本發(fā)明涉及自動化焊接領(lǐng)域，具體涉及一種基于多極陣列電容傳感器的焊槍姿態(tài)識別方法及裝置。

背景技術(shù)：

目前，在工程機(jī)械、海工裝備、軌道車輛等大型機(jī)械制造行業(yè)中，手工焊接已逐漸退出生產(chǎn)線，自動化焊接機(jī)器人、自動化焊接專機(jī)以及智能化焊接已經(jīng)成為焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢，而在焊接的過程中，焊接機(jī)器人和焊接專機(jī)如何識別焊槍位置姿態(tài)并進(jìn)行自動調(diào)節(jié)是智能化焊接、提高焊接效率和焊接質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)之一。

為了在焊接的過程中使焊接機(jī)器人和焊接專機(jī)識別焊槍位置姿態(tài)并進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，多種傳感器和技術(shù)方案得以發(fā)展和應(yīng)用。但是目前使用的識別焊槍位置姿態(tài)的傳感器一般為角度傳感器單方面的測量焊槍相對于焊縫的空間角度；還有基于視覺傳感器的角度測量技術(shù)，因為焊縫坡口以及多層多道焊的形貌表面凹凸不平，視覺傳感器的應(yīng)用也收到了很大的限制。

相對來說，基于多極陣列電容傳感器的焊槍姿態(tài)識別方法及裝置的優(yōu)勢是十分明顯的，多極陣列電容傳感器基于圖像呈現(xiàn)技術(shù)，該傳感器不易受弧光以及焊接飛濺的影響，通過多極電容傳感器圖像呈現(xiàn)技術(shù)，使焊縫的形貌呈現(xiàn)出來，利用相應(yīng)的圖像處理算法，得到焊槍相對于工件焊縫精準(zhǔn)的距離和角度，通過雙軸運動器和十字滑架的相互配合，調(diào)整焊槍的角度，在提高了焊接效率的同時保證了焊接質(zhì)量，并且該焊槍姿態(tài)識別方法及裝置原理簡單，圖像處理準(zhǔn)確方便。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有方法以及技術(shù)方面存在的不足，更好的推動自動化焊接機(jī)器人、自動化焊接專機(jī)的發(fā)展，針對目前復(fù)雜軌跡多層多道焊自動化焊接過程中，焊槍空間姿態(tài)難以識別、空間姿態(tài)信息識別受限制或者識別時間過長，存在延遲等的問題，本發(fā)明中提出了一種基于多極陣列電容傳感器的焊槍姿態(tài)識別方法及裝置。該發(fā)明主要解決現(xiàn)有電容焊縫跟蹤傳感器控制復(fù)雜，跟蹤精度較低、功能單一等問題以及角度傳感器和視覺傳感器功能單一，控制復(fù)雜，占用空間大的問題。基于多極陣列電容傳感器的焊槍姿態(tài)識別方法及裝置包括多極陣列電容傳感器、控制及信號轉(zhuǎn)換電路、焊槍姿態(tài)識別控制器及運動機(jī)構(gòu)；在本發(fā)明中，焊槍姿態(tài)識別方法是利用多極陣列電容傳感器采集陣列電容中測量極板的電容數(shù)據(jù)，在整個測量系統(tǒng)中，電容信號是無法被算法讀取并進(jìn)行迭代運算的，也就是說通過電容信號無法進(jìn)行圖像處理，在本發(fā)明中通過控制及信號轉(zhuǎn)換電路對多極陣列電容傳感器輸出的電容信號進(jìn)行c\v轉(zhuǎn)換并利用運算放大器放大，因為激勵電壓為正弦激勵電壓，轉(zhuǎn)換并放大之后的電壓信號還需利用同頻率的參考信號進(jìn)行乘法運算，利用該電路良好的頻率選擇效應(yīng)進(jìn)行低通濾波，轉(zhuǎn)換之后的電壓信號采用共軛梯度迭代算法對電容成像逆問題求解，反演出焊縫表面形貌，該形貌與基于三點\四點對中算法的焊槍姿態(tài)數(shù)據(jù)庫中的焊縫形貌比對，快速提取出焊槍相對于工件焊縫的距離、偏轉(zhuǎn)角特征信號；運動機(jī)構(gòu)通過運動控制器讀取焊槍姿態(tài)識別控制器輸出的焊槍姿態(tài)信號并通過運動驅(qū)動器驅(qū)動十字滑架和雙軸運動器對焊槍的角度以及焊槍相對于工件焊縫的距離進(jìn)行調(diào)整。

本發(fā)明所述的多極陣列電容傳感器，其特征是：該多極陣列電容傳感器包括16塊電容極板，縱向屏蔽極板，絕緣層，屏蔽罩；電容極板分為激勵極板和測量極板，每個極板對的電容值為ci-j(i、j分別為激勵極板和測量極板)，極板對間的電容值可以看做是工件內(nèi)部對該電容不同貢獻(xiàn)的疊加，一個電容值的測量可以看作是工件坡口在某一方向或角度的投影數(shù)據(jù)。先選擇極板1為激勵極板，其余為測量極板，得到電容值c1-2，c1-3，c1-4……c1-16，由于測量電路輸入端一直是接地的，測量的每個電容值相互無影響，下一次測量選極板2為激勵極板，得到電容值c2-3，c2-4，c2-5……c2-16，直到選擇極板15為激勵極板，極板16為測量極板，得到電容值c15-16，考慮到電路的互易原理，在測量過程中可以獲得組獨立的電容值；因為相鄰極板之間會存在固有電容，因此在相鄰極板之間設(shè)置縱向極板來降低固有電容的影響；絕緣層和屏蔽罩的作用是屏蔽掉電容極板向傳感器外部散發(fā)的電場，利用多極陣列電容傳感器圖像呈現(xiàn)技術(shù)首先要提高其抗干擾能力，把需要測量的敏感場放在傳感器內(nèi)部。

本發(fā)明所述的焊槍姿態(tài)識別控制器，其特征是：該焊槍姿態(tài)識別控制器包括數(shù)據(jù)采樣和信號處理模塊，基于三點\四點對中算法的焊槍姿態(tài)數(shù)據(jù)庫，焊槍姿態(tài)比對提取模塊；數(shù)據(jù)采樣和信號處理模塊主要是對控制及信號轉(zhuǎn)換電路得到的電壓信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，然后利用共軛梯度迭代算法對電壓信號進(jìn)行迭代處理，對電容成像逆問題求解，反演出焊縫表面形貌；焊槍姿態(tài)比對提取模塊通過將識別出的焊縫形貌與基于三點\四點對中算法的焊槍姿態(tài)數(shù)據(jù)庫中的焊縫形貌比對，快速提取出焊槍相對于工件焊縫的距離、偏轉(zhuǎn)角特征信號。

本發(fā)明所述的基于三點\四點對中算法的焊槍姿態(tài)數(shù)據(jù)庫，其特征是：該數(shù)據(jù)庫主要是包括三點\四點對中算法和焊接經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫，依據(jù)焊接經(jīng)驗中得到的焊縫截面形貌，利用三點\四點對中算法計算相應(yīng)焊縫形貌的焊槍偏轉(zhuǎn)角度以及焊槍相對于工件焊縫的距離，并將偏轉(zhuǎn)角度和距離的特征信號存儲在基于三點\四點對中算法的焊槍姿態(tài)數(shù)據(jù)庫中以供調(diào)用。一般焊縫形貌的橫截斷面是三角形或者四邊形，如果是三角形，那焊槍的姿態(tài)是該三角形上底邊的中線；如果是四邊形，則取上、下底邊中點的連線作為焊槍軸線；在焊槍姿態(tài)數(shù)據(jù)庫中預(yù)先存儲大量基于三點\四點對中算法計算出的不同焊縫形貌對應(yīng)的焊槍相對于工件焊縫的距離、偏轉(zhuǎn)角特征信號。

本發(fā)明所述的運動機(jī)構(gòu)，其特征是：該運動機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動器，十字滑架和雙軸運動器；驅(qū)動器通過獲取焊槍姿態(tài)識別控制器輸出的偏轉(zhuǎn)角，驅(qū)動雙軸運動器轉(zhuǎn)動調(diào)整焊槍角度；驅(qū)動器通過獲取的距離驅(qū)動十字滑架橫向和縱向運動，使焊槍相對于焊縫位于合適的空間姿態(tài)。

附圖說明

圖1為基于多極陣列電容傳感器姿態(tài)識別方法及裝置系統(tǒng)框圖

圖2為多極陣列電容傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖3基于三點\四點對中算法的焊槍姿態(tài)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)處理過程圖

圖4四邊形焊縫截面的焊槍姿態(tài)確定方法

圖5三角形焊縫截面的焊槍姿態(tài)確定方法

具體實施方式

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

實施例一：本發(fā)明提出了一種基于三點\四點對中算法的焊接姿態(tài)數(shù)據(jù)庫如圖3所示，在多層多道焊的過程中因為涉及到中間層焊縫，其形貌比較復(fù)雜，從典型的多層多道焊的焊縫形貌中提取焊槍軸線的過程如圖4、圖5所示；通過計算機(jī)成像系統(tǒng)得到的灰度顯示擬合焊縫邊界線，提取出各道焊縫形貌中的特征點；如果存在兩個特征點a,b，則依據(jù)焊接經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫中的焊縫橫截面形貌尺寸，得到如圖4所示四邊形abcd，分別取ab、cd兩條線段的中點e、f，連接ef，則ef為焊槍軸線。焊槍偏轉(zhuǎn)角的提取過程如下所示：

假設(shè)每個特征點的坐標(biāo)值為(xi,yi)，i為特征點；

a、b、c、d四個點的坐標(biāo)值分別為a(xa,ya)、b(xb,yb)、c(xc,yc)、d(xd,yd)；

ab中點e的坐標(biāo)值為

cd中點f的坐標(biāo)值為

則焊槍的傾角

如果識別的焊縫形貌中只有一個特征點a，則依據(jù)焊接經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫中的焊縫橫截面形貌尺寸,得到如圖5所示三角形abc，取bc中點d，連接ad，線段ad所在的直線即為焊槍的軸線。

假設(shè)每個特征點的坐標(biāo)值為(xi,yi)，i為特征點；

a、b、c的坐標(biāo)值分別為：a(xa,ya)、b(xb,yb)、c(xc,yc)；

bc中點d的坐標(biāo)值為

則焊槍的傾角

焊槍相對于焊縫的距離l依據(jù)具體焊接方法、焊接規(guī)范中焊絲的干伸長度而定。

實施例二：本發(fā)明一種基于多極陣列電容傳感器的焊槍姿態(tài)識別及裝置的系統(tǒng)框圖如圖1所示，包括多極陣列電容傳感器、控制及信號轉(zhuǎn)換電路、焊槍姿態(tài)識別控制器及運動機(jī)構(gòu)。多極陣列電容傳感器的實體結(jié)構(gòu)如圖2所示，該多極陣列電容傳感器包括16塊電容極板，縱向屏蔽極板，絕緣層，屏蔽罩；在相鄰電容極板之間設(shè)置縱向極板來降低固有電容的影響；利用絕緣層和屏蔽罩屏蔽電容極板向傳感器外部散發(fā)的電場。

焊槍姿態(tài)識別控制器包括數(shù)據(jù)采樣和信號處理模塊，基于三點\四點對中算法的焊槍姿態(tài)數(shù)據(jù)庫和焊槍姿態(tài)比對提取模塊；通過數(shù)據(jù)采樣和信號處理模塊對控制及信號轉(zhuǎn)換電路得到的電壓信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，利用共軛梯度迭代算法對電壓信號進(jìn)行迭代處理，反演出焊縫表面形貌；焊槍姿態(tài)比對提取模塊通過將識別出的焊縫形貌與基于三點\四點對中算法的焊槍姿態(tài)數(shù)據(jù)庫中的焊縫形貌比對，快速提取出焊槍相對于工件焊縫的距離、偏轉(zhuǎn)角特征信號。

提出了一種基于三點\四點對中算法的焊槍姿態(tài)數(shù)據(jù)庫，其特征是：焊縫形貌的橫截斷面是三角形或者四邊形，如果是三角形，則取該三角形上底邊的中線作為焊槍軸線；如果是四邊形，則取上、下底邊中點的連線作為焊槍軸線；在焊槍姿態(tài)數(shù)據(jù)庫中預(yù)先存儲大量基于三點\四點對中算法計算出的不同焊縫形貌對應(yīng)的焊槍相對于工件焊縫的距離、偏轉(zhuǎn)角特征信號。

本發(fā)明一種基于多極陣列電容傳感器的焊槍姿態(tài)識別方法及裝置包括以下步驟：

步驟1：多極陣列電容傳感器測量電容信號

在焊接過程中采用多極陣列電容傳感器對工件的坡口形式進(jìn)行識別，該多極陣列電容傳感器包括16塊電容極板，縱向屏蔽極板，絕緣層，屏蔽罩；電容極板分為激勵極板和測量極板，每個極板對的電容值為ci-j(i、j分別為激勵極板和測量極板)，首先選擇極板1為激勵極板，其余為測量極板，得到電容值c1-2，c1-3，c1-4……c1-16，下一次測量選極板2為激勵極板，得到電容值c2-3，c2-4，c2-5……c2-16.，直到選擇極板15為激勵極板，極板16為測量極板，得到電容值c15-16，在測量過程中共取得組數(shù)據(jù)，即120組電容值，每組極板對間的電容值可以看做是工件內(nèi)部對該電容不同貢獻(xiàn)的疊加，一個電容值的測量可以看作是工件坡口在某一方向或角度的投影數(shù)據(jù)；

步驟2：控制及信號轉(zhuǎn)換

通過多極陣列電容傳感器獲取每組極板對間的電容值，但是由于電容值只有幾個ff或者幾個pf，十分微小，在本發(fā)明中設(shè)置了控制及信號轉(zhuǎn)換電路，控制電路主要負(fù)責(zé)控制極板激勵的時序，挨個測量正確極板對之間的電容值；信號轉(zhuǎn)換電路首先需要過濾雜散電容和分布電容，通過電流檢測器產(chǎn)生輸出電壓，并通過交流放大電路放大電壓值，利用與激勵電壓相同頻率的參考信號進(jìn)行乘法運算，將該信號進(jìn)行低通濾波得到正比于被測電容cx的直流輸出v0，將120組電容值轉(zhuǎn)換成的電壓值存在鎖存器中。由于采用了與激勵信號相同頻率的交流信號進(jìn)行解調(diào)，構(gòu)成了具有很好的頻率選擇效應(yīng)的控制及信號轉(zhuǎn)換電路。

步驟3：將存儲在控制及信號轉(zhuǎn)換電路鎖存器中的120組v0值輸入到計算機(jī)成像系統(tǒng)中，利用共軛梯度迭代算法進(jìn)行迭代運算，對將產(chǎn)生的圖像利用灰度顯示，分辨焊縫的形貌。

步驟4：焊槍姿態(tài)識別控制器將獲得的焊縫形貌參數(shù)與焊槍姿態(tài)數(shù)據(jù)庫中的焊縫形貌進(jìn)行對比，在數(shù)據(jù)庫中提取合適的焊槍相對工件焊縫的偏轉(zhuǎn)角和距離參數(shù)，并將選取的偏轉(zhuǎn)角和距離特征參數(shù)傳輸至運動機(jī)構(gòu)控制器中，驅(qū)動十字滑架和雙軸運動機(jī)械臂運動調(diào)整焊槍的偏轉(zhuǎn)角度和焊槍相對于工件焊縫的距離。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，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。