基于光电传感器的智能焊缝跟踪系统的设计说明书论文大学论文文档格式.docx

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2.1.2光电传感器的电路设计4

2.1.3传感器元件的选择和工作特性4

2.2影响光电传感器工作的因素6

2.2.1传感器高度实验6

2.2.2工件表面状况影响实验7

2.2.3人工辅助线影响实验7

2.2.4弧光影响实验8

2.2.5白线偏移实验及数据处理9

第三章硬件选择及系统整体组成12

3.1MSC-51单片机系统12

3.2单片机的P口分配12

3.3单片机存储空间分配12

第四章焊缝跟踪控制系统14

4.1控制原理14

4.2数学模型14

4.3控制器的设计15

4.4Fuzzy-PID复合控制器16

4.5PID控制部分17

4.6仿真与分析18

心得19

参考文献20

第一章绪论

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。

焊接技术的自动化、柔性化与智能化是未来焊接技术发展的必然趋势。

采用机器人焊接不但可以提高生产率、改善劳动条件、稳定和保证焊接质量、而且可以实现小批量产品的焊接自动化。

随着科学技术的不断发展，和对产品质量要求的不断提高，弧焊机器人正朝着“高效化、自动化、智能化、柔性化”的方向发展，所采用的传感器多是电弧传感器或光电传感器。

但从整体上看，目前国内外大量应用的弧焊机器人系统基

2.本文设计的主要内容

（1）设计并自制光电传感器，分析哪些主要因素影响传感器的精准度和灵敏度，最终确定传感器的最佳工作状态。

（2）为了进一步提高传感器识别的精确度和灵敏度，使之能够对工件不同表面状态的焊缝保持一定的跟踪精度，需要改进光电传感器的信号采集和数据处理方式。

第二章光电传感器的设计

2.1光电传感器的组成和原理

2.1.1光电传感器的元件组成

光电传感器核心元件主要有两部分组成，一部分是光源，也就是发光器件，我们在这里选用发光二极管;

别一部分是对光源发出光的接受元件，也就是光敏元件，我们在这里选用光敏三极管作为接受元件。

对于发光器件，我们选用发光二极管，发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。

当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N

区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。

不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。

当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。

它们具有以下几种特点：

发光（能量转换）

效率高，反应（开关）时间快——可以达到很高的闪烁频率，使用寿命长,耐震荡等机械冲击，体积小，便于聚焦。

本实验中作为接受元件的光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。

当具有光敏特性的PN结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于β倍的信号电流。

因此，它与光敏二极管相比，具有更大的光电流放大作用，也即有更高的灵敏度。

光敏三极管工作原理图如下图2-1所示。

图2-1光敏三级管的工作原理图

2.1.2光电传感器的电路设计

由光敏三极管的工作原理，我们可以知道，光敏三极管在一定的光强度照射时，它处于导通准状态，当在一定的有效范围内时，光强度增大（或减小），光敏三极管的电阻也就减小（或增大），当与它串联的电阻一旦选定确定时，每

一个并联支路中的电流的大小就由光敏三极管中的电阻决定，进而与光敏三极管串联的电阻的

两端电压也随之而改变，我们通过测量并联支路中串联电阻的两端的电压的大小来反映并联支路的电流导通的情况，也即串联电阻的两端电压能间接反映出照射到光敏三极管的光强度。

如光电传感器的电路图2-2所示，我们只需要测出电路中L，M和R端的电压就能间接的知道三个光敏管的光强度。

图2-2光电传感器的电路原理图

2.1.3传感器元件的选择和工作特性

为了有效的准确的反映出焊缝的偏移状况，那么三个发光二极管发出的光强度应该尽量一致，但实际上发出的光强度完全一样的三个发光二极管是不存在的，我们只能在允许一定的误差内，选择发光强度尽量相近的就行。

因此，我们在大量同样规格的发光二极管中选出性能尽可能相近的三个。

同理，光敏三极管的选定也是依据这个原则选择，三个光敏三极管的特性大抵相同，且都在其光电特性曲线的线性区内工作，如光线太强，超出光敏管的线性区，则出现饱和现象，传感器无法在饱和区内感应出光强度的变化；

如光线太弱，也同样不在光敏管的线性内，既不敏锐，也不能有规律反映出光强度的变化。

所选用的光敏管的光电特性曲线如下图2-3所示。

图2-3光敏三极管的光电特性

’2.1.4光电传感器的工作原理

首先，为了更加有效的检测出焊缝，我们在焊缝上画一条人工辅助白线，然后利用我们设计的光电传感器检测人工辅助白线，根据人工白线的不同偏差情况，传感器相应的输出不同的偏差信号。

光电传感器内装有三只发光二极管和三只光敏三极管。

它的工作原理[]如下：

发光二极管发出的光照到工件表面上反射回来被光敏三极管接受，根据白线处反光量较大的原理，离白线最近的光敏三极管输出的电流信号比另外两只光敏三极管要强，因此与其串联的电阻输出的电压信号也就更高。

这样，我们只要对光电传感器输出的信号（也即图2-2中L，M，R端的电压）做一比较，就能反映出焊缝实际偏差情况，工作原理如图2-5所示。

图2-5光电传感器的工作原理图

2.2影响光电传感器工作的因素

要确定系统中传感器的最佳工作状态，首先需要明确有哪些因素会明显地影响传感器数据采集的准确度和灵敏度，经分析，主要影响因素有：

传感器的硬件特征，焊接钢板种类，传感器与焊接钢板的高度，焊接钢板的表面状况，焊接钢板有无人工辅助线，以及人工辅助线的宽度等因素，以下就对各因素分别展开实验。

为了验证传感器工作的可靠性，我们重复了其传感器高度、人工辅助线等实验，以此作为进一步改进传感器性能的基础。

2.2.1传感器高度实验

传感器与焊缝钢板的高度直接影响到系统焊缝跟踪的精度，这个实验就是要确定传感器的最佳高度。

实验方法如下：

1、传感器（可以固定在小车的十字滑架上）竖直垂直于水平的白线，且传感器中间的发光二极管和光敏管正对白线。

2、调节传感器底端与钢板的距离（如4mm），再用万用表测量中间光敏管的输出电压；

3、改变传感器的高度（如高度分别为6mm,8mm时），相应的测量出中间光敏管的输出电压。

4、将传感器水平移动，使中间光敏管偏离白线，并测量出相应的电压。

5、将以上数据记录成表。

传感器在每个高度状态（如高度为4mm）下其输出电压都测试3次，并将取得的3个数据取中值。

实验的数据结果如上表2-1所示。

表2-1传感器高度实验数据

从以上表中数据，我们可以看出传感器的高度为4mm时，三个光敏管能同时达到比较理想的灵敏度。

高度越小，传感器越灵敏，但如果太近，移动的传感器容易与表面不平的工件发生接触摩擦，损坏传感器。

高度太大时，三个传感器的灵敏度都降低。

所以，通过实验，我们把传感器与焊缝钢板的高度定为4mm。

2.2.2工件表面状况影响实验

为了检测传感器在各种不同表面状况下是否能依然正常工作，我们做工件表面状况影响实验。

我们这里用的焊缝钢板是Q235-A,钢板的表面状况分为：

工件表面状况一般，表面有油污，表面有铁锈以及表面经过打磨四种情况，分别对这四种情况[]的做传感器探测实验，并将实验得出的数据绘制成表2-2所示。

表2-2钢板不同表面状态实验

从以上实验数据可知，传感器对表面普通、油污及铁锈的工件能有效地工作，虽然工件表面状况不同，但输出的信号都呈线性规律，即信号都能用相同的数学处理方法。

不同与前面三种情况，工件表面打磨时，工件有白线得到的信号反而比没白线时的要小，原因主要是：

钢板经过打磨，表面会比较平整，类似于镜面，容易产生镜面反射，而添加的白线会削弱镜面反射能力，因而信号要小，也不呈现前面状况的信号规律。

2.2.3人工辅助线影响实验

由于受光电传感器本身局限的影响，为了提高光电传感器的准确性和灵敏性，我们在工件上增加一条人工辅助线，为了能够确定人工辅助线的宽度和颜色对传感器信号的影响程度，我们进行了人工辅助线影响实验。

传感器的高度为4mm，实验工件为碳素钢钢板。

人工辅助线的颜色分红、白两种，线宽分4mm、2mm两种。

实验方法和步骤参考前面的传感器高度实验，实验数据见下表2-3所示。

、

2-3人工辅助线影响实验数据

由以上实验数据可以看出，人工辅助线对传感器信号影响是明显的。

相比红色人工辅助线，白线在提高传感器灵敏度方面更具优势，因此使用白线作为本实验的人工辅助线。

辅助线太粗，传感器跟踪精度下降；

如果太细，感应信号又不明显。

由以上实验数据来看，我们选用宽度为4mm左右的白色人工辅助线，现实中并不要求白线任一处的宽度都精确为4mm，即达不到，也不必达到——它只是条辅助线，经数学处理后并不影响最后的控制效果。

而要画一条4mm左右宽度的白线并不是很难实现，只需要用一根直径大约是4mm左右的粉笔就行，正常条件下大部分人用粉笔画线时都实现4mm左右的宽度。

因此，增加人工白线能改善传感器的灵敏度和精度，且操作简单可行。

2.2.4弧光影响实验

在室内正常光照条件下，不管是室内是亮还是暗，传感都能正常工作，因为传感器光敏管接受的光主要来自传感器发光二极管发出的反射光。

但弧光对传感器的影响就要考虑在内了：

一方面，弧光部分光谱处于光敏管接受光谱范围内，需要特殊过滤；

另一方面强烈的弧光还有可能使光敏管直接处于电流饱和的工作状态，无法检测出白线偏移状况，这种情况下，更谈不上对信号进行数学方法。

为了解决这个问题，我们目前采用机械遮挡的方法，用橡胶把传感器的底端围一圈，橡胶底端与工件距离不能大于1mm。

这样，柔软的橡胶即使与不平的工件表面发生摩擦，也不会影响传感器的正常移动，且橡胶更换简单，成本低。

实验方法：

传感器高[]度为4mm，工件为普通碳素钢钢板，白线宽度为4mm，参照前面的实验方法和步骤，按下表2-4所示条件进行相关的实验，并将实验所得填入表中。

实验详细数据见表2-4。

表2-4弧光影响实验数据

由以上实验数据可知，橡胶遮挡的条件下，传感器输出信号没有出现大的或者无规律的波动，无橡胶时，则出现相反的情况。

原因有两个：

一是强弧光的直接干扰，且弧光的强度也是不恒定的。

二是焊接点的变化（如焊接点的堆高），弧光点对光敏管的照射角度和距离是不断变化的，即使轻微的变化也会被放大，进而导致传感器的信号变化很大。

以上缺陷是弧焊本身所具有的局限，因此，只能通过外加方法加以克服。

实验证明，采用橡胶遮挡弧光的方法，可以有效地克服弧光对传感器的干扰。

2.2.5白线偏移实验及数据处理

通过以上的各种实验，我们能够得出传感器最佳工作状态所需要的安装高度和其它要求，除此之外，实验还需要进一步明确以下两个方面问题：

一是工件不同表面状况（这里主要是常态表面和打磨表面两种表面状况）下，传感器检测白线偏移的信号输出规律（也就是考察传感器在垂直焊缝方向上检测白线偏移时，其输出的信号变化规律）；

二是对于工件不同表面状况得到的信号，根据的它们呈现的规律，建立相应的信号数学处理模式。

这是本章节中最重要的一部分，关系到信号的有效采集与处理。

一．工件表面常态下（包括工件表面有铁锈，油污的情况）时，传感器对偏移白线的数据采集。

实验条件设定如下：

传感器在最佳工作条件下采集数据，传感器高度为4mm且底端橡胶遮挡，白线宽度为4mm，做白线偏移实验。

我们先选用表面普通的工件，把传感器安装在的传感器十字滑架上（另一个十字滑架是焊炬滑架，是用来安装焊炬的），工件水平放置，步进电机驱动滑架使传感器垂直于白线方向水平左右移动，通过水平移动传感器来模拟白线偏移。

传感器水平移动距离和方向如下表2-5所示，即左右方向1mm、2mm、3mm、4mm，实验所得数据见下表2-5。

表2-5工件表面为普通时白线偏移实验结果

白线

偏差

情况

输出电压（V）

左光敏管信号中光敏管信号右光敏管信号

偏左

4mm

0.52

0.54

1.20

1.26

1.34

1.72

1.80

偏左

3mm

0.50

1.74

1.78

1.10

1.14

1.18

2mm

0.58

2.06

2.10

2.14

0.98

1.00

1.04

1mm

0.62

2.12

2.20

0.84

0.86

0.92

居中

0.64

2.24

2.30

2.38

0.76

0.82

偏右

0.60

0.66

2.08

0.72

0.78

0.68

0.74

1.60

1.64

1.68

1.22

1.24

1.28

4mm

0.88

0.90

无白

色

0.32

0.34

0.38

0.56

之后，我们再选用表面铁锈较多的工件，按同的方法和步骤重复上面的实验，得实验数据如下表2-6所示。

白线

2.26

2.32

1.30

1.40

2.42

2.48

2.50

1.32

1.38

0.94

2.64

2.68

0.96

2.74

2.76

2.82

1.16

2.86

2.90

1.06

2.72

2.80

2.58

2.62

2.52

2.54

2.16

表2-6工件表面铁锈较多时白线偏移实验结果

二．工件表面常态下的数据处理。

理论上说，当没有白线，或白线居中时，左右两个光敏管输出信号值的大小应该是一样的，但实际上，右边光敏管的输出值总是要比左边的大，原因有两方面：

一是左右两个光敏管本身不可能完全一样，输出值总有差别；

二是光敏管底部接受光的孔的大小也不可能总是一样。

这样综合起来导致右边光敏管输出的信号值总是要比左边的大0.1左右，但这种固有误差是传感器本身所拥有的，不是随机的，因此可以通过数学处理的方法消除。

通过对以上实验数据的分析总结，我们得出以下公式表示如下：

（2-1）

：

表示数学处理后的焊缝偏差值，前面的正负号表示焊缝的偏移方向，正代表焊缝右偏，负代表焊缝左偏；

表示传感器左边光敏管的输出信号；

表示传感器右边光敏管的输出信号；

表示传感器中间光敏管的输出信号；

分子

加0.1是为了抵消总是比

小0.1的固有差值，之后再将差值与加权后的中间信号相除，这样就可得出焊缝偏差值的经验公式，它不是由严格的数学模式推导而成的。

由表2-5和2-6可以看出，只要左右偏差大于1mm，

的值总是-1<

<

1，而在时，我们认为焊缝是居中的，±

1因此就成为焊缝有无偏差的界线。

这是保证偏差的精度在±

1mm内的依据，为整个系统的跟踪精度提供了数学基础。

第三章硬件选择及系统整体组成

3.1MSC-51单片机系统

本实验采用的单片机是80C51型，它是INTEL公司MCS-51系列单片机[]中最基本的产品，它采用INTEL公司的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。

80C51内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出（I/O）口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。

因此，它完全可以满足我们焊缝跟踪的要求。

传感器的焊缝跟踪信号是模拟信号，以进入单片机的CPU之前，需要经过AD将模拟信号转变成，经过CPU处理决策之后，将数字信号传给DA转换成模拟信号，最后执行机构根据模拟信号执行相应的动作。

在上述信号转变和处理的过程中，还包括74LS573，74LS90及GAL16V8等一些辅助元件的参与。

单片机系统电路原理如图3-6所示，使用的控制板是SCB-51B型。

3.2单片机的P口分配

对单片机[]的控制，其实就是对I/O口的控制，无论单片机对外界进行何种控制，或接受外部的何种控制，都是通过I/O口进行的。

51单片机总共有P0、P1、P2、P3四个8位双向输入输出端口，每个端口都有锁存器、输出驱动器和输入缓冲器。

4个I/O端口都能作输入输出口用，其中P0和P2通常用于对外部存储器的访问.如图3-7所示，我们使用的单片机的各个P口的定义如下：

PO口接ADC0809的数字量输出端。

P1.0接ADC0809的EOC信号端。

P1.1接传感器十字滑架左右开关（低电平有效）。

P1.2接传感器十字滑架左右方向。

P1.3接焊炬十字滑架左右开关（低电平有效）。

P1.4接焊炬十字滑架左右方向。

3.3单片机存储空间分配

单片机需要对低128字节的数据存储器RAM定义空间分配：

一、工作寄存器空间：

00H-0FH区。

二、数据缓冲区：

10H-6FH区。

用于存储传感采集到的信号，和对信号进行一定的数学处理，比如前面介绍的两种情况下，白线偏移信号的处理

三、用户堆栈区：

70H-7FH区。

用于存储各子程序。

图3-18051单片机系统电路原理图

第四章焊缝跟踪控制系统

4.1控制原理[]

本系统采用的是按干扰值补偿的开环控制，这类系统的输入量是外部干扰信号（本文即为焊缝的变动），经过测量利用干扰信号产生控制作用，以补偿或抵消对系统产生的影响。

其控制过程如图4-1所示。

图4-1干扰值补偿的开环控制

按干扰值补偿的开环控制有以下两个特点：

一是外部输入的干扰量经测量、计算、执行装置到被控对象单向传递；

二是在系统的干扰信号端加入测量装置以后，可将干扰量检测出来并对其进行补偿。

本系统的被控量是垂直于焊接方向上焊炬相对于焊缝的距离，干扰量是焊缝的变动量。

由于传感器的检测点在焊炬的焊接点前的某一固定的距离，传感器先检测出检测点的焊缝干扰量，经过一段时间后，焊炬才到达刚才传感器的检测点，再执行相应的补偿量以补偿干扰量。

4.2数学模型

我们先假设以下几个量：

R（t）：

为焊缝曲线，也即为系统的输入量。

Y1（t）：

为传感器跟踪曲线；

S1（t）：

为传感器执行机构（传感器十字滑架）跟踪的执行量。

Y1（t）：

为焊炬的调节曲线；

S2（t）：

为焊炬执行机构（焊炬十字滑架）跟踪的执行量。

Y1（t）、Y2（t）均为系统的输入量，且与执行量S1（t）、S2（t）互为原函数与导函数的关系。

我们选取焊接跟踪过程某一任意状态——t时刻状态作为切入点，图中相应的表示为在X轴刻度上的t时刻，即此时传感器到达B点，相应的焊炬到达的X轴刻度上的t?

τ时刻，即在A点，。

由以上假设Y1（t）、Y2（t）分别是传感器、焊炬调节曲线，且是执行量S1（t）、S2（t）的原函数可知：

（4-1）

焊接点A与检测点B之间的偏移量：

（4-2）

由于传感器相对导轨的距离是由传感器十字滑架的执行量与焊炬执十字滑架的执行量的叠加而成的，因而有：

（4-3）

传感器检测点与焊缝中心的实际误差：

（4-4）

焊炬在A点经过t时间之后的调节量为：

（4-5）

综合一下：

传感器的控制量

（4-6）

焊炬的控制量

（4-7）

将上述时域内表示的关系经过拉普拉斯变换，可得到如图4-2所示的跟系统结构简图。

图4-2焊缝跟踪控制系统结构简图

如果焊缝偏差信号与控制系统的输入信号（传感器输出信号）之间能建立精确的数学模型，也就是系统输入与输出之间有精确的数学模型，那么以上系统就是一个常