為了驗(yàn)證圖像處理算法的精度， 采用了激光測距傳感器對焊縫的實(shí)際位置進(jìn)行了精確定位。

　　在工裝一側(cè)豎立一塊表面光滑且與焊縫平行的金屬板， 然后對機(jī)器人示教一條準(zhǔn)確的沿焊縫路徑，并在變形不大的厚板上進(jìn)行試驗(yàn)。 起弧后， 激光測距傳感器開始工作， 得到實(shí)時(shí)焊縫位置， 并與經(jīng)過圖像處理所得到焊縫位置進(jìn)行對比， 結(jié)果如圖3 所示， 中部的水平直線為示教焊縫路線， 折線為經(jīng)過圖像處理算法糾偏的焊槍實(shí)際路徑。

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　　對比顯示， 本文中圖像處理算法所得到的焊縫位置與實(shí)際焊縫位置的誤差在 0. 15 mm 以內(nèi)。

　　綜上所述， 根據(jù)試驗(yàn)分析和計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理本身固有的誤差， 可以確定本文研究的焊接過程的圖像處理方法的精度能夠控制在 0. 15 mm 范圍內(nèi)， 完全滿足實(shí)際焊接的需求。

　　1. 3 焊縫跟蹤原理及實(shí)現(xiàn)

　　跟蹤方法原理是， 固定視覺傳感器在焊槍正前方， 通過直接觀察焊槍與焊縫中心線的位置關(guān)系， 提取偏差信息， 輸出糾偏控制電壓。

　　由于鋁合金具有較強(qiáng)的反光性， 在熔池前端區(qū)域有一個(gè)反光區(qū)， 檢測的間隙與實(shí)際間隙大小差異很大， 甚至無法看清， 所以， 本次項(xiàng)目檢測的焊縫中心距離熔池中心具有一定距離， 需通過曲線擬合的方法才能計(jì)算出當(dāng)前焊接位置的焊槍與焊縫中心的偏差量， 如圖4 所示。

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　　1. 4 控制器設(shè)計(jì)

　　1. 4. 1 糾偏電壓與糾偏量關(guān)系建模

　　由于首鋼Mo toman 系列機(jī)器人糾偏卡是不開放的， 無法得知其運(yùn)動細(xì)節(jié)， 建模可以使該過程簡單化。 對糾偏系統(tǒng)進(jìn)行建模后， 使用Mat lab 的Simulink 工具對控制器進(jìn)行離線設(shè)計(jì)。 經(jīng)過試驗(yàn)， 在機(jī)器人運(yùn)動過程中，在單位時(shí)間內(nèi)隨機(jī)給出不同的糾偏電壓， 并記錄該糾偏電壓下的偏差量。 選取連續(xù)的3 組共383 對數(shù)據(jù)作為樣本空間。 使用Mat lab 對3 組數(shù)據(jù)進(jìn)行建模， 得到了1 個(gè)線性回歸模型， 其對3 組數(shù)據(jù)都有很高的適配度， 分別為82. 3% ， 97. 16% 和95. 99%.

　　1. 4. 2 模糊PID 控制器設(shè)計(jì)

　　為了研究糾偏對焊接效果的影響， 分別用1 V、1. 5 V、2 。 5 V、3 V 的恒定糾偏電壓信號進(jìn)行糾偏。 試驗(yàn)表明， 糾偏電壓為1 V 時(shí)， 由于糾偏力度太小， 雖然在執(zhí)行糾偏， 但是偏差仍舊越來越大， 甚至在末段由于偏差太大， 超出可糾偏范圍， 圖像處理程序出錯(cuò)， 得到錯(cuò)誤的偏差信號; 當(dāng)糾偏電壓是1. 5 V 時(shí)， 其表示出來的偏差情況與1 V 分析出來的一樣， 因此， 1. 5 V 仍然電壓偏小; 當(dāng)使用2. 5 V 糾偏時(shí)， 就沒有使用1. 5 V 時(shí)的偏差特征， 此時(shí)， 偏差基本上在0 附近波動; 當(dāng)糾偏電壓達(dá)到3 V 時(shí)， 偏差依舊在0 附近波動， 但是波動的幅值明顯增大， 實(shí)際上焊槍在焊縫附近產(chǎn)生了較大的振蕩， 必將導(dǎo)致較差的焊縫成形。

　　為了既保證穩(wěn)定焊接， 又能快速糾偏， 設(shè)計(jì)了模糊PID 控制器 。 該控制器的思想是， 在不同的環(huán)境下， 調(diào)整PID 3 個(gè)參數(shù)的值， 使糾偏系統(tǒng)滿足下列要求： 一是在偏差量較小時(shí)， 進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)， 以防止超調(diào)和保持系統(tǒng)穩(wěn)定為主要目標(biāo); 二是在偏差量較大時(shí)， 進(jìn)行大步長糾偏， 使鎢極盡快回到正常范圍附近， 響應(yīng)時(shí)間越短越好。

　　根據(jù)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性原則， 為了提高控制器的穩(wěn)定性和抗干擾性， 引入了誤差預(yù)測， 即偏差量對時(shí)間的2 階導(dǎo)數(shù)作為第3 輸入量， 將該模糊PID 控制器改進(jìn)為3 輸入3 輸出的控制器。

　　2 結(jié)果與分析

　　2. 1 平板直縫跟蹤試驗(yàn)結(jié)果

　　本文設(shè)計(jì)了如圖5 所示的雙折線路徑， 焊縫為2 塊無坡口平板對接焊縫， 沒有明顯間隙， 示教軌跡與真實(shí)焊縫的偏差量控制在6 mm 范圍內(nèi)。 其中，雙折線為實(shí)際示教路徑， 中間的平直線為實(shí)際焊縫路徑， 實(shí)際焊接路線為平直線周圍波動的曲線。

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　　試驗(yàn)結(jié)果表明， 跟蹤控制效果非常明顯， 盡管示教軌跡與焊縫中心有最大6 mm 的焊縫偏差， 但是通過焊縫自動跟蹤系統(tǒng)的糾偏調(diào)節(jié)， 使槍尖投影點(diǎn)與焊縫中心的偏差能夠控制在 0. 15 mm 范圍內(nèi)。

　　考慮到圖像處理的誤差， 實(shí)際跟蹤誤差在 0. 3 mm內(nèi)。