基于红外热像仪的盲区焊缝在线评估与控制系统技术方案

本公开提供了一种实现盲区焊缝在线评估与控制系统。该盲区焊缝在线评估与控制系统，包括：焊接系统，用于对待焊接母材进行焊接；红外热像仪，对准焊接母材的可观察区域，给出可观察区域的温度场信息，用于对该焊接母材进行焊接状态监测；运动机构，用于调节焊接系统相对于焊接母材的位置；控制器，用于接收红外热线仪给出的温度场信息，根据该温度场信息得到焊接状态信息并产生焊接控制指令和运动控制指令；其中，运动机构依照该焊接控制指令调节焊接系统相对于焊接母材的位置，焊接系统依照该运动控制指令对待焊接母材进行焊接。本公开可以实时估计熔池的位置信息，为运动机构提供运动控制指令，实现了闭环控制，有效可靠地完成焊接任务。

Blind spot welding seam online evaluation and control system based on infrared thermal imager

The present invention provides a blind spot welding seam on-line evaluation and control system. Including the blind weld online assessment and control system, welding system, welding material for welding; thermal infrared imager, alignment can be observed regional weldments, given the observed temperature field information for welding area, state monitoring of the welding base metal; motion mechanism for regulating welding system relative to welding the position of the parent material; temperature controller, for receiving infrared instrument information hotline are given, according to the information of the temperature field of welding welding state information and control command and motion control command; the movement mechanism in accordance with the instructions to control welding welding control system relative to the parent material welding position, welding system in accordance with the motion control command to welding material for welding. The present invention can estimate the position information of molten pool in real time, provide motion control command for movement mechanism, realize closed loop control, and finish welding task effectively and reliably.

【技术实现步骤摘要】
基于红外热像仪的盲区焊缝在线评估与控制系统
本公开涉及焊接自动化
，尤其涉及一种可对盲区焊缝实现在线评估与控制的解决方案。
技术介绍
焊接熔池包含有丰富的信息，熔池传感与控制系统的研究是焊接研究一个重要领域。焊接熔池是影响焊接质量的重要因素，熔池的尺寸(正面熔宽、熔深或背面熔宽、余高)直接关系到焊接接头的力学性能，焊接过程中熔池尺寸的稳定对于焊接质量的保证是非常重要的；另外，熔池中包含着丰富的信息，在焊接实践中，熟练的焊工主要是通过观察熔池的变化等因素来调整焊接参数获得满意的焊缝成形。但是焊接工况总是千差万别，经常会遇到待焊接区域所在位置空间狭小，工人操作非常困难。如果焊缝会出现在操作空间过小，甚至相对隐蔽处，焊接工人无法用眼直接观察到焊缝，因而焊接工作难以顺利进行，像这种焊接任务我们称之为“盲区焊接”，简称“盲焊”。盲区焊接任务对工人的技术水平要求高。通常只有极其优秀熟练的焊接工人才可以胜任，他们除了依靠眼睛以外，还可以依靠耳朵，手感以及其他自身感觉进行操作，没有多年的经验积累往往难以掌握这种技能。以铝电解行业母线连接处阴极钢棒和铝-钢爆炸焊板的连接问题为例，待焊接工位位于地下，进行操作时非常不方便，严重增加了施工难度，上述问题一直是加快铝厂大修进度的瓶颈。若采用气电立焊技术实现阴极钢棒和爆炸焊钢片的连接时，焊缝四周由焊接母材和水冷滑块遮挡，难以通过视觉以及其他传感手段直接获取熔池信息，形成了盲区焊缝。图8是待焊接区域盲区示意图，如图8所示，由于采用气电立焊工艺，阴极钢板，铝钢爆炸焊板和水冷滑块四处遮挡形成的待焊接区域成为视觉盲区，导致焊缝在空间上没有合适的位置和角度对熔池进行直接观察。现有的弧压传感技术可以实现焊枪的自动提升，保证焊枪提升速度和熔池上升匹配；但是无法实现焊接的全闭环控制，很容易造成与母材粘丝和撞枪，严重影响焊接质量和效率。由此可见一个可以提供盲区焊缝在线评估与控制的系统是非常有必要的，通过间接的分析获取焊枪的位置信息，进而有效控制焊接质量。公开内容(一)要解决的技术问题本公开提供了一种基于红外热像仪的盲区焊缝在线评估与控制系统，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案本公开提供了一种基于红外热像仪的盲区焊缝在线评估与控制系统，用于采用气电立焊技术进行焊接作业时实现对狭小空间盲区焊缝的自动连接，包括：焊接系统，用于对待焊接母材进行焊接；红外热像仪，对准焊接母材的可观察区域，给出可观察区域的温度场信息，用于对该焊接母材进行焊接状态监测；运动机构，用于调节焊接系统相对于焊接母材的位置；控制器，连接至焊接系统、红外热像仪和运动机构，用于接收红外热线仪给出的温度场信息，根据该温度场信息得到焊接状态信息并产生焊接控制指令和运动控制指令；其中，运动机构依照该焊接控制指令调节焊接系统相对于焊接母材的位置，焊接系统依照该运动控制指令对待焊接母材进行焊接。优选地，在本公开的一些实施例中，红外热像仪包括：红外图像采集模块，用于根据焊接过程造成整个焊接母材温度的变化，对焊接母材可观察区域温度场信息进行观察，存储及传输模块，用于对红外图像采集模块采集的温度场信息进行存储，并传输到控制器，间接地对熔池的位置信息做出实时估计，得到焊接状态信息。优选地，在本公开的一些实施例中，控制器包括：热成像红外图像采集器，用于实现对焊接母材可观察区域的温度场图像的采集；热成像温度特征提取器，用于利用温度场图像提取温度场的特征，得到电弧热核和熔池对应热核面积；熔池位置估计器，用于利用温度场图像及提取的温度场的特征信息，采用熔池温度场的有限元分析手段，进行对比，得到熔池估计位置；运动机构位置控制器，用于将熔池位置的估计器反馈回来的熔池估计位置用于闭环控制，实时调整运动机构位置，进而改变焊枪位置，实现对焊接过程的控制；焊接系统控制器，用于控制焊接过程的起弧，灭弧，焊接过程中调整焊接电压和电流参数；主控模块，连接至热成像红外图像采集器、热成像温度特征提取器、熔池位置估计器、运动机构位置控制器及焊接系统控制器，用于对热成像红外图像采集器、热成像温度特征提取器、熔池位置估计器、运动机构位置控制器及焊接系统控制器进行协调和控制。优选地，在本公开的一些实施例中，控制器还包括：错误处理器，连接至主控模块，用于控制整个焊接过程中的各种错误操作，保证系统可靠稳定地运行。优选地，在本公开的一些实施例中，焊接系统包括：焊枪，用于对待焊接母材进行焊接，焊枪保证不接触焊接工位，防止撞枪；运动机构包括：提升机构，用于焊接过程中焊枪的提升；摆动机构，用于实现焊接过程中水平往复运动；以及姿态调整机构，用于调整焊枪和待焊接工位的相对位姿。优选地，在本公开的一些实施例中，焊接系统还包括：焊接电源，用于焊接过程控制，调整焊接电压、电流参数，控制送丝速度；水冷系统，包括水冷滑块和水冷箱，水冷滑块用于贴紧焊接母材保证熔池不会侧流，水冷箱用于保证整个水循环系统的正常工作；以及气瓶，用于提供焊接保护气。优选地，在本公开的一些实施例中，主控模块，用于根据焊板外侧表面的温度场变化情况，判断焊枪水平运动是否平行于焊板：如果熔池对应热核基本保持不变，表明焊枪水平方向始终保持与焊板平行；如果熔池对应热核变大或者变小，表明焊枪与焊板贴的过近或者过远；运动机构位置控制器，用于根据主控模块对熔池对应热核的判断结果控制焊枪水平运动，使焊枪位于焊缝的中心位置。优选地，在本公开的一些实施例中，主控模块，用于根据焊板外侧表面的温度场变化情况，判断焊枪提升速度是否与熔池上升速度匹配：如果电弧热核长度保持不变，则表明焊枪竖直提升速度是稳定的；如果电弧热核变长或者变短，则表明焊枪提升过快或者过慢；运动机构位置控制器，用于根据主控模块对电弧热核的判断结果控制焊枪提升速度。优选地，在本公开的一些实施例中，主控模块，用于根据焊板外侧表面的温度场变化情况，判断水冷滑块是否贴紧：如果温度场的形状被破坏，则表明某侧的水冷滑块没有贴紧；运动机构位置控制器，用于根据主控模块对温度场形状的判断结果保持水冷滑块贴紧焊接母材。优选地，在本公开的一些实施例中，主控模块，用于在设定熔深的情况下，对应热分布情况设置焊接参数，如果温度场热分布与理论分析模型不一样，则重新调整焊接参数。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开基于红外热像仪的盲区焊缝在线评估与控制系统至少具有以下有益效果其中之一：(1)针对盲区焊缝，通过红外热像仪获取焊接母材可观察区域温度场信息，可以实时估计熔池的位置信息，从而可以为运动机构提供运动控制指令，实现了闭环控制，有效可靠地完成焊接任务。(2)由于采用了红外热像仪，利用红外的特性，相比于传统的视觉系统，本系统可以安装在开阔的区域，不必针对熔池，不过分依赖焊工经验和手感。无论是优秀的焊工还是目前现有的熔池视觉传感装置，都无法拥有本公开技术方案的优势。(3)由于该技术可应用于铝电解车间，从而在降低工人劳动强度的前提下，可靠地保障完成焊接任务，还可以大幅度降低母线连接处压降，不仅节能减耗，而且可以保障电解槽电流均布，有效提高电解槽寿命。此外，该技术还可应用于其他盲区焊缝场景。附图说明图1为基于红外热像仪的盲区焊缝在线评估与控制系统的结构示意图。图2为基于钢板温度场示意图。图3为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于红外热像仪的盲区焊缝在线评估与控制系统，用于采用气电立焊技术进行焊接作业时实现对狭小空间盲区焊缝的自动连接，包括：焊接系统，用于对待焊接母材进行焊接；红外热像仪，对准所述焊接母材的可观察区域，给出可观察区域的温度场信息，用于对该焊接母材进行焊接状态监测；运动机构，用于调节焊接系统相对于焊接母材的位置；控制器，连接至所述焊接系统、红外热像仪和运动机构，用于接收红外热线仪给出的温度场信息，根据该温度场信息得到焊接状态信息并产生焊接控制指令和运动控制指令；其中，所述运动机构依照该焊接控制指令调节焊接系统相对于焊接母材的位置，所述焊接系统依照该运动控制指令对待焊接母材进行焊接。

【技术特征摘要】
1.一种基于红外热像仪的盲区焊缝在线评估与控制系统，用于采用气电立焊技术进行焊接作业时实现对狭小空间盲区焊缝的自动连接，包括：焊接系统，用于对待焊接母材进行焊接；红外热像仪，对准所述焊接母材的可观察区域，给出可观察区域的温度场信息，用于对该焊接母材进行焊接状态监测；运动机构，用于调节焊接系统相对于焊接母材的位置；控制器，连接至所述焊接系统、红外热像仪和运动机构，用于接收红外热线仪给出的温度场信息，根据该温度场信息得到焊接状态信息并产生焊接控制指令和运动控制指令；其中，所述运动机构依照该焊接控制指令调节焊接系统相对于焊接母材的位置，所述焊接系统依照该运动控制指令对待焊接母材进行焊接。2.根据权利要求1所述的盲区焊缝在线评估与控制系统，其中，所述红外热像仪包括：红外图像采集模块，用于根据焊接过程造成整个焊接母材温度的变化，对焊接母材可观察区域温度场信息进行观察，存储及传输模块，用于对红外图像采集模块采集的温度场信息进行存储，并传输到所述控制器，间接地对熔池的位置信息做出实时估计，得到焊接状态信息。3.根据权利要求2所述的盲区焊缝在线评估与控制系统，其中，所述控制器包括：热成像红外图像采集器，用于实现对焊接母材可观察区域的温度场图像的采集；热成像温度特征提取器，用于利用温度场图像提取温度场的特征，得到电弧热核和熔池对应热核面积；熔池位置估计器，用于利用温度场图像及提取的温度场的特征信息，采用熔池温度场的有限元分析手段，进行对比，得到熔池估计位置；运动机构位置控制器，用于将熔池位置的估计器反馈回来的熔池估计位置用于闭环控制，实时调整运动机构位置，进而改变焊枪位置，实现对焊接过程的控制；焊接系统控制器，用于控制焊接过程的起弧，灭弧，焊接过程中调整焊接电压和电流参数；主控模块，连接至所述热成像红外图像采集器、热成像温度特征提取器、熔池位置估计器、运动机构位置控制器及焊接系统控制器，用于对所述热成像红外图像采集器、热成像温度特征提取器、熔池位置估计器、运动机构位置控制器及焊接系统控制器进行协调和控制。4.根据权利要求3所述的盲区焊缝在线评估与控制系统，其中，所述控制器还包括：错误处理器，连接至所述主控模块，用于...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛一剑，梁自泽，王晓健，赵伟青，李恩，景奉水，谭民，杨磊，龙腾，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11