弧焊机器人焊缝位置的电流检测法

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1994.02.016 第16卷第2期 北京科技大学学报 Vol.16 No.2 1994年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ap.1994 弧焊机器人焊缝位置的电流检测法 许志军张明浩 钟家桢 北京科技大学自动化系，北京100083 摘要本文介绍了弧焊机器人在进行“V”型坡口对接焊或角接焊时，为了跟踪焊缝轨迹而进行 的焊缝位置检测方法一电流检测法，通过对焊接电流信号的数字处理，提取了反映焊枪与焊缝 相对位置的特征信号，定时向机器人控制器提供修正信号，从而使固定在机器人手臂上的焊枪准 确地跟踪焊缝， 关键词工业机器人，电孤焊，数字仿真/轨迹跟踪 中图分类号TG434.4TP242.2 A Method of Welding Seam Tracking for Arc-Welding Robot by Current Xu Zhijun Zhang Minghao Zhong Jiazhen Departement of Automatic Control,USTB.Beijing 100083,PRC ABSTRACT This paper introduces a method of welding seam tracking when arc -welding robot is applied to welding of shape "V"or angle connection.By processing the current of welding with a way of digital signal processing,the feature signal which reflects the position of welding seam is abstracted.And then transmitted to the robot controler in order to trace the seam. KEY WORDS iudustrial robot,electric arc weld,digital simulation/tracking 焊缝的轨迹跟踪方法很多，而许多方法都需要附加传感设备·电流检测法只需用霍尔元 件检出其焊接电流，不需要其他的传感设备，所以结构简单，成本低，便于推广，该方法适 用于V”型坡口对接焊或角接焊的横摆焊接， 1基本组成原理 机器人在进行“V”型坡口对接焊时，根据焊接工艺要求，焊枪沿垂直于焊缝方向作横 摆运动.当焊丝端部与工件之间的距离发生变化时，焊接电流I将按照I=。一K×L,变化， 1993-01-09收稿 第一作者男27岁硕士

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 戊 少 弧焊机器人焊缝位置 的 电流检测 法 许 志军 张 明浩 钟家祯 北京科技大学 自动化系 ， 北京 〕 洲〕 摘要 本文介绍 了弧焊机器 人在进行 “ 型坡 口 对接焊或角接焊时 ， 为 了跟踪 焊缝 轨 迹 而 进 行 的焊缝位置检测方法 一电流检测法 通过对焊接 电流信号 的数字处理 ， 提 取 了 反 映 焊枪 与 焊 缝 相 对位置 的特征信号 ， 定 时 向机器人控制器提供修正信号 ， 从而 使 固定在机器人手臂上 的焊枪准 确 地跟踪焊缝 关键词 工 业机器人 ， 电弧焊 ， 数字仿真 轨迹跟踪 中图分类号 甲 亡 ‘ 认 而 纳 祖 翻 氏 创 喀 ， 七 二 犯 认℃ 加 二 认 “ 讹 溉 ， 。 沈 邸 成北 一 讹 毛 几 而杖团 优 万 ， 。 沈 认 ， 匡 加 焊缝 的轨迹 跟 踪方法 很多 ， 而 许 多方 法都需 要 附加传感 设备 电流检测 法 只需 用 霍 尔 元 件检 出其焊接 电流 ， 不需要 其他 的传感设备 ， 所 以结构 简单 ， 成 本低 ， 便于 推广 该方 法适 用于 “ “ 型坡 口 对接 焊或 角接 焊 的横摆 焊接 基本组成原理 机器人在进行 “ ” 型坡 口 对接 焊 时 ， 根 据焊接工 艺要 求 ， 焊枪沿 垂 直 于 焊 缝 方 向作 横 摆运 动 当焊丝端部 与工件之 间 的距 离发 生 变化 时 ， 焊 接 电 流 将 按 照 一 凡 二 变 化 ， 卯 一 一 的 收稿 第 一作 者 男 岁 硕 士 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1994．02．016

172 北京科技大学学报 第16卷 (其中：L,(mm)为焊矩高度，(A)和K,(A/mm)为常数).由此可知，电流的变化反映了 焊枪与坡口相对位置的变化.图1是检测系统的系统框图，虚线之内是用8086+8087单板 机实现，表1是焊枪在不同位置时框图中各点的电流波形 电流检测器 棋数转换器 教字低通滤波器 ② 同步整瓷 求交渡信号幅值 判定（左右） 求直流信号平均值 机器人控制系统 判定（上下） 808+8087 图1检测系统框图 Fig.1 Blockdiagram of test system 表1图1中各点的电流波形 Table 1 Wave shape of different points in the Figure 1 (b) (a) 态 接缝 摆动周期 焊枪摆动轨迹 栓测电流① 滤波器输出 电流② 0 直流分量国 0 交流分量④

北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 其 中 为焊矩 高度 ， 和人 为 常数 由此 可 知 ， 电流 的 变 化反 映 了 焊枪与坡 口 相 对位置 的变化 图 是 检 测 系 统 的系 统框 图 ， 虚 线 之 内是 用 单 板 机实现 表 是 焊枪在 不 同位 置 时框 图 中各点 的 电流波 形 二二门 咫 舞 模数转换器 字低数通滤波器 曰目 流检测器电 匝 别 求直流信号平均值 洲州 图 检测 系 统框图 瑰 价对幽卿朋 已盆 盯劝曰 表 图 中各点 的电流波形 决 叭 湘 击伍翻翻 脚面‘ 胶 枷传 状 态 接缝 燃 诙 偏 右 巍 右 椒 左 摆动周期 焊 枪 摆 动 轨迹 检 测 电 流 ① 滤 波 器 输 出 电 流 ② 直 流 分 盆 ③ 交 流 分量 ④ 卜、 矛尸，、 门口 卜书 户目，目 ， ， 曰 」 一 州 口「一刁口 巨 日 口口口 口门」 口口口 一口口皿 卜， ， 二， 产勺、 一 丈二 一 叭 一 一 一 甘口、 卜口、 一 ，甲户 皿 一 叹二寻 一，卜口厂 丫 ， 习 一 一 」 、 口 口 一 口 目 三 闪厂口口 口 二二 ， 《 井厂，卜， 卜二 日 一 一 一 口日】 」 ，一 一 一 门广 日 口门 …门门 ， 】『一一刁『一一刁 日 「一一 一一〕 二 …曰口 … 国口国」囚 叮口 又门口口

第2期 许志军等：弧焊机器人焊缝位置的电流检测法 .173. 从以上检测到的电流波形可以看出，当横摆的中心线在焊缝中心时，即情况(a)所 示，电流中所含的交流分量为二次谐波（即为横摆频率的2倍），通过数字滤波器滤去二次 谐波，只剩下反映焊枪上、下位置的直流分量.当焊枪偏离焊缝的中心线时，即(b)、 (c)、()所示，检测到的电流所含的交流成分主要是基波分量和四次谐波；还可以看 出，离偏移焊缝中心越远，基波的交流幅值就越大；基波的相位反映了焊枪偏移的方向，通 过数字滤波器保留基波，去除谐波， 2数字处理算法 采用的数字滤波器是五阶巴特沃思(Butterworth)低通滤波器.这种数字滤波器的特点 是：通带内具有最大平坦幅度特性.随频率的升高，幅度单调下降.若阶数越高，截止特性越 好，滤波器过渡带越陡，能更有效地滤去谐滤，但是它需要大量的运算时间，难以满足实时 信号处理的要求；若阶数越低，滤波器的过渡带较平坦，无法有效地滤除谐波·综合考虑选 择五阶滤波器最合适. 滤波器的功能是保留直流分量和基波，滤除二次及二次以上的谐波.在实际的焊接过程 中，根据不同的焊接对象、不同的焊接工艺，其横摆的频率是可变的，变化的范围设定为 1Hz~4Hz,其对应的二次谐滤的频率为2Hz~8Hz.显然用1个滤波器是不能满足整个横 摆频率范围的要求，于是采用了6个滤波器.6个滤波器均为五阶巴特沃思滤波器，每1】个 滤波器对应一段摆动的频率范围，也就是说不同的横摆频率选择相应的滤波器进行滤波，表 2列出了各滤波器的通带截止频率∫，和阻带截止频率∫，以及各个滤波器对应的横摆频率（〔m) 范围.图2是第3号滤波器的幅频特性、相频特性、和数字仿真结果，滤波的效果是非常好的. 采样频率固定不变，为100Hz. (ZH 2 fIH五 180 fHz 180 0.51.01.5 2.025 t/s 图2输出特性曲线和仿真结果 Fig.2 Characteristic of out and simulation results

第 期 许志军等 弧焊机器人焊缝位置 的 电流检测 法 从 以 上 检测 到 的 电流 波 形 可 以 看 出 ， 当横 摆 的 中心 线在 焊 缝 中 心 时 ， 即情 况 所 示 ， 电流 中所含 的交 流分量 为二次谐波 即为横摆频率 的 倍 通 过 数 字 滤 波 器 滤 去 二 次 谐波 ， 只 剩 下 反 映 焊 枪上 、 下 位 置 的 直 流 分 量 当 焊 枪 偏 离 焊 缝 的 中心 线 时 ， 即 、 、 所示 ， 检测到 的 电流所含 的交 流 成 分 主 要 是 基 波 分 量 和 四 次 谐 波 还 可 以 看 出 ， 离偏 移焊缝 中心越远 ， 基波 的交流 幅值就越大 基波 的相 位反 映 了 焊枪偏 移 的方 向 ， 通 过数字滤波器保 留基波 ， 去 除谐波 数字处理算法 采 用 的数字滤波器是 五 阶 巴 特沃思 往 心 低通 滤波器 这种 数字 滤 波 器 的 特 点 是 通带 内具有最大平坦幅度特性 随频率 的升高 幅度单调 下 降 若 阶数越高 ， 截止特性越 好 ， 滤波器过渡带越 陡 ， 能更有效地滤去谐滤 ， 但是 它需要大量 的运算 时 间 ， 难 以 满足 实时 信号处理 的要 求 若 阶数越低 ， 滤波器 的过 渡带较平坦 ， 无法有效地 滤 除谐波 综合考虑选 择五 阶滤波器最合适 滤波器 的功 能是保 留直流分量 和基波 ， 滤 除二次及二次以 上 的谐波 在 实 际 的焊接过程 中 ， 根 据不 同的焊接对象 、 不 同的焊接 工 艺 ， 其横 摆 的频 率 是 可 变 的 ， 变 化 的 范 围设 定 为 一 ， 其对应 的二次谐滤 的频率 为 一 显然 用 个 滤 波器是 不 能 满 足 整 个 横 摆频率范 围的要求 ， 于是采用 了 个滤波器 个滤 波器均 为五 阶 巴 特 沃 思 滤 波 器 ， 每 个 滤 波器 对应一段摆动 的频率范 围 ， 也就是说不 同的横摆频率 选 择相 应 的滤波器进行 滤波 表 列 出 了各滤波器 的通 带截止 频率几和 阻带截 止频率 以 及各个 滤波器 对应的横摆频 率 呱 范 围 图 是第 号滤波器 的幅频特性 、 相 频特性 、 和 数字仿真 结果 滤波 的效果是 非 常好 的 采样频率 固定 不 变 ， 为 生 ︵一︶国 势中埋书撰 。 卯 。 一 如 。 一 图 “ 〔一二、 厂议夕全七厂 开 ， 一 一二 一一一一 一一 山 图 输 出特性曲线和 仿真结果 触 油口 妇比 日 劝田侧匕位刃 祀， 七

.174 北京科技大学学报 第16卷 表2滤波器参数 Table 2 The parameters of electric filter 滤波器编号 1 2 3 4 5 6 通带截止频率。Hz)1.24 1.60 2.27 2.85 3.71 4.70 阻带截止频率(H☑ 2.00 2.60 3.60 4.60 6.00 7.60 横摆频率范用(H2)1≤∫m<1.414≤f.<1.81.8≤∫m<2.42.4≤fm<3.03.0≤f.<3.63.6≤fm≤4.0 3同步信号的获取 从表1中的(c)和()可以看出，当焊枪在偏左或偏右两种情况下进行焊接时，其基 波电流的相位正好相差180°.为了判断是偏左或是偏右，必须对这两种情况加以区分.关于 焊枪的偏左、偏右定义为：在焊接过程中从沿焊缝前进的方向看，其左手侧为焊缝的左边， 其右手侧为焊缝的右边，并且还规定焊接开始时焊枪总是向左摆动，每摆动3个周期定义为 】个段，对每段的信号进行处理后再向机器人控制器发出修正信号·这里是利用每段的最后 半个周期对焊枪位置进行偏左偏右的判断，如果每段的最后半个周期的基波分量在正半周， 说明焊枪偏离焊缝右侧，反之则偏离左侧. 如何从采集数据来判断每段周期的起始，可以通过纪录采样点的数目来推知焊枪的运动 状态.利用CPU中的寄存器CX作为采样点计数器，每采样一次，计数器的值增1.例如： 当焊枪的横摆频率为4Hz时，摆完第一段所花的时间为(1/4)×3=0.75s,而采样的频率为 100Hz,当采完这段的最后一个采样点时，寄存器CX中的值为75，那么第76个采样点对应 的横摆将是第二段的开始；第151个采样点对应着第三段的开始，依此类推，从而实现了与 横摆同步的电流信号的获取· 4结语 该检测系统采用霍尔元件检测焊接电流，再经模数转换器AD574转换为12位数字量， 然后经并行接口Intel8255进人计算机.计算机的CPU采用了ntel8086+8087.由于有协 处理器8087，使得浮点运算的速度大为加快.计算机对每个采样点的处理时间不超过7s, 它完全适用于采样频率为100Hz的系统. 参考文献 1奥本海姆AV.董士嘉译.数字信号处理.北京：科学出版社，1980 2姜焕中.焊接方法及设备（第一分册）·北京：机械工业出版社，1981 3几木，奥村.新形高性能7-ヶ溶接用七之少COM-ARCⅡ，安川电机，1986，(2：25 4 Takeshi Araya D,Eng Masao Tsxji,.Tadashi Aso.电弧焊机器人新技术，机器人技术，机器人传感器译 文专辑（一），1987.44

匕 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 恤翻晚 表 刀姆 滤波器编号 通带截止频率 儿任 阻带截止频率 天 扭 横摆频率范 围 滤波器参数 碑曰 姆扭昭 划 云血， 可 。 印 印 印 印 印 蕊爪 续几 成几 簇几 讥 簇 同步信号 的获取 从表 中的 和 可 以看 出 ， 当焊枪在偏左或偏 右两种情 况下进行焊接 时 ， 其基 波 电流 的相 位 正好相 差 为 了判 断是偏左或是 偏 右 ， 必须 对这 两种情况 加 以 区分 关于 焊枪 的偏 左 、 偏右定 义 为 在 焊接过程 中从沿焊缝前进 的方 向看 ， 其 左 手 侧 为 焊缝 的 左边 ， 其右手侧 为焊缝 的右边 ， 并且还规定 焊接开始 时焊枪总是 向左摆 动 每 摆动 个周期定 义为 个段 对每段 的信号进行处理后 再 向机器人控制 器发 出修正 信号 这里是利 用每段 的最后 半个周期 对焊枪位置进行偏左偏 右 的判 断 如果每 段 的最后半 个周期 的基 波 分 量 在 正 半 周 ， 说明焊枪偏离 焊缝右 侧 ， 反 之 则偏 离左侧 如何从采集 数据来判 断每段周期 的起 始 ， 可 以 通过纪 录采样 点 的数 目来推 知焊枪 的运 动 状态 利 用 中的寄存器 作为采 样 点 计 数器 ， 每 采样 一 次 ， 计 数器 的值增 例如 当焊枪 的横摆频率 为 比 时 ， 摆完 第 一 段 所 花 的 时 间 为 二 ， 而 采 样 的频 率 为 ， 当采完 这段 的最后 一个采 样 点 时 ， 寄存 器 中的值 为 ， 那 么第 个 采 样 点 对应 的横摆将是第 二段 的开始 第 个采样 点 对应着第 三段 的开始 依此类 推 ， 从而 实现 了 与 横摆 同步 的 电流信号 的获取 结 语 该检测 系 统采用霍 尔元件检测 焊 接 电流 ， 再 经 模 数 转 换 器 转 换 为 位 数 字 量 ， 然后 经并 行接 口 进人计算机 计 算 机 的 采 用 了 由于 有 协 处理器 ， 使得 浮点运算 的速度 大 为加 快 计 算 机 对每 个 采 样 点 的处理 时 间不 超 过 ， 它完 全适用 于 采 样频率 为 的系 统 参 考 文 献 奥本海姆 董士 嘉译 数字信号处理 北 京 科 学 出版社 ， 即 姜焕 中 焊接方法及 设备 第 一分册 北京 机械工 业 出版社 ， 几木 ， 奥村 新形 高性 能 夕 一 夕 溶接用 七 夕 廿 一 安川 电机 ， ， 工欢留 担 ， ， 比明 电弧焊机器人新技术 机器人技术 ， 机器 人传感器译 文 专辑 一