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1、摘 要焊接是制造业中不可或缺的一种技术，为了提高焊接质量，提高生产效率，节省人力，国内外焊接工作者一直在不断地采取各种方法进行研究，以实现焊接过程的自动化。实现焊接过程的自动化关键是研制一套高效率的焊缝自动跟踪系统。焊缝自动跟踪系统由三部分组成：传感器、控制器、执行机构。焊缝跟踪系统中传感器是最重要的组成部分，应用于焊缝自动跟踪系统中的传感器主要包括：电子式、光电式、电弧式和电磁感应式。而在焊缝跟踪系统的主要技术是焊缝的检测和控制算法。本论文设计了一套光电传感器式焊缝自动跟踪系统，该系统由光电传感器、控制系统和执行机构等组成。本文通过大量的实验，针对光电传感器在材料表面状态不同时输出信号相差较
2、大而导致跟踪失败的现象，提出采用加权比较的信号处理方法，提高了传感器的精度。在分析前人工作的基础上，本文提出了一种传感器旋转摆动模型。经过理论分析，建立了相应的数学模型，并在此基础上设计了符合系统要求的模糊控制系统。仿真研究表明，该模型不仅简单可靠，而且跟踪精度高。采用模糊控制技术，进一步提高了系统的稳定性与精度。关键词：焊缝跟踪；光电式传感器；模糊控制；AbstractThe technology of welding is absolutely necessary in manufacturing. In order to improve the welding quality and e
3、fficiency, and to save the manpower, the students of the domestic and foreign welding study continuously adopt many kinds of methods to develop welding research so that implement the welding automation. The key of the realization of welding automation is that a highly effective welding seam automati
4、c tracking system is studied. A welding seam automatic tracking system is that welding torch adjust warp along welding seam in order to the center of electric arc concentrate on the center of welding seam.A welding seam automatic tracking system mainly contains three parts: sensor、control system、eff
5、ective machine, and the sensor is the most important part. At present, the study of welding seam automatic tracking system is also based on the sensors choice in domestic and abroad. Mainly includes: electric type sensor、electric arc type sensor、electromagnetism induction type sensor. The main techn
6、ology of the system are testing and arithmetic of control.In this paper, a seam tracking system based on photoelectric sensor which consisted of a photoelectric sensor, a sub-system of control and executive machine is studied.Because the output from sensor is great different under the different stat
7、es of material surface, lots of photoelectric sensor failed to seam tracking. In this paper, a method of comparing the signal is put forward after a great deal experiments. And by this way, the precision of the photoelectric sensor has been great improved.Based on the analysis of previous work, a se
8、nsor-rotating model is puts forward in this paper. The author set up the corresponding mathematical model after theoretical analysis and designed a fuzzy control system. Simulation research indicates that it is simple and tried whats more it also has highly precise.The technique of fuzzy control imp
9、roves the system in stability and precision.Keywords: Seam Tracking；Photoelectric Sensor；Fuzzy Control目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪 论11.1课题研究的目的和意义11.2国内外焊缝自动跟踪技术研究发展的概况21.2.1焊缝跟踪技术在国外的发展状况21.2.2焊缝跟踪技术在我国的研究现状41.3本文的主要研究内容51.3.1研究对象51.3.2研究内容5第2章 实现焊缝跟踪的技术基础72.1光电传感器的工作原理72.1.1光敏二极管的工作原理72.1.2光敏三极管的工
10、作原理72.2跟踪系统的控制原理以及系统模型的提出82.2.1跟踪系统的控制原理82.2.2系统模型的提出92.3焊缝跟踪的控制方法102.3.1经典控制方法102.3.2模糊控制方法102.3.3其他控制方法102.4焊缝跟踪过程分析与数学建模112.5本章小结13第3章 光电传感器的设计与测试143.1 引言143.2 光电传感器的设计143.2.1 光电传感器的基本设计思路143.2.2 光电传感器的结构143.2.3 光电传感器的电路原理图153.2.4 传感器设计考虑到的问题以及解决办法153.3光电传感器的测试163.3.1 测试装置的设计163.3.2 传感器高度试验173.3.
11、3工件表面状态影响实验183.3.4 人工辅助线影响实验193.3.5 弧光影响实验203.3.6白线偏移实验203.4 本章小结21第四章 模糊控制器设计与仿真224.1 引言224.2 模糊控制器的设计224.2.1确定输入输出的模糊子集及其论域224.2.2 确定模糊变量的赋值表234.2.3 选择模糊控制规则244.2.4 建立模糊控制响应表274.2.5 模糊控制系统的建立294.3 模糊控制系统特性仿真与分析304.4本章小结33结 论34致 谢35参考文献36第1章 绪 论1.1课题研究的目的和意义 在金属制造业中，焊接是仅次于装配和机械加工的第三大产业。在工业发达国家，每年钢铁
12、产量的40%以上要通过焊接才能转化为最终的产品。自现代焊接技术问世以来，焊接生产的机械化、自动化和机器人化一直在不断发展之中。据统计，日本在1975年共有焊接工人460,930名，而1985年减少为335,600名，1990年则为210,800名，大约每10年减少2737%的焊接工人数。而日本工业机器人协会的统计表明，至1990年，在日本生产和销售的弧焊机器人已达到9,563台，点焊机器人为5,378台。对焊接材料用量的统计也显示，过去大约每10年手工药皮焊条的用量减少一半，而实心焊丝和药芯焊丝的用量则显著增加了1。这些数据表明，在过去的二十多年中，焊接工作不断地由手工操作转为自动、半自动焊接
13、乃至机器人焊接。手工焊接的场合依靠人的眼睛和手的配合来跟踪焊缝，而在自动焊接的场合则需要解决焊接熔池（或电弧）始终对准待焊焊缝的问题。由此可见，随着现代焊接生产的自动化程度越来越高以及机器人焊接技术的发展，对焊缝自动跟踪技术的需求也越来越迫切，这主要表现在三个方面2：（1）提高焊接质量由于待焊工件存在加工及装配的误差，焊接热过程引起的变形事先也难以预料，因此给定轨迹的目标控制（或程序控制）方式己无能为力，具有焊缝自动跟踪能力的自适应系统自然成为首选目标。在机器人焊接领域，国内外使用的弧焊机器人大多数仍是第一代示教再现式机器人，虽然这种机器人能够完成大量的重复性的工作，具有简单、直观、易于操作和
14、重复定位精度高等优点，但当变更工件的种类时，必须更换工装，这在小批量、多品种的生产中必然会造成成本过高的问题3，4。而且，由于焊接是一种热加工工艺过程，一些尺寸较大、刚性较差（如薄板）的工件在焊接过程中很可能会产生热变形，或者由于大型焊件的焊缝开口一致性不好，可能会导致实际的焊道偏离了预先示教的轨迹，此时，示教再现法就难以保证焊接质量。因此，虽然示教反馈式的传统型机器人己经有所应用，但是在精度要求更高和产品经常变化的场合是不合适的。因此需要研究开发能灵活移动，具有一定智能的焊接机械，以适应不同结构、不同的地点的焊接任务5。所以有必要加入自动跟踪装置以增强它们的适应性，发展配带传感器、智能化更加
15、灵活的制造系统的需求非常迫切。（2）改善焊接工人的工作条件由于焊接过程产生强烈的热、烟尘和弧光，导致现场工作环境非常恶劣，对工人的体能消耗很大，而且焊接现场的空气污染电磁污染和强烈的弧光辐射会对工人的健康造成危害。采用自动化、机器人化的焊接系统是将人从手工焊接的恶劣环境中解放出来的根本途径。在发达国家，手工焊接只占40%左 右，而在我国则高达60%以上。未来这一部分由手工操作的焊接工作将由自动化焊接装置来完成。由此可见，自动焊接装置和工业机器人在焊接领域的应用有着非常广阔的前景，进而催生了对焊缝自动跟踪系统的需求。（3）提高生产率手工焊接的效率很低。据统计，工人实际焊接的时间不足其工作时间的30%3，而且手工焊接质量受操作者人为因素的影响大，不能维持产品质量的稳定。毫无疑问
