基于磁控电弧实时焊缝跟踪的滑模变结构控制研究

摘要

目前我国焊接自动化水平相对较低，大部分焊接作业仍采用传统的手工焊与半自动焊，实现焊接自动化与智能化于每个焊接科研工作者而言仍然是任重而道远的目标。提高焊接自动化和智能化，第一要务就是实现焊缝自动跟踪。目前常用的焊缝跟踪方法应用于实际生产中仍然存在许多不足，主要问题如下：控制系统比较复杂且性价比低、滤波效果与参数调节柔性无法兼顾、相位延时导致跟踪不及时、对工作环境要求高等，急需开发研究一种高性价比的实时焊缝跟踪方法，目前磁控电弧实时焊缝智能跟踪方法具有解决以上问题的潜质，因此深入研究它意义重大。本文利用磁控电弧传感器提取偏差信号，将信号实时处理、焊缝偏差预测、切线拟合思想和滑模变结构相结合实现焊缝自动跟踪控制，进一步完善了基于磁控电弧传感的焊缝自动跟踪理论体系。
　　1、优化了磁控电弧传感器，建立了扫描V型坡口的模型并且通过仿真及实验验证了该模型的正确性。
　　针对CO2气体、磁极间距对摆弧以及温度对磁场的影响，改进了磁控电弧传感器，同时详细阐述了其跟踪的原理，建立了电弧扫描V型坡口的模型，通过仿真验证了其理论可行性，并且在摆动频率为3Hz，4Hz，5Hz，6Hz的情况下，进行了磁控电弧焊缝跟踪坡口特征信号的提取，证明了电弧扫描V型坡口模型的正确性与磁控电弧传感器应用于焊缝自动跟踪具有较大的潜力。
　　2、采用了两种实时信号处理方法对磁控摆动电弧信号进行滤波处理，并对比阐述了两者的优劣性。
　　针对磁控电弧焊缝跟踪信号非线性不平稳等特点，提出一种基于匹配追踪和非参数基函数相结合的磁控电弧焊缝跟踪特征信号提取方法；同时，采用小波降噪实时处理霍尔传感器提取的电压信号。两种方法同时满足提取焊缝跟踪特征信号的基本要求，小波降噪应用较广，各方面发展较成熟，但是以Fourier分析为理论依据，显得柔性不足。
　　3、结合切线拟合的思路和滑模变结构控制方法提出了动态焊缝切线法，通过仿真结果验证了该方法的理论可行性。
　　在实时信号处理的基础上，结合焊缝偏差预测，切线拟合思想和滑模变结构控制方法提出了动态焊缝切线法。根据确定的最佳偏差信息，利用“切线拟合”的模型确定小车的偏转角度，然后采用滑模变结构控制方法快速调整焊接小车或滑块或滑块和焊接小车，在快速实现焊缝跟踪的同时有效的防止了抖动。
　　4、通过实验验证动态焊缝切线法结合磁控电弧传感应用于角焊缝自动跟踪的可行性。
　　最后，在自主搭建的焊缝跟踪平台上，将信号实时处理，偏差预测，切线拟合和滑模变结构相结合实现了角焊缝弯曲焊缝的自动跟踪。

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第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 焊缝跟踪传感器的概述

1.3 弧焊跟踪研究状况

1.4 跟踪信号滤波现状

1.5 焊缝跟踪控制研究现状

1.6 本论文研究的主要内容

1.7 本论文的研究方法

第2章 磁控电弧跟踪机理和其坡口扫描模型

2.1 电弧传感原理简述

2.2 弧焊跟踪系统组成

2.3 磁控电弧传感

2.4 磁控电弧扫描V坡口的数学仿真及验证

2.5 仿真结果

2.6 实验结果

2.7 本章小结

第3章 电弧传感的实时信号处理

3.1 小波实时降噪

3.2 基于匹配追踪与非参数基函数的坡口跟踪特征提取方法

3.3 MP-NBFE方法的仿真实验分析

3.4 本章小结

第4章 基于动态焊缝切线法的弯曲焊缝跟踪

4.1 移动机器人系统组成

4.2 动态焊缝切线法基本原理

4.3 动态焊缝切线法控制模型

4.4 仿真模型的建立

4.5 仿真结果分析

4.6 本章小结

第5章 实验结果分析

5.1 实验条件与目的

5.2 实验结果

5.3 本章总结

结论与展望

参考文献

致谢

个人简历、攻读硕士学位期间发表的论文

附录B(发明专利以及校级奖励)

附录C(参与项目情况)