1、 课 程 设 计 说 明 书学生姓名 : 王学圣学 号：201319030432学 院 : 机械工程学院班 级 : 机械 134题 目 :基于光电传感器的智能焊缝跟踪系统的设计指导教师： 职称: 副 教 授 高 敏2016 年 12 月 26 日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
2、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，控制器0目录第一章 绪论 .21.选题依据及课题意义 .22.本文设计的主要内容 .2第二章 光电传感器的设计 .32.1 光电传感器的组成和原理 .32.1.1 光电传感器的元件组成 .32.1.2 光电传感器的电路设计 .42.1.3 传感器元件的选择和工作
3、特性 .42.2 影响光电传感器工作的因素 .62.2.1 传感器高度实验 .62.2.2 工件表面状况影响实验 .72.2.3 人工辅助线影响实验 .72.2.4 弧光影响实验 .82.2.5 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 .123.1 MSC-51 单片机系统 .123.2 单片机的 P 口分配 .123.3 单片机存储空间分配 .12第四章 焊缝跟踪控制系统 .144.1 控制原理 .144.2 数学模型 .144.3 控制器的设计 .154.4 Fuzzy-PID 复合控制器 .164.5 PID 控制部分 .174.6 仿真与分析 .18心得 .19参考
4、文献 .201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
5、。（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。2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
6、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
7、得到一个放大了相当于 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3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
8、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
9、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。4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 1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
10、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
11、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5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
12、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。
13、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 2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。6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
14、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7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
15、，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
16、。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 3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。
