本發(fā)明涉及焊接自動(dòng)化領(lǐng)域，是一種基于超聲相控陣傳感器的角焊縫自動(dòng)跟蹤方法。

背景技術(shù)：

對(duì)于角焊縫的焊接生產(chǎn)線，我國(guó)的自動(dòng)化水平還不是很高，目前在焊縫自動(dòng)跟蹤領(lǐng)域采用的比較多的方式為擺動(dòng)電弧跟蹤技術(shù)、磁控電弧跟蹤技術(shù)和結(jié)構(gòu)光視覺(jué)跟蹤技術(shù)，其中擺動(dòng)電弧跟蹤技術(shù)的噪聲大，磨損嚴(yán)重；磁控電弧跟蹤技術(shù)的設(shè)計(jì)復(fù)雜，需要考慮的因素眾多；結(jié)構(gòu)光視覺(jué)跟蹤技術(shù)容易受到弧光的干擾，并且不適合鋁合金、鎂合金等有色金屬焊接過(guò)程中的焊縫自動(dòng)跟蹤。相對(duì)來(lái)說(shuō)，利用超聲相控陣技術(shù)進(jìn)行焊縫跟蹤，其抗干擾能力強(qiáng)，無(wú)噪聲，無(wú)磨損，并且傳感器的線陣陣元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，激勵(lì)控制也比較容易，因此采用超聲相控陣技術(shù)進(jìn)行角焊縫焊接的自動(dòng)跟蹤，對(duì)進(jìn)一步提高焊接生產(chǎn)的自動(dòng)化和焊縫跟蹤水平有著積極地推動(dòng)作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明旨在解決現(xiàn)在的超聲波焊縫跟蹤技術(shù)控制方面比較復(fù)雜，接收信號(hào)難度比較大、精確度較低的問(wèn)題。針對(duì)目前僅能跟蹤長(zhǎng)直焊縫，并且精確度較低，穩(wěn)定性較低的問(wèn)題，該跟蹤系統(tǒng)是由復(fù)合式超聲相控陣傳感器、PID變幅運(yùn)動(dòng)器和自動(dòng)跟蹤控制器組成，其中復(fù)合式超聲相控陣傳感器包括：超聲波收發(fā)模塊、復(fù)合式超聲相控陣傳感器信號(hào)采樣及處理模塊和立體式溫度傳感器；PID變幅運(yùn)動(dòng)器包括：PID變幅運(yùn)動(dòng)器執(zhí)行模塊、PID變幅運(yùn)動(dòng)器計(jì)算模塊、PID變幅運(yùn)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)模塊，在現(xiàn)有超聲相控陣技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)MPM-CC算法的精確計(jì)算和超聲波收發(fā)一體裝置的有機(jī)結(jié)合，提出了一種基于超聲相控陣傳感器的角焊縫自動(dòng)跟蹤方法。其技術(shù)方案是：利用復(fù)合式超聲相控陣傳感器對(duì)工件坡口進(jìn)行數(shù)據(jù)取樣，該復(fù)合式超聲相控陣傳感器由超聲波收發(fā)模塊、立體式溫度傳感器和復(fù)合式超聲相控陣傳感器信號(hào)采樣及處理模塊組成，該復(fù)合式傳感器固連于焊槍?zhuān)辉摲椒ɡ贸暡ㄊ瞻l(fā)模塊、立體式溫度傳感器和復(fù)合式超聲相控陣傳感器信號(hào)采樣及處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理；對(duì)采樣數(shù)據(jù)采用MPM-CC算法精確計(jì)算接收波的間隔時(shí)間；同時(shí)，根據(jù)超聲相控陣傳感器采集的坡口信號(hào)和MPM-CC算法計(jì)算的坡口形貌信息反饋到PID變幅運(yùn)動(dòng)器計(jì)算模塊，通過(guò)PID變幅運(yùn)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸和十字滑架自動(dòng)調(diào)整傳感器的位置角度，提高焊縫跟蹤的精確度。

本發(fā)明所述超聲相控陣傳感器，其特征是：該超聲相控陣傳感器將嵌入立體式溫度傳感器的壓電晶片以一定的間距呈線陣排列，使發(fā)射的超聲波束產(chǎn)生干涉偏轉(zhuǎn)聚焦，該立體式溫度傳感器可監(jiān)測(cè)焊縫坡口與傳感器之間的溫度場(chǎng)分布情況，構(gòu)成了嵌入溫度傳感的新型復(fù)合式超聲相控陣傳感器；該傳感器由超聲波收發(fā)模塊、立體式溫度傳感器和復(fù)合式超聲相控陣傳感器信號(hào)采樣及處理模塊組成；本發(fā)明所述的PID變幅運(yùn)動(dòng)器是由PID變幅運(yùn)動(dòng)執(zhí)行模塊、PID變幅運(yùn)動(dòng)器計(jì)算模塊、PID變幅運(yùn)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)模塊組成，主要是用于調(diào)節(jié)傳感器的位置角度，以保證傳感器發(fā)出的超聲波能夠垂直傳輸?shù)狡驴谖恢?，使超聲相控陣傳感器能夠通過(guò)PID變幅運(yùn)動(dòng)器處理的信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)位置角度調(diào)整。其特征是：該P(yáng)ID變幅運(yùn)動(dòng)器由PID變幅運(yùn)動(dòng)執(zhí)行模塊和PID變幅運(yùn)動(dòng)器計(jì)算模塊及PID變幅運(yùn)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)模塊組成，當(dāng)工件的角焊縫軌跡發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)超聲相控陣傳感器接收的聲波信號(hào)通過(guò)MPM-CC算法計(jì)算得到坡口電信號(hào)，PID變幅運(yùn)動(dòng)器計(jì)算模塊計(jì)算出需要偏轉(zhuǎn)的角度，并由PID變幅運(yùn)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)智能調(diào)整，使超聲波垂直入射角焊縫。

本發(fā)明所述的用于超聲波信號(hào)處理的MPM-CC算法，其特征是：MPM-CC算法中主要包括：瑞利積分、Pencil法和溫度補(bǔ)償算法，瑞利積分主要用于疊加各個(gè)離散電源的聲壓，Pencil法主要用來(lái)計(jì)算超聲波在傳播過(guò)程中聲壓的衰減情況，這兩種算法的糅合可以用于超聲相控陣傳感器尋找焊縫，但是將該溫度補(bǔ)償算法與之前的兩種算法通過(guò)方程式糅合在一起構(gòu)成的MPM-CC算法，可用于精確計(jì)算超聲波的收發(fā)間隔時(shí)間，根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度和焊接溫度對(duì)速度的影響系數(shù)，通過(guò)積分的形式計(jì)算得到焊縫與傳感器之間的精確距離，新的算法可應(yīng)用于焊接過(guò)程中焊縫的自動(dòng)跟蹤。

本發(fā)明所述的利用超聲相控陣技術(shù)進(jìn)行焊縫跟蹤的具體方法：在角焊縫自動(dòng)定位跟蹤過(guò)程中主要分為兩個(gè)部分，分別是起始點(diǎn)的自動(dòng)定位，還有就是焊接過(guò)程中的自動(dòng)跟蹤。在起始點(diǎn)自動(dòng)定位時(shí)，要求定位精度高，焊槍姿態(tài)準(zhǔn)確，所以要合理地利用超聲相控陣，盡可能多的產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)焦點(diǎn)，對(duì)焊縫采用多點(diǎn)測(cè)量的方式，調(diào)整焊槍姿態(tài)，具體方法如下：該復(fù)合式超聲相控陣傳感器中含有m個(gè)壓電晶片組成線型相控陣產(chǎn)生超聲波，其中n個(gè)一組進(jìn)行超聲波的偏轉(zhuǎn)聚焦，因此該裝置會(huì)產(chǎn)生m/n個(gè)偏轉(zhuǎn)聚焦的焦點(diǎn)作用于焊縫坡口，偏轉(zhuǎn)焦點(diǎn)組成一個(gè)動(dòng)態(tài)矩陣，利用瑞利積分將超聲探頭看成由許多小點(diǎn)源組成的一個(gè)整體，超聲發(fā)射場(chǎng)中各點(diǎn)聲壓值可通過(guò)疊加各離散點(diǎn)源在該點(diǎn)上的聲壓得到，因?yàn)槿鹄e分能夠解析的問(wèn)題比較少，所以還需要將瑞利積和Pencil法結(jié)合起來(lái)對(duì)發(fā)射聲場(chǎng)和聲場(chǎng)在不同介質(zhì)中的傳播情況進(jìn)行計(jì)算，兩種方法的結(jié)合可適用于更多的復(fù)雜界面，不僅如此，還需要對(duì)氣-固界面的聲波衰減進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果反饋到PID變幅運(yùn)動(dòng)器，同時(shí)PID變幅運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)十字滑架及轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)，調(diào)整傳感器的位置角度；在焊縫自動(dòng)過(guò)程中，由于焊接過(guò)程中產(chǎn)生的熱場(chǎng)會(huì)影響超聲波在空氣中的傳播速度，所以在本發(fā)明中將立體式溫度傳感器嵌入到超聲相控陣傳感器中，該立體式溫度傳感器可以監(jiān)焊縫與傳感器之間的溫度場(chǎng)分布梯度及變化情況，通過(guò)將溫度補(bǔ)償算法和瑞利積分及Pencil法結(jié)合起來(lái)，以積分的形式計(jì)算，自動(dòng)補(bǔ)償因?yàn)闇囟茸兓a(chǎn)生的聲波速度衰減。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明旨在解決工件角焊縫焊接自動(dòng)化過(guò)程中起始點(diǎn)自動(dòng)定位和焊縫軌跡自動(dòng)跟蹤的問(wèn)題，提出了一種基于超聲相控陣傳感器的角焊縫自動(dòng)定位跟蹤的方法。在現(xiàn)有超聲相控陣傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)上，發(fā)明了一種嵌入立體式溫度傳感器的復(fù)合式超聲相控陣傳感器，并將瑞麗積分以及Pencil法進(jìn)行融合，得到MPM-CC算法，能對(duì)實(shí)時(shí)采集的信息進(jìn)行處理并進(jìn)行焊接軌跡預(yù)判，通過(guò)距離的精確測(cè)定，準(zhǔn)確的識(shí)別焊縫，PID變幅運(yùn)動(dòng)器通過(guò)得到的距離信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)整復(fù)合式超聲相控陣傳感器的姿態(tài)，以達(dá)到最好的焊縫識(shí)別效果。本發(fā)明中設(shè)計(jì)了全新的傳感器和算法，使焊縫的自動(dòng)跟蹤不再受弧光、飛濺和溫度的干擾，為全自動(dòng)化焊縫跟蹤打下基礎(chǔ)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一種基于超聲相控陣傳感器的角焊縫自動(dòng)定位跟蹤方法的系統(tǒng)示意圖

圖2是本發(fā)明中超聲相控陣傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖中：7-超聲相控陣傳感器陣元，8-立體式溫度傳感器，9-復(fù)合式超聲相控陣傳感器信號(hào)處理模塊，10-復(fù)合式超聲相控陣傳感器信號(hào)采集模塊，11-固定裝置

圖3是PID變幅運(yùn)動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖

圖中：12-PID變幅運(yùn)動(dòng)器計(jì)算模塊，13-PID變幅運(yùn)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)模塊，14-PID變幅運(yùn)動(dòng)執(zhí)行模塊，15-轉(zhuǎn)軸

圖4是超聲相控陣測(cè)距原理圖

圖5是MPM-CC算法工作流程圖

具體實(shí)施方式

為了更好的表達(dá)整個(gè)發(fā)明的技術(shù)方案與有益效果，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。但是，本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例1，本發(fā)明基于復(fù)合式超聲相控陣傳感器，其中超聲相控陣傳感器如圖2所示，PID變幅運(yùn)動(dòng)器如圖3所示，該復(fù)合式超聲相控陣傳感器5包括：7-超聲相控陣傳感器陣元，8-立體式溫度傳感器，9-復(fù)合式超聲相控陣傳感器信號(hào)處理模塊，10-復(fù)合式超聲相控陣傳感器信號(hào)采集模塊，11-固定裝置；PID變幅運(yùn)動(dòng)器主要包括：12-PID變幅運(yùn)動(dòng)器計(jì)算模塊，13-PID變幅運(yùn)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)模塊，14-PID變幅運(yùn)動(dòng)執(zhí)行模塊，15-轉(zhuǎn)軸，復(fù)合式超聲相控陣傳感器與焊槍4剛性連接，通過(guò)導(dǎo)線與變幅運(yùn)動(dòng)器相連，PID變幅運(yùn)動(dòng)器接收來(lái)自于復(fù)合式超聲相控陣傳感器輸出的電信號(hào)，通過(guò)PID變幅運(yùn)動(dòng)計(jì)算及驅(qū)動(dòng)模塊計(jì)算出傳感器的調(diào)整角度，并通過(guò)PID變幅運(yùn)動(dòng)執(zhí)行模塊直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸和十字滑架調(diào)整復(fù)合式超聲相控陣傳感器位置角度。

實(shí)施例2，本發(fā)明中復(fù)合式超聲相控陣傳感器原理如圖4所示，探測(cè)器通過(guò)一定頻率的激勵(lì)信號(hào)激勵(lì)相陣器陣元，相陣器的陣元為圓環(huán)形超聲波換能器，在圓環(huán)形換能器中間嵌入有立體式溫度傳感器，該換能器由壓電陶瓷制作而成；在超聲波發(fā)射模式，其壓電晶片可以將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波信號(hào)，經(jīng)過(guò)陣元組合，將原始每個(gè)陣元發(fā)射的橫波經(jīng)過(guò)偏轉(zhuǎn)聚焦，焦點(diǎn)分布在工件焊縫的監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近，經(jīng)反射的超聲波被超聲波換能器接收，換能器可以將接收到的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其中聲波在傳輸過(guò)程中的等效線條如圖4中所示，其中每條虛線均是超聲波面的法線，通過(guò)偏轉(zhuǎn)聚焦形成對(duì)應(yīng)的焦點(diǎn)。嵌入的立體式溫度傳感器可以記錄焊接過(guò)程中傳感器至焊縫區(qū)域的立體溫度分布情況；溫度變化會(huì)影響超聲波信號(hào)的傳輸速度，也會(huì)影響在氣-固界面的反射效果，通過(guò)在超聲相控陣傳感器中嵌入立體式溫度傳感器，兩者同步將采集到的信號(hào)傳輸?shù)綇?fù)合式超聲相控陣傳感器信號(hào)采集及處理模塊，對(duì)因?yàn)闇囟茸兓捎镁哂袦囟妊a(bǔ)償作用的MPM-CC算法對(duì)引起的測(cè)距誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

實(shí)施例3，本發(fā)明基于新的信號(hào)計(jì)算方法，其算法工作流程圖如5所示，首先對(duì)嵌入立體式溫度傳感器的復(fù)合式超聲相控陣傳感器的陣元進(jìn)行編碼，按照從1,2……N的順序。在實(shí)施例2中我們已經(jīng)進(jìn)行敘述，超聲相控陣的工作原理是給每個(gè)陣元的激勵(lì)時(shí)刻不同，通過(guò)對(duì)激勵(lì)設(shè)置一定的延時(shí)，從而實(shí)現(xiàn)超聲波束的干涉偏轉(zhuǎn)聚焦，在算法控制當(dāng)中，我們?cè)诓杉總€(gè)陣元發(fā)出超聲波所獲得的數(shù)據(jù)的同時(shí)也要采集立體式溫度傳感器測(cè)量的立體溫度數(shù)據(jù)；在算法方面，只有接收到第1個(gè)陣元的數(shù)據(jù)，我們才會(huì)激勵(lì)第2個(gè)陣元，如果因?yàn)槟承﹩?wèn)題，超聲波換能器并未接收到回波，那激勵(lì)裝置將會(huì)繼續(xù)激勵(lì)第1個(gè)陣元，直到換能器接收到數(shù)據(jù)為止，將采集到的所有數(shù)據(jù)導(dǎo)入到方程求解，采用MPM-CC算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到每個(gè)陣元測(cè)量得到的精確距離，然后與標(biāo)準(zhǔn)距離和標(biāo)準(zhǔn)位置進(jìn)行比對(duì)，得到傳感器的位置偏差信息，也就是焊槍相對(duì)于焊縫的偏差信息，若焊縫位于信號(hào)的中央位置，則直接輸出焊槍按照原來(lái)的方向角度前進(jìn)；若焊縫偏離信號(hào)中心位置,或者復(fù)合式超聲相控陣傳感器測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)的距離值有偏差，該控制系統(tǒng)便通過(guò)PID變幅運(yùn)動(dòng)器計(jì)算模塊計(jì)算出傳感器即將需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和移動(dòng)的方位與距離，最后通過(guò)PID變幅運(yùn)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸和十字滑架調(diào)整復(fù)合式超聲相控陣的位置角度。