机械毕业设计779焊缝自动跟踪系统-焊接小车设计论文 - 副本

焊缝自动跟踪系统研究与设计
郑洁霁
【期刊名称】《电子制作》
【年(卷),期】2024(32)9
【摘要】在现代制造工业中,焊接是一项重要技术。

传统的人工焊接方式受操作工人技能水平、环境因素、设备参数等影响较大,不能保证焊接质量与速度。

本文研究设计了一种高性能的焊缝智能跟踪系统,通过相机得到焊缝的图像并对其进行图像处理从而得到焊缝的特征信息,控制电机调整焊枪的位置,实现自动识别和跟踪的功能。

实验证明,本系统工作可靠、精度较高,满足工程现场要求,为智能焊接生产打下了基础。

【总页数】4页(P81-83)
【作者】郑洁霁
【作者单位】嘉兴职业技术学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP3
【相关文献】
1.焊缝自动跟踪Fuzzy-PI多模控制系统研究
2.管道多层自动焊焊缝记忆跟踪系统研究
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5.基于激光视觉检测的焊缝自动跟踪系统研究
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第1章绪论1.1课题研究的目的及意义焊接是制造业中最重要的工艺技术之一。

它在机械制造、核工业、航空航天、能源交通、石油化工及建筑和电子等行业中的应用越来越广泛。

随着科学技术的发展，焊接已从简单的构件连接方法和毛坯制造手段，发展成为制造业中一项基础工艺，一种生产尺寸精确的产品的生产手段。

传统的手工焊接已不能满足现代高技术产品制造的质量、数量要求。

因此，保证焊接产品质量的稳定性、提高生产率和改善劳动条件已成为现代焊接制造工艺发展亟待解决的问题。

电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展为焊接过程自动化提供了十分有利的技术基础，并已渗透到焊接各领域中。

近20年来，在半自动焊、专机设备以及自动焊接技术方面已取得了许多研究和应用成果，表明焊接过程自动化已成为焊接技术新的生长点之一。

从21世纪先进制造技术的发展要求看，焊接自动化生产已是必然趋势。

焊接机器人的诞生是焊接自动化革命性的进步，它突破了焊接刚性自动化的传统方式，开拓了一种柔性自动化的生产方式，从而使中小批量的产品自动化焊接成为可[1]。

焊接机器人已经广泛应用于汽车、工程机械、摩托车等行业，极大地提高了焊接生产的自动化水平，使焊接生产效率和生产质量产生了质的飞跃。

同时改善了工人的劳动环境[2]。

但是，现在焊接领域中自动化程度最高的手臂式机器人在使用时有两个局限性：一个是它的活动范围较小，因为它像一个手臂，手臂长1.5~2米，也就是其活动半径，所以焊接的工件不能太长，最大范围也不能超过2米。

二是它必须用编程或示教进行工作，对不规则的焊缝，特别是在焊接过程中焊缝发生形变时，则很难适应。

然而，许多大型工件体积非常庞大，而且必须在工地和现场进行焊接。

例如：石化工业中的大型储油罐、球罐，造船业中的各种轮船，对这类产品的焊接，就很难实现自动化，许多建设工作仍然采用人工焊接[3]。

因此，给焊接机器人加装各种传感器，使它们具有焊接路径自主获取、焊缝跟踪以及焊接参数在线调整等能力，具有很高的实用价值。

焊缝自动跟踪系统中的智能控制作者：关泰林李学名来源：《电子乐园·上旬刊》2019年第01期摘要：为了保障焊接工作顺利进行，必须实行正確的焊缝自动跟踪技术。

焊缝自动跟踪系统就是基于对焊缝技术的研究，采取前馈随动系统，进行焊接工作。

前馈随动系统可以减少工程工作中的人力物力的浪费，使得焊接工作更加简单方便，同时还可以实现焊缝自动跟踪功能。

智能控制在焊缝自动跟踪系统中有广泛应用，随着传感器越来越具有高精度特性，焊接效果也越来越好。

焊缝自动跟踪系统中的智能控制有模糊控制和神经网络两种，本文介绍了焊缝自动跟踪系统，并对焊缝自动跟踪系统中的模糊控制和神经网络两种应用做简单概述，希望能给相关人士提供借鉴。

关键词：焊缝自动跟踪系统;智能控制;传感器;模糊控制与传统的人工焊接技术相比，如今的焊接技术融入更多智能化技术，凭借焊接机器人设备为工作载体，实现焊缝自动跟踪。

焊缝自动跟踪系统是一种借助传感器的应用系统，系统的智能化水平很大程度上依赖于传感器的效能，这项改进可以使焊接工作不再过分依赖于高技术焊接技术人员，机器就可以生产高质量的焊接产品。

一、焊接跟踪系统分析从宏观上来看，焊接跟踪系统由两个类别，分别为程序控制系统和前馈随动系统[1]。

程序控制系统指的是早期产生的简单的焊接系统，程序控制系统采用实现预定焊接轨迹的方法，该系统大都应用在焊接成果为固定矩形的加工工件上，此类型工件显著特征为不用调节任何形状。

程序控制系统对于人力物力的耗费极大，因为他要求高精度的焊接成果，并且有一些焊接成果形状难以用几何数学的方法求得。

为了解决这个弊端，近代以来，对于焊接工作科研人员提出一种新型的焊接系统为前馈随动系统。

前馈随动系统可以对焊接工件进行实时控制，利用高精度传感器将焊接过程记录下来。

这种实时系统由三个部件构成，分别为控制器、偏差信号传感器和跟踪机构。

系统的控制有三个信号决定：参考输入、被控量和噪声干扰项。

焊缝自动跟踪系统的难点在于如何实现自动踉踪以及保证跟踪的准确度，在工作中变化最大的就是焊接线的变化。

焊接技术论文(9篇) -其他范文焊接技术论文11.焊接小车焊接小车是实现自动焊接过程的驱动机构，它安装在焊接轨道上，带着焊枪沿管壁作圆周运动，是实现管口自动焊接的重要环节之一。

焊接小车应具有外形美观、体积小、重量轻、操作方便等特点。

它的核心部分是行走机构、送丝机构和焊枪摆动调节机构。

行走机构由电机和齿轮传动机构组成，为使行走电机执行计算机控制单元发出的位置和速度指令，电机应带有测速反馈机构，以保证电机在管道环缝的各个位置准确对位，而且具有较好的速度跟踪功能。

送丝机构必须确保送丝速度准确稳定，具有较小的转动惯量，动态性能较好，同时应具有足够的驱动转矩。

而焊枪摆动调节机构应具有焊枪相对焊缝左右摆动、左右端停留、上下左右姿态可控、焊枪角度可以调节的功能。

焊接小车的上述各个部分，均由计算机实现可编程的自动控制，程序启动后，焊接小车各个部分按照程序的逻辑顺序协调动作。

在需要时也可由人工干预焊接过程，而此时程序可根据干预量自动调整焊接参数并执行。

2.焊接轨道轨道是装卡在管子上供焊接小车行走和定位的专用机构，其的结构直接影响到焊接小车行走的平稳度和位置度，也就影响到焊接质量。

轨道应满足下列条件：装拆方便、易于定位；结构合理、重量较轻；有一定的强度和硬度，耐磨、耐腐蚀。

轨道分为柔性轨道和刚性轨道两种。

所谓刚性轨道就是指轨道的本体刚度较大、不易变形，而柔性轨道则是相对刚性轨道而言。

两种类型的轨道各自有各自的特点。

刚性轨道定位准确、装卡后变形小，可以确保焊接小车行走平稳，焊接时焊枪径向调整较小，但重量较大、装拆不方便。

而柔性轨道装拆方便、重量较轻，精度没有刚性轨道高。

3.送丝方式送丝的平稳程度直接影响焊接质量。

送丝方式可以简单分为拉丝和推丝两种方式。

拉丝时焊枪离送丝机的安装位置较近，焊接过程中焊丝离开送丝机后受到的阻力较小，因此可以保证送丝过程平稳，但送丝机和焊丝盘均须安装在焊接小车之上，增加了焊接小车的重量，给人工装拆增加了困难，重量增加还容易造成焊接小车行走不平稳。

基于光电传感器的智能焊缝跟踪系统的设计摘要焊接自动化具有提高生产效率，优化产品质量和改善劳动条件等优点，能够大力促进制造业经济的发展，而焊缝跟踪技术是实现焊接自动化的必要技术，因此，发展焊缝跟踪技术具有重要意义。

本文设计的光电传感器式焊缝自动跟踪系统有三个主要部分组成，即光电传感器，控制系统和执行机构三个主要部分。

控制系统是基于MSC-51的单片机系统，跟踪执行机构系统由焊接小车和双十字滑架组成。

对于常态表面状态和打磨表面状态下的工件，系统针对性地采用两种不同的信号采集和处理方法：对于表面常态下的工件，采用了加权比较的信号处理方法；对于表面打磨的工件，采用了另一种信号处理方法——信号差值比较的方法。

因此，这两种方法的综合使用可以有效地提高传感器的准确性和适应性。

在分析前人实验经验的基础上，本系统的执行机构采用的是小车配合双十字滑架的模式。

系统经过理论分析，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-PID控制系统。

模糊-PID控制系统采用开关切换控制的方式，在大误差范围内采用PID控制，在小误差范围内则转换成模糊控制，两者的转换由微机程序根据事先给定的误差范围自动选择切换。

仿真设计表明，该模型不仅简单可靠，而且跟踪精度高。

相关的焊接实验与仿真表明，光电传感器式焊缝自动跟踪系统总体上达到了设计要求，具有深入开发的潜力。

关键词：光电传感器；焊缝跟踪；单片机；模糊-PID控制AbstractWelding Automation has the advantages of increasing production efficiency,optimizing product`s quality and improving working conditions,etc.So it canvigorously promote the economic development of the manufacturing.Thedevelopment of the seam tracking technology which is a necessary for the weldingautomation technology has a great significance.In this paper,Seam Tracking System Based on Photoelectric Sensor has threemain components,namely,Photoelectric Sensor,a sub-system of control and theexecutive machine.The whole control system is consists of MSC-51 microcomputerhardware and the corresponding control software.The executive machine has twoparts,one of parts is called welded car,the other is the double-cross slider machine.the system has two different signal acquisition-processing methods for thedifferent surfaces of workpiece:For the normal surface of the workpiece,it uses themethod of comparing the signal;for the polished surface of the workpiece,it useanother different kind method of signal processing—subtraction-divided method.Therefore,it can effectively improve the accuracy and adaptability of thephotoelectric sensor by these ways.Based on the experience,the executive machine is made up by welded car anddouble-cross slider machine.By the theoretical analysis of the system,we establishthe corresponding mathematical model,and design the Fuzzy-PID control systemwhich can meet the requirements of the system.Fuzzy-PID control system uses aprogram switch to convert.when the warp detected is big,the Proportional control isapplied;when the warp detected is small,Fuzzy technology is applied.Theconversion of program switch is decided by the warp range.By the simulation,itshows that these methods are not only simple and reliable,but also more accurate forthe seam tracking.After the welding experiment and simulation,it shows that seam tracking systembased on photoelectric sensor can meet the requirements of designing generally,it candevelop more better in the future.Key Words: Photoelectric Sensor；Seam Tracking；Microcomputer；Fuzzy-PID Control目录摘要 (I)ABSTRACT (II)第一章绪论.............................................................................. (1)1.1选题依据及课题意义........................................................... . (2)1.2国内外设计现状.................................................................... .. (2)1.2.1焊缝自动跟踪技术概述............................................... ................. .. (3)1.2.2焊缝跟踪传感器的发展状况 (3)1.2.3焊缝自动跟踪中控制理论发展概况........................... .. (6)1.2.4焊缝跟踪伺服系统和执行机构................................. . (10)1.3本文设计的主要内容.......................................................... ................. (10)第二章光电传感器的设计..................................................... . (12)2.1光电传感器的组成和原理................................................. ................. .. (12)2.1.1光电传感器的元件组成............................................ ................. . (12)2.1.2光电传感器的电路设计............................................. ................. (13)2.1.3传感器元件的选择和工作特性................................. ................. . (14)2.1.4光电传感器的工作原理............................................. ................. (15)2.2影响光电传感器工作的因素.............................................. . (16)2.2.1传感器高度实验......................................................... . (16)2.2.2工件表面状况影响实验............................................. ................. (17)2.2.3人工辅助线影响实验................................................. ................. .. (18)2.2.4弧光影响实验............................................................ ................. .. (18)2.2.5白线偏移实验及数据处理........................................ ................. . (19)2.3工件表面打磨状态下传感器信号采集实验..................... ................. (22)第三章硬件选择及系统整体组成......................................... . (25)3.1焊接小车和执行机构......................................................... ................. . (25)3.1.1焊接小车..................................................................... ................. . (25)3.1.2执行机构.................................................................... ................. (25)3.1.3十字滑架步进电机驱动控制电路............................. .. (27)3.2 MSC-51单片机系统......................................................... ................. (29)3.2.1单片机的P口分配..................................................... ................. .. (29)3.2.2单片机存储空间分配................................................. ................. .. (29)第四章焊缝跟踪控制系统 (31)4.1数学模型的建立.................................................................. ................. . (31)4.1.1控制原理..................................................................... ................. .. (31)4.1.2数学模型..................................................................... ................. .. (32)4.2控制器的设计...................................................................... ................. . (34)4.2.1 Fuzzy-PID复合控制器............................................ ................. . (34)4.2.2 PID控制部分............................................................ ................. (37)4.2.3模糊控制器的设计.................................................... ................. .. (37)4.3仿真与分析......................................................................... ................. .. (45)第五章结论和分析.................................................................................. .. (50)5.1光电传感器式焊缝自动跟踪系统的设计结论................ ................. . (50)5.2进一步设计的建议............................................................. ................. (50)参考文献.................................................................................. ................. . (51)附录：中文翻译和外文资料 (52)致谢........................................................................................... ................. .. (59)第一章绪论1.1选题依据及课题意义焊接技术作为一门综合性应用技术，具有多学科交叉融合的特点。

焊机焊缝跟踪装置结构及控制系统设计摘要:长直轨道焊接在工业焊接技术中的十分常见，但是焊接小车在焊接系统中是不可缺少的设备，其启动性能如何和运行速度是不是平稳直接影响到焊接质量。

本文设计的是一台应用于实际焊接场所的基于单片机控制的焊接小车，此设备主要应用于长直轨道的焊接场所中。

该焊接系统采用了单片机和外部硬件电路相结合的控制方式，当中单片机是该系统的控制核心，系统首先通过控制电路输出模拟信号，然后经模数转换器将其转换为数字信号，数字信号接到单片机相应的接口，通过编程对整个系统进行控制，电机前安排了驱动电路，作用于驱动步进电机，电机经过减速器把转矩输送到小车的轮轴上。

在焊接自动化系统中，焊接小车速度的控制直接影响着焊件的焊接质量，本系统对焊接速度的控制十分精确，十分精确地解决了这个问题。

本文提出的采用单片机控制步进电机的方案，可依据设计需要，通过控制电路的三个相应开关实现对焊接小车的转速、正反转、停止及启动等工作状态进行控制，具有实时性以及交互性的特点，从而提高了焊接生产效率。

关键词：焊接小车，单片机控制系统，步进电动机Abstract:Long straight track in the welding industry in welding technology are very common,and welding car in the welding system is essential equipment, how to start performance, speed dire ct impact on whether a smooth welding quality.This paper is designed for a welding places based on the actual control of the microcontrol ler welding car, the device used in the track's long straight welding in place. The welding system u ses a single chip and external hardware circuit combination of control, of which SCM is the core of the control system, the system first of all by controlling the circuit output analog signals, then the ADC will convert them to digital signal , The digital signal from the corresponding MCU interface, through the programming of the whole system of control, pre-arranged a motor drive circuit, used t o drive stepper motor, motor reducer, as the torque transmitted to the car's axle On.Welding Automation System, welding car speed control direct impact on the welding of the welding quality of the welding speed of the system of control is very accurate, very good soluti on to this problem. The proposed use of SCM stepper motor control programmes, as required, from the three corresponding control circuit switching to achieve the speed of the car welding, positive a nd stop and start the work, such as state control, with real-time and Interactive features, improvedwelding productivity.Key words:Welding car，SCM Control System，Stepper motor第一章绪论一、焊缝跟踪装置研究的现实意义依照国家统计局发布的《2012年国民经济和社会发展统计公报》，我国2012年粗钢产量为7.2 亿吨，按照我国焊接用钢量为30%的比率计算,焊接结构的钢材量接近2.7 亿吨。

焊接机器人实时焊缝跟踪控制系统研究焊接机器人实时焊缝跟踪控制系统研究摘要：焊接机器人实时焊缝跟踪控制系统是现代焊接技术的重要组成部分，具有提高焊接精度和效率的关键作用。

本文通过对焊接机器人实时焊缝跟踪控制系统的研究，探讨了焊接机器人在焊接过程中如何实时跟踪焊缝，并通过相应的控制方法来保证焊接质量。

1. 引言焊接机器人是目前工业领域中广泛应用的自动化设备，具有高效、精确、灵活等特点，因此被广泛应用于各类焊接任务。

然而，在焊接过程中，焊缝的位置、形状等因素会对焊接质量产生重要影响，因此实时焊缝跟踪控制系统的研究对于提高焊接质量具有重要意义。

2. 焊接机器人实时焊缝跟踪方法2.1 传统方法传统的焊接机器人实时焊缝跟踪方法主要基于传感器的数据反馈，通过采集焊缝的位置和形状等信息，从而实现机器人的实时跟踪控制。

这种方法相对简单，但受到环境光线、表面反射等因素的干扰，容易造成跟踪偏差。

2.2 视觉方法视觉方法通过摄像设备采集焊缝的图像信息，并利用图像处理和计算机视觉算法来提取焊缝的特征信息，从而实现机器人对焊缝的实时跟踪。

这种方法具有较高的精度和稳定性，但对于焊缝的特征提取要求较高，且计算量较大。

2.3 深度学习方法深度学习方法是近年来焊接机器人实时焊缝跟踪控制系统研究的热点之一。

深度学习模型通过训练大量数据集，可以自动提取焊缝的特征信息，并具有较高的识别精度和鲁棒性。

但深度学习方法需要大量的数据和计算资源，并且对于焊接过程中光线、烟雾等影响因素的鲁棒性较差。

3. 焊接机器人实时焊缝跟踪控制系统的优化为了优化焊接机器人实时焊缝跟踪控制系统，提高焊接质量，本文对传统方法、视觉方法和深度学习方法进行了研究和比较，并提出了以下优化方案：3.1 传感器的优化选择适合焊接过程的传感器，并对传感器的数据进行滤波和校准，提高传感器的精度和稳定性，减少干扰。

3.2 图像处理算法的优化优化图像处理算法，提高对焊缝的特征提取能力，并提高算法的运行效率，增强系统的实时性。

收稿日期:2000-05-07 作者简介:梁明(1974—),男,江西人,现在华南理工大学机电工程系材料加工工程专业攻读博士。

焊缝自动跟踪系统中的智能控制梁　明,王国荣,石永华,刘　桑(华南理工大学机电工程系,广东广州510641)摘要:从控制方式的角度对焊缝自动跟踪系统进行分析,确认大多数焊缝跟踪系统是一种前馈随动系统。

介绍了模糊控制和神经网络在焊缝跟踪中的应用。

关键词:焊缝跟踪;模糊控制;神经网络中图分类号:TG 43919 文献标识码:A 文章编号:1001-2303(2000)08-0017-04I ntelligent control in the w eld seam tracking system LI ANG Ming ,W ANG G uo -rong ,SHI Y ong -hua ,LI U Sang(Department of Mechatronic Engineering ,S outh China University of T echnology ,G uangzhou 510641,China )Abstract :In view of controlling method ,m ost of the weld seam tracking systems are classified as the programmed control system and the feed -forward control system.The application of fuzzy control and artificial neural netw ork in the weld seam tracking is introduced.K ey w ords :weld seam tracking ;fuzzy control ;artificial neural netw ork1　前言众所周知,实施正确的焊缝跟踪是保证焊接质量的基本条件。

焊缝跟踪系统简介焊缝跟踪系统是一种自动化设备，用于跟踪焊缝的位置，控制焊接机器人或激光焊接机的运动，保证焊接质量，提高焊接效率。

该系统常用于汽车工业、航空航天工业等领域。

功能焊缝跟踪系统可以自动识别焊缝位置和形状，实现焊接轨迹的自动规划和控制，避免人为因素对焊接质量的影响。

常见的焊缝跟踪系统有激光焊接跟踪系统和焊接机器人跟踪系统。

激光焊接跟踪系统激光焊接跟踪系统是利用两个激光发射器形成的光线在焊缝上形成一条光线。

通过摄像机识别光线，并计算出光线与焊缝的距离和角度，并将这些数据输入到焊接控制系统中，从而控制激光焊接机在焊接过程中自动调整焊缝位置。

焊接机器人跟踪系统焊接机器人跟踪系统是基于视觉传感器实现的。

该系统通过视觉传感器获取焊接工件信息，如焊缝位置、高度和宽度等，从而我们可以预先设置焊接机器人的轨迹和焊接参数，达到自动焊接的目的。

该系统在焊接不规则形状的焊缝时具有很大的灵活性和自适应性。

其他特点除了基本的焊缝跟踪和控制功能外，还有许多其他特点和增强功能。

自适应焊缝跟踪系统可以根据不同的焊接工件形状和位置进行自适应调节，提高焊接质量和效率。

精度高焊缝跟踪系统采用高精度传感器，可以实现焊缝位置的精确测量和控制，提高焊接的稳定性和一致性。

交互性现代的焊缝跟踪系统配备了用户友好的交互界面，可以通过触摸屏等方式轻松地进行设备配置和操作。

应用领域焊缝跟踪系统可以应用于以下领域：•汽车制造业：焊接汽车车身和底盘。

•航空航天工业：焊接飞机结构和部件。

•电子制造业：焊接电子元器件。

•其他：如船舶制造、建筑结构等。

发展趋势随着焊接技术的进步和产业的发展，焊缝跟踪系统也在不断地发展和进化。

目前，焊缝跟踪系统正向更高的自动化、智能化和高精度发展。

未来，该技术将应用于更多的领域，并为生产效率与品质提供新的保障。

焊缝自动跟踪系统的设计0804104班曲竹闽张宁一、设计内容有一块铁板上有一条裂缝，要求设计一套装置，能够自动沿缝运动，以便将裂缝焊好。

设计过程中应充分考虑焊接时产生的光和热对系统运行的影响，设计的装置能够沿缝从头到尾运动一边就认为可以把焊缝焊好。

设置的装置能适应的铁板尺寸由设计者确定，但原则上应适应任意裂缝。

系统工作前可人工辅助，但一旦工作应自动完成任务。

二、摘要本论文将设计一套可以自动跟踪焊缝的焊接系统，详细讨论焊接过程中常用的机械结构、传感器、执行机构、控制方法等问题，并详细叙述系统中各部件的选择和整套系统的工作过程和工作原理。

关键字：自动跟踪传感器执行机构控制系统三、正文（一）系统功能概述本套系统只设置了一个开关，即启动系统开关。

在焊接之前，需要人为将需要焊接的有裂缝的铁板放置在焊接平台上，并用固定装置加以固定。

之后开启启动系统开关，系统会自动初始化，并将焊接小车（焊枪和传感器等装置固定在一起形成的装置）运动到（0，0）点。

之后系统开始扫描，扫描过程中系统会驱动焊接小车扫描铁板，扫描结束后，系统会自动驱动焊接小车回到（0，0）点。

焊接小车返回零点后，系统会自动开始焊接。

焊接过程中系统会驱动小车沿焊缝运动，直至焊接小车运动到铁板边沿。

焊接技术后，系统自动回到初始化状态，等待下一次指令。

使用者可等待铁板冷却后松开夹紧装置，将铁板取下。

（二）系统设计方案在焊接系统设计的过程中，我们考虑到焊接时会产生大量的热和强光，会对系统造成十分强烈的干扰，所以在自动跟踪系统的传感器方面，我们选择了非接触式传感器，以避免由于焊接过程中产生的光和热影响传感器的正常工作。

然而，由于焊接环境不确定，使用何种焊接工艺亦不确定，所以我们根据所查资料，设计了2套自动跟踪焊缝的焊接系统，以便使用者根据不同的情况加以选择。

2套焊接系统的主体结构均相同，只是在传感器的选择方面一种使用了超声波传感器，而另一种使用了CCD光学传感器。