樂(lè) 健，張 華，葉艷輝

（南昌大學(xué)江西省機(jī)器人與焊接自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330031）

0 引言

隨著工業(yè)的發(fā)展，特別是船舶業(yè)、汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)焊接的質(zhì)量和自動(dòng)化提出了更高的要求［1］。再加上焊接環(huán)境的惡劣，有些地方焊接空間狹窄、密閉，不適合人工焊接，必須研制出新型的傳感器，利用新型的全方位移動(dòng)焊接機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化，焊接機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化，推動(dòng)工業(yè)的發(fā)展。

旋轉(zhuǎn)電弧傳感器不受弧光、噪聲、磁場(chǎng)等干擾［2，3］。焊接點(diǎn)就是檢測(cè)點(diǎn)，不存在超前和滯后誤差，轉(zhuǎn)動(dòng)速度快并且穩(wěn)定，一直受到國(guó)內(nèi)外的重點(diǎn)研究。但是，由于短路過(guò)渡、焊接電源電壓的波動(dòng)、送絲速度不穩(wěn)定等，旋轉(zhuǎn)電弧傳感器采集系統(tǒng)采集到的電流信號(hào)中仍然存在大量的噪聲。如果單獨(dú)采用一種濾波方法，無(wú)法將大部分噪聲濾去;如果用含有噪聲的焊接電流波形去進(jìn)行偏差識(shí)別，將會(huì)得到錯(cuò)誤的偏差，進(jìn)而得不到正確的控制量，使焊接機(jī)器人不能準(zhǔn)確的跟蹤焊縫。因此，必須通過(guò)多種濾波技術(shù)，才能得到比較理想的焊接電流信號(hào)。

本文重點(diǎn)研究基于旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的焊接電流波形，由于焊接過(guò)程中，焊槍會(huì)出現(xiàn)前傾、后傾，左偏和右偏的情況［4］，必須通過(guò)焊接電流波形，對(duì)焊槍的姿態(tài)進(jìn)行正確的識(shí)別，使焊接機(jī)器人能正確地跟蹤焊縫，最終實(shí)現(xiàn)焊接的自動(dòng)化。

1 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的工作原理

圖1（a）為焊槍向右偏離焊縫，偏差為e。當(dāng)t=0時(shí)，焊絲順時(shí)針轉(zhuǎn)到最右端，焊絲的旋轉(zhuǎn)半徑為r，焊絲轉(zhuǎn)1圈，焊槍的高度經(jīng)歷了1個(gè)周期;焊槍偏左的情況也類似。

圖1 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的工作原理Fig 1 Working principle of rotating arc sensor

圖1（b）為焊槍對(duì)中焊縫，焊槍轉(zhuǎn)1圈，焊槍高度經(jīng)歷了2個(gè)周期。由于焊接高度與焊接電流一一對(duì)應(yīng)，分別對(duì)［0，T/4）和［T/4，T/2）內(nèi)的焊接高度積分求和，然后相減，負(fù)值表明焊槍偏右，零值為對(duì)中，正值為偏左，同時(shí)也可以根據(jù)差值的大小求出偏差e的大小。

2 焊接電流的濾波

焊接電流的濾波過(guò)程如圖2（a）所示。

首先采用空間均值濾波，為了減少計(jì)算量，可以采用一維縱向均值濾波和一維橫向均值濾波代替?？臻g均值濾波平滑了采樣電流的局部變化，降低了噪聲。為了讓焊接電流波形再平滑一點(diǎn)，采用大小為1×5，濾波器系數(shù)全為0.2的濾波器模板，詳見(jiàn)圖2（b）。經(jīng)過(guò)上面2次濾波后，可能仍然存在較多的細(xì)節(jié)分量（此文指噪聲），必須經(jīng)過(guò)軟閾值小波濾波。由于此處電流值是離散的，故采用離散小波變換（discrete wavelet transform，DWT）［5］。采用 Dau（4）小波，選擇Dau（4）小波濾波器系數(shù)。進(jìn)行尺度四分解，在每個(gè)尺度內(nèi)選取一個(gè)閾值［6］，將小于閾值的近似分量和細(xì)節(jié)分量置0，大于閾值的近似分量和細(xì)節(jié)分量減去閾值。再進(jìn)行反向DWT［5］;經(jīng)過(guò)尺度分解，軟閾值處理和小波重構(gòu)后，焊接電流的波形更加平滑，去除了大部分的噪聲。最后，利用大小為3×4的平滑濾波器，此平滑濾波器的模板見(jiàn)圖2（c）所示，此種濾波方法是在空間和時(shí)間上對(duì)焊接電流進(jìn)行處理，從而得到較理想的焊接電流波形。

圖2 濾波流程圖和濾波器模板Fig 2 Flow chart of filtering and filter templates

3 焊接電流濾波后的波形

3.1 實(shí)驗(yàn)前的說(shuō)明

沿著焊接方向看去，焊槍上端落后于末端為后傾，焊槍上端超前于末端為前傾。當(dāng)機(jī)器人靜止時(shí)，焊絲末端的軌跡近似于圓。關(guān)于電弧長(zhǎng)度的數(shù)學(xué)模型［6］，分前傾、后傾和焊炬中心線垂直于焊縫3種情況。

圖3（a）為焊接機(jī)器人在江西江洲造船廠焊接時(shí)的實(shí)物圖，當(dāng)完全對(duì)中時(shí)，焊縫所在直線與焊絲末端軌跡如圖3（b）所示，其中r為旋轉(zhuǎn)半徑。

圖3 機(jī)器人實(shí)物圖和焊絲末端軌跡Fig 3 Physical map of robot and welding wire terminal trajectory

直線l為焊縫所在直線，l上箭頭所指方向?yàn)楹附臃较?，電弧轉(zhuǎn)動(dòng)為逆時(shí)針。a點(diǎn)為光藕所在位置，每當(dāng)光碼盤的深槽轉(zhuǎn)到位置a時(shí)，數(shù)據(jù)采集卡ART2932受觸發(fā)，開(kāi)始采樣時(shí)，焊絲末端在b位置，由于安裝誤差，焊絲末端實(shí)際在c點(diǎn)。

3.2 小彎曲角焊縫

圖4為小彎曲角焊縫跟蹤實(shí)物圖，實(shí)驗(yàn)表明:跟蹤的效果很好。

圖4 小彎曲角焊縫實(shí)驗(yàn)Fig 4 Experiment of small bending fillet weld

沿著焊接方向看去，圖5（a）為完全偏左，從第1～16個(gè)采樣點(diǎn)，電弧長(zhǎng)度變短，對(duì)應(yīng)的焊接電流變大，從第17～48個(gè)采樣點(diǎn)，焊接電流慢慢變小，由于噪聲，擬合時(shí)誤差的影響，焊接電流最小值為第52個(gè)采樣點(diǎn)，與理論的第48個(gè)采樣點(diǎn)很接近;從第52～64個(gè)采樣點(diǎn)，焊接電流值又變大。

由圖5（b）可知，前面半個(gè)波形的波峰值大于后面半個(gè)波形的波峰值，并且，前面半個(gè)波形具有35個(gè)采樣點(diǎn)，而后面半個(gè)波形只有29個(gè)采樣點(diǎn)。沿著焊接方向，為部分偏左。

由圖5（c）中擬合的電流波形可以看出，2個(gè)半波的波峰值相同，每個(gè)半波具有的采樣點(diǎn)數(shù)都是32個(gè);電弧轉(zhuǎn)1圈，焊接電流波形經(jīng)歷了2個(gè)周期，所以，此時(shí)剛好對(duì)中。

沿著焊接方向，圖5（d）為部分偏右。前面半個(gè)波形的波峰值小于后面半個(gè)波形的波峰值;前面半個(gè)波形含有22個(gè)采樣點(diǎn)，后面半個(gè)波形含有42個(gè)采樣點(diǎn)。所以，為部分偏右。

關(guān)于完全偏右的波形，此處不再詳述。在進(jìn)行小彎曲角焊縫跟蹤時(shí)，上面幾類波形交替出現(xiàn)。

圖5 與小彎曲角焊縫對(duì)應(yīng)的幾種焊接電流波形Fig 5 Several welding current waveforms corresponding to small bending fillet weld

3.3 直角轉(zhuǎn)彎角焊縫

圖6（a）為直角轉(zhuǎn)彎角焊縫跟蹤的實(shí)物圖。

如圖6（b）所示，當(dāng)機(jī)器人跟蹤a板和b板之間的角焊縫時(shí)，前面半個(gè)波形大約含有12個(gè)采樣點(diǎn)，后面半個(gè)波形含有52個(gè)采樣點(diǎn);前面半個(gè)波形的波峰值小于后面半個(gè)波形的波峰值，所以，為右偏。由圖3（b）知，數(shù)據(jù)采集卡受觸發(fā)時(shí)，焊絲實(shí)際位置為c，此處剛好是在焊縫上，所以，第一個(gè)采樣點(diǎn)接近波谷。然后焊接電流增大，接著又減小。由于第一個(gè)波谷的值小于第二個(gè)波谷的值，所以，為后傾。沿著焊接方向，此時(shí)為后傾和右偏。

圖6（c）是直角拐彎角點(diǎn)處焊接電流波形，第一個(gè)半波含有31個(gè)采樣點(diǎn)，對(duì)應(yīng)a板;第二個(gè)半波大約含有8個(gè)采樣點(diǎn)，對(duì)應(yīng)b板;第三個(gè)半波含有25個(gè)采樣點(diǎn)，對(duì)應(yīng)d板。由于第一個(gè)半波含有的采樣點(diǎn)數(shù)和波峰值大于第三個(gè)半波的采樣點(diǎn)數(shù)和波峰值，第三個(gè)半波的采樣點(diǎn)數(shù)和波峰值又大于第二個(gè)半波的采樣點(diǎn)數(shù)和波峰值，并且，開(kāi)始采樣后，經(jīng)歷4個(gè)采樣點(diǎn)后到達(dá)第一個(gè)波谷，所以，沿著焊a板時(shí)的焊接方向，此時(shí)偏左;沿著焊d板時(shí)的焊接方向，此時(shí)偏左。此處不涉及高度誤差，在一定的范圍內(nèi)，水平滑塊的移動(dòng)和干伸長(zhǎng)的變化可以抵消高度誤差。由第一個(gè)波谷值小于第二個(gè)和第三個(gè)波谷值知，此時(shí)焊槍的傾角小于45°，第二個(gè)波谷值與第三個(gè)波谷值近似相等，說(shuō)明此時(shí)剛好到達(dá)角點(diǎn)。

如圖6（d）所示，沿著焊接方向，此時(shí)為前傾和左偏。當(dāng)機(jī)器人跟蹤d板和e板之間的角焊縫時(shí)，判定其為左偏的理由有三點(diǎn):1）第一個(gè)半波含有36個(gè)采樣點(diǎn)，第二個(gè)半波含有28個(gè)采樣點(diǎn);2）第一個(gè)半波的波峰值大于第二個(gè)半波的波峰值;3）第一個(gè)采樣點(diǎn)前面還有5個(gè)采樣點(diǎn)才是波谷。由于是左偏，并且第一個(gè)波谷值小于第二個(gè)波谷值，所以，為前傾。關(guān)于直角轉(zhuǎn)彎過(guò)程中其它波形，分析方法類似，不再重復(fù)。

圖6 直角轉(zhuǎn)彎角焊縫實(shí)驗(yàn)Fig 6 Experiment of right angle corner fillet weld

4 結(jié)論

1）由于短路過(guò)渡，焊接電源電壓不穩(wěn)定，送絲速度不穩(wěn)定等，會(huì)使采樣得到的焊接電流含有大量的噪聲。依次經(jīng)過(guò)空間均值濾波，用大小為1×5的濾波器模板進(jìn)行濾波，軟閾值小波濾波，大小為3×4的濾波器模板進(jìn)行濾波，最后得到較理想的焊接電流波形。

2）當(dāng)焊槍傾角為45°時(shí)，進(jìn)行小彎曲角焊縫和直角轉(zhuǎn)彎角焊縫跟蹤時(shí)，會(huì)出現(xiàn)前傾、后傾和既不前傾也不后傾，左偏、右偏和對(duì)中的情況。此時(shí)通過(guò)濾波后64個(gè)采樣點(diǎn)構(gòu)成的波形來(lái)判斷。根據(jù)多個(gè)波峰值之間的關(guān)系，多個(gè)波谷值之間的關(guān)系，每個(gè)半波含有的采樣點(diǎn)數(shù)，第一個(gè)采樣電流的大小來(lái)判斷。

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