一种焊缝成形控制装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于熔池正面视觉传感的焊缝成形控制装置及方法，属于焊接质量控制技术领域。本发明专利技术采用结构光照射熔池的下凹表面，并利用视觉传感器获取相应的结构光图像，通过图像处理获得熔池下塌特征量，对焊接电流进行实时调节以保持熔池下塌特征量恒定，从而能够获得均匀一致的焊缝背面宽度进而实现焊缝熔透均匀一致。本发明专利技术仅依靠熔池正面结构光信息实现了对焊缝成形的控制，可应用于紧密对接接头的不填丝直流钨极气体保护焊，尤其适用于航空航天制造领域大型铝合金结构件的无衬垫焊接。

A Control Device and Method for Weld Forming

【技术实现步骤摘要】
一种焊缝成形控制装置及方法
本专利技术涉及焊接质量控制
，尤其涉及一种基于熔池正面视觉传感的焊缝成形控制装置及方法。
技术介绍
焊接是金属加工制造中极为重要的技术，也是确保舱体和压力容器等的结构密封性的唯一可选制造手段。稳定性、高效率、高精度是现代化生产追求的目标，以重复性好、效率高的机器人自动化焊接取代低效的人工焊接是现代化生产的必然趋势。但依赖固定焊接规范的机器人自动化焊接难以应对实际生产过程中坡口间隙变化、散热条件变化、错边等带来的焊缝不均匀熔透。从国内外焊接质量实时检测与控制的研究与生产应用现状来看，焊接过程熔透程度的传感方法有以下几种：直接测量背面熔宽、传统传感技术、视觉传感技术、多传感技术。直接测量背面熔宽是保证熔透质量的十分有效的手段，但实际应用中常受限于工件和工装结构以及空间大小，难以在焊缝背面固定传感器，此时需要通过采集熔池及焊缝的正面信息来推断背面熔透程度。传统传感技术包括超声检测、红外测温、熔池振荡检测等方法。其中超声检测方法通过超声信号计算熔池固液界面位置得到熔深，超声检测方法可同时应用于焊缝跟踪和焊缝缺陷实时检测，但焊接区温度差异对波速的影响限制了该方法的准确性，非接触式超声检测设备成本高昂。红外测温方法是根据焊接区的温度来推测熔透状态，但红外测温的准确性受到热发射率波动和工件表面状态的影响。熔池的自然振荡频率反映了熔池的大小和熔透程度，通过检测弧压的波动频率、弧长的变化或者熔池表面镜面反射光斑图案的周期性变化都可以检测出熔池的振荡频率，从而完成基于熔池振荡频率的熔透闭环控制，但红外测温方法仅适合于熔池存在明显振荡的脉冲焊，且信号处理难度大。视觉传感技术通过对熔池图像的分析，建立熔池图像几何特征、灰度特征和熔透程度的映射关系，该映射关系并不直接，通常采用神经网络进行建模，视觉传感技术能获取非常丰富的信息，但由于建模复杂、所需训练数据大、模型的适用性依赖于工艺试验的充分性，目前还处于研究阶段。多传感技术结合了图像、电压、电流等多种焊接过程信号来判断熔透状态，操作方式复杂，且与视觉传感技术有类似的建模问题。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术的目的是提供一种基于熔池正面视觉传感的焊缝成形控制装置及方法，解决现有技术存在的焊缝熔透不均匀的问题。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于熔池正面视觉传感的焊缝成形控制装置，包括焊接单元、视觉传感单元和计算控制单元；所述焊接单元包括焊枪，所述焊枪用于对焊接工件进行焊接操作；所述视觉传感单元包括结构光光源和视觉传感器，所述结构光光源和所述视觉传感器分别设置于所述焊枪的左右两侧；所述结构光光源用于发出单线结构光，并通过单线结构光照射熔池；所述视觉传感器用于采集单线结构光照射在熔池表面和焊接工件表面所形成的结构光光斑图像，并将结构光光斑图像进行输出；所述计算控制单元包括计算机，所述计算机与所述视觉传感器相连；所述计算机用于接收结构光光斑图像，并对结构光光斑图像进行处理，获取当前熔池下塌特征量，并根据当前熔池下塌特征量与熔池下塌特征量期望值之间的偏差调节所述焊枪的焊接电流。进一步地，所述焊接单元还包括焊接电源，所述焊枪与所述焊接电源相连，所述焊接电源与所述计算机相连；所述焊接电源用于向所述焊枪输出焊接电流，所述计算机通过所述焊接电源调节所述焊枪的焊接电流。进一步地，所述焊接单元还包括用于对所述焊枪进行冷却的冷却水箱，所述冷却水箱设有水箱进水口和水箱出水口，所述焊枪设有焊枪进水口和焊枪出水口，所述水箱出水口与所述焊枪进水口相连，所述焊枪出水口与所述水箱进水口相连；所述冷却水箱与所述焊接电源相连。进一步地，所述焊接单元还包括保护气储罐，所述保护气储罐与所述焊接电源相连，所述保护气储罐通过所述焊接电源向所述焊枪提供保护气。进一步地，所述视觉传感器上安装有带通滤光片，所述带通滤光片允许结构光通过，并滤除其它波段的弧光干扰。具体地，还包括安装板，所述结构光光源、视觉传感器和焊枪分别安装于所述安装板，所述结构光光源、视觉传感器和焊枪三者的轴线处于同一平面。具体地，所述焊接工件设置在所述焊枪的正下方，所述结构光光源和所述视觉传感器分别对准所述焊接工件，所述结构光光源的轴线和所述视觉传感器的轴线分别相对于所述焊枪的轴线对称。为了解决上述技术问题，本专利技术还提供了一种基于熔池正面视觉传感的焊缝成形控制方法，该方法采用上述的焊缝成形控制装置，该方法包括：设定焊枪的初始焊接参数，获取熔池下塌特征量期望值；打开结构光光源，通过单线结构光照射熔池，所述焊枪开始焊接；视觉传感器采集单线结构光照射在熔池表面和焊接工件表面所形成的结构光光斑图像，并将结构光光斑图像传输至计算机；所述计算机对结构光光斑图像进行处理，获取当前熔池下塌特征量，并根据当前熔池下塌特征量与熔池下塌特征量期望值之间的偏差来调节所述焊枪的焊接电流。进一步地，所述的获取当前熔池下塌特征量，具体包括：从结构光光斑图像中选取包含光斑的感兴趣区域作为后续图像处理的对象，对该感兴趣区域进行阈值分割和形态学膨胀运算，获取二值化图像，并将二值化图像连通域中的噪声连通域剔除，获取前景区域；对前景区域内的原图像进行中心线提取，提取得到的中心线分为单线结构光照射在所述焊接工件母材上形成的直线段和单线结构光照射在熔池下凹表面形成的曲线段；采用直线方程对直线段进行拟合获取直线L,采用多项式方程对曲线段进行拟合获取曲线C，并获取直线L与曲线C围成的面积,将该面积作为熔池下塌面积S；对熔池下塌面积S进行平方根运算，获取当前熔池下塌特征量进一步地，所述的获取前景区域，具体包括：设定二值化图像连通域的周长为P，面积为A；将满足A/P2>ε的连通域进行剔除，将二值化图像连通域中经过剔除后的剩余连通域作为前景区域；其中，ε为根据实际经验选定的常数，ε在[0.01,0.06]内取值。进一步地，所述的获取熔池下塌特征量期望值，具体包括：根据对焊缝熔透程度的要求设定焊缝背面宽度期望值；根据熔池下塌特征量与焊缝背面宽度期望值的映射关系获取对应的熔池下塌特征量期望值。(三)有益效果本专利技术的上述技术方案具有如下优点：本专利技术提供的焊缝成形控制装置及方法，通过焊枪对焊接工件进行焊接操作，通过结构光光源来发出的单线结构光来照射熔池，通过视觉传感器来采集单线结构光照射在熔池表面和焊接工件表面所形成的结构光光斑图像，并将结构光光斑图像进行输出至计算机，在通过计算机对结构光光斑图像进行处理，获取当前熔池下塌特征量，并根据当前熔池下塌特征量与熔池下塌特征量期望值之间的偏差调节所述焊枪的焊接电流。本专利技术通过对焊接电流进行实时调节，确保了熔池下塌特征量恒定，从而能够获得均匀一致的焊缝背面宽度，进而实现了焊缝熔透均匀一致，具有结构简单、成本低廉、实施难度低、易用于生产实践的优点。本专利技术提供的焊缝成形控制装置及方法，能够实现对焊缝成形的有效控制，可应用于紧密对接接头的不填丝直流钨极气体保护焊，实现熔透均匀一致的不填丝直流钨极气体保护焊焊缝，尤其适用于航空航天制造领域大型铝合金结构件的无衬垫焊接。附图说明图1是本专利技术实施例基于熔池正面视觉传感的焊缝成形控制装置的结构示意图；图2是本专利技术实施例基于熔池正面视觉传感的焊缝成形控制方法的流程图；图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于熔池正面视觉传感的焊缝成形控制装置，其特征在于，包括焊接单元、视觉传感单元和计算控制单元；所述焊接单元包括焊枪，所述焊枪用于对焊接工件进行焊接操作；所述视觉传感单元包括结构光光源和视觉传感器，所述结构光光源和所述视觉传感器分别设置于所述焊枪的左右两侧；所述结构光光源用于发出单线结构光，并通过单线结构光照射熔池；所述视觉传感器用于采集单线结构光照射在熔池表面和焊接工件表面所形成的结构光光斑图像，并将结构光光斑图像进行输出；所述计算控制单元包括计算机，所述计算机与所述视觉传感器相连；所述计算机用于接收结构光光斑图像，并对结构光光斑图像进行处理，获取当前熔池下塌特征量，并根据当前熔池下塌特征量与熔池下塌特征量期望值之间的偏差调节所述焊枪的焊接电流。

【技术特征摘要】
1.一种基于熔池正面视觉传感的焊缝成形控制装置，其特征在于，包括焊接单元、视觉传感单元和计算控制单元；所述焊接单元包括焊枪，所述焊枪用于对焊接工件进行焊接操作；所述视觉传感单元包括结构光光源和视觉传感器，所述结构光光源和所述视觉传感器分别设置于所述焊枪的左右两侧；所述结构光光源用于发出单线结构光，并通过单线结构光照射熔池；所述视觉传感器用于采集单线结构光照射在熔池表面和焊接工件表面所形成的结构光光斑图像，并将结构光光斑图像进行输出；所述计算控制单元包括计算机，所述计算机与所述视觉传感器相连；所述计算机用于接收结构光光斑图像，并对结构光光斑图像进行处理，获取当前熔池下塌特征量，并根据当前熔池下塌特征量与熔池下塌特征量期望值之间的偏差调节所述焊枪的焊接电流。2.根据权利要求1所述的基于熔池正面视觉传感的焊缝成形控制装置，其特征在于，所述焊接单元还包括焊接电源，所述焊枪与所述焊接电源相连，所述焊接电源与所述计算机相连；所述焊接电源用于向所述焊枪输出焊接电流，所述计算机通过所述焊接电源调节所述焊枪的焊接电流。3.根据权利要求1所述的基于熔池正面视觉传感的焊缝成形控制装置，其特征在于，所述焊接单元还包括用于对所述焊枪进行冷却的冷却水箱，所述冷却水箱设有水箱进水口和水箱出水口，所述焊枪设有焊枪进水口和焊枪出水口，所述水箱出水口与所述焊枪进水口相连，所述焊枪出水口与所述水箱进水口相连；所述冷却水箱与所述焊接电源相连。4.根据权利要求1所述的基于熔池正面视觉传感的焊缝成形控制装置，其特征在于，所述焊接单元还包括保护气储罐，所述保护气储罐与所述焊接电源相连，所述保护气储罐通过所述焊接电源向所述焊枪提供保护气。5.根据权利要求1所述的基于熔池正面视觉传感的焊缝成形控制装置，其特征在于，所述视觉传感器上安装有带通滤光片，所述带通滤光片允许单线结构光通过。6.根据权利要求1所述的基于熔池正面视觉传感的焊缝成形控制装置，其特征在于，还包括安装板，所述结构光光源、视觉传感器和焊枪分别安装于所述安装板；所述结构光光源、视觉传感器和焊枪三者的轴线处于同一平面；所述结构光...

【专利技术属性】
技术研发人员：都东，彭国栋，薛博策，王力，常保华，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11