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磁控电弧传感技术及其焊缝跟踪机器人的研究

作　者: 来鑫
导　师: 洪波
学　校: 湘潭大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 磁控电弧传感技术焊缝跟踪机器人信号处理焊缝偏差判别
分类号: TP242.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

焊接自动化和智能化程度的不断提高是现代生产的客观需求。实现焊接过程的自动化和智能化,需要借助机器人等自动化装备。在焊缝跟踪机器人中,传感技术是关键技术之一,它决定着整个系统对焊缝的跟踪精度。目前还没有一种焊缝跟踪传感器能很好的应用于工业生产,不断开发出新的焊缝跟踪传感器具有很大的现实意义。本文的主要内容是对磁控电弧传感技术的基础理论进行详细的分析和研究,解决了一些关键问题,并设计了基于磁控电弧传感技术的焊缝跟踪机器人。具体的内容如下:(1)对磁控电弧传感技术的基础理论进行了研究。分析了磁控电弧传感器的基本原理和工作过程,建立了电弧运动的平衡方程,分析了电弧的运动规律;建立了磁控电弧摆动的数学模型,从理论上分析了影响传感器的各种因素;建立了磁控电弧扫描三种典型坡口的数学模型,并进行了传感信号的MATLAB仿真分析。(2)对磁控电弧传感器的结构进行了设计,包括磁场发生装置的机械结构、励磁电源的电路部分、信号的采集与处理部分、定位信号的设计等部分。利用巴特沃思滤波器基本消除了信号的高频干扰,很好的提取了焊缝偏差的特征信号。(3)对影响磁控电弧传感器的各种因素进行了全面的分析,这些因素既包括传感器的自身参数等因素,也包括焊接电流、气体流量等外在因素。用实验的方法分析了磁控电弧传感器对焊缝成型的影响规律。这些规律的分析为磁控电弧传感器的优化设计和焊缝实时跟踪机器人结构设计提供依据。(4)对磁控电弧传感器的偏差判别准则进行了研究,找出了现有的区间积分比较法的缺陷,并进行了算法改进,减少了系统的存在误判的可能,提高了机器人的精度;对横向偏差和高低偏差的软件处理和跟踪策略进行了分析,设计了基于磁控电弧传感的焊缝跟踪机器人的程序。(5)设计了基于磁控电弧传感器的焊缝跟踪机器人,并介绍了各部分的组成和实现方法;采用AT89C51单片机为核心控制器,对整个系统的电路采用模块化设计,设计了数字化的控制面板;最后通过焊缝跟踪实验,证明了磁控电弧传感器的有效性及焊缝跟踪机器人具有良好的跟踪效果。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第1章绪论  10-21
  1.1 选题的背景和意义  10-11
  1.2 焊缝跟踪传感器概述  11-14
    1.2.1 视觉传感技术  11-12
    1.2.2 电弧传感器  12-13
    1.2.3 其它焊缝跟踪传感器  13-14
  1.3 焊接机器人技术  14-16
    1.3.1 国内外焊接机器人技术研究现状  14-15
    1.3.2 焊接机器人的发展趋势  15-16
  1.4 焊缝特征信号的处理方法  16-18
  1.5 磁控电弧技术  18-20
  1.6 论文的主要研究内容  20-21
第2章磁控电弧传感技术的基础理论分析  21-35
  2.1 概述  21-22
    2.1.1 问题的提出  21
    2.1.2 磁场对电弧的作用  21-22
  2.2 磁控电弧传感器的原理和构成  22-25
    2.2.1 磁控电弧传感器的基本原理  22-24
    2.2.2 磁控电弧传感器的构成  24-25
  2.3 磁控电弧传感技术的基础理论  25-34
    2.3.1 磁控摆动电弧的运动学分析  25-27
    2.3.2 磁控电弧摆动数学模型  27-28
    2.3.3 磁控电弧扫描典型坡口数学模型  28-30
    2.3.4 仿真分析  30-34
  2.4 本章小结  34-35
第3章磁控电弧传感器的设计  35-44
  3.1 概述  35
  3.2 磁场发生装置部分的设计  35-36
  3.3 励磁电源的设计  36-39
    3.3.1 波形发生器及放大电路的设计  37-39
    3.3.2 定位信号的设计  39
  3.4 信号的获取与滤波电路的设计  39-43
    3.4.1 焊缝特征信号的获取  39-40
    3.4.2 滤波电路的设计  40-43
  3.5 本章小结  43-44
第4章磁控电弧传感器的影响因素及对焊缝成型的影响  44-55
  4.1 概述  44
  4.2 磁控电弧传感器自身参数的影响  44-47
    4.2.1 电弧的摆动参数对磁控电弧传感器的影响  44-45
    4.2.2 磁控电弧传感器自身参数的影响  45-46
    4.2.3 励磁电流形式的影响  46-47
  4.3 焊接电流对磁控电弧传感器的影响规律  47-50
    4.3.1 电弧收缩力  47-48
    4.3.2 焊接自身磁场对磁控电弧传感器的作用  48
    4.3.3 结果分析  48-49
    4.3.4 实验验证  49-50
  4.4 焊接送气速度对磁控电弧传感器的影响  50
  4.5 磁控电弧传感器对电弧静特性的影响  50-51
  4.6 磁控电弧传感器对焊缝成型的影响  51-54
    4.6.1 磁控电弧传感器对焊缝形状尺寸的影响  51-53
    4.6.2 磁控电弧传感器对焊缝内部形态的影响  53-54
  4.7 小结  54-55
第5章焊缝偏差信息的判别与处理方法  55-68
  5.1 概述  55
  5.2 磁控摆动电弧的区间积分比较法  55-58
    5.2.1 焊枪和焊缝的相对位置关系  55-56
    5.2.2 区间积分比较法的理论分析  56-57
    5.2.3 自寻迹能力与初始导引位置的确定  57-58
  5.3 V 型坡口焊缝偏差判别方法  58-64
    5.3.1 问题的提出与分析  58-59
    5.3.2 matlab 仿真分析  59-62
    5.3.3 解决的方案  62-64
  5.4 搭接坡口和I 型坡口的偏差判别方法  64
  5.5 横向跟踪的焊缝偏差的软件处理  64-65
    5.5.1 限幅滤波  64
    5.5.2 横向偏差的处理及控制方法  64-65
  5.6 高低跟踪的焊缝偏差软件处理  65-67
    5.6.1 高低跟踪的基本原理  65-66
    5.6.2 现有的高低跟踪的方法及算法改进  66-67
  5.7 本章小结  67-68
第6章磁控电弧传感焊缝跟踪机器人系统的设计与实现  68-77
  6.1 概述  68
  6.2 两种机器人结构的设计  68-70
    6.2.1 前置式双十字滑架的结构(结构一)  68-69
    6.2.2 实时跟踪系统结构(结构二)  69
    6.2.3 两种结构的比较分析  69-70
  6.3 焊缝跟踪机器人系统的构成  70-75
    6.3.1 机器人本体和十字滑架模块  70-71
    6.3.2 微机控制系统的设计  71-74
    6.3.3 焊接系统和控制箱  74-75
  6.4 焊缝跟踪实验  75-76
  6.5 本章小结  76-77
结论与展望  77-79
参考文献  79-83
致谢  83-84
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  84-85

磁控电弧传感技术及其焊缝跟踪机器人的研究

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