铝合金脉冲MIG机器人焊接智能控制系统研究

论文题目: 铝合金脉冲MIG机器人焊接智能控制系统研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 材料加工工程

作者: 石玗

导师: 樊丁

关键词: 柔性加工单元,铝合金,脉冲焊,智能控制系统,视觉检测,系统辨识与仿真,电焊机网络控制系统

文献来源: 兰州理工大学

发表年度: 2005

论文摘要: 近年来,随着汽车、列车等运输装置向轻量化发展,铝合金焊接结构生产的自动化、智能化和信息化成为日益重要的研究课题,本文针对其中的一些关键问题进行了深入研究。弧焊机器人用数控焊接变位机的研制对弧焊机器人柔性加工单元(WFMC)的设计具有重要的意义。本文设计了基于模糊规则的智能双模协调控制器,即采用PID控制器和模糊控制器的加权合成算法,控制过程中模糊控制器和PID控制器同时输出控制量,当控制误差较大时模糊控制器的输出权重较大,而当控制误差较小时PID控制器的输出权重较大,有效避免了变结构控制器切换过程中的震荡,实现了焊接变位机的高精度位置控制。论文对实时控制软件的结构设计和实时性要求进行了详细的理论分析,提出了基于DOS系统下的高精度数控焊接变位机多任务实时控制软件的设计与实现方法。利用工业控制计算机和单片机实现了示教盒、操纵杆和计算机键盘等三种示教装置,同时设计了一套包括程序控制指令、轨迹描述指令和I/O通讯指令的数控焊接变位机控制指令系统。进行了多种工件的焊接试验,试验表明该控制系统工作可靠,效果良好。由于铝合金焊接过程中存在很多不确定因素,实时的检测和控制熔池动态过程是保证焊接质量的一种重要方法。本文建立了铝合金熔池图像检测视觉系统。通过窄带滤光结构,有效地克服了弧光干扰,并获得了比较清晰的铝合金MIG焊熔池图像。分析了铝合金MIG焊熔池图像特征,并提出了相应的熔池图像处理算法。针对传统图像处理算法的不足,提出利用形态学方法去除图像信号中的噪声、阴极雾化区等影响熔池特征提取的部分,获得了满意的熔池边缘图像,可以对熔池形状信息进行动态检测。在此基础上,设计了阶跃响应试验,利用曲线拟合法对基值电流、送丝速度、脉冲电流占空比、焊接速度与熔宽的模型分别进行了辨识,分析了它们对熔宽的影响规律,为铝合金脉冲MIG焊过程控制提供了理论依据。设计了适于铝合金脉冲MIG焊过程控制的模糊—专家控制系统,利用此系统成功实现了铝合金机器人脉冲MIG焊熔宽实时控制,通过控制焊接脉冲电流占空比和送丝速度获得理想的焊缝宽度。实验表明,利用建立的熔池图像检测和控制系统,通过提出的图像处理和控制算法,能够实现在铝合金MIG焊过程中实时、精确的控制熔池变化并获得一致的熔宽。利用嵌入式网关结合单片机控制系统实现了数字电焊机的以太网接入,可以使作为现场生产单元的电焊机与目前基于以太网和TCP/IP协议的企业信息系统无缝集成。同时设计了网络电焊机管理系统,并利用SQL SERVER构建了基于web的焊接规范数据库和焊接生产过程监测数据库。整个系统可以实现焊接规范参数数据库的维护、电焊机参数远程监控和焊接规范的远程设置与网络化管理。

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摘要

Abstract

第一章绪论

1．1 引言

1．2 焊接自动化-焊接机器人柔性加工单元研究及应用现状

1．3 焊接智能化-焊接过程智能传感与控制国内外研究现状

1．3．1 焊接过程智能传感的相关研究

1．3．2 焊接过程建模与控制的国内外发展趋势

1．4 焊接信息化研究的国内外现状

1．5 本文的研究内容

第二章低成本机器人柔性焊接单元研究

2．1 数控焊接变位机控制系统的硬件结构

2．1．1 数控焊接变位机的结构设计

2．1．2 数控焊接变位机控制系统硬件结构

2．2 数控焊接变位机高精度位置控制算法研究

2．2．1 模糊控制器设计

2．2．2 数控焊接变位机实时多任务控制软件的结构设计

2．2．3 双模控制器仿真及试验结果

2．3 焊数控接变位机示教再现控制系统研究

2．3．1 示教过程和原理

2．3．2 示教方式

2．3．3 数控焊接变位机与弧焊机器人通讯接口设计

2．3．4 控制指令系统结构及实现

2．4 本章小结

第三章铝合金脉冲 MIG焊熔池视觉传感系统

3．1 熔池图像视觉传感与控制系统的结构

3．2 熔池图像视觉传感系统组成

3．2．1 CCD摄像机的选型

3．2．2 复合滤光镜头的设计

3．3 视觉系统的标定

3．4 焊接工艺参数对熔池图像传感的影响

3．4．1 铝合金脉冲 MIG焊接试验条件

3．4．2 脉冲电流模式的选择

3．4．3 熔滴过渡方式的影响

3．4．4 焊接参数对熔池视觉传感的影响

3．4．5 焊接规范数据表的建立

3．5 本章小结

第四章铝合金脉冲 MIG焊熔池图像处理算法

4．1 熔池特征分析

4．2 铝合金MIG焊熔池图像的前期处理

4．2．1 图像的灰值化

4．2．2 滤波处理

4．2．3 图像边缘增强处理

4．3 铝合金脉冲MIG焊熔池图像边缘提取

4．3．1 基于微分算子的熔池图像边缘检测和提取

4．3．2 铝合金脉冲 MIG焊熔池图像的形态学边缘提取

4．4 熔池几何特征尺寸参数的提取

4．4．1 特征提取算法

4．4．2 熔宽提取结果

4．5 本章小结

第五章铝合金脉冲 MIG焊熔池宽度动态辨识模型

5．1 铝合金脉冲 MIG焊规范参数对熔宽的影响规律

5．1．1 占空比对熔宽的影响

5．1．2 基值电流和脉冲峰值电流对熔宽的影响

5．1．3 送丝速度对熔宽的影响

5．1．4 焊接速度对熔宽的影响

5．2 基于视觉传感的铝合金脉冲 MIG焊熔池宽度动态过程辨识

5．2．1 根据阶跃响应辨识脉冲MIG焊过程传递函数的原理

5．2．2 基值电流与正面熔宽阶跃响应动态模型辨识

5．2．3 送丝速度与熔池正面熔宽动态模型的辨识

5．2．4 占空比与熔池正面熔宽动态模型的辨识

5．2．5 焊接速度与熔池正面熔宽动态模型的辨识

5．3 本章小结

第六章铝合金脉冲 MIG焊熔宽智能控制

6．1 控制量的选取

6．2 基于遗传算法寻优的熔宽PID控制系统仿

6．3 铝合金脉冲 MIG焊模糊专家控制系统仿真

6．3．1 铝合金脉冲 MIG焊模糊专家控制系统

6．3．2 模糊控制器设计

6．3．3 铝合金脉冲 MIG焊熔宽模糊控制仿真

6．4 铝合金脉冲 MIG焊模糊专家平板堆焊控制试验

6．4．1 恒规范平板堆焊试验

6．4．2 模糊专家平板堆焊控制试验

6．5 本章小结

第七章基于以太网的电焊机网络控制系统

7．1 网络电焊机控制模块的组成

7．1．1 电焊机网络控制模块结构

7．1．2 网关模块的结构

7．1．3 电焊机单片机控制系统

7．2 电焊机网络控制系统结构

7．3 系统数据库结构

7．3．1 系统数据库体系的设计

7．3．2 系统数据库设计

7．4 电焊机网络控制焊接试验

7．5 本章小节

结论

参考文献

攻读博士期间发表的论文

攻读博士学位期间完成的科研项目

攻读博士学位期间申请的发明专利

致谢

发布时间: 2006-08-10

参考文献

[1].铝合金半固态触变成形技术及其仿真研究[D]. 张恒华.上海大学2004
[2].非树枝晶铝合金材料的研究[D]. 朱明原.上海大学2000
[3].铝合金点焊质量信息化技术的研究[D]. 薛海涛.天津大学2004
[4].铝合金材料的应力腐蚀及腐蚀疲劳特性实验研究[D]. 孟祥琦.上海交通大学2012
[5].铝合金蠕变—疲劳耦合特性研究及其在柴油机活塞寿命预测中的应用[D]. 张庆.北京理工大学2015

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