樂 健， 劉一春， 張 華， 陳小奇

(1. 上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院；上海市激光制造與材料改性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200240； 2. 南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院，南昌 330031)

目前，很多焊機(jī)具有送絲速度和焊接電流自動(dòng)匹配的功能，使送絲速度根據(jù)焊接電流的大小自適應(yīng)調(diào)整，從而使焊絲熔化速度與送絲速度相等，電弧穩(wěn)定燃燒，可提高焊縫成形質(zhì)量.機(jī)器人自動(dòng)焊接時(shí)，僅保證電弧穩(wěn)定燃燒是不夠的，因?yàn)樗徒z速度決定了單位時(shí)間內(nèi)熔化焊絲的量，直接影響焊道的尺寸，所以需要檢測(cè)出送絲速度，使送絲速度與機(jī)器人焊接速度相匹配，從而保證機(jī)器焊接后的焊道尺寸符合企業(yè)的要求.可見，送絲速度檢測(cè)對(duì)于機(jī)器智能焊接具有重要意義.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)送絲速度進(jìn)行了大量研究，研究表明，送絲速度不但對(duì)窄間隙填絲激光焊的熔深、熔寬及焊縫成形質(zhì)量有重要影響[1]，也對(duì)鋁/鋼激光填絲熔釬焊的性能具有影響[2]，鋁-鍍鋅鋼激光釬焊接頭強(qiáng)度隨送絲速度的變大而增大，激光釬焊接頭在較低應(yīng)變振幅下的疲勞壽命隨送絲速度的增加而提高[3].搭接結(jié)構(gòu)下，對(duì)鍍鋅鋼和5754鋁合金進(jìn)行釬焊時(shí)，冶金和力學(xué)性能受送絲速度的影響[4].對(duì)6061鋁合金和DP590鍍鋅鋼進(jìn)行冷金屬過渡點(diǎn)塞焊時(shí)，隨著送絲速度的增加，焊接熱輸入增加，金屬過渡層的厚度增大，并影響接頭的拉伸載荷[5].鋁合金脈沖熔化極惰性氣體保護(hù)焊時(shí)，研究了送絲速度對(duì)熱量輸入量及溫度場(chǎng)分布的影響[6].水下濕式藥芯電弧焊時(shí)，研究了送絲速度對(duì)焊接工藝穩(wěn)定性的影響[7].三絲間接電弧焊時(shí)，研究了送絲速度對(duì)焊接穩(wěn)定性及焊縫成形的影響，結(jié)果表明，隨著送絲速度提高，焊縫熔深增加[8].此外，送絲速度對(duì)Al-Si合金焊接凝固開裂也具有影響[9].因此，送絲速度對(duì)焊接質(zhì)量具有重要影響，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)焊接，首先需要實(shí)現(xiàn)送絲速度自動(dòng)檢測(cè)及控制.已有專家研究了高速冷金屬過渡焊接時(shí)送絲速度和焊接電流波形參數(shù)的優(yōu)化[10]，研究了基于向量機(jī)實(shí)現(xiàn)雙絲脈沖焊時(shí)送絲速度的預(yù)測(cè)[11].

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)送絲速度與焊接質(zhì)量的關(guān)系進(jìn)行了研究，但沒有研究基于送絲速度的機(jī)器人焊接速度自動(dòng)在線調(diào)整.并且，傳感信號(hào)常存在失真，需要研究抗傳感信號(hào)失真的濾波算法，降低傳感信號(hào)失真對(duì)送絲速度識(shí)別的影響，需要研究送絲速度檢測(cè)算法，基于檢測(cè)出的送絲速度信號(hào)提高機(jī)器人智能焊接的質(zhì)量.相比已有研究，本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于：研究出了一種基于失真信號(hào)濾波算法的送絲速度檢測(cè)方法，可以消除原始送絲速度傳感信號(hào)中的主要噪聲，使送絲速度檢測(cè)精度高，將檢測(cè)出的送絲速度用于控制機(jī)器人焊接，使機(jī)器人焊接速度與送絲速度相匹配，從而使機(jī)器人焊接后焊道的寬度滿足工廠要求.

1 送絲速度檢測(cè)的工作原理

圖1所示為送絲速度檢測(cè)系統(tǒng)，圖1(a)為示意圖，圖1(b)為實(shí)物圖.圖中ω為角速度，送絲速度檢測(cè)系統(tǒng)主要由焊絲盤、送絲主動(dòng)輪、與送絲主動(dòng)輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)的六角螺母、壓緊焊絲的從動(dòng)輪、預(yù)緊力調(diào)節(jié)旋鈕、焊絲、帶纜線的焊槍、接近傳感器、測(cè)量電路及無線通信模塊等組成.

圖1 送絲速度檢測(cè)系統(tǒng)Fig.1 Wire feeding speed detection system

如圖1(b)所示，通過旋轉(zhuǎn)預(yù)緊力調(diào)節(jié)旋鈕，可以調(diào)節(jié)壓緊從動(dòng)輪、焊絲及送絲主動(dòng)輪之間的正壓力F，當(dāng)主動(dòng)輪與焊絲之間的最大靜摩擦力近似值f等于滑動(dòng)摩擦力時(shí)，滿足下式：

f=μF

(1)

式中：μ為送絲主動(dòng)輪與焊絲之間的摩擦因數(shù).

由式(1)可知，增加預(yù)緊力，可以增大送絲主動(dòng)輪與焊絲之間的摩擦力，從而避免或減小焊絲與送絲輪之間的打滑.當(dāng)忽略焊絲與送絲輪之間的打滑，送絲主動(dòng)輪及六角螺母以角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，壓緊從動(dòng)輪以角速度ω反向轉(zhuǎn)動(dòng)，通過摩擦力，使焊絲運(yùn)動(dòng)，送絲主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，送出焊絲的長(zhǎng)度為送絲主動(dòng)輪的周長(zhǎng).因此，送絲速度滿足下式:

v=πd/T

(2)

式中：d為送絲主動(dòng)輪的直徑；T為送絲主動(dòng)輪或六角螺母轉(zhuǎn)動(dòng)一圈所需要的時(shí)間.

測(cè)量出送絲主動(dòng)輪的直徑d，由式(2)可知，要檢測(cè)出送絲速度v，關(guān)鍵在于檢測(cè)出送絲主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈所需要的時(shí)間.采用接近傳感器及其測(cè)量電路，可實(shí)現(xiàn)送絲速度的檢測(cè)，其工作原理如圖2所示.送絲機(jī)上用以固定送絲主動(dòng)輪的六角螺母，其轉(zhuǎn)動(dòng)速度與送絲主動(dòng)輪相同，通過測(cè)量六角螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，從而實(shí)現(xiàn)送絲主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度的檢測(cè).

六角螺母具有6個(gè)全等的側(cè)面，用A～F′分別表示六角螺母的6個(gè)頂點(diǎn)，如圖2(a)所示，當(dāng)AB側(cè)面正對(duì)著接近傳感器時(shí)，傳感器與AB側(cè)面的距離較遠(yuǎn)，使測(cè)量電路輸出近似為0，此時(shí)，送絲速度檢測(cè)系統(tǒng)無信號(hào)輸出.如圖2(b)所示，當(dāng)六角螺母的頂點(diǎn)A正對(duì)著接近傳感器時(shí)，傳感器與頂點(diǎn)A的距離較近，使測(cè)量電路輸出高電平，此時(shí)，送絲速度檢測(cè)系統(tǒng)有信號(hào)輸出.因此，當(dāng)送絲主動(dòng)輪及六角螺母每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，會(huì)出現(xiàn)6個(gè)波峰及6個(gè)波谷，通過檢測(cè)此連續(xù)6個(gè)波峰及6個(gè)波谷的時(shí)間，即為送絲主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈所需要的時(shí)間.

圖2 送絲速度檢測(cè)原理Fig.2 Wire feeding speed detection principle

2 送絲速度檢測(cè)系統(tǒng)的硬件

圖3所示為送絲速度檢測(cè)系統(tǒng)硬件，圖3(a)為示意圖，圖3(b)為檢測(cè)電路及送絲機(jī)端無線通信模塊的實(shí)物圖，圖3(c)為機(jī)器人端無線通信模塊的實(shí)物圖.

圖3 送絲速度檢測(cè)系統(tǒng)硬件Fig.3 Hardware of wire feeding speed detection system

每當(dāng)六角螺母的頂點(diǎn)轉(zhuǎn)至接近傳感器附近時(shí)，接近傳感器輸出+12 V的高電平，經(jīng)過降壓電路，使傳感信號(hào)變成峰值為+5 V的脈沖信號(hào)，利用單片機(jī)程序?qū)υ撁}沖信號(hào)進(jìn)行處理，識(shí)別出反映送絲速度的時(shí)間信號(hào)，通過送絲機(jī)端無線通信模塊(Wi-Fi模塊1)無線發(fā)送給機(jī)器人端無線通信模塊(Wi-Fi模塊2)，Wi-Fi模塊2將接收到的信號(hào)通過單片機(jī)傳給焊接機(jī)器人，利用設(shè)計(jì)的送絲速度檢測(cè)算法，可識(shí)別出精確的送絲速度.焊接機(jī)器人以當(dāng)前識(shí)別出的送絲速度及目標(biāo)焊道寬度為輸入，以焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度為輸出，使焊接機(jī)器人能夠自適應(yīng)送絲速度的變化，保證焊接質(zhì)量.

3 基于失真?zhèn)鞲行盘?hào)濾波算法的送絲速度檢測(cè)方法

圖4所示為基于接近傳感器的送絲速度檢測(cè)信號(hào)，圖4(a)為無噪聲傳感信號(hào)，主動(dòng)送絲輪及六角螺母每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，傳感信號(hào)為6個(gè)波谷與6個(gè)波峰依次間隔排列，相鄰波谷與波峰經(jīng)歷的時(shí)間依次為t1、t2、t3、t4、t5及t6，分別對(duì)應(yīng)六角螺母每個(gè)頂點(diǎn)轉(zhuǎn)過接近傳感器的時(shí)間.由于送絲機(jī)振動(dòng)等干擾，當(dāng)某次六角螺母的頂點(diǎn)轉(zhuǎn)過接近傳感器時(shí)，傳感器可能采集不到該信號(hào)，存在單個(gè)傳感信號(hào)丟失，其傳感信號(hào)波形如圖4(b)所示.當(dāng)丟失多個(gè)傳感信號(hào)時(shí)，其傳感信號(hào)波形如圖4(c)所示.針對(duì)基于接近傳感器的送絲速度檢測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于失真?zhèn)鞲行盘?hào)濾波算法的送絲速度檢測(cè)方法，主要包括3部分，介紹如下.

圖4 基于接近傳感器的送絲速度檢測(cè)信號(hào)Fig.4 Wire feeding speed detection signal based on proximity sensor

(1) 相鄰送絲速度傳感信號(hào)不會(huì)發(fā)生突變的原理.

由于六角螺母的對(duì)稱性，螺母的加工誤差較小，所以每個(gè)六角螺母頂點(diǎn)轉(zhuǎn)過接近傳感器的時(shí)間近似相同，相鄰六角螺母頂點(diǎn)轉(zhuǎn)過傳感器的時(shí)間不會(huì)發(fā)生突變，故而相鄰檢測(cè)量不會(huì)發(fā)生突變，針對(duì)該特點(diǎn)，對(duì)采樣到的信號(hào)利用如下規(guī)則進(jìn)行去噪.

其中，α為時(shí)間系數(shù)，a、b、c、d及e為不同時(shí)刻六角螺母連續(xù)兩個(gè)頂點(diǎn)轉(zhuǎn)過接近傳感器的時(shí)間.

對(duì)規(guī)則1～5中時(shí)間系數(shù)α的設(shè)置方法進(jìn)行說明，以規(guī)則1為例(其他4條規(guī)則類似)，根據(jù)規(guī)則1的條件可知：

(3)

式(3)變形后可得：

(4)

式(4)左邊為相鄰檢測(cè)時(shí)間差的絕對(duì)值相對(duì)于相鄰檢測(cè)時(shí)間平均值的相對(duì)誤差，式(4)右邊為設(shè)置的相對(duì)誤差的上限，該值需要根據(jù)信號(hào)特點(diǎn)及工作要求確定，當(dāng)相對(duì)誤差小于該值時(shí)，認(rèn)為信號(hào)未發(fā)生突變.本文中使相對(duì)誤差的上限為50%，令式(4)右邊等于50%，此時(shí)，時(shí)間系數(shù)α=4.

利用該方法，即使某次六角螺母頂點(diǎn)轉(zhuǎn)過接近傳感器時(shí)傳感信號(hào)丟失，如圖4(b)所示，由于相鄰的傳感信號(hào)發(fā)生了突變(由t1突變成t2)，所以，該次檢測(cè)信號(hào)不用于送絲速度的檢測(cè)，可以降低傳感信號(hào)的噪聲.

(2) 多個(gè)傳感信號(hào)丟失且相鄰檢測(cè)量未發(fā)生突變的干擾信號(hào)消除算法.

當(dāng)多個(gè)傳感信號(hào)丟失時(shí)，相鄰傳感信號(hào)也可能不發(fā)生突變，如圖4(c)所示，相鄰的傳感信號(hào)t2近似等于t3.針對(duì)這類情況，利用規(guī)則1～5不能去除此類干擾.針對(duì)該類干擾的特點(diǎn)，利用如下方法進(jìn)一步處理.

通過規(guī)則1～5計(jì)算出的a、b、c、d、e中不為0的個(gè)數(shù)為m，設(shè)m的初值為0，數(shù)組c[m]用于存儲(chǔ)這些不為0的值.

規(guī)則6如果規(guī)則1中的a≠0，則c[m]=a，且m=m+1.

規(guī)則7如果規(guī)則2中的b≠0，則c[m]=b，且m=m+1.

規(guī)則8如果規(guī)則3中的c≠0，則c[m]=c，且m=m+1.

規(guī)則9如果規(guī)則4中的d≠0，則c[m]=d，且m=m+1.

規(guī)則10如果規(guī)則5中的e≠0，則c[m]=e，且m=m+1.

六角螺母連續(xù)兩個(gè)頂點(diǎn)轉(zhuǎn)過接近傳感器的時(shí)間滿足下式：

t[n]=T/3=

(5)

式中：t[n]為第n次六角螺母連續(xù)兩個(gè)頂點(diǎn)轉(zhuǎn)過接近傳感器的時(shí)間；數(shù)組c[m]用于存儲(chǔ)六角螺母相鄰兩個(gè)頂點(diǎn)轉(zhuǎn)過接近傳感器的時(shí)間.

雖然多個(gè)傳感信號(hào)丟失，存在相鄰傳感信號(hào)不發(fā)生突變的情況，但由于存在傳感信號(hào)丟失，使采樣到的傳感信號(hào)明顯變大，所以，通過式(5)中的取小操作，可以降低該類干擾對(duì)傳感信號(hào)的影響.

(3) 送絲速度檢測(cè)方法.

當(dāng)控制焊絲與送絲輪之間不打滑時(shí)，送絲主動(dòng)輪及六角螺母每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，通過摩擦力，使焊絲送出的長(zhǎng)度等于送絲主動(dòng)輪的周長(zhǎng)，結(jié)合式(2)及 (5)，送絲速度滿足下式：

(6)

因此，利用設(shè)計(jì)的失真?zhèn)鞲行盘?hào)濾波方法實(shí)現(xiàn)送絲速度檢測(cè)，可以降低傳感信號(hào)中各類干擾帶來的噪聲，提高送絲速度檢測(cè)的抗干擾性及準(zhǔn)確性.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證送絲速度檢測(cè)算法及系統(tǒng)的可行性，模擬工人根據(jù)工況在線調(diào)整焊接電流的情景，使焊接電流I從210 A變成170 A，進(jìn)行了機(jī)器人自動(dòng)焊接實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析.

圖5所示為送絲速度曲線，圖中i為原始送絲速度的采樣序號(hào)；j為基于送絲速度檢測(cè)算法識(shí)別出的送絲速度序號(hào).由于送絲機(jī)振動(dòng)等干擾，采集到的原始送絲速度曲線如圖5(a)所示，可以發(fā)現(xiàn)，原始送絲速度v1中存在大量噪聲，不能直接用于控制機(jī)器人焊接.采用設(shè)計(jì)的基于失真?zhèn)鞲行盘?hào)濾波算法的送絲速度檢測(cè)方法對(duì)原始送絲速度信號(hào)進(jìn)行處理，使焊接電流為210 A及170 A時(shí)的送絲速度v都比較平穩(wěn)，并且，焊接電流越大，送絲速度越快，為機(jī)器人智能焊接提供了可靠的送絲速度信號(hào).

圖5 送絲速度曲線Fig.5 Curves of wire feeding speed

表1 送絲速度檢測(cè)精度Tab.1 Detection accuracy of wire feeding speed

用送絲速度檢測(cè)方法，可提高送絲速度的檢測(cè)精度.

圖6所示為送絲速度在線檢測(cè)對(duì)機(jī)器人焊接質(zhì)量的影響實(shí)驗(yàn)，焊接過程中，使焊接電壓為25 V，焊接電流從210 A調(diào)成170 A，使機(jī)器人的初始焊接速度為25 cm/min.圖6(a)為未加送絲速度檢測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)過測(cè)量發(fā)現(xiàn)，焊接電流為210 A對(duì)應(yīng)的焊道寬度為9.66 mm，焊接電流為170 A對(duì)應(yīng)的焊道寬度為8.78 mm.圖6(b)為利用檢測(cè)出的送絲速度對(duì)機(jī)器人焊接速度進(jìn)行控制，測(cè)量發(fā)現(xiàn)，焊接電流為210 A對(duì)應(yīng)的焊道寬度為9.66 mm，焊接電流為170 A對(duì)應(yīng)的焊道寬度為9.62 mm.因此，雖然焊接電流從210 A變成了 170 A，送絲速度變小了，機(jī)器人通過自動(dòng)降低焊接速度，可保證焊道寬度近似不變.圖7為機(jī)器人焊接時(shí)情景.

圖6 送絲速度在線檢測(cè)對(duì)機(jī)器人角焊縫焊接質(zhì)量的影響Fig.6 Influence of wire feeding speed online detection on robot welding quality of fillet weld

圖7 機(jī)器人焊接情景Fig.6 Scenarios of robot welding

綜上所述，利用設(shè)計(jì)的速度檢測(cè)方法及系統(tǒng)，可以消除原始送絲速度信號(hào)中的主要噪聲，提高送絲速度檢測(cè)的精度，使送絲速度與焊接速度匹配，使機(jī)器焊接質(zhì)量符合要求.

5 結(jié)論

(1) 研究了送絲速度在線檢測(cè)的工作原理，通過測(cè)量送絲主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，間接測(cè)量出送絲速度，通過設(shè)計(jì)的送絲速度檢測(cè)系統(tǒng)的硬件，將檢測(cè)出的送絲速度信號(hào)無線傳輸給焊接機(jī)器人.

(2) 針對(duì)機(jī)器人接收到的原始送絲速度信號(hào)中的噪聲，研究出了一種基于失真?zhèn)鞲行盘?hào)的濾波算法，主要包括3部分：相鄰送絲速度傳感信號(hào)不會(huì)發(fā)生突變?cè)?、多個(gè)傳感信號(hào)丟失且相鄰檢測(cè)量未發(fā)生突變的干擾信號(hào)消除算法以及送絲速度檢測(cè)方法.

(3) 利用設(shè)計(jì)的送絲速度檢測(cè)算法及系統(tǒng)，可消除原始送絲速度傳感信號(hào)中的大部分噪聲，提高送絲速度檢測(cè)的精度.并且，進(jìn)行了機(jī)器人焊接實(shí)驗(yàn)，模擬工人根據(jù)工況要求，在線使焊接電流從 210 A 調(diào)成 170 A，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在改變焊接電流的情況下，基于檢測(cè)出的送絲速度對(duì)機(jī)器人焊接速度進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，可以保證焊道寬度基本不變.