本發(fā)明涉及自動(dòng)化焊接領(lǐng)域，具體涉及一種基于電弧傳感器的焊槍空間姿態(tài)識別方法。

背景技術(shù)：

目前，自動(dòng)化焊接、機(jī)器人焊接、智能化焊接已經(jīng)成為焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢。在焊接過程中，自動(dòng)識別焊槍位姿并進(jìn)行調(diào)節(jié)是自動(dòng)化智能化焊接的重要環(huán)節(jié)，也是提高焊接質(zhì)量和提升焊接效率的重要保證。

為了在焊接過程中識別和檢測焊槍位姿，多種類型的傳感器和技術(shù)方案得以發(fā)展和應(yīng)用。如專利號“201410552913.4”的“焊槍相對焊縫空間姿態(tài)的測量及反饋裝置”是利用角度傳感器，測量焊槍對于焊縫的空間角度，應(yīng)用于焊工培訓(xùn)和改善培訓(xùn)效果；專利號“201510105340.5”的“一種基于測量數(shù)據(jù)的管路柔性裝焊機(jī)器人位姿計(jì)算方法”是基于視覺測量技術(shù)，通過坐標(biāo)變換計(jì)算機(jī)器人位姿，控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管對接裝配；上述專利文獻(xiàn)所述方法是測量焊槍或機(jī)器人工具系的宏觀空間姿態(tài)，不能反映焊接過程中坡口范圍內(nèi)焊槍的空間姿態(tài)。

電弧傳感器利用焊槍與工件之間距離變化引起的焊接電流變化來檢測焊槍高度和左右偏差，具有抗干擾能力強(qiáng)、可達(dá)性好，實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，利用電弧傳感器檢測焊縫偏差的研究和文獻(xiàn)也比較多，但是利用電弧傳感器識別和提取焊槍空間姿態(tài)的研究較少。專利號“200710201203.7”的“旋轉(zhuǎn)電弧傳感器焊槍空間姿態(tài)識別方法”采用最小二乘的方法，對弧長變化進(jìn)行平面擬合，根據(jù)擬合平面與坐標(biāo)軸所在平面的交線的斜率來辨別焊槍偏差和傾角，該方法提取的姿態(tài)信息有限，易受到坡口角度的干擾；專利號為“201210392049.7”的“水下濕法焊接焊炬姿態(tài)復(fù)小波識別方法”使用morlet復(fù)小波對弧長信號進(jìn)行分析，利用小波分解系數(shù)的實(shí)部求和值和虛部求和值來識別焊槍偏差和傾角，該方法提取的姿態(tài)信息有限，易受到焊縫偏轉(zhuǎn)角和坡口角度的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有方法或技術(shù)存在的不足，更好的推動(dòng)自動(dòng)化焊接的發(fā)展，針對目前復(fù)雜軌跡焊縫自動(dòng)焊接中，焊槍空間姿態(tài)難以識別或識別的空間姿態(tài)信息有限等問題，提出了一種基于電弧傳感器的焊槍空間姿態(tài)識別方法。其系統(tǒng)框圖如圖1所示：姿態(tài)識別控制器包括數(shù)據(jù)采樣和信號處理模塊，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，焊槍姿態(tài)處理模塊。電弧傳感器的輸出信號通過硬件濾波器進(jìn)行濾波處理，輸送至數(shù)據(jù)采樣和信號處理模塊進(jìn)行均勻采樣和削波限幅處理，然后輸送至數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將電弧采樣信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成焊槍高度數(shù)據(jù)，最后，焊槍姿態(tài)處理模塊采用偶次諧波特征相位法，一次諧波特征向量正交法，多次諧波特征向量正交耦合算法，完成焊槍空間姿態(tài)的識別和提取。它包括以下步驟：

步驟1：電弧掃描傳感和硬件濾波

在焊接過程中采用電弧傳感器對焊縫坡口進(jìn)行掃描，電弧傳感器與焊縫坡口的空間姿態(tài)如圖2所示。電弧傳感器的輸出信號通過硬件濾波器進(jìn)行濾波處理，消除電弧傳感信號中的高頻干擾。

步驟2：電弧信號采樣和軟件濾波

硬件濾波器的輸出信號通過數(shù)據(jù)采樣和信號處理模塊進(jìn)行均勻采樣和削波限幅處理，消除采樣數(shù)據(jù)中的脈沖尖峰，然后輸送至數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊。

步驟3：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊對軟件濾波后的電弧信號數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅立葉變換，將電弧采樣信號轉(zhuǎn)換為電弧信號諧波，根據(jù)電弧傳感系統(tǒng)傳遞函數(shù)在頻域?qū)㈦娀⌒盘栔C波轉(zhuǎn)換為焊槍高度信號諧波，通過離散傅立葉逆變換將焊槍高度信號諧波轉(zhuǎn)換為焊槍高度數(shù)據(jù)，然后將焊槍高度數(shù)據(jù)輸送至焊槍姿態(tài)處理模塊。

步驟4：焊槍空間姿態(tài)識別和提取

焊槍姿態(tài)處理模塊對焊槍高度數(shù)據(jù)采用偶次諧波特征相位法提取焊槍相對于工件焊縫的偏轉(zhuǎn)角，采用一次諧波特征向量正交法提取俯仰角，采用多次諧波特征向量正交耦合算法提取橫滾角，從而實(shí)現(xiàn)對焊槍相對于工件焊縫的三個(gè)空間姿態(tài)的識別和提取。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提出了一種基于電弧傳感器的焊槍空間姿態(tài)識別方法，該方法采用電弧傳感器實(shí)時(shí)檢測焊接過程中坡口范圍的電弧信號變化，傳感輸出響應(yīng)快；通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將電弧信號轉(zhuǎn)換成焊槍在坡口范圍內(nèi)的高度變化信號，采用偶次諧波特征相位法進(jìn)行焊槍偏轉(zhuǎn)角的識別和提取，采用一次諧波特征向量正交法進(jìn)行焊槍俯仰角的識別和提取，采用多次諧波特征向量正交耦合算法進(jìn)行焊槍橫滾角的識別和提取，充分利用各種焊槍空間姿態(tài)對電弧傳感信號的影響作用，實(shí)現(xiàn)了焊槍空間姿態(tài)的正交解耦，算法穩(wěn)定，識別準(zhǔn)確。避免了現(xiàn)有方法識別效率不高，或易受坡口角度影響而導(dǎo)致焊槍空間姿態(tài)識別不準(zhǔn)確等問題，保證了復(fù)雜軌跡焊縫焊接時(shí)的焊槍空間姿態(tài)識別的效率和質(zhì)量，為自動(dòng)化焊接的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。

附圖說明

圖1是焊槍空間姿態(tài)識別方法系統(tǒng)框圖。

圖2是電弧傳感器與焊縫坡口的空間姿態(tài)示意圖。

圖3是在具有俯仰角和橫滾角時(shí)的硬件濾波器的輸出信號波形圖。

圖4是在具有俯仰角和橫滾角時(shí)的軟件濾波后的電弧信號波形圖。

圖5是在具有俯仰角和橫滾角時(shí)的含有焊槍空間姿態(tài)信息的電弧信號諧波波形圖。

圖6是在具有俯仰角和橫滾角時(shí)的含有焊槍空間姿態(tài)信息的焊槍高度信號諧波波形圖。

圖7是在具有俯仰角和橫滾角時(shí)的焊槍高度信號計(jì)算波形圖。

圖8是在具有俯仰角和橫滾角時(shí)的焊槍高度信號諧波波形和焊槍高度信號計(jì)算波形的對比圖。

圖9是在具有偏轉(zhuǎn)角和橫滾角時(shí)的硬件濾波器的輸出信號波形圖。

圖10是在具有偏轉(zhuǎn)角和橫滾角時(shí)的軟件濾波后的電弧信號波形圖。

圖11是在具有偏轉(zhuǎn)角和橫滾角時(shí)的含有焊槍空間姿態(tài)信息的電弧信號諧波波形圖。

圖12是在具有偏轉(zhuǎn)角和橫滾角時(shí)的含有焊槍空間姿態(tài)信息的焊槍高度信號諧波波形圖。

圖13是在具有偏轉(zhuǎn)角和橫滾角時(shí)的焊槍高度信號計(jì)算波形圖。

圖14是在具有偏轉(zhuǎn)角和橫滾角時(shí)的焊槍高度信號諧波波形和焊槍高度信號計(jì)算波形的對比圖。

具體實(shí)施方式

為了更好的表達(dá)整個(gè)發(fā)明的技術(shù)方案與有益成果，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。但是，本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例1：本發(fā)明一種基于電弧傳感器的焊槍空間姿態(tài)識別方法的系統(tǒng)框圖如圖1所示，包括電弧傳感器，硬件濾波器，姿態(tài)識別控制器；電弧傳感器與焊縫坡口的空間姿態(tài)如圖2所示，在焊接過程中，電弧傳感器對焊縫坡口進(jìn)行掃描，采集反映焊槍在焊縫坡口掃描區(qū)域相對于工件焊縫距離變化的電弧傳感信號，通過硬件濾波器對電弧傳感信號進(jìn)行濾波處理，然后輸送至姿態(tài)識別控制器。姿態(tài)識別控制器包括數(shù)據(jù)采樣和信號處理模塊，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，焊槍姿態(tài)處理模塊；通過數(shù)據(jù)采樣和信號處理模塊對硬件濾波器輸出信號進(jìn)行均勻采樣和削波限幅處理，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將軟件濾波后的電弧信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為焊槍高度數(shù)據(jù)，最后，通過焊槍姿態(tài)處理模塊對焊槍高度數(shù)據(jù)，采用偶次諧波特征相位法進(jìn)行焊槍偏轉(zhuǎn)角的識別和提取，采用一次諧波特征向量正交法進(jìn)行焊槍俯仰角的識別和提取，采用多次諧波特征向量正交耦合算法進(jìn)行焊槍橫滾角的識別和提取。

本發(fā)明一種基于電弧傳感器的焊槍空間姿態(tài)識別方法包括以下步驟：

步驟1：電弧掃描傳感和硬件濾波

在焊接過程中采用電弧傳感器對焊縫坡口進(jìn)行掃描，電弧傳感器與焊縫坡口的空間姿態(tài)如圖2所示，電弧傳感器的輸出信號通過硬件濾波器進(jìn)行濾波處理，在具有俯仰角和橫滾角的焊槍空間姿態(tài)下焊接時(shí)，硬件濾波器的輸出信號波形如圖3所示，可以看出，雖然經(jīng)過了硬件濾波處理，但是電弧信號中仍然存在一些脈沖尖峰。

步驟2：電弧信號采樣和軟件濾波

硬件濾波器的輸出信號通過數(shù)據(jù)采樣和信號處理模塊進(jìn)行均勻采樣和削波限幅處理，消除采樣數(shù)據(jù)中的脈沖尖峰。設(shè)在1個(gè)掃描周期t內(nèi)的均勻采樣的數(shù)據(jù)總數(shù)記為n，采樣得到的電弧信號數(shù)據(jù)記為x(k)(k＝0,1,2...n-1)，經(jīng)削波限幅處理后的電弧信號數(shù)據(jù)記為y(k)(k＝0,1,2...n-1)；軟件濾波后的電弧信號波形如圖4所示，脈沖尖峰幅值受到了明顯削除和限制。

步驟3：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

首先，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊對軟件濾波后的電弧信號數(shù)據(jù)y(k)進(jìn)行離散傅立葉變換，將y(k)轉(zhuǎn)換為電弧信號諧波f(n)，f(n)的計(jì)算方程為：

將f(n)中含有焊槍空間姿態(tài)信息的諧波成分保留下來，并進(jìn)行離散傅立葉逆變換，得到的電弧信號諧波波形如圖5所示。

其次，在實(shí)際焊接實(shí)驗(yàn)中通過頻率特性分析儀獲得電弧傳感系統(tǒng)傳遞函數(shù)并設(shè)為g(s)，根據(jù)電弧傳感系統(tǒng)傳遞函數(shù)g(s)，在頻域?qū)㈦娀⌒盘栔C波f(n)轉(zhuǎn)換為焊槍高度信號諧波h(n)；設(shè)由實(shí)驗(yàn)獲得的g(s)的表達(dá)式為：

式中，z1、p1、p2均由實(shí)驗(yàn)獲得；

h(n)的計(jì)算方程為：

其中，

上式中，ω為電弧傳感器對焊縫坡口進(jìn)行掃描的運(yùn)動(dòng)角速度。

然后，通過離散傅立葉逆變換將焊槍高度信號諧波轉(zhuǎn)換為焊槍高度數(shù)據(jù)，再將焊槍高度數(shù)據(jù)輸送至焊槍姿態(tài)處理模塊；將h(n)中含有焊槍空間姿態(tài)信息的諧波成分保留下來，并進(jìn)行離散傅立葉逆變換，得到的焊槍高度信號諧波波形如圖6所示。

步驟4：焊槍空間姿態(tài)識別和提取

將h(n)中含有焊槍空間姿態(tài)信息的諧波成分進(jìn)行離散傅立葉逆變換，得到的焊槍高度信號數(shù)據(jù)記為h(k)(k＝0,1,2...n-1)，焊槍空間姿態(tài)中的焊槍偏轉(zhuǎn)角記為β，焊槍俯仰角記為γ，焊槍橫滾角記為φ，然后通過焊槍姿態(tài)處理模塊對焊槍高度信號數(shù)據(jù)h(k)進(jìn)行處理，其中，采用偶次諧波特征相位法進(jìn)行焊槍偏轉(zhuǎn)角識別和提取的過程如下：

首先，計(jì)算h(k)的偶次諧波相位角θ(n)(n＝2)，計(jì)算方程為：

然后，計(jì)算h(k)的偶次諧波特征相位θe，先判斷θ(n)值大小，當(dāng)θ(n)＞0時(shí)，當(dāng)θ(n)≤0時(shí)，此特征相位θe即為焊槍偏轉(zhuǎn)角β。采用一次諧波特征向量正交法進(jìn)行焊槍俯仰角γ識別和提取的計(jì)算方程為：

采用多次諧波特征向量正交耦合算法進(jìn)行焊槍橫滾角φ提取的計(jì)算方程為：

上式中a、b的計(jì)算方程為：

上式中ku1、ku2、kλ的計(jì)算方程為：

上式中，γ為焊槍俯仰角，u(1)、u(2)和λ的計(jì)算方程為：

上式中，β為焊槍偏轉(zhuǎn)角，由于各種焊槍空間姿態(tài)信息包含在各種諧波信號中，通過上述系列方程的計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)焊槍空間姿態(tài)的正交解耦，從而實(shí)現(xiàn)對焊槍相對于工件焊縫的三個(gè)空間姿態(tài)的識別和提取。

圖7為根據(jù)本發(fā)明的方法計(jì)算得到的焊槍高度信號計(jì)算波形，將圖6中焊槍高度信號諧波波形和圖7中焊槍高度信號計(jì)算波形相結(jié)合，如圖8所示，兩曲線的形貌和變化特征非常接近，兩曲線的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.97以上，準(zhǔn)確地識別和提取了焊槍空間姿態(tài)。

實(shí)施例2：通過本發(fā)明的方法，在焊接過程中采用電弧傳感器對焊縫坡口進(jìn)行掃描，在具有偏轉(zhuǎn)角和橫滾角的焊槍空間姿態(tài)下焊接時(shí)，采集電弧傳感器的輸出信號，通過硬件濾波器進(jìn)行濾波處理后的輸出信號波形如圖9所示，可以看出電弧信號中存在少量脈沖尖峰；

經(jīng)過電弧信號采樣和軟件濾波模塊處理后的電弧信號波形如圖10所示，既削除和限制了脈沖尖峰幅值，又保持了原有信號的總體特征；

通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，將含有焊槍空間姿態(tài)信息的諧波成分保留下來，處理后得到的電弧信號諧波波形如圖11所示，經(jīng)過頻域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，得到含有焊槍空間姿態(tài)信息的焊槍高度信號諧波波形如圖12所示，然后將含有焊槍空間姿態(tài)信息的焊槍高度信號數(shù)據(jù)輸送給焊槍姿態(tài)處理模塊；

焊槍姿態(tài)處理模塊對焊槍高度信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用偶次諧波特征相位法進(jìn)行焊槍偏轉(zhuǎn)角的識別和提取，采用一次諧波特征向量正交法進(jìn)行焊槍俯仰角的識別和提取，采用多次諧波特征向量正交耦合算法進(jìn)行焊槍橫滾角識別和提取，圖13為根據(jù)本發(fā)明的方法計(jì)算得到的焊槍高度信號計(jì)算波形，將圖12中焊槍高度信號諧波波形和圖13中焊槍高度信號計(jì)算波形相結(jié)合，如圖14所示，兩曲線的形貌和變化特征接近，兩曲線的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.97以上，準(zhǔn)確地識別和提取了焊槍空間姿態(tài)。

實(shí)施例3：本發(fā)明同樣適用于其它基于焊縫坡口掃描測距傳感器的焊槍空間姿態(tài)識別。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，在不脫離本發(fā)明原理的前提下所作出的若干改進(jìn)，都視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。