基于视觉传感的机器人铝合金脉冲TIG焊接过程MLD建模方法研究

论文摘要

研究焊工的智能行为对焊接自动化的发展具有重要的启发意义。一个熟练的焊工所表现出的高度适应能力,是任何焊接机器人所无法比拟的。如果希望焊接过程由机器人来完成,即实现焊接过程自动化,首先需要类似人体感官的焊接传感器,焊接传感器是用于检测影响焊接结果的内部和外部条件的探测器;还需要类似于焊工的对焊接过程的认识,即能够描述焊接过程各种状态的知识,也就是对焊接过程模型化;最后还需要类似于人脑思维的控制器,以实现合理的控制规律。因此,焊接过程传感技术、焊接过程建模技术和焊接过程控制技术是实现焊接过程从手工焊接向自动化焊接或智能化焊接转变的三个关键技术。视觉传感技术,特别是被动视觉传感技术,由于其类似焊工观察焊接过程行为,因此成为众多焊接过程传感技术中的研究热点。机器人由于其灵活性和柔性,已经成为手工焊接向自动焊接转变实现的关键支撑技术之一。通过分析,机器人焊接过程本身具有连续和离散动态混合的混杂特性,采用基于混杂系统的混合逻辑动态（Mixed Logical Dynamical,MLD）建模方法研究机器人焊接过程的建模问题,可以全面的描述机器人焊接过程并给出一般性的模型结构,该研究对于机器人焊接过程建模与控制的系统性研究具有非常重要的意义。因此,本篇论文以铝合金脉冲TIG（Tungsten Inert Gas）焊接过程为例,研究了机器人焊接过程双目被动视觉传感的焊接过程视觉信息获取和处理,分析了机器人脉冲TIG焊接过程混合逻辑动态特性,进而建立机器人焊接系统混合逻辑动态模型和基于视觉特征的脉冲TIG焊接熔池动态过程混合逻辑动态模型,最终通过焊接实验验证所建模型的有效性。研究结果表明,机器人脉冲TIG焊接过程本身是一种典型的混合逻辑动态系统,研究机器人焊接过程混合逻辑动态建模方法可以在统一的模型框架下描述机器人焊接系统和焊接熔池动态过程,同时也体现混合逻辑动态理论在机器人焊接过程应用的示范性作用。本文首先设计一套双目被动视觉传感器,构建一套具有视觉传感功能的机器人焊接实验平台,设计了铝合金脉冲TIG焊接过程视觉信息获取与处理软件。该平台不仅可以实现焊接过程焊缝和熔池信息的实时采集和处理,还可以实现焊接熔池动态过程的建模和控制。根据焊接过程建模的需要,首先给出焊缝和熔池几何特征参数的定义,通过采集铝合金脉冲TIG焊接过程电弧光谱强度谱线,分析铝合金脉冲TIG焊接过程电弧光谱强度分布特点,发现铝合金脉冲TIG焊接过程电弧光谱在610nm到690nm之间主要由强度较低的连续光谱组成。这段电弧光不仅可以给被动视觉技术提供焊缝和熔池区域有效的照明,还可以避免焊缝和熔池区域强烈的弧光干扰,从而确定选用带通范围在610nm到690nm之间的滤光片来实现铝合金脉冲TIG焊接过程视觉信息获取,成功采集得到焊接过程几种典型的焊缝和熔池图像。基于焊缝图像灰度变化具有方向性的特点,提出改进Roberts边缘提取算法（AR-SF）,实现直线焊缝几何特征的快速提取。通过分析不同熔透状态熔池图像的特点,避开检测熔池边缘的复杂图像处理,提出熔池特征点定位算法（PL-PF）,实现熔池几何特征信息的实时准确计算,为后续的焊接熔池动态过程建模和控制打下坚实基础。从混杂系统角度出发,在混合逻辑动态建模框架基础上,分析机器人运动过程和焊接设备操作过程的连续和离散动态,建立了焊接机器人运动过程MLD模型（WRMP-MLD）和焊接设备操作过程MLD模型（WDOP-MLD）,通过采集焊接实验过程离散变量的变化,验证了这两个模型的正确性。该研究为未来研究多焊接机器人协调或者焊接电源内部电路控制提供有效的混合逻辑动态建模途径。通过分析焊接熔池动态过程的连续和离散动态,结合两类常见的焊接过程视觉信息——错边和间隙,将其抽象为离散变化的变量,研究这两类视觉信息产生的离散动态对熔池连续动态过程的影响,建立错边熔池混合逻辑动态模型（WPM-MLD）和间隙熔池混合逻辑动态模型（WPG-MLD）,该模型为后续熔透控制提供背面熔宽的有效预估。根据焊接过程熔透控制的要求,利用建立的错边和间隙情况下熔池动态过程混合逻辑动态模型,设计两组PID控制实验,实验结果验证了两种情况下熔池动态过程混合逻辑动态模型对于背面熔宽预估的稳定性和可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1.1 引言
• 1.2 脉冲TIG 焊接过程传感技术研究现状
• 1.2.1 主动视觉传感方法
• 1.2.2 被动视觉传感方法
• 1.3 脉冲TIG 焊接过程建模的研究现状
• 1.3.1 传统建模方法
• 1.3.2 人工智能建模方法
• 1.4 混杂系统和MLD 建模方法
• 1.4.1 混合逻辑动态模型一般描述
• 1.4.2 命题逻辑与整数不等式
• 1.4.3 命题逻辑转化方法
• 1.4.4 扩展命题逻辑
• 1.4.5 混杂系统描述语言
• 1.4.6 MLD 建模方法应用
• 1.5 本课题研究意义
• 1.6 本课题研究内容
• 第二章 机器人铝合金脉冲TIG焊接系统构成
• 2.1 引言
• 2.2 机器人铝合金脉冲TIG 焊接系统硬件结构
• 2.3 焊接设备标定
• 2.4 视觉传感系统
• 2.4.1 视觉传感器构成
• 2.4.2 视觉传感系统的标定
• 2.5 软件系统结构
• 2.6 本章小结
• 第三章 机器人铝合金脉冲TIG焊接视觉信息获取与处理
• 3.1 引言
• 3.2 铝合金焊接焊缝和熔池视觉特征参数的定义
• 3.2.1 焊缝特征参数定义
• 3.2.2 熔池特征参数定义
• 3.3 铝合金脉冲TIG 焊接视觉信息获取
• 3.3.1 焊缝和熔池图像同时采集的流程
• 3.3.2 减光和滤光系统设计
• 3.3.3 标准和异常图像的采集
• 3.4 铝合金脉冲TIG 焊接视觉信息处理
• 3.4.1 图像预处理
• 3.4.2 焊缝图像处理
• 3.4.3 熔池图像处理
• 3.5 本章小结
• 第四章 机器人脉冲TIG焊接系统MLD建模
• 4.1 引言
• 4.2 机器人焊接系统混杂特性
• 4.3 机器人焊接系统抽象化
• 4.3.1 机器人运动过程抽象化
• 4.3.2 焊接设备操作过程抽象化
• 4.4 机器人运动过程MLD 建模
• 4.5 焊接设备操作过程MLD 建模
• 4.6 本章小结
• 第五章 铝合金脉冲TIG焊熔池动态过程MLD建模
• 5.1 引言
• 5.2 熔池动态过程混杂特性
• 5.2.1 过程变量分析
• 5.2.2 熔池动态过程与MLD
• 5.3 错边情况下熔池动态过程MLD 建模
• 5.3.1 模型结构
• 5.3.2 建模数据获取
• 5.3.3 模型辨识
• 5.3.4 MLD 建模结果
• 5.4 间隙情况下熔池动态过程MLD 建模
• 5.4.1 MLD 建模分析
• 5.4.2 建模数据获取
• 5.4.3 模型辨识
• 5.4.4 MLD 建模结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 熔池动态过程MLD模型熔透控制实验验证
• 6.1 引言
• 6.2 熔池动态过程MLD 模型平板对接熔透控制实验
• 6.2.1 错边情况下熔透控制实验
• 6.2.2 间隙情况下熔透控制实验
• 6.3 本章小结
• 结论及展望
• 博士学位论文创新点
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表及待发表论文及专利
• 致谢
• 附录