基於擺動電弧的多層多道焊焊縫跟蹤系統及識別方法
2023-05-19 11:04:46 3
專利名稱：基於擺動電弧的多層多道焊焊縫跟蹤系統及識別方法
技術領域：
本發明屬於焊接自動控制技術領域，具體涉及一種基於擺動電弧的多層多道焊焊縫跟蹤系統及識別方法。
背景技術：
焊縫跟蹤技術是實現焊接自動化的重要研究方向。對於厚板的開坡口焊接，由於坡口加工與裝配尺寸及位置誤差等影響，採用精確的焊縫跟蹤技術進行多層多道焊接是保證其焊接質量的關鍵。基於電弧傳感器與視覺傳感器的焊縫跟蹤技術是目前研究與應用的主流，在對有單層焊縫工件的焊接過程中可以達到良好的跟蹤效果，而對於厚板的多層多道焊，在第一道焊縫焊完之後，焊接接頭形式往往已發生改變，焊縫偏差識別一直是一個難點，目前其在國內的應用還不能達到令人滿意的程度。在歐美發達國家，針對於厚板焊接的焊縫跟蹤通常採用基於CCD傳感器(電荷藕合器件圖像傳感器)的視覺跟蹤法。採用CCD傳感器雖然控制精度比較高，但成本也高，易受弧光幹擾影響，對多層多道焊接的圖像識別處理還存在不少困難，只能用於變形不大的直線焊縫自動跟蹤。目前，基於電弧傳感器的焊縫自動跟蹤技術在薄板焊接中的應用已比較成熟，但針對厚壁結構焊接的研究和應用未見報導。電弧傳感技術包括旋轉電弧掃描和擺動電弧掃描兩種方式旋轉電弧傳感器雖然不需要附加設備，控制精度比較高，但其體積大，結構複雜，造價較高，安裝到焊接機器人或焊接小車上直接影響焊槍移動的靈活性，也在某種程度上限制焊槍的姿態和到達某些工位的可能性；擺動電弧傳感方式其特點主要是焊槍擺動掃描幅度較容易調整，傳感器結構簡單緊湊，另一方面，焊槍在焊接過程中擺動，可以增加焊道寬度，降低焊層厚度，有利於改善焊接寬度不均勻的焊縫、提高焊縫金屬的力學性能和增進焊道表面美觀度。對於需要大幅度擺動焊接且焊縫形式多樣的厚板多層多道焊而言，擺動電弧傳感器更容易實現。
發明內容
本發明的第一個目的在於針對目前難以實現厚板多層多道焊焊縫自動跟蹤的問題，提供一種基於擺動電弧的多層多道焊焊縫跟蹤系統。本發明的第一個目的是通過如下的技術方案來實現的該基於擺動電弧的多層多道焊焊縫跟蹤系統，主要用於厚板V型坡口多層多道焊焊接，它包括焊接小車、焊槍及與焊槍連接的送絲機；它還包括安裝於焊接小車上的立式主滑架，安裝於主滑架上的傾角調節機構，安裝於傾角調節機構上、並安裝有焊槍的擺動器；所述擺動器包括左右滑架和高低調節滑塊，左右滑架安裝於傾角調節機構上，高低 調節滑塊安裝於左右滑架上，焊槍豎直安裝於高低調節滑塊上，橫向的左右滑架與豎向的高低調節滑塊構成十字架形；霍爾傳感器連接於待焊母材與焊接電源之間，其信號輸出端與控制器連接；焊接電源與送絲機連接，控制器與驅動器連接，驅動器與驅動主滑架、左右滑架和高低調節滑塊的步進電機連接，驅動器還與驅動焊接小車和傾角調節機構的電機連接；控制器通過霍爾傳感器傳來的電信號作出運算處理求得焊縫偏差信息，並發出指令控制驅動器來驅動各電機協調動作進行焊槍的調節，從而實現焊槍的焊縫自動跟蹤控制。
更進一步，所述控制器包括一安裝有焊縫跟蹤系統軟體的單片機。本發明的第二個目的在於提供上述基於擺動電弧的多層多道焊焊縫跟蹤系統的識別方法，該方法是焊接開始後，首先在擺動器的驅動下，焊槍對V型焊接坡口進行橫向擺動掃描，由霍爾傳感器將檢測到的焊接電流信號和定位脈衝信號一起送到控制器進行軟體處理和運算，求得焊縫偏差信息，由擺動器執行焊槍焊縫偏差調節，從而實現焊縫自動跟蹤焊接。更具體地說，所述求得焊縫偏差信息首先是採用坡口面積比較法對焊縫形狀進行自動識別，如果左右兩側面積不相等，則焊縫形狀不對稱，判斷為典型的多層多道焊的r型焊縫；如果左右兩側面積相等，則焊縫形狀對稱，判斷為典型的多層多道焊的了型焊縫；針對焊縫形狀自動識別後的r型和。型兩種焊縫形狀，再分別採用同側積分法和斜率加權積分法二種焊縫偏差提取方法。所述同側積分法為
假定焊槍起始位置位於焊槍擺動中心，並向右側開始平擺，在最初幾個擺動掃描周期內，對傳感器在不同位置的輸出焊接電流值採樣後進行離散積分運算後求均值，將該值作為基準值與焊槍在擺動中心右側每次往返擺動的半個周期內的電流積分平均值進行比較，即可求得焊槍偏差大小與方向。 所述斜率加權積分法為
在電弧擺動掃描周期內，由I型焊縫側邊的斜率A的絕對值大小決定該點電流信號的採樣值的權重4越大的區間，焊接電流採樣值權重越大；在一個擺動周期內，對焊槍中心左右兩側電流信號的採樣按*的絕對值大小進行加權後再求差值，即可得到焊槍對T型焊縫中心偏差的大小與方向。本發明的焊槍安裝在擺動器上，擺動器通過傾角調節機構安裝在主滑架上。在焊接過程中，在擺動器的驅動下，焊槍對焊縫坡口進行擺動掃描，焊槍與工件之間的相對位置的改變將直接導致弧長發生變化，而弧長的變化會引起電弧電流、電弧電壓等電弧參數發生變化。霍爾傳感器將檢測到的焊接電流信號和定位脈衝信號一起送到控制器進行軟體處理和運算，求得焊縫偏差信息，由擺動器執行焊縫偏差調節，實現焊縫自動跟蹤，完成自動化焊接。本發明的工作過程如下
在多層多道焊焊接過程中，焊縫跟蹤系統的控制器驅動左右滑架上的步進電機，使擺動器帶動安裝在高低滑塊上的焊槍，在焊縫上方沿左右滑架方向進行橫擺。在焊槍橫擺掃描焊縫的過程中，由霍爾電流傳感器輸出焊接電流信號至焊縫跟蹤系統的控制器，控制器對變化的焊接電流信號進行採樣分析與處理，完成對焊縫偏差信號的提取。對於左右滑架方向上的焊縫偏差，由焊縫跟蹤系統的控制器發出指令控制驅動器來驅動左右滑架上的步進電機進行糾偏調節，使焊槍在每一個橫擺掃描周期的起始點都維持在焊縫的中心，此過程稱為焊縫對中；對於焊槍中心軸方向的焊縫偏差，由焊縫跟蹤系統的控制器發出指令控制驅動器來驅動高低滑塊上的步進電機進行糾偏調節，使焊槍在每一個橫擺掃描周期的起始點都維持在焊縫上方沿焊槍中心軸方向的適合焊接的位置。左右滑架與高低滑塊在對多層多道焊的每一道焊縫的焊接時都是相互垂直的，也因此別稱之「十字滑架」。綜合上述，在多層多道焊中，控制器在焊接完每道焊縫後，根據下一道焊縫的空間位置，通過控制左右滑架上的步進電機來調節擺動器在該焊縫初始的擺動中心，並通過控制主滑架上的步進電機來調節焊槍對該焊縫的初始距離；根據下一道焊縫的焊接角度的需要，通過控制傾角調節機構的角位移來調節左右滑架與主滑架之間的角度。整個系統執行機構的調節是通過控制器發出指令控制驅動器，從而驅動步進電機、傾角調節機構的電機以及控制焊接小車行走的電機協同完成的，其協同工作方式通過對控制器的軟體編程實現。以多層多道焊中！■型焊縫的焊接跟蹤為例，由於該類焊縫可視為角焊縫，焊槍需要調節一定的角度進行施焊。該過程由傾角調節機構實現。由於左右滑架安裝在傾角調節機構上，而傾角調節機構安裝在主滑架上，因此，控制器根據r型焊縫焊接的需要發出指令控制驅動器來驅動傾角調節機構，使其轉動時帶動整個十字滑架的轉動，焊槍因此相對於鉛垂方向發生角度的改變。控制器根據多層多道焊中不同層數焊縫焊接的空間位置的需要發出指令控制驅動器來驅動左右滑架上的步進電機，從而調整擺動器在焊接時的初始擺動中心；發出指令控制驅動器來驅動主滑架上的步進電機，從而調整擺動器在焊接時的初始高度。本發明可以有效解決厚板V型坡口多層多道焊中對不同形式的焊接接頭跟蹤困難的問題，算法簡單且易實現。本發明的有益效果是利用了擺動電弧的精確性高和擺幅調整靈活的特性，並且針對V型坡口多層多道焊提出了一種自動識別焊縫形狀的坡口面積比較法和二種典型形狀焊縫的偏差識別方法，大大提高了 V型坡口多層多道焊焊縫掃描的準確性。實際焊接工藝試驗證明本發明的焊縫跟蹤精度高、運行穩定可靠、實用性強，可廣泛應用於厚板焊接的弧焊機器人或自動跟蹤專機系統中，同時為弧焊機器人焊接厚板實現多層多道焊的焊縫自動跟蹤提供理論依據。
圖I是本發明焊縫跟蹤系統的結構示意框圖。圖2是圖I的原理結構示意框圖。圖3是實際焊縫簡化後的V型焊縫的截面圖。圖4是實際焊縫簡化後的r型焊縫的截面圖。圖5是實際焊縫簡化後的T型焊縫的截面圖。圖6是坡口面積比較法的工作流程框圖。圖7、圖8是同側積分法的計算示意圖。圖9是斜率加權積分法的計算示意圖。
圖10是本發明多層多道焊焊縫識別方法的應用實例的工作流程框圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細的描述。
參見圖1，本實施例包括安裝於焊接小車4上的立式主滑架9，傾角調節機構12安裝於主滑架9上，安裝於傾角調節機構12上、並安裝有焊槍I的擺動器6。擺動器6由左右滑架10和高低調節滑塊11組成。由圖可見，左右滑架10安裝於傾角調節機構12上，高低調節滑塊11安裝於左右滑 架10上，焊槍I豎直安裝於高低調節滑塊11上，橫向的左右滑架10與豎向的高低調節滑塊11構成十字架形。霍爾傳感器5安裝於焊接電源2與待焊母材13的連接導線上，其信號輸出端與控制器7連接，焊接電源2與送絲機3連接，送絲機3與焊槍I連接，焊槍I上裝有焊絲17。控制器7與驅動器8連接，驅動器8與分別驅動主滑架9、左右滑架10和高低調節滑塊11的步進電機14、步進電機15、步進電機16連接，驅動器8還與驅動焊接小車4和傾角電機12的電機連接。本實施例中，控制器7包括一個安裝有焊縫跟蹤系統軟體的單片機。圖2所示是本發明焊縫跟蹤系統的原理結構示意框圖，其中，執行機構表示主滑架、傾角調節機構、焊接小車以及驅動它們的電機。從圖I中可見，焊槍I安裝在擺動器6的高低調節滑塊11上。擺動器6的左右滑架10安裝在傾角調節機構12上，傾角調節機構12安裝在主滑架9上，主滑架9固定在焊接小車4上，並且通過傾角調節機構12的調節使擺動器6帶動焊槍I始終在在水平與豎直兩個方向對焊縫坡口進行掃描，通過霍爾傳感器5檢測不同掃描位置的電弧電流信號，將電弧電流信號輸入控制器7進行軟體處理和運算，求得焊縫偏差信息後對驅動器8發出指令，由驅動器8驅動擺動器6與主滑架9上的步進電機執行焊縫偏差調節，實現焊縫自動跟足示，完成自動化焊接。參見圖2，焊接時，焊接小車沿著焊縫移動，同時擺動器帶動焊槍對焊縫坡口進行掃描，焊槍與工件之間的相對位置會使弧長發生變化，而弧長的變化會引起電弧電流發生變化。霍爾傳感器將檢測到的焊接電流信號和定位脈衝信號經過硬體濾波電路信號處理，將幹擾信號濾除並將有效信號提取和放大之後一起輸入到控制器進行軟體處理和運算，求得焊縫偏差信息，控制器根據偏差信息輸出控制指令到驅動器，由擺動器與執行機構一起執行焊縫偏差調節，實現焊縫自動跟蹤。因此，擺動器是焊縫跟蹤系統的重要組成部分。為了實現基於擺動電弧的厚板V型坡口多層多道焊的焊縫自動跟蹤，需要首先對多層多道焊中的二種典型焊縫形狀進行識別，在系統自動判斷出焊縫形狀之後，再選擇相應的焊縫偏差信號提取方案。為了識別這二種不同的焊縫形狀，針對焊接電流波形特點，結合機器人焊道規劃，提出了一種焊縫形狀自識別的方法一坡口面積比較法，並分別針對r型和T型兩種焊縫提出了同側積分法與斜率加權積分法二種焊縫偏差提取方法。在厚壁結構件的焊接過程中，第一道焊縫為V型焊縫，圖3所示是實際焊縫簡化後的V型焊縫的截面圖，第一道焊縫採用單層焊常用的左右積分差值法實現焊縫偏差信號的識別與提取。從第二道焊縫起，以後的焊縫均採用坡口面積比較法對焊縫的形狀進行自動識別，圖6所示是坡口面積比較法的工作流程框圖。該方法基本原理為在焊槍對準T型焊縫中心的情況下，以焊槍掃描中心為分界線，若將左右兩側電流信號分別進行離散積分之後求差值，由於f型焊縫在理論上左右對稱，且在一個周期內，焊接電流前半周期的信號波形與後半周期近似相同，因此該差值很小；然而，在形狀不對稱的r型焊縫中，在一個周期內，焊接電流前半周期的信號波形與後半周期差距較大，若以同樣的方式求得的差值較大。通過判斷差值的值，可以區別r型與！型這兩種焊縫。圖4所示是實際焊縫簡化後的r型焊縫的截面圖，圖5所示是實際焊縫簡化後的T型焊縫的截面圖。由於r型焊縫是一種不對稱的接頭形式，不能直接應用傳統的左右積分差值法提取焊縫偏差，本發明針對這種焊縫形式提出一種改進的左右積分差值法即同側積分法。參見圖7、圖8，是同側積分法的計算示意圖，圖中的4為焊槍對中無偏移時的電弧電流信號曲 線，^和/2分別為焊槍右偏移與左偏移時情況，s.表示電弧擺動前半周期內的電流積分值。根據！■型焊縫的電弧電流曲線特徵可以發現，在前半周期內Sm1 >，而在
電弧擺動掃描的後半周期中，規律與前半周期相反，但對比不如前半周期鮮明，故選擇前半周期為電流採樣區間。同側積分法的檢測原理是假定焊槍起始位置位於焊槍擺動中心，並向右側開始平擺，在最初幾個擺動掃描周期內，對傳感器在不同位置的輸出焊接電流值2採樣後進行離散積分運算後求均值，得到iW，將該值作為基準值與焊槍在擺動中心右側每次往返擺動的半個周期內的電流積分平均值7 進行比較，即可求得焊槍偏差大小與方向。同側積分法的電流積分公式可以表示成為
1f I \ 2 7irI Tt
e, 二二 SS 二土 I i(i)dt - —
NK 2 J N I Ni
E-i
2I W-I
—V1 i — _Lv1 r — T — r
-TZ / Jn TT/, iM — javS N M=O N =0
式中，P表不擺動掃描前半個周期內電流積分值總和，〃表不擺動掃描周期內電流積分值總和&表示擺動掃描周期內的第個點採集的電弧電流值。當60
時焊槍右偏 ，當A=O時表明焊槍對中。在兩側邊均為曲面的T型焊縫中，由于越遠離焊縫中心的位置的弧長變化率較小，相應的焊接電流信號變化較小。在焊接過程中其表面也相對更易受到熱變形等一些難以預測因素的影響而發生形變。對於信號提取而言，靠近焊縫中心位置的信號幅值大、幹擾小，採樣數據相對更重要，因此，本發明提出了一種斜率加權積分法用於T型焊縫的偏差信號提取。斜率加權積分法的檢測原理為在電弧擺動掃描周期內，由T型焊縫側邊的斜率1的絕對值大小決定該點電流信號的採樣值的權重4越大的區間，焊接電流採樣值權重越大，圖9所示是斜率加權積分法的計算示意圖，圖中Y1點採樣值大於i2點採樣值的權重。在一個擺動周期內，對焊槍中心左右兩側電流信號的採樣按.t的絕對值大小進行加權後再求差值，即可得到焊槍對T型焊縫中心偏差的大小與方向。由於在T型焊縫中，通常越靠近焊縫中心的採樣點所對應側邊曲面的斜率越大，該方法增加了靠近焊縫中心位置的採樣數據的權重，降低了遠離焊縫中心位置的採樣數據的權重。通過該方法能夠使電弧傳感系統對此類焊縫偏差信號的提取更加精確有效。斜率加權積分法的電流積分公式可以表示成為
權利要求
1.一種基於擺動電弧的多層多道焊焊縫跟蹤系統，主要用於厚板V型坡口多層多道焊焊接，它包括焊接小車、焊槍及與焊槍連接的送絲機；其特徵在於它還包括安裝於焊接小車上的立式主滑架，安裝於主滑架上的傾角調節機構，安裝於傾角調節機構上、並安裝有焊槍的擺動器；所述擺動器包括左右滑架和高低調節滑塊，左右滑架安裝於傾角調節機構上，高低調節滑塊安裝於左右滑架上，焊槍豎直安裝於高低調節滑塊上，橫向的左右滑架與豎向的高低調節滑塊構成十字架形；霍爾傳感器連接於待焊母材與焊接電源之間，其信號輸出端與控制器連接；焊接電源與送絲機連接，控制器與驅動器連接，驅動器與驅動主滑架、左右滑架和高低調節滑塊的步進電機連接，驅動器還與驅動焊接小車和傾角調節機構的電機連接；控制器通過霍爾傳感器傳來的電信號作出運算處理求得焊縫偏差信息，並發出指 令控制驅動器來驅動各電機協調動作進行焊槍的調節，從而實現焊槍的焊縫自動跟蹤控制。
2.根據權利要求I所述的基於擺動電弧的多層多道焊焊縫跟蹤系統，其特徵在於所述控制器包括一安裝有焊縫跟蹤系統軟體的單片機。
3.—種如權利要求I所述基於擺動電弧的多層多道焊焊縫跟蹤系統的識別方法，其特徵在於焊接開始後，首先在擺動器的驅動下，焊槍對V型焊接坡口進行橫向擺動掃描，由霍爾傳感器將檢測到的焊接電流信號和定位脈衝信號一起送到控制器進行軟體處理和運算，求得焊縫偏差信息，由擺動器執行焊槍焊縫偏差調節，從而實現焊縫自動跟蹤焊接。
4.根據權利要求3所述的基於擺動電弧的多層多道焊焊縫跟蹤系統的識別方法，其特徵在於所述求得焊縫偏差信息首先是採用坡口面積比較法對焊縫形狀進行自動識別，如果左右兩側面積不相等，則焊縫形狀不對稱，判斷為典型的多層多道焊的r型焊縫；如果左右兩側面積相等，則焊縫形狀對稱，判斷為典型的多層多道焊的型焊縫；針對焊縫形狀自動識別後的r型和型兩種焊縫形狀，再分別採用同側積分法和斜率加權積分法二種焊縫偏差提取方法。
5.根據權利要求4所述的基於擺動電弧的多層多道焊焊縫跟蹤系統的識別方法，其特徵在於所述同側積分法為 假定焊槍起始位置位於焊槍擺動中心，並向右側開始平擺，在最初幾個擺動掃描周期內，對傳感器在不同位置的輸出焊接電流值採樣後進行離散積分運算後求均值，將該值作為基準值與焊槍在擺動中心右側每次往返擺動的半個周期內的電流積分平均值進行比較，即可求得焊槍偏差大小與方向。
6.根據權利要求4所述的基於擺動電弧的多層多道焊焊縫跟蹤系統的識別方法，其特徵在於所述斜率加權積分法為 在電弧擺動掃描周期內，由型焊縫側邊的斜率的絕對值大小決定該點電流信號的採樣值的權重越大的區間，焊接電流採樣值權重越大；在一個擺動周期內，對焊槍中心左右兩側電流信號的採樣按的絕對值大小進行加權後再求差值，即可得到焊槍對T型焊縫中心偏差的大小與方向。
全文摘要
本發明公開了一種基於擺動電弧的多層多道焊焊縫跟蹤系統及識別方法。本發明的焊縫跟蹤系統由焊槍、焊接電源、送絲機、焊接小車、擺動器、驅動器、控制器、霍爾電流傳感器和主滑架等組成。在焊接過程中，在擺動器的驅動下，焊槍對焊縫坡口進行擺動掃描，焊槍與工件之間的相對位置的改變將直接導致弧長發生變化，而弧長的變化會引起電弧電流、電弧電壓等電弧參數發生變化。霍爾電流傳感器將檢測到的焊接電流信號和定位脈衝信號一起送到控制器，在按一定的運算規則自動判斷出焊縫形狀之後，選擇相應的焊縫偏差信號提取方案進行處理，求得焊縫偏差信息，由擺動器執行焊縫偏差調節，實現焊縫自動跟蹤，完成自動化焊接。
文檔編號B23K9/127GK102615390SQ201210130500
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月28日 優先權日2012年4月28日
發明者李湘文, 楊學道, 洪宇翔, 洪波, 言俊光, 陽佳旺 申請人:湘潭大學