應用於鋁合金tig焊反面熔池檢測的背面攝像機與焊槍隨動的控制裝置及方法
2023-09-20 02:17:25
專利名稱：應用於鋁合金tig焊反面熔池檢測的背面攝像機與焊槍隨動的控制裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種同步控制的裝置和方法。
背景技術：
TIG焊為惰性氣體鎢極保護焊，它是在惰性氣體的保護下，利用鎢電極與工件間產 生的電弧熱熔化母材和填充焊絲(如果使用填充焊絲)的一種焊接方法。焊接時保護氣體從 焊槍的噴嘴中連續噴出，在電弧周圍形成氣體保護層隔絕空氣，以防止其對鎢極、熔池及鄰 近熱影響區的有害影響，從而可獲得優質的焊縫。保護氣體可採用氬氣、氦氣或氬氦混合氣 體。在特殊應用場合，可添加小量的氫。在鋁合金TIG焊自動化焊接過程中，圖像檢測技術是其中關鍵的一個環節。在工 件背面空間允許的條件下，焊接過程中反面熔池的檢測將會對提高焊接質量有很大的幫 助。當焊槍在焊接過程中不移動時，利用CCD攝像機獲取的反面熔池圖像十分清晰，焊縫與 邊緣母材的界限非常明顯。但是焊槍在實際焊接過程中往往是需要移動的，那麼CCD攝像 機如何能保證和焊槍一起運動就是一個相當重要的問題，很多時候人們想利用一定的機械 裝置把CXD攝像機和焊槍連在一起，但是在實際的焊接過程中，焊接工件比較寬大，工作空 間限制了機械裝置的使用，如何在空間受限的情況下保證CCD攝像機與焊槍一起運動就是 一個亟待解決的難題。
發明內容
本發明為了解決焊接大尺寸的工件時，背面CXD攝像機與焊槍通過機械裝置連接 在一起協調運動困難的問題，提出一種應用於鋁合金TIG焊反面熔池檢測的背面攝像機與 焊槍隨動的控制裝置及方法。應用於鋁合金TIG焊反面熔池檢測的背面攝像機與焊槍隨動的控制裝置，它由照 明燈、CXD攝像機、圖像採集卡、工控一體機、絲槓和電機組成，所述絲槓和電機設置在工作 臺的下方，絲槓的軸線設置方向與焊縫方向一致，絲槓的一端與電機的動力輸出端固定連 接在一起，照明燈和CCD攝像機固定在移動座上，所述移動座套在絲槓上，且與所述絲槓螺 紋連接，CCD攝像機用於採集焊縫區域的圖像，照明燈用於為CCD攝像機提供輔助照明，CCD 攝像機的圖像信號輸出端與圖像採集卡的圖像信號輸入端相連，圖像採集卡的信號輸出端 與工控一體機的信號輸入端相連，工控一體機的驅動信號輸出端與電機的驅動信號輸入端 相連。基於應用於鋁合金TIG焊反面熔池檢測的背面攝像機與焊槍隨動的控制裝置的 控制方法，在TIG焊接過程中具體如下
步驟A、CXD攝像機拍攝鋁合金TIG焊反面熔池的圖像，並將所述圖像信息通過圖像採 集卡發送給工控一體機；
步驟B、工控一體機根據灰度突變判斷熔池前端位置，如果熔池前端位置偏離CCD攝像機獲取的圖像的取像區域a，則執行步驟C ；否則，則返回執行步驟A ；所述取像區域a為鎢 極氬弧焊焊槍未運動時標定於CXD攝像機圖像上的位置；
步驟C、工控一體機根據本幅圖像中熔池前端位置與步驟B所述的取像區域a位置的相 對變化量，獲得照明燈和ccD攝像機的運動速度r ；
步驟D、工控一體機根據步驟c獲得的需要改變的照明燈和ccD攝像機的運動速度r 轉化為電機的控制信息發送給電機；
步驟E、電機控制絲槓旋轉，照明燈和CXD攝像機按照變化後的運動速度r運動，返回 執行步驟A，直到焊接過程結束。本發明無需把鎢極氬弧焊焊槍與CXD攝像機通過機械裝置連接在一起，只利用熔 池在圖像中的位置來驅動CXD攝像機運動，在CXD攝像機與鎢極氬弧焊焊槍沒有絲毫機械 運動關係的情況下，同樣可以保證鎢極氬弧焊焊槍移動過程中，照明燈和CXD攝像機也能 平穩地跟著運動，獲取清晰的反面熔池圖像。
圖1為應用於鋁合金TIG焊反面熔池檢測的背面攝像機與焊槍隨動的控制裝置的 結構示意圖。圖2為基於應用於鋁合金TIG焊反面熔池檢測的背面攝像機與焊槍隨動的控 制裝置的控制方法的流程圖。圖3為拍攝的背面熔池圖片。圖4為取像區域a的示意圖。 圖5為取像區域a的示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一、結合圖1說明本實施方式，應用於鋁合金TIG焊反面熔池檢測的 背面攝像機與焊槍隨動的控制裝置，它由照明燈2、CCD攝像機3、圖像採集卡5、工控一體機 6、絲槓7和電機8組成，所述絲槓7和電機8設置在工作檯4的下方，絲槓7的軸線設置方 向與焊縫方向一致，絲槓7的一端與電機8的動力輸出端固定連接在一起，照明燈2和CCD 攝像機3固定在移動座上，所述移動座套在絲槓7上，且與所述絲槓7螺紋連接，C⑶攝像 機3用於採集焊縫區域的圖像，照明燈2用於為CXD攝像機3提供輔助照明，CXD攝像機3 的圖像信號輸出端與圖像採集卡5的圖像信號輸入端相連，圖像採集卡5的信號輸出端與 工控一體機6的信號輸入端相連，工控一體機6的驅動信號輸出端與電機8的驅動信號輸 入端相連。
具體實施方式
二、結合圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一的不 用之處在於工控一體機6為臺式計算機或筆記本計算機。
具體實施方式
三、結合圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一的不 用之處在於工控一體機6為EWS-844 —體化工作站。
具體實施方式
四、結合圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一的不 用之處在於CXD攝像機3為黑白CXD攝像機。
具體實施方式
五、結合圖2和圖4說明本實施方式，基於應用於鋁合金TIG焊反面 熔池檢測的背面攝像機與焊槍隨動的控制裝置的控制方法，在TIG焊接過程中具體如下
步驟A、CXD攝像機3拍攝鋁合金TIG焊反面熔池的圖像，並將所述圖像信息通過圖像 採集卡5發送給工控一體機6 ；步驟B、工控一體機6根據灰度突變判斷熔池前端位置，如果熔池前端位置偏離CCD攝 像機3獲取的圖像的取像區域a，則執行步驟C ；否則，則返回執行步驟A ；所述取像區域a 為鎢極氬弧焊焊槍1未運動時標定於CXD攝像機3圖像上的位置；
步驟C、工控一體機6根據本幅圖像中熔池前端位置與步驟B所述的取像區域a位置的 相對變化量，獲得照明燈2和era攝像機3的運動速度r ；
步驟D、工控一體機6根據步驟C獲得的需要改變的照明燈2和CXD攝像機3的運動速 度r轉化為電機8的控制信息發送給電機8 ； 步驟E、電機8控制絲槓7旋轉，照明燈2和CXD攝像機3按照變化後的運動速度廣運 動，返回執行步驟A，直到焊接過程結束。步驟B中，返回執行步驟A的工作過程即為電機8的轉速不變，照明燈2和CXD 攝像機3按照原有的運動速度運動，等待CXD攝像機3拍攝下一幅圖像。在焊接前，調整CXD攝像機3的位置，使其採集到焊縫起始位置的圖像。
具體實施方式
六、本實施方式是對具體實施方式
五中步驟C的進一步說明，步驟C 中工控一體機6根據本幅圖像中熔池前端位置與步驟B所述的取像區域a位置的相對變化 量，獲得照明燈2和CXD攝像機3的運動速度廣，具體為
步驟Cl、測量本幅圖像中熔池前端位置與步驟B所述的取像區域a位置的相對變化量
Δ^；
步驟C2、根據下式求得CXD攝像機3與鎢極氬弧焊焊槍1的相對運動速度Δ V=^S/
t ；
其中ΔΧ為本幅圖像中熔池前端位置與步驟B所述的取像區域a位置的相對變化量， t為CXD攝像機3取像間隔時間；
步驟C3、如果本幅圖像中熔池前端位置與CXD攝像機3取像區域a相比超前，則鎢極氬 弧焊焊槍1運動速度小於照明燈2和CXD攝像機3的同步運動速度，則為減速，改變後的運 動速度為V，=V _丨⑶·』
如果本幅圖像中熔池前端位置與CCD攝像機3取像區域a相比滯後，則鎢極氬弧焊焊 槍1運動速度大於照明燈2和CXD攝像機3的同步運動速度，則為加速，改變後的運動速度 為 r =ν+/ δ vl ；
其中，ν為照明燈(2)和CCD攝像機(3)當前的於東速度。如果鎢極氬弧焊焊槍1運動速度大於照明燈2和CXD攝像機3的同步運動速度， 則在CCD攝像機3獲取的圖像中熔池就會向著於CCD攝像機3取像區域a的前方移動，工 控一體機6根據熔池在CCD攝像機3獲取的圖像上偏離取像區域a偏移量大小，獲得鎢極 氬弧焊焊槍1與CXD攝像機3的相對運動速度，進而獲得需要改變的照明燈2和CXD攝像 機3的同步運動速度；
如果鎢極氬弧焊焊槍1運動速度小於照明燈2和CXD攝像機3的同步運動速度，則在 CXD攝像機3獲取的圖像中熔池就會向著於CXD攝像機3取像區域a的後方移動，工控一體 機6根據熔池在CCD攝像機3獲取的圖像上偏離取像區域a偏移量大小，獲得鎢極氬弧焊 焊槍1與CXD攝像機3的相對運動速度，進而獲得需要改變的照明燈2和CXD攝像機3的 同步運動速度。
具體實施方式
七、本實施方式是對具體實施方式
五中步驟D的進一步說明，步驟D中轉速信息為電機轉速，其中
電機8的轉速η= F，/d, d為絲槓7的螺紋間距。
具體實施方式
八、結合圖4說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式
五步 驟B的進一步說明，步驟B中取像區域a為位於CXD攝像機3拍攝圖像中心的1/9區域，即 取像區域a的長為CCD攝像機3拍攝圖像長的1/3，取像區域a的寬為CCD攝像機3拍攝圖 像寬的1/3。
具體實施方式
九、結合圖5說明本實施方式，步驟B中取像區域a為位於CXD攝像 機3拍攝圖像中心的一條直線，所述直線垂直於CCD攝像機3拍攝圖像焊縫所在直線。
權利要求
應用於鋁合金TIG焊反面熔池檢測的背面攝像機與焊槍隨動的控制裝置，其特徵在於它由照明燈(2)、CCD攝像機(3)、圖像採集卡(5)、工控一體機(6)、絲槓(7)和電機(8)組成，所述絲槓(7)和電機(8)設置在工作檯(4)的下方，絲槓(7)的軸線設置方向與焊縫方向一致，絲槓(7)的一端與電機(8)的動力輸出端固定連接在一起，照明燈(2)和CCD攝像機(3)固定在移動座上，所述移動座套在絲槓(7)上，且與所述絲槓(7)螺紋連接，CCD攝像機(3)用於採集焊縫區域的圖像，照明燈(2)用於為CCD攝像機(3)提供輔助照明，CCD攝像機(3)的圖像信號輸出端與圖像採集卡(5)的圖像信號輸入端相連，圖像採集卡(5)的信號輸出端與工控一體機(6)的信號輸入端相連，工控一體機(6)的驅動信號輸出端與電機(8)的驅動信號輸入端相連。
2.根據權利要求1所述的應用於鋁合金TIG焊反面熔池檢測的背面攝像機與焊槍隨動 的控制裝置，其特徵在於工控一體機(6)為EWS-844 —體化工作站。
3.根據權利要求1或2所述的應用於鋁合金TIG焊反面熔池檢測的背面攝像機與焊槍 隨動的控制裝置，其特徵在於C⑶攝像機(3)為黑白C⑶攝像機。
4.基於權利要求1所述的應用於鋁合金TIG焊反面熔池檢測的背面攝像機與焊槍隨 動的控制裝置的控制方法，其特徵在於在TIG焊接過程中具體如下步驟A、CCD攝像機(3)拍攝鋁合金TIG焊反面熔池的圖像，並將所述圖像信息通過圖 像採集卡(5)發送給工控一體機(6)；步驟B、工控一體機(6)根據灰度突變判斷熔池前端位置，如果熔池前端位置偏離CCD 攝像機(3)獲取的圖像的取像區域(a)，則執行步驟C;否則，則返回執行步驟A ；所述取像 區域(a)為鎢極氬弧焊焊槍⑴未運動時標定於CXD攝像機(3)圖像上的位置；步驟C、工控一體機(6)根據本幅圖像中熔池前端位置與步驟B所述的取像區域(a)位 置的相對變化量，獲得照明燈⑵和ccD攝像機⑶的運動速度r ；步驟D、工控一體機(6)根據步驟C獲得的需要改變的照明燈(2)和CCD攝像機(3)的 運動速度廣轉化為電機(8)的控制信息發送給電機(8)；步驟E、電機⑶控制絲槓(7)旋轉，照明燈(2)和CCD攝像機(3)按照變化後的運動 速度r運動，返回執行步驟A，直到焊接過程結束。
5.根據權利要求4所述的基於應用於鋁合金TIG焊反面熔池檢測的背面攝像機與焊 槍隨動的控制裝置的控制方法，其特徵在於步驟B中取像區域(a)為位於CCD攝像機(3) 拍攝圖像中心的一條直線，所述直線垂直於CCD攝像機(3)拍攝圖像焊縫所在直線。
6.根據權利要求5所述的基於應用於鋁合金TIG焊反面熔池檢測的背面攝像機與焊 槍隨動的控制裝置的控制方法，其特徵在於步驟C工控一體機(6)根據本幅圖像中熔池前 端位置與步驟B所述的取像區域(a)位置的相對變化量，獲得照明燈(2)和CCD攝像機(3) 的運動速度廣，具體為步驟Cl、測量本幅圖像中熔池前端位置與取像區域(a)位置的相對變化量步驟C2、根據下式求得CCD攝像機(3)與鎢極氬弧焊焊槍(1)的相對運動速度 Δ V=^Sft ；其中ΔΧ為本幅圖像中熔池前端位置與取像區域(a)位置的相對變化量， 為C⑶攝 像機(3)取像間隔時間；步驟C3、如果本幅圖像中熔池前端位置與CCD攝像機(3)取像區域(a)相比超前，則為減速，改變後的運動速度為V，=V-丨LVl如果本幅圖像中熔池前端位置與CXD攝像機(3)取像區域(a)相比滯後，則為加速，改 變後的運動速度為r =V+/ Δ V/ ；其中，V為照明燈(2)和CCD攝像機(3)當前的於東速度。
7.根據權利要求4或5所述的基於應用於鋁合金TIG焊反面熔池檢測的背面攝像機 與焊槍隨動的控制裝置的控制方法，其特徵在於步驟D中的轉速信息為電機轉速，其中 電機(8)的轉速η=廣/d，d為絲槓(7)的螺紋間距。
全文摘要
應用於鋁合金TIG焊反面熔池檢測的背面攝像機與焊槍隨動的控制裝置及方法，涉及一種同步控制裝置和方法。解決了焊接大尺寸工件時，背面CCD攝像機與焊槍通過機械裝置連接在一起協調運動困難的問題，所述控制裝置的絲槓和電機連接並設置在工作檯下方，照明燈和CCD攝像機固定在絲槓上，CCD攝像機、圖像採集卡、工控一體機依次相連，工控一體機與電機相連，所述控制裝置與正面焊槍無機械連接。所述控制方法，過程如下對焊槍在CCD攝像機的取像區域內進行位置標定；根據熔池偏離標定位置的偏移量大小，得到需要改變的CCD攝像機的運動速度，進而對CCD攝像機的運動速度進行反饋控制，保證背面CCD攝像機與焊槍一起平穩的運動。本發明可以獲取清晰的反面熔池圖像。
文檔編號B23K9/16GK101885102SQ20101021174
公開日2010年11月17日 申請日期2010年6月29日 優先權日2010年6月29日
發明者吳林, 張廣軍, 彭超, 李海超, 王大勇, 高洪明 申請人:哈爾濱工業大學