專利名稱：應(yīng)用于鋁合金tig焊反面熔池檢測的背面攝像機(jī)與焊槍隨動(dòng)的控制裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種同步控制的裝置和方法。
背景技術(shù)：
TIG焊為惰性氣體鎢極保護(hù)焊，它是在惰性氣體的保護(hù)下，利用鎢電極與工件間產(chǎn) 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(shí)保護(hù)氣體從 焊槍的噴嘴中連續(xù)噴出，在電弧周圍形成氣體保護(hù)層隔絕空氣，以防止其對鎢極、熔池及鄰 近熱影響區(qū)的有害影響，從而可獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫。保護(hù)氣體可采用氬氣、氦氣或氬氦混合氣 體。在特殊應(yīng)用場合，可添加小量的氫。在鋁合金TIG焊自動(dòng)化焊接過程中，圖像檢測技術(shù)是其中關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。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(huì)對提高焊接質(zhì)量有很大的幫 助。當(dāng)焊槍在焊接過程中不移動(dòng)時(shí)，利用CCD攝像機(jī)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(shí)際焊接過程中往往是需要移動(dòng)的，那么CCD攝像 機(jī)如何能保證和焊槍一起運(yùn)動(dòng)就是一個(gè)相當(dāng)重要的問題，很多時(shí)候人們想利用一定的機(jī)械 裝置把CXD攝像機(jī)和焊槍連在一起，但是在實(shí)際的焊接過程中，焊接工件比較寬大，工作空 間限制了機(jī)械裝置的使用，如何在空間受限的情況下保證CCD攝像機(jī)與焊槍一起運(yùn)動(dòng)就是 一個(gè)亟待解決的難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決焊接大尺寸的工件時(shí)，背面CXD攝像機(jī)與焊槍通過機(jī)械裝置連接 在一起協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)困難的問題，提出一種應(yīng)用于鋁合金TIG焊反面熔池檢測的背面攝像機(jī)與 焊槍隨動(dòng)的控制裝置及方法。應(yīng)用于鋁合金TIG焊反面熔池檢測的背面攝像機(jī)與焊槍隨動(dòng)的控制裝置，它由照 明燈、CXD攝像機(jī)、圖像采集卡、工控一體機(jī)、絲杠和電機(jī)組成，所述絲杠和電機(jī)設(shè)置在工作 臺的下方，絲杠的軸線設(shè)置方向與焊縫方向一致，絲杠的一端與電機(jī)的動(dòng)力輸出端固定連 接在一起，照明燈和CCD攝像機(jī)固定在移動(dòng)座上，所述移動(dòng)座套在絲杠上，且與所述絲杠螺 紋連接，CCD攝像機(jī)用于采集焊縫區(qū)域的圖像，照明燈用于為CCD攝像機(jī)提供輔助照明，CCD 攝像機(jī)的圖像信號輸出端與圖像采集卡的圖像信號輸入端相連，圖像采集卡的信號輸出端 與工控一體機(jī)的信號輸入端相連，工控一體機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號輸出端與電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號輸入端 相連?；趹?yīng)用于鋁合金TIG焊反面熔池檢測的背面攝像機(jī)與焊槍隨動(dòng)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(jī)拍攝鋁合金TIG焊反面熔池的圖像，并將所述圖像信息通過圖像采 集卡發(fā)送給工控一體機(jī)；
步驟B、工控一體機(jī)根據(jù)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(jī)獲取的圖像的取像區(qū)域a，則執(zhí)行步驟C ；否則，則返回執(zhí)行步驟A ；所述取像區(qū)域a為鎢 極氬弧焊焊槍未運(yùn)動(dòng)時(shí)標(biāo)定于CXD攝像機(jī)圖像上的位置；
步驟C、工控一體機(jī)根據(jù)本幅圖像中熔池前端位置與步驟B所述的取像區(qū)域a位置的相 對變化量，獲得照明燈和ccD攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度r ；
步驟D、工控一體機(jī)根據(jù)步驟c獲得的需要改變的照明燈和ccD攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度r 轉(zhuǎn)化為電機(jī)的控制信息發(fā)送給電機(jī)；
步驟E、電機(jī)控制絲杠旋轉(zhuǎn)，照明燈和CXD攝像機(jī)按照變化后的運(yùn)動(dòng)速度r運(yùn)動(dòng)，返回 執(zhí)行步驟A，直到焊接過程結(jié)束。本發(fā)明無需把鎢極氬弧焊焊槍與CXD攝像機(jī)通過機(jī)械裝置連接在一起，只利用熔 池在圖像中的位置來驅(qū)動(dòng)CXD攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)，在CXD攝像機(jī)與鎢極氬弧焊焊槍沒有絲毫機(jī)械 運(yùn)動(dòng)關(guān)系的情況下，同樣可以保證鎢極氬弧焊焊槍移動(dòng)過程中，照明燈和CXD攝像機(jī)也能 平穩(wěn)地跟著運(yùn)動(dòng)，獲取清晰的反面熔池圖像。


圖1為應(yīng)用于鋁合金TIG焊反面熔池檢測的背面攝像機(jī)與焊槍隨動(dòng)的控制裝置的 結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為基于應(yīng)用于鋁合金TIG焊反面熔池檢測的背面攝像機(jī)與焊槍隨動(dòng)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(qū)域a的示意圖。 圖5為取像區(qū)域a的示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一、結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，應(yīng)用于鋁合金TIG焊反面熔池檢測的 背面攝像機(jī)與焊槍隨動(dòng)的控制裝置，它由照明燈2、CCD攝像機(jī)3、圖像采集卡5、工控一體機(jī) 6、絲杠7和電機(jī)8組成，所述絲杠7和電機(jī)8設(shè)置在工作臺4的下方，絲杠7的軸線設(shè)置方 向與焊縫方向一致，絲杠7的一端與電機(jī)8的動(dòng)力輸出端固定連接在一起，照明燈2和CCD 攝像機(jī)3固定在移動(dòng)座上，所述移動(dòng)座套在絲杠7上，且與所述絲杠7螺紋連接，C⑶攝像 機(jī)3用于采集焊縫區(qū)域的圖像，照明燈2用于為CXD攝像機(jī)3提供輔助照明，CXD攝像機(jī)3 的圖像信號輸出端與圖像采集卡5的圖像信號輸入端相連，圖像采集卡5的信號輸出端與 工控一體機(jī)6的信號輸入端相連，工控一體機(jī)6的驅(qū)動(dòng)信號輸出端與電機(jī)8的驅(qū)動(dòng)信號輸 入端相連。
具體實(shí)施方式
二、結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不 用之處在于工控一體機(jī)6為臺式計(jì)算機(jī)或筆記本計(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施方式
三、結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不 用之處在于工控一體機(jī)6為EWS-844 —體化工作站。
具體實(shí)施方式
四、結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不 用之處在于CXD攝像機(jī)3為黑白CXD攝像機(jī)。
具體實(shí)施方式
五、結(jié)合圖2和圖4說明本實(shí)施方式，基于應(yīng)用于鋁合金TIG焊反面 熔池檢測的背面攝像機(jī)與焊槍隨動(dòng)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(jī)3拍攝鋁合金TIG焊反面熔池的圖像，并將所述圖像信息通過圖像 采集卡5發(fā)送給工控一體機(jī)6 ；步驟B、工控一體機(jī)6根據(jù)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(jī)3獲取的圖像的取像區(qū)域a，則執(zhí)行步驟C ；否則，則返回執(zhí)行步驟A ；所述取像區(qū)域a 為鎢極氬弧焊焊槍1未運(yùn)動(dòng)時(shí)標(biāo)定于CXD攝像機(jī)3圖像上的位置；
步驟C、工控一體機(jī)6根據(jù)本幅圖像中熔池前端位置與步驟B所述的取像區(qū)域a位置的 相對變化量，獲得照明燈2和era攝像機(jī)3的運(yùn)動(dòng)速度r ；
步驟D、工控一體機(jī)6根據(jù)步驟C獲得的需要改變的照明燈2和CXD攝像機(jī)3的運(yùn)動(dòng)速 度r轉(zhuǎn)化為電機(jī)8的控制信息發(fā)送給電機(jī)8 ； 步驟E、電機(jī)8控制絲杠7旋轉(zhuǎn)，照明燈2和CXD攝像機(jī)3按照變化后的運(yùn)動(dòng)速度廣運(yùn) 動(dòng)，返回執(zhí)行步驟A，直到焊接過程結(jié)束。步驟B中，返回執(zhí)行步驟A的工作過程即為電機(jī)8的轉(zhuǎn)速不變，照明燈2和CXD 攝像機(jī)3按照原有的運(yùn)動(dòng)速度運(yùn)動(dòng)，等待CXD攝像機(jī)3拍攝下一幅圖像。在焊接前，調(diào)整CXD攝像機(jī)3的位置，使其采集到焊縫起始位置的圖像。
具體實(shí)施方式
六、本實(shí)施方式是對具體實(shí)施方式
五中步驟C的進(jìn)一步說明，步驟C 中工控一體機(jī)6根據(jù)本幅圖像中熔池前端位置與步驟B所述的取像區(qū)域a位置的相對變化 量，獲得照明燈2和CXD攝像機(jī)3的運(yùn)動(dòng)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(qū)域a位置的相對變化量
Δ^；
步驟C2、根據(jù)下式求得CXD攝像機(jī)3與鎢極氬弧焊焊槍1的相對運(yùn)動(dòng)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(qū)域a位置的相對變化量， t為CXD攝像機(jī)3取像間隔時(shí)間；
步驟C3、如果本幅圖像中熔池前端位置與CXD攝像機(jī)3取像區(qū)域a相比超前，則鎢極氬 弧焊焊槍1運(yùn)動(dòng)速度小于照明燈2和CXD攝像機(jī)3的同步運(yùn)動(dòng)速度，則為減速，改變后的運(yùn) 動(dòng)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(jī)3取像區(qū)域a相比滯后，則鎢極氬弧焊焊 槍1運(yùn)動(dòng)速度大于照明燈2和CXD攝像機(jī)3的同步運(yùn)動(dòng)速度，則為加速，改變后的運(yùn)動(dòng)速度 為 r =ν+/ δ vl ；
其中，ν為照明燈(2)和CCD攝像機(jī)(3)當(dāng)前的于東速度。如果鎢極氬弧焊焊槍1運(yùn)動(dòng)速度大于照明燈2和CXD攝像機(jī)3的同步運(yùn)動(dòng)速度， 則在CCD攝像機(jī)3獲取的圖像中熔池就會(huì)向著于CCD攝像機(jī)3取像區(qū)域a的前方移動(dòng)，工 控一體機(jī)6根據(jù)熔池在CCD攝像機(jī)3獲取的圖像上偏離取像區(qū)域a偏移量大小，獲得鎢極 氬弧焊焊槍1與CXD攝像機(jī)3的相對運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)而獲得需要改變的照明燈2和CXD攝像 機(jī)3的同步運(yùn)動(dòng)速度；
如果鎢極氬弧焊焊槍1運(yùn)動(dòng)速度小于照明燈2和CXD攝像機(jī)3的同步運(yùn)動(dòng)速度，則在 CXD攝像機(jī)3獲取的圖像中熔池就會(huì)向著于CXD攝像機(jī)3取像區(qū)域a的后方移動(dòng)，工控一體 機(jī)6根據(jù)熔池在CCD攝像機(jī)3獲取的圖像上偏離取像區(qū)域a偏移量大小，獲得鎢極氬弧焊 焊槍1與CXD攝像機(jī)3的相對運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)而獲得需要改變的照明燈2和CXD攝像機(jī)3的 同步運(yùn)動(dòng)速度。
具體實(shí)施方式
七、本實(shí)施方式是對具體實(shí)施方式
五中步驟D的進(jìn)一步說明，步驟D中轉(zhuǎn)速信息為電機(jī)轉(zhuǎn)速，其中
電機(jī)8的轉(zhuǎn)速η= F，/d, d為絲杠7的螺紋間距。
具體實(shí)施方式
八、結(jié)合圖4說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是對具體實(shí)施方式
五步 驟B的進(jìn)一步說明，步驟B中取像區(qū)域a為位于CXD攝像機(jī)3拍攝圖像中心的1/9區(qū)域，即 取像區(qū)域a的長為CCD攝像機(jī)3拍攝圖像長的1/3，取像區(qū)域a的寬為CCD攝像機(jī)3拍攝圖 像寬的1/3。
具體實(shí)施方式
九、結(jié)合圖5說明本實(shí)施方式，步驟B中取像區(qū)域a為位于CXD攝像 機(jī)3拍攝圖像中心的一條直線，所述直線垂直于CCD攝像機(jī)3拍攝圖像焊縫所在直線。
權(quán)利要求
應(yīng)用于鋁合金TIG焊反面熔池檢測的背面攝像機(jī)與焊槍隨動(dòng)的控制裝置，其特征在于它由照明燈(2)、CCD攝像機(jī)(3)、圖像采集卡(5)、工控一體機(jī)(6)、絲杠(7)和電機(jī)(8)組成，所述絲杠(7)和電機(jī)(8)設(shè)置在工作臺(4)的下方，絲杠(7)的軸線設(shè)置方向與焊縫方向一致，絲杠(7)的一端與電機(jī)(8)的動(dòng)力輸出端固定連接在一起，照明燈(2)和CCD攝像機(jī)(3)固定在移動(dòng)座上，所述移動(dòng)座套在絲杠(7)上，且與所述絲杠(7)螺紋連接，CCD攝像機(jī)(3)用于采集焊縫區(qū)域的圖像，照明燈(2)用于為CCD攝像機(jī)(3)提供輔助照明，CCD攝像機(jī)(3)的圖像信號輸出端與圖像采集卡(5)的圖像信號輸入端相連，圖像采集卡(5)的信號輸出端與工控一體機(jī)(6)的信號輸入端相連，工控一體機(jī)(6)的驅(qū)動(dòng)信號輸出端與電機(jī)(8)的驅(qū)動(dòng)信號輸入端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于鋁合金TIG焊反面熔池檢測的背面攝像機(jī)與焊槍隨動(dòng) 的控制裝置，其特征在于工控一體機(jī)(6)為EWS-844 —體化工作站。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的應(yīng)用于鋁合金TIG焊反面熔池檢測的背面攝像機(jī)與焊槍 隨動(dòng)的控制裝置，其特征在于C⑶攝像機(jī)(3)為黑白C⑶攝像機(jī)。
4.基于權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于鋁合金TIG焊反面熔池檢測的背面攝像機(jī)與焊槍隨 動(dòng)的控制裝置的控制方法，其特征在于在TIG焊接過程中具體如下步驟A、CCD攝像機(jī)(3)拍攝鋁合金TIG焊反面熔池的圖像，并將所述圖像信息通過圖 像采集卡(5)發(fā)送給工控一體機(jī)(6)；步驟B、工控一體機(jī)(6)根據(jù)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(jī)(3)獲取的圖像的取像區(qū)域(a)，則執(zhí)行步驟C;否則，則返回執(zhí)行步驟A ；所述取像 區(qū)域(a)為鎢極氬弧焊焊槍⑴未運(yùn)動(dòng)時(shí)標(biāo)定于CXD攝像機(jī)(3)圖像上的位置；步驟C、工控一體機(jī)(6)根據(jù)本幅圖像中熔池前端位置與步驟B所述的取像區(qū)域(a)位 置的相對變化量，獲得照明燈⑵和ccD攝像機(jī)⑶的運(yùn)動(dòng)速度r ；步驟D、工控一體機(jī)(6)根據(jù)步驟C獲得的需要改變的照明燈(2)和CCD攝像機(jī)(3)的 運(yùn)動(dòng)速度廣轉(zhuǎn)化為電機(jī)(8)的控制信息發(fā)送給電機(jī)(8)；步驟E、電機(jī)⑶控制絲杠(7)旋轉(zhuǎn)，照明燈(2)和CCD攝像機(jī)(3)按照變化后的運(yùn)動(dòng) 速度r運(yùn)動(dòng)，返回執(zhí)行步驟A，直到焊接過程結(jié)束。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于應(yīng)用于鋁合金TIG焊反面熔池檢測的背面攝像機(jī)與焊 槍隨動(dòng)的控制裝置的控制方法，其特征在于步驟B中取像區(qū)域(a)為位于CCD攝像機(jī)(3) 拍攝圖像中心的一條直線，所述直線垂直于CCD攝像機(jī)(3)拍攝圖像焊縫所在直線。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于應(yīng)用于鋁合金TIG焊反面熔池檢測的背面攝像機(jī)與焊 槍隨動(dòng)的控制裝置的控制方法，其特征在于步驟C工控一體機(jī)(6)根據(jù)本幅圖像中熔池前 端位置與步驟B所述的取像區(qū)域(a)位置的相對變化量，獲得照明燈(2)和CCD攝像機(jī)(3) 的運(yùn)動(dòng)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(qū)域(a)位置的相對變化量步驟C2、根據(jù)下式求得CCD攝像機(jī)(3)與鎢極氬弧焊焊槍(1)的相對運(yùn)動(dòng)速度 Δ V=^Sft ；其中ΔΧ為本幅圖像中熔池前端位置與取像區(qū)域(a)位置的相對變化量， 為C⑶攝 像機(jī)(3)取像間隔時(shí)間；步驟C3、如果本幅圖像中熔池前端位置與CCD攝像機(jī)(3)取像區(qū)域(a)相比超前，則為減速，改變后的運(yùn)動(dòng)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(jī)(3)取像區(qū)域(a)相比滯后，則為加速，改 變后的運(yùn)動(dòng)速度為r =V+/ Δ V/ ；其中，V為照明燈(2)和CCD攝像機(jī)(3)當(dāng)前的于東速度。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的基于應(yīng)用于鋁合金TIG焊反面熔池檢測的背面攝像機(jī) 與焊槍隨動(dòng)的控制裝置的控制方法，其特征在于步驟D中的轉(zhuǎn)速信息為電機(jī)轉(zhuǎn)速，其中 電機(jī)(8)的轉(zhuǎn)速η=廣/d，d為絲杠(7)的螺紋間距。
全文摘要
應(yīng)用于鋁合金TIG焊反面熔池檢測的背面攝像機(jī)與焊槍隨動(dòng)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(shí)，背面CCD攝像機(jī)與焊槍通過機(jī)械裝置連接在一起協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)困難的問題，所述控制裝置的絲杠和電機(jī)連接并設(shè)置在工作臺下方，照明燈和CCD攝像機(jī)固定在絲杠上，CCD攝像機(jī)、圖像采集卡、工控一體機(jī)依次相連，工控一體機(jī)與電機(jī)相連，所述控制裝置與正面焊槍無機(jī)械連接。所述控制方法，過程如下對焊槍在CCD攝像機(jī)的取像區(qū)域內(nèi)進(jìn)行位置標(biāo)定；根據(jù)熔池偏離標(biāo)定位置的偏移量大小，得到需要改變的CCD攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)而對CCD攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行反饋控制，保證背面CCD攝像機(jī)與焊槍一起平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)。本發(fā)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(yōu)先權(quán)日2010年6月29日
發(fā)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(yè)大學(xué)