一种基于复合式超声相控阵传感器的角焊缝自动跟踪方法技术

本发明专利技术公开了一种基于复合式超声相控阵传感器的角焊缝自动跟踪方法，主要是应用于自动化焊接专机中，解决其角焊缝的自动跟踪问题，该方法利用复合式超声相控阵传感器进行距离和温度测量，采用MPM‑CC算法以消除温度等因素对测距的影响；在跟踪过程中，复合式超声相控阵传感器固连于焊枪，焊枪上部通过转轴与PID变幅运动器相连，PID变幅运动器计算模块通过收集的采样信号计算出复合式超声相控阵传感器和焊枪需要偏转的角度和移动的距离，通过PID变幅运动器驱动模块驱动PID变幅运动器执行模块，PID变幅运动器执行模块驱动转轴以及十字滑架调整复合式超声相控阵传感器的位置角度，通过算法与硬件的配合完成角焊缝的自动跟踪。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超声相控阵传感器的角焊缝自动跟踪方法
本专利技术涉及焊接自动化领域，是一种基于超声相控阵传感器的角焊缝自动跟踪方法。
技术介绍
对于角焊缝的焊接生产线，我国的自动化水平还不是很高，目前在焊缝自动跟踪领域采用的比较多的方式为摆动电弧跟踪技术、磁控电弧跟踪技术和结构光视觉跟踪技术，其中摆动电弧跟踪技术的噪声大，磨损严重；磁控电弧跟踪技术的设计复杂，需要考虑的因素众多；结构光视觉跟踪技术容易受到弧光的干扰，并且不适合铝合金、镁合金等有色金属焊接过程中的焊缝自动跟踪。相对来说，利用超声相控阵技术进行焊缝跟踪，其抗干扰能力强，无噪声，无磨损，并且传感器的线阵阵元结构简单，激励控制也比较容易，因此采用超声相控阵技术进行角焊缝焊接的自动跟踪，对进一步提高焊接生产的自动化和焊缝跟踪水平有着积极地推动作用。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术旨在解决现在的超声波焊缝跟踪技术控制方面比较复杂，接收信号难度比较大、精确度较低的问题。针对目前仅能跟踪长直焊缝，并且精确度较低，稳定性较低的问题，该跟踪系统是由复合式超声相控阵传感器、PID变幅运动器和自动跟踪控制器组成，其中复合式超声相控阵传感器包括：超声波收发模块、复合式超声相控阵传感器信号采样及处理模块和立体式温度传感器；PID变幅运动器包括：PID变幅运动器执行模块、PID变幅运动器计算模块、PID变幅运动器驱动模块，在现有超声相控阵技术的基础上，通过MPM-CC算法的精确计算和超声波收发一体装置的有机结合，提出了一种基于超声相控阵传感器的角焊缝自动跟踪方法。其技术方案是：利用复合式超声相控阵传感器对工件坡口进行数据取样，该复合式超声相控阵传感器由超声波收发模块、立体式温度传感器和复合式超声相控阵传感器信号采样及处理模块组成，该复合式传感器固连于焊枪；该方法利用超声波收发模块、立体式温度传感器和复合式超声相控阵传感器信号采样及处理模块进行数据采集和信号处理；对采样数据采用MPM-CC算法精确计算接收波的间隔时间；同时，根据超声相控阵传感器采集的坡口信号和MPM-CC算法计算的坡口形貌信息反馈到PID变幅运动器计算模块，通过PID变幅运动器驱动模块驱动转轴和十字滑架自动调整传感器的位置角度，提高焊缝跟踪的精确度。本专利技术所述超声相控阵传感器，其特征是：该超声相控阵传感器将嵌入立体式温度传感器的压电晶片以一定的间距呈线阵排列，使发射的超声波束产生干涉偏转聚焦，该立体式温度传感器可监测焊缝坡口与传感器之间的温度场分布情况，构成了嵌入温度传感的新型复合式超声相控阵传感器；该传感器由超声波收发模块、立体式温度传感器和复合式超声相控阵传感器信号采样及处理模块组成；本专利技术所述的PID变幅运动器是由PID变幅运动执行模块、PID变幅运动器计算模块、PID变幅运动器驱动模块组成，主要是用于调节传感器的位置角度，以保证传感器发出的超声波能够垂直传输到坡口位置，使超声相控阵传感器能够通过PID变幅运动器处理的信号进行自适应位置角度调整。其特征是：该PID变幅运动器由PID变幅运动执行模块和PID变幅运动器计算模块及PID变幅运动器驱动模块组成，当工件的角焊缝轨迹发生变化时，根据超声相控阵传感器接收的声波信号通过MPM-CC算法计算得到坡口电信号，PID变幅运动器计算模块计算出需要偏转的角度，并由PID变幅运动器驱动模块驱动执行机构实时智能调整，使超声波垂直入射角焊缝。本专利技术所述的用于超声波信号处理的MPM-CC算法，其特征是：MPM-CC算法中主要包括：瑞利积分、Pencil法和温度补偿算法，瑞利积分主要用于叠加各个离散电源的声压，Pencil法主要用来计算超声波在传播过程中声压的衰减情况，这两种算法的糅合可以用于超声相控阵传感器寻找焊缝，但是将该温度补偿算法与之前的两种算法通过方程式糅合在一起构成的MPM-CC算法，可用于精确计算超声波的收发间隔时间，根据超声波在空气中的传播速度和焊接温度对速度的影响系数，通过积分的形式计算得到焊缝与传感器之间的精确距离，新的算法可应用于焊接过程中焊缝的自动跟踪。本专利技术所述的利用超声相控阵技术进行焊缝跟踪的具体方法：在角焊缝自动定位跟踪过程中主要分为两个部分，分别是起始点的自动定位，还有就是焊接过程中的自动跟踪。在起始点自动定位时，要求定位精度高，焊枪姿态准确，所以要合理地利用超声相控阵，尽可能多的产生偏转焦点，对焊缝采用多点测量的方式，调整焊枪姿态，具体方法如下：该复合式超声相控阵传感器中含有m个压电晶片组成线型相控阵产生超声波，其中n个一组进行超声波的偏转聚焦，因此该装置会产生m/n个偏转聚焦的焦点作用于焊缝坡口，偏转焦点组成一个动态矩阵，利用瑞利积分将超声探头看成由许多小点源组成的一个整体，超声发射场中各点声压值可通过叠加各离散点源在该点上的声压得到，因为瑞利积分能够解析的问题比较少，所以还需要将瑞利积和Pencil法结合起来对发射声场和声场在不同介质中的传播情况进行计算，两种方法的结合可适用于更多的复杂界面，不仅如此，还需要对气-固界面的声波衰减进行计算，将计算结果反馈到PID变幅运动器，同时PID变幅运动驱动模块驱动十字滑架及转轴运动，调整传感器的位置角度；在焊缝自动过程中，由于焊接过程中产生的热场会影响超声波在空气中的传播速度，所以在本专利技术中将立体式温度传感器嵌入到超声相控阵传感器中，该立体式温度传感器可以监焊缝与传感器之间的温度场分布梯度及变化情况，通过将温度补偿算法和瑞利积分及Pencil法结合起来，以积分的形式计算，自动补偿因为温度变化产生的声波速度衰减。本专利技术的有益效果是：本专利技术旨在解决工件角焊缝焊接自动化过程中起始点自动定位和焊缝轨迹自动跟踪的问题，提出了一种基于超声相控阵传感器的角焊缝自动定位跟踪的方法。在现有超声相控阵传感器技术的基础上，专利技术了一种嵌入立体式温度传感器的复合式超声相控阵传感器，并将瑞丽积分以及Pencil法进行融合，得到MPM-CC算法，能对实时采集的信息进行处理并进行焊接轨迹预判，通过距离的精确测定，准确的识别焊缝，PID变幅运动器通过得到的距离信号实时调整复合式超声相控阵传感器的姿态，以达到最好的焊缝识别效果。本专利技术中设计了全新的传感器和算法，使焊缝的自动跟踪不再受弧光、飞溅和温度的干扰，为全自动化焊缝跟踪打下基础。附图说明图1是本专利技术一种基于超声相控阵传感器的角焊缝自动定位跟踪方法的系统示意图图2是本专利技术中超声相控阵传感器的内部结构图图中：7-超声相控阵传感器阵元，8-立体式温度传感器，9-复合式超声相控阵传感器信号处理模块，10-复合式超声相控阵传感器信号采集模块，11-固定装置图3是PID变幅运动器结构图图中：12-PID变幅运动器计算模块，13-PID变幅运动器驱动模块，14-PID变幅运动执行模块，15-转轴图4是超声相控阵测距原理图图5是MPM-CC算法工作流程图具体实施方式为了更好的表达整个专利技术的技术方案与有益效果，下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细说明。但是，本专利技术的实施方式不限于此。实施例1，本专利技术基于复合式超声相控阵传感器，其中超声相控阵传感器如图2所示，PID变幅运动器如图3所示，该复合式超声相控阵传感器5包括：7-超声相控阵传感器阵元，8-立体式温度传感器，9-复合式超声本文档来自技高网...

【技术保护点】
本专利技术公开了一种基于超声相控阵传感器的角焊缝自动跟踪方法，它主要解决现有超声波焊缝跟踪技术控制复杂，定位困难、接收反射信号困难等问题；其特征是：该跟踪系统是由复合式超声相控阵传感器、PID变幅运动器和自动跟踪控制器组成，其中复合式超声相控阵传感器包括：超声波收发模块、复合式超声相控阵传感器信号采样及处理模块和立体式温度传感器；PID变幅运动器包括：PID变幅运动器执行模块、PID变幅运动器计算模块及PID变幅运动器驱动模块；该方法利用超声相控阵定位装置进行起始点的精确定位，利用超声波收发模块、立体式温度传感器进行数据采集；利用复合式超声相控阵传感器信号采样及处理模块对采样数据采用MPM‑CC算法精确计算接收波的间隔时间；PID变幅运动器计算模块通过收集的采样信号，计算出传感器和焊枪需要偏转的角度和移动的距离，通过PID变幅运动器驱动模块驱动转轴以及十字滑架调整传感器的位置角度。

【技术特征摘要】
1.本发明公开了一种基于超声相控阵传感器的角焊缝自动跟踪方法，它主要解决现有超声波焊缝跟踪技术控制复杂，定位困难、接收反射信号困难等问题；其特征是：该跟踪系统是由复合式超声相控阵传感器、PID变幅运动器和自动跟踪控制器组成，其中复合式超声相控阵传感器包括：超声波收发模块、复合式超声相控阵传感器信号采样及处理模块和立体式温度传感器；PID变幅运动器包括：PID变幅运动器执行模块、PID变幅运动器计算模块及PID变幅运动器驱动模块；该方法利用超声相控阵定位装置进行起始点的精确定位，利用超声波收发模块、立体式温度传感器进行数据采集；利用复合式超声相控阵传感器信号采样及处理模块对采样数据采用MPM-CC算法精确计算接收波的间隔时间；PID变幅运动器计算模块通过收集的采样信号，计算出传感器和焊枪需要偏转的角度和移动的距离，通过PID变幅运动器驱动模块驱动转轴以及十字滑架调整传感器的位置角度。2.根据权利要求一所述的一种基于超声相控阵传感器的角焊缝自动跟踪方法，发明了一种复合式超声相控阵传感器，该复合式超声相控阵传感器固连于焊枪，焊枪上部通过转轴与...

【专利技术属性】
技术研发人员：李湘文，张贤锌，洪波，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43