基于激光测距传感器扫描波纹板焊接轨迹自动恢复

摘要

波纹腹板H型钢因其相对于普通的H型钢有强度高，抗剪切性能好及自重轻等方面的优势，在厂房横梁、生活建筑及桥梁结构中应用越来越广泛。相比较目前应用的手工及半自动焊接，机器人自动化焊接具有质量稳定、效率高等优势，是波纹腹板等各种复杂结构焊接的发展方向。
　　本文是以目前在工程中应用比较广泛的正弦波波纹板为基础，开发了基于激光测距传感器扫描波纹板焊接轨迹自动恢复系统，本系统采用面向对象技术，通过VC编程开发了一个包括数据采集、存储、算法处理、坐标转换与姿态确定等功能的机器人弧焊系统。其系统结构设计为将激光传感器和编码器分别安装于机器人焊枪上和滑台上，采用即插即用的数据采集卡通过电缆和端子板与上述两个采集设备相连，并安装在工控机内部，最后利用以太网实现机器人与工控机交互通信。
　　为了确定机器人焊接时焊枪的坐标位置，因此需要同时获取波纹板三个方向的信息，本文提出了一种采集方法即基于编码器和激光测距传感器外部检测设备用来获取波纹板纵向和高度信息，并分别与通道相匹配的数据采集卡相连，通过VC++编程开辟二者的采集通道，实现了数据高效、稳定、精确的传输与存储。
　　数据的误差大小影响轨迹恢复的整体精度，进而会对焊接效果产生干扰，因此有必要对采集的数据进行算法处理，以提高数据的准确性。本文研究对比几种数字滤波算法，发现采用复合滤波算法即首先利用改进限幅滤波算法对数据预处理，然后通过五点三次滤波算法进一步的数据平滑，结果表明波形精度以及误差精度比原始数据有了很大的提升，在很大程度上去除较大的毛刺，得到了比较满意的效果。
　　焊缝轨迹的规范程度决定了焊枪工作轨迹的准确性，对于焊接工艺的设计具有重要的意义。本文提出了两种焊接轨迹恢复的实现方法，即对选取能够表达波形特征的9个点和13个点分别用直线拟合和曲线拟合方式实现焊接轨迹的恢复，通过对比发现后者的曲线拟合方式具有较好的波形精度和误差精度，因此选择轨迹恢复最佳方式为波峰及波谷实现曲线拟合，上坡段和下坡段实现直线拟合。
　　为了按焊接工艺习惯描述焊接位置和焊枪姿态，本文首先按照机器人坐标向量形式对数据进行坐标变换，然后提出了两种姿态的获取方式，第一种可以通过示教器直接读取姿态值，第二种引入了焊枪姿态变换的数学模型，研究了一种根据焊接工艺参数求解焊枪位姿矩阵的算法，经过连续的坐标系变换获得了焊枪在机器人基坐标系中的位姿矩阵。结合机器人坐标和姿态可以生成机器人可执行程序。
　　机器人通过读取生成的可执行程序实现自动运行，考虑到传输的稳定性和效率，本文研究了工控机与机器人控制柜之间基于FTP协议的以太网通信，实现数据的上传与下载，并且数据传输更稳定，更方便，速度更快。通过运行上传的可执行轨迹程序，机器人实际运动轨迹与波纹板表面起伏的误差在3mm左右，表明生成的轨迹精度是满足试验要求的。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景

1．2 波纹腹板H型钢生产工艺的总体研究现状与发展趋势

1．2．1 波纹腹板H型钢生产工艺的总体研究现状

1．2．2 波纹腹板H型钢生产工艺的发展趋势

1．3 焊接自动化技术及发展趋势

1．3．1 焊接自动化技术的概述

1．3．2 焊接自动化的发展趋势

1．4 本课题的研究目的及意义

1．5 论文的主要内容

1．5．1 本课题完成的主要工作

1．5．2 论文的章节安排

第二章 基于激光测距扫描波纹板焊接轨迹自动恢复系统

2．1 波纹板焊接轨迹自动恢复的系统分析与设计

2．1．1 系统结构及功能分析

2．1．2 系统的工作原理

2．2 波纹板焊接轨迹自动恢复系统硬件设计与实现

2．2．1 以机器人系统为核心的控制系统设计

2．2．2 以采集卡为核心的工控机系统设计

2．3 波纹板焊接轨迹自动恢复系统程序设计与实现

2．3．1 VC编程软件简介

2．3．2 程序总体流程

2．4 本章小结

第三章 波纹板试验数据的采集与算法处理

3．1 基于数据采集卡的数据采集系统

3．1．1 采集系统的硬件平台搭建

3．1．2 采集系统程序设计与实现

3．2 算法处理及结果分析

3．2．1 数字滤波算法分析

3．2．2 算法仿真处理效果

3．2．3 试验数据的算法处理

3．3 本章小结

第四章 机器人焊接轨迹恢复与通信

4．1 机器人焊接轨迹恢复方法与分析

4．1．1 机器人焊接轨迹恢复程序设计

4．1．2 两种轨迹恢复方法对比分析

4．2 机器人执行程序的生成

4．2．1 数据坐标变换

4．2．2 机器人姿态确定

4．2．3 执行文件的生成

4．3 机器人与工控机的通信

4．4 本章小结

第五章 结论及展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间取得的科研成果

附录A 改进的限幅滤波算法

附录B 五点三次算法