窄間隙焊接電弧搖動的適應(yīng)控制方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種窄間隙焊接電弧搖動的適應(yīng)控制方法及裝置，控制裝置由紅外攝像機系統(tǒng)、計算機圖像處理系統(tǒng)、電弧搖動參數(shù)控制系統(tǒng)、折彎導(dǎo)電桿式搖動電弧焊炬等構(gòu)成；紅外攝像機系統(tǒng)以外觸發(fā)方式采集電弧偏向坡口左側(cè)壁或右側(cè)壁時的焊接區(qū)域紅外圖像，經(jīng)過計算機圖像處理后，實時提取坡口寬度信息，并計算電弧搖動角度目標(biāo)值；電弧搖動參數(shù)控制系統(tǒng)控制電機驅(qū)動機構(gòu)轉(zhuǎn)動折彎導(dǎo)電桿，帶動焊接電弧按搖動角度目標(biāo)值作圓弧形搖動，實現(xiàn)根據(jù)坡口寬度變化對電弧搖動角度的適應(yīng)控制。本發(fā)明控制裝置構(gòu)成簡單，坡口寬度檢測精度高，環(huán)境適應(yīng)性好，工程實用性強，可與焊縫跟蹤和焊接熔敷量控制系統(tǒng)聯(lián)合使用，達(dá)到變坡口窄間隙焊接質(zhì)量適應(yīng)控制的目的。
【專利說明】窄間隙焊接電弧搖動的適應(yīng)控制方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及焊接【技術(shù)領(lǐng)域】，特指一種在坡口寬度變化條件下對窄間隙焊接電弧運 動進行適應(yīng)控制的方法及裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 窄間隙熔化極氣體保護焊是一種高效、高質(zhì)量、低成本的焊接方法。在實際窄間隙 焊接過程中，往往由于受坡口加工誤差、工件裝配誤差、焊接熱變形等因素的影響，會導(dǎo)致 坡口寬度大小和焊縫中心位置發(fā)生變化，使得即使采用搖動電弧焊接法、高速旋轉(zhuǎn)電弧焊 接法、蛇形焊絲焊接法等控制坡口側(cè)壁熔透的新工藝也不能保證電弧始終均勻有效地加熱 坡口側(cè)壁，同時也難以保證獲得穩(wěn)定的焊縫高度，從而影響焊接質(zhì)量。對于這種坡口寬度變 化的變坡口焊接問題，需要引入針對電弧位置的適應(yīng)控制機制。
[0003]日本專利號為JP55048475A、名稱為"窄間隙自動焊接方法"的專利文獻中，公開采 用輪式彎絲機構(gòu)使焊絲預(yù)先產(chǎn)生圓弧狀彎曲變形，電機通過蝸輪蝸桿裝置驅(qū)動門板式搖動 機構(gòu)，帶動從直型導(dǎo)絲管中心孔送出的呈圓弧狀彎曲狀態(tài)的焊絲端部的電弧，在窄間隙坡 口內(nèi)作往復(fù)式搖動；同時，通過錐形輥輪接觸式探頭探測坡口寬度，并通過與輥輪探頭機構(gòu) 相連的電位差計將坡口寬度變化轉(zhuǎn)換成電信號，最后通過門板式搖動機構(gòu)控制焊絲搖動角 度，以自動適應(yīng)坡口寬度的變化。其缺點是：1)輪式彎絲機構(gòu)和蝸輪蝸桿式搖動機構(gòu)復(fù)雜， 不方便調(diào)節(jié)焊絲彎曲度和電弧搖動半徑；2)焊絲預(yù)變形和搖動導(dǎo)向機構(gòu)遠(yuǎn)離焊絲伸出端， 使得焊絲從導(dǎo)電嘴送出后搖動規(guī)則性不強；3)接觸式坡口寬度傳感探頭易磨損，且傳感檢 測點與焊接電弧位置不同步，使得傳感精度較低；4)搖動控制裝置可控性較差，導(dǎo)致電弧搖 動控制精度下降。
[0004] 中國專利號為ZL200810236274. 5、名稱為"搖動電弧窄間隙熔化極氣體保護焊接 方法及裝置"，采用空心軸電機直接驅(qū)動微彎導(dǎo)電桿繞焊炬中心軸線往復(fù)運動，帶動從直型 導(dǎo)電嘴中心孔送出焊絲端部的電弧在窄間隙焊接坡口內(nèi)作圓弧形搖動，實現(xiàn)搖動電弧窄間 隙焊接。該發(fā)明克服了上述先有技術(shù)的不足，無需對焊絲進行遠(yuǎn)程預(yù)變形處理，而是直接通 過折彎導(dǎo)電桿為焊絲提供末端彎曲導(dǎo)向，從而簡化了電弧搖動機構(gòu)設(shè)計，并使得焊絲搖動 規(guī)則性強，電弧指向性好，電弧搖動控制精度高；此外，通過采用不同折彎角度和折彎長度 的彎曲導(dǎo)電桿，可方便地調(diào)節(jié)電弧搖動半徑，以適應(yīng)不同坡口寬度的焊接應(yīng)用。其缺點是： 對于常見的變坡口窄間隙焊接應(yīng)用，未涉及具體的實施技術(shù)方案，難以使變坡口窄間隙焊 接工藝實用化。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)存在窄間隙坡口寬度提取精度低、電弧搖動控制精度不高、焊接環(huán) 境適應(yīng)性不強等缺點，本發(fā)明提出一種控制精度高、工程實用性強、環(huán)境適應(yīng)性好、實施方 便的窄間隙焊接電弧搖動的適應(yīng)控制方法及裝置，根據(jù)紅外視覺傳感器檢測坡口寬度信 息，并通過折彎導(dǎo)電桿式搖動電弧焊炬實時調(diào)整電弧搖動角度，實現(xiàn)根據(jù)坡口寬度變化對 電弧搖動角度的自適應(yīng)控制。
[0006] 本發(fā)明提出的窄間隙焊接電弧搖動的適應(yīng)控制裝置采用的技術(shù)方案是：包括窄間 隙焊炬，窄間隙焊炬中的折彎導(dǎo)電桿一端與電機驅(qū)動及饋電機構(gòu)相連、另一端與直型導(dǎo)電 嘴相接，穿過窄間隙焊炬的焊絲伸入坡口寬度變化的待焊坡口中產(chǎn)生焊接電弧；還包括電 弧搖動參數(shù)控制系統(tǒng)、計算機圖像處理系統(tǒng)以及紅外攝像系統(tǒng)；紅外攝像系統(tǒng)包括數(shù)字式 紅外攝像機及紅外濾光系統(tǒng)，計算機圖像處理系統(tǒng)包含依次連接的圖像采集卡、坡口寬度 提取模塊和搖動角度計算模塊，圖像采集卡通過視頻線與紅外攝像機相連，搖動角度計算 模塊的輸出連接電弧搖動參數(shù)控制系統(tǒng)。
[0007] 本發(fā)明提出的窄間隙焊接電弧搖動的適應(yīng)控制裝置的控制方法采用的技術(shù)方案 是：紅外攝像系統(tǒng)以電弧位置外觸發(fā)方式獲取焊接區(qū)域紅外圖像，經(jīng)過計算機圖像處理后， 實時提取坡口寬度信息，并根據(jù)坡口寬度計算出電弧搖動角度目標(biāo)值；然后，電弧搖動參數(shù) 控制系統(tǒng)控制電機驅(qū)動及饋電機構(gòu)直接轉(zhuǎn)動折彎導(dǎo)電桿，控制電弧在待焊坡口內(nèi)以目標(biāo)搖 動角度作相對于焊炬的圓弧形軌跡搖動，實現(xiàn)根據(jù)坡口寬度變化對電弧搖動角度的自適應(yīng) 控制。
[0008] 進一步地，本發(fā)明窄間隙焊接電弧搖動的適應(yīng)控制裝置的控制方法具體又包括如 下步驟： I在搖動角度計算模塊中，預(yù)設(shè)電弧搖動半徑r、預(yù)留工藝間隙g、坡口寬度變化判定 閾值THW以及坡口寬度初始值Gs(l后，計算出坡口初始寬度GsCI(視同為坡口實際寬度A#。處 的采樣值)處所對應(yīng)的初始搖動角度aM然后焊炬與紅外攝像系統(tǒng)一起以焊接速度Vw向前 移動，同時電弧搖動參數(shù)控制系統(tǒng)通過焊炬控制電弧在待焊坡口內(nèi)作搖動角度為a^的往 復(fù)式圓弧形軌跡搖動； +f電弧搖動參數(shù)控制系統(tǒng)根據(jù)電機轉(zhuǎn)動位置檢測信號PM，在電弧偏向待焊坡口左側(cè)壁 或右側(cè)壁(或處于坡口中心）時，向紅外攝像機和圖像采集卡發(fā)出電弧拍攝與圖像采集觸發(fā) 信號PA，使計算機圖像處理系統(tǒng)獲取焊接區(qū)域圖像后，寬度提取模塊通過圖像處理實時提 取坡口寬度； I當(dāng)焊炬移動到坡口實際寬度為八也(實際采樣點序數(shù)i> 1)的任意位置處時，坡口寬 度提取模塊實時提取該處坡口寬度當(dāng)前檢測值匕，并與之前在其他位置獲取的最近（n-1) (i彡n時)或（i-1)(i<n時)個坡口寬度檢測值一起，求出共n(n彡1)或i(i<n時） 個坡口寬度檢測值的中值或平均值，作為八此處坡口寬度當(dāng)前采樣值Gsi，再輸入至搖動角 度計算模塊中； I搖動角度計算模塊將坡口寬度當(dāng)前采樣值Gsi與前次采樣值G 進行比較，若二者 差值的絕對值A(chǔ)Gsi<THw，則不調(diào)整坡口實際寬度為AiBi處的電弧搖動角度ai;否則，由 搖動角度計算模塊根據(jù)坡口寬度當(dāng)前采樣值Gsi、預(yù)留工藝間隙g和電弧搖動半徑r，計算求 得AiBi處電弧搖動角度目標(biāo)值a1后，電弧搖動參數(shù)控制系統(tǒng)再通過電機驅(qū)動及饋電機構(gòu) 驅(qū)動折彎導(dǎo)電桿，控制電弧作角度為ai的圓弧形軌跡搖動，使電弧在側(cè)壁停留點0,和心處 至坡口側(cè)壁距離分別與設(shè)定的預(yù)留工藝間隙g相等；重復(fù)上述步驟I至步驟i,直至焊接 過程結(jié)束。
[0009] 在步驟I.中，預(yù)留工藝間隙g是在與焊接速度垂直方向上電弧軸線至坡口左右 側(cè)壁的最短距離，預(yù)設(shè)的電弧搖動半徑r>(G_-2g)/2,其中，

【權(quán)利要求】
1. 一種窄間隙焊接電弧搖動的適應(yīng)控制裝置，包括窄間隙焊炬，窄間隙焊炬中的折彎 導(dǎo)電桿（3)-端與電機驅(qū)動及饋電機構(gòu)（4)相連、另一端與直型導(dǎo)電嘴（2)相接，穿過窄間 隙焊炬的焊絲（5)伸入坡口寬度變化的待焊坡口（9)中產(chǎn)生焊接電?。? )，其特征是：還包 括電弧搖動參數(shù)控制系統(tǒng)（10)、計算機圖像處理系統(tǒng)（11)以及紅外攝像系統(tǒng)；紅外攝像系 統(tǒng)包括數(shù)字式紅外攝像機（12)及紅外濾光系統(tǒng)（13)，計算機圖像處理系統(tǒng)（11)包含依次 連接的圖像采集卡（14)、坡口寬度提取模塊（15)和搖動角度計算模塊（16)，圖像采集卡 (14)通過視頻線與紅外攝像機（12)相連，搖動角度計算模塊（16)的輸出連接電弧搖動參 數(shù)控制系統(tǒng)（10)。
2. -種如權(quán)利要求1所述窄間隙焊接電弧搖動的適應(yīng)控制裝置的控制方法，其特征 是：紅外攝像系統(tǒng)以電弧位置外觸發(fā)方式獲取焊接區(qū)域紅外圖像，經(jīng)過計算機圖像處理系 統(tǒng)（11)處理，實時提取到坡口寬度信息；計算機圖像處理系統(tǒng)（11)根據(jù)坡口寬度計算出電 弧搖動角度目標(biāo)值；電弧搖動參數(shù)控制系統(tǒng)（10 )控制電機驅(qū)動及饋電機構(gòu)（4 )直接轉(zhuǎn)動折 彎導(dǎo)電桿（3)，控制電弧（1)在待焊坡口（9)內(nèi)以目標(biāo)搖動角度作相對于焊炬的圓弧形軌跡 (8 )搖動，實現(xiàn)根據(jù)坡口寬度變化對電弧搖動角度的自適應(yīng)控制。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制方法，其特征是具體包括以下步驟： 工在搖動角度計算模塊（16)中，預(yù)設(shè)電弧搖動半徑r、預(yù)留工藝間隙g、坡口寬度變化 判定閾值THw以及坡口寬度初始值Gs(l后，計算出坡口初始寬度Gs(l處所對應(yīng)的初始搖動角 度a^，作為坡口實際寬度AtlBtl處的采樣值，然后焊炬與紅外攝像系統(tǒng)一起以焊接速度V￥向 前移動，同時電弧搖動參數(shù)控制系統(tǒng)（10)通過焊炬控制電弧（1)在待焊坡口（9)內(nèi)作搖動 角度為％的往復(fù)式圓弧形軌跡（8)搖動； .1:電弧搖動參數(shù)控制系統(tǒng)（10)根據(jù)電機轉(zhuǎn)動位置檢測信號ΡΜ，在電?。?)偏向待焊坡 口（9)左側(cè)壁或右側(cè)壁或處于坡口中心時，向紅外攝像機（12)和圖像采集卡（14)發(fā)出電弧 拍攝與圖像采集觸發(fā)信號Pa，使計算機圖像處理系統(tǒng)（11)獲取焊接區(qū)域圖像后，寬度提取 模塊（15)通過圖像處理實時提取坡口寬度； S當(dāng)焊炬移動到坡口實際寬度為AiBi的任意位置處時，坡口寬度提取模塊（15)實時提 取該處坡口寬度當(dāng)前檢測值Gi,并與之前在其他位置獲取的最近的當(dāng)i>η時的η-1個或 當(dāng)i<η時的i-Ι個坡口寬度檢測值一起，求出當(dāng)η> 1時共η個或當(dāng)i<η時共i個坡 口寬度檢測值的中值或平均值，作為AiBi處坡口寬度當(dāng)前采樣值Gsi，再輸入至搖動角度計 算模塊（16)中；其中i是實際采樣點序數(shù)，i> 1 ; ?搖動角度計算模塊（16)將坡口寬度當(dāng)前采樣值Gsi與前次采樣值G進行比較， 若二者差值的絕對值A(chǔ)Gsi彡THw，則不調(diào)整坡口實際寬度為AiBi處的電弧搖動角度ai;否 貝1J，搖動角度計算模塊（16)根據(jù)坡口寬度當(dāng)前采樣值Gsi、預(yù)留工藝間隙g和電弧搖動半徑 r，計算求得AiBi處電弧搖動角度目標(biāo)值α,后，電弧搖動參數(shù)控制系統(tǒng)（10)再通過電機驅(qū) 動及饋電機構(gòu)（4)驅(qū)動折彎導(dǎo)電桿（3)，控制電?。?)作角度為Cii的圓弧形軌跡（8)搖動， 使電弧在側(cè)壁停留點DJPM,處至坡口側(cè)壁距離分別與設(shè)定的預(yù)留工藝間隙g相等； ⑤重復(fù)上述步驟..I至步驟.1.,直至焊接過程結(jié)束。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制方法，其特征是：步驟.1中，寬度提取模塊（15)實時提 取坡口寬度的方法一是：當(dāng)電弧（I)偏向待焊坡口（9)左側(cè)壁時，根據(jù)坡口右邊緣線（19)的 橫向位置變化調(diào)整坡口右側(cè)圖像截取窗口（17)定位點的橫坐標(biāo)值，截取坡口右側(cè)圖像，提 取坡口右邊緣線（19)以及坡口右邊緣線（19)至全局圖像左邊界的當(dāng)前距離Lli;當(dāng)電弧偏 向待焊坡口（9)右側(cè)壁時，根據(jù)坡口左邊緣線（20)的橫向位置變化調(diào)整坡口左側(cè)圖像截取 窗口（ 18 )定位點的橫坐標(biāo)值，截取坡口左側(cè)圖像，提取坡口左邊緣線（20 )以及坡口左邊緣 線（20)至全局圖像左邊界的當(dāng)前距離L2i，計算出坡口寬度當(dāng)前檢測值Gi= (Ln-L2i)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制方法，其特征是：步驟2中，寬度提取模塊（15)實時提取 坡口寬度的方法二是：通過對全局焊接圖像進行處理，提取電弧區(qū)域最高點的位置坐標(biāo)，根 據(jù)最高點的縱坐標(biāo)值確定坡口左、右側(cè)圖像截取窗口（ 18、17)的定位點的縱坐標(biāo)值，根據(jù)坡 口邊緣線（20、19)的橫向位置變化調(diào)整圖像截取窗口（18、17)定位點的橫坐標(biāo)值；用右側(cè) 圖像截取窗口（17)截取包含坡口右邊緣線（19)信息的圖像后，再求取坡口右邊緣線（19) 至全局圖像左邊界的當(dāng)前距離Lli;在同一幅圖像中用坡口左側(cè)圖像截取窗口（18)截取包 含坡口左邊緣線（20)信息的圖像后，再求取坡口左邊緣線（20)至全局圖像左邊界的當(dāng)前 距離L2i，計算出坡口寬度的當(dāng)前檢測值Gi= (Ln-L2iX
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的控制方法，其特征是：坡口左邊緣線（20)至全局圖像左 邊界距離L2i的檢測點的縱坐標(biāo)值，與坡口右邊緣線（19)至全局圖像左邊界距離Lli的檢測 點的縱坐標(biāo)值相同，為坡口左、右側(cè)圖像截取窗口（18、17)內(nèi)坡口左、右邊緣線（20、19)上m 個位置檢測值的中值或平均值，m> 1。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的控制方法，其特征是：在處理圖像截取窗口（17)或（18) 截取的小窗口圖像時，先進行中值法濾波，再對所全局圖像圖像進行灰度分析，自動尋找熔 池圖像與背景圖像灰度分布的峰谷點并確定閾值點，對全窗口圖像進行大津法自適應(yīng)閾值 分割處理，最后用Canny邊緣檢測算子提取坡口邊緣線（19、20);在對全局焊接圖像處理 時，先采用中值法濾波和對比度拉伸處理，然后對焊接圖像進行全局固定閾值分割后提取 電弧區(qū)域輪廓，再對電弧區(qū)域輪廓進行形態(tài)學(xué)腐蝕處理后，提取電弧區(qū)域最高點的位置坐 標(biāo)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的控制方法，其特征是：根據(jù)電弧拍攝與圖像采集觸發(fā)信 號Pa或電弧區(qū)域最高點橫坐標(biāo)值，辨識并確認(rèn)電弧偏向坡口左側(cè)壁或是偏向坡口右側(cè)壁或 是在坡口中心。
9. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制方法，其特征是：在步驟I中，預(yù)留工藝間隙g是在與 焊接速度Vir垂直方向上電弧軸線至坡口左右側(cè)壁的最短距離，預(yù)設(shè)的電弧搖動半徑r> (Gmax-2g)/2，其中，+ 通多,Gmax是坡口寬度可能的最大值，a是焊 炬的折彎導(dǎo)電桿（3)折彎部分的長度，b是焊炬的直型導(dǎo)電嘴（2)的長度，h是焊炬高度，β是折彎導(dǎo)電桿（3)的折彎角度；在步驟I:中，坡口寬度變化判定閾值THW< 0. 5_，搖動角度
【文檔編號】B23K9/095GK104439620SQ201410741503
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月9日
【發(fā)明者】王加友, 朱杰, 蘇娜, 楊茂森, 黎文航 申請人:江蘇科技大學(xué)