(dòng)態(tài)的調(diào)整 PID 參數(shù)。系統(tǒng)根據(jù)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí),離線的進(jìn)行學(xué)習(xí),使得模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)掌握調(diào)節(jié) P
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