自动电弧焊焊炬运动控制算法研究

摘要

电弧焊接是制造业中一种非常重要的金属连接工艺，它在机械制造、航天航空、汽车、造船、桥梁和核工业等行业得到了广泛的应用。近年来，随着焊接需求的增加以及对焊件质量的提高，焊接领域的变革势在必行，传统的手工焊接终将会被淘汰。因此，焊接过程的自动化和智能化是未来焊接领域发展的趋势。
　　焊缝跟踪技术是自动电弧焊的一个重要研究领域，精确的焊缝跟踪是保证自动焊接质量的关键。要实现精确的焊缝跟踪，焊缝偏差（即焊缝中心与电弧的偏差）的检测是一个关键前提。在电弧焊焊缝跟踪过程中，以焊炬运动控制系统为被控对象，焊炬相对于焊缝中心位置的偏差作为被调量，通过机械、电磁、激光、视觉等多种传感测量手段，控制焊炬使其在整个焊接过程中始终与焊缝对中。
　　电弧焊实质上是一个复杂的热加工过程。由于弧焊过程中会产生强光、强热以及工件的热变形等干扰，难以实现精确的焊缝跟踪。在目前自动焊接装置中，焊炬运动控制都是由步进电机及传动机构来实现的，因此提高步进驱动系统控制精度是实现焊缝精确跟踪的关键技术。
　　为保证焊接质量，需要实现精确的焊缝路径跟踪，人们采用了各种技术来获取焊缝的中心轨迹，其中基于视觉系统的焊缝识别和定位技术由于其直观和采集到的信息量大，而被广泛的采用。
　　论文的研究采用钨极惰性气体保护焊的焊接方式，试验装置为基于视觉传感器的电弧焊焊缝跟踪系统。该系统主要包括步进电机及驱动器、视觉传感器及图像采集卡、工作台与工控机等装置。首先，论文对焊接图像进行特征分析，采取图像处理技术提取熔池图像前端的焊缝位置信息，从而提取到待焊焊件的焊缝位置偏差，为实现焊缝跟踪提供依据。然后，根据试验装置的原理特性与执行机构的运动分析，建立焊炬运动控制系统的数学模型。为了建立更为准确的数学模型，在电弧焊焊缝跟踪试验系统中，被控对象包括二相混合式步进电机、滚轴丝杠、运动工作台以及焊件、夹具等负载。最后，建立模型后，通过将传统的PID仿真与径向基神经网络结合，利用MATLAB进行计算机仿真，提高系统的跟踪性能，为实际的焊缝跟踪试验打下良好的基础。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 电弧焊接概述

1．1．2 弧焊自动化技术概述

1．2 焊缝跟踪技术的国内外研究现状

1．2．1 焊缝跟踪传感器

1．2．2 视觉传感在焊缝跟踪中的应用

1．2．3 焊缝跟踪智能控制的发展现状

1．3 选题意义及主要研究内容

1．4 本章小结

第二章 自动电弧焊焊缝跟踪试验方案

2．1 试验装置

2．2 试验系统主要部件

2．2．1 视觉传感模块

2．2．2 图像采集模块

2．2．3 运动控制卡及继电器控制卡

2．2．4 电焊机

2．2．5 执行机构及工作台

2．3 步进电机概述

2．3．1 步进电机的应用

2．3．2 步进电机的结构与原理

2．3．3 步进电机的控制方式

2．3．4 步进电机微步驱动

2．4 焊接系统的标定

2．4．1 步进驱动的标定

2．4．2 传感器CCD的标定

2．5 小结

第三章 焊接图像处理与焊缝中心识别

3．1 焊缝偏差的定义

3．2 焊接工艺试验

3．3 图像处理与焊缝识别

3．3．1 图像增强

3．3．2 中值滤波

3．3．3 图像二值化

3．3．4 数学形态学

3．3．5 感兴趣区域的选择

3．3．6 焊缝位置的识别

3．4 小结

第四章 焊炬运动径向基神经网络整定PID控制算法研究

4．1 步进电机数学模型

4．1．1 步进电机模型的建立

4．1．2 步进电机模型各参数的测定

4．2 径向基神经网络PID控制

4．2．1 PID控制器

4．2．2 径向基神经网络模型

4．2．3 径向基神经网络整定PID控制器

4．3 仿真研究

4．4 小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢