基于同轴视觉传感的窄间隙焊缝跟踪方法研究

论文摘要

随着激光焊接技术的广泛应用,焊接生产的自动化程度越来越高。为了保证激光焊接过程的精度和效率,提高焊接工件的质量,开发一套焊缝自动跟踪系统十分必要。因此,本文基于同轴监测技术与龙门式三维运动平台,从图像采集模块、控制模块、执行机构模块和人机交互模块等几个方面,搭建了激光焊接过程监控系统。本系统采用“PC+运动控制器、PA数控系统”的主从式控制系统架构,PC机作为上位机负责信号采集处理、参数设置、发送命令及图形化显示等,运动控制器与PA数控系统作为下位机负责与执行机构通讯,完成各项命令的执行和反馈。其中,运动控制器通过PCI接口与主控系统PC进行通讯,并通过信号适配器与PA数控系统进行信号交互,以实现龙门式三维运动平台各个轴的同步运动。如何实时识别焊缝偏差信息并对其进行纠偏,是实现焊缝跟踪的关键。目前广泛采用线性结构光进行焊缝识别,它对焊缝坡口的类型依赖性比较强,并不适用于结构特征不明显的窄间隙焊缝激光焊接。对此,本文采用激光点光源作为辅助光源直接对焊缝区域进行照明,采取基于视觉传感的同轴监测方法获取了焊缝图像信息,并采用以阈值分割和寻质心为核心的图像处理方法提取到焊缝中心点坐标。通过数学建模对焊接头的运动状态参量横向偏差、切线角度偏差、方位角度偏差进行了定量分析,经过建模分析发现,在焊接头的运动状态参量中,横向偏差能够很好地反映焊接头与焊缝之间的相对关系,且利用本文提出的图像处理算法能够很容易地获取横向偏差,满足焊缝跟踪实时性要求。然后提出了基于均值限幅滤波的数字滤波算法,能够显著提高采集信号的精度。为提高焊缝跟踪精度,本文提出了基于积分分离的模糊自适应PID控制算法,以焊缝横向偏差e及偏差变化率ec为输入量,在内环以PID控制器的参数变化量△Kp、△Ki、△Kd为模糊控制器的输出量,建立两输入三输出的模糊控制系统模型,在外环以控制伺服电机的脉冲数量U为输出量建立PID控制系统模型。同时根据实时采集的焊缝偏差大小进行统计分析,提出了积分分离的思想,将焊缝跟踪过程分为模糊自适应PD控制、半模糊自适应PID控制和全模糊自适应PID控制,可以减小超调量、消除稳态误差、提高响应速度,避免系统由PD控制转换为PID控制时产生较大的震荡,使系统平滑过渡,提高控制精度。最后采用Simulink对模糊PID控制器及焊缝跟踪系统进行了仿真分析,并设计实验进行了验证,结果表明本文设计的均值限幅滤波算法和基于积分分离的模糊自适应PID控制算法可以有效地提高焊缝跟踪精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号表
• 第1章 绪论
•   1.1 选题背景及意义
•   1.2 研究现状及问题
•     1.2.1 窄间隙焊接技术国内外研究现状
•     1.2.2 焊缝偏差监测国内外研究现状
•     1.2.3 焊缝偏差控制国内外研究现状
•   1.3 本文研究内容
•     1.3.1 课题来源
•     1.3.2 研究目标
•     1.3.3 主要研究内容
• 第2章 焊缝跟踪同轴监控系统设计
•   2.1 同轴监控系统分析
•     2.1.1 设计目的
•     2.1.2 基本原理
•     2.1.3 实现方法
•   2.2 系统整体硬件结构
•     2.2.1 图像采集模块
•     2.2.2 控制模块
•     2.2.3 执行机构模块
•     2.2.4 人机交互模块
•   2.3 系统整体软件架构
•     2.3.1 系统整体软件架构
•     2.3.2 软件界面
•   2.4 本章小结
• 第3章 窄间隙焊缝特征识别与数字滤波处理
•   3.1 总体监测方案
•     3.1.1 监测方法选择
•     3.1.2 相机与上位机的通讯
•     3.1.3 焊缝视觉监测方案
•   3.2 窄间隙焊缝图像识别研究
•     3.2.1 焊缝监测及图像处理
•     3.2.2 焊缝偏差量的计算
•   3.3 数字滤波算法
•     3.3.1 限幅滤波算法
•     3.3.2 均值滤波算法
•     3.3.3 焊缝偏差信号滤波处理
•   3.4 本章小结
• 第4章 焊缝跟踪控制系统分析与控制方案设计
•   4.1 系统分析与控制方案设计
•     4.1.1 系统分析
•     4.1.2 控制方案
•   4.2 运动控制器对跟踪机构的控制
•     4.2.1 运动控制器的原理及控制方式选择
•     4.2.2 运动控制器系统架构
•     4.2.3 运动控制器的输入输出分配
•     4.2.4 运动控制器的系统配置
•     4.2.5 运动控制器与上位机的通讯
•     4.2.6 运动控制器对伺服电机的控制
•   4.3 数控系统对执行机构的控制
•     4.3.1 数控系统的通讯与接口
•     4.3.2 数控系统对执行机构的控制
•   4.4 本章小结
• 第5章 基于积分分离模糊自适应PID控制算法设计
•   5.1 基本原理
•     5.1.1 PID控制基本原理
•     5.1.2 积分分离PID控制
•     5.1.3 模糊自适应PID控制
•   5.2 基于积分分离的模糊自适应PID控制算法
•   5.3 模糊自适应增量型PID控制器设计
•     5.3.1 初始控制参数设计
•     5.3.2 模糊控制器设计
•   5.4 模糊自适应PID控制器仿真
•   5.5 焊缝跟踪系统仿真与分析
•   5.6 窄间隙焊缝跟踪实验验证
•     5.6.1 焊接速度与焊缝跟踪精度之间关系实验验证
•     5.6.2 积分分离模糊PID控制算法与滤波算法实验验证
•   5.7 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间发表的学术论文和参与科研项目
• 附录B 模糊控制规则

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 罗峰

导师: 张屹,黄锐

关键词: 窄间隙激光焊接,同轴视觉传感,焊缝跟踪,积分分离,模糊控制

来源: 湖南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,金属学及金属工艺,无线电电子学,自动化技术

单位: 湖南大学

基金: 国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作”重点专项:“变截面材料自适应激光焊接方法及关键技术”(项目编号:2016YFE0128800),国家自然科学基金项目:“变厚截面材料填粉激光焊接的自适应监控机理研究”(项目编号:51575157)

分类号: TN249;TP277;TG456.7

DOI: 10.27135/d.cnki.ghudu.2019.001592

总页数: 101

文件大小: 4210K

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