本发明专利技术一种搅拌摩擦焊参数检测装置及方法涉及一种用于搅拌摩擦焊中检测搅拌头下压量、搅拌头倾角和焊缝偏差值的装置及方法，目的是为了克服现有搅拌摩擦焊参数检测装置在检测多个参数时冗杂，可靠性低的问题，其中搅拌摩擦焊参数检测装置，包括传感器支架，为圆环状，传感器支架套装于搅拌头外部，且传感器支架的支架中轴与搅拌头的搅拌头中轴位于同一条直线上；旋转电机，用于带动传感器支架以支架中轴为旋转轴进行旋转；激光测距传感器固定于传感器支架侧壁，该激光测距传感器所发射的激光束与搅拌头中轴平行，激光测距传感器用于测得焊接工件上的检测点与激光测距传感器的距离；码盘传感器位于旋转电机上，用于测得检测点的二维位置信息。
A testing device and method of friction stir welding parameters
【技术实现步骤摘要】
一种搅拌摩擦焊参数检测装置及方法
本专利技术涉及一种焊接参数检测装置及方法，具体涉及用于搅拌摩擦焊中检测搅拌头下压量、搅拌头倾角和焊缝偏差值的装置及方法。
技术介绍
搅拌摩擦焊是一种新型固相焊接技术，与电弧焊相比，具有焊接变形小、缺陷少、残余应力小和生产效率高等优势，已经广泛应用于航空航天、船舶制造和轨道列车等领域。为实现高质量、高效率焊接，搅拌摩擦焊过程往往需要对一些关键参数进行闭环控制，如下压量控制、倾角控制和焊缝跟踪等。因此需要一些传感器对相应的参数进行检测。在中国专利《搅拌摩擦焊焊缝间隙测量方法》(公开号为CN105571502B、公开日为2019-08-09)中主要是通过激光等光源和相机组成的视觉传感系统对搅拌摩擦焊焊缝进行识别；在中国专利《基于激光测距和姿态反馈的搅拌摩擦焊具及倾角调节方法》(公开号为CN106077940B、公开日为2018-02-23)中所提出的搅拌摩擦焊的下压量和焊具姿态的检测方式是采用四个激光器和四个姿态传感器分别检测焊具四周的高度变化和姿态变化，进而计算下压量和焊具姿态；但是如果要同时进行焊缝、下压量和焊具姿态的检测，需要将上述各个检测装置安装在焊具上，不仅会使整个焊接装置变得非常冗杂，增加设备成本，更重要的是降低了装置可靠性。同时，中国专利《基于高精度激光测距传感的恒压入量控制搅拌摩擦焊方法》(公开号为CN108031968A、公开日为2018-05-15)中利用了激光测距技术检测下压量，但是检测装置随焊具旋转，受焊具转速的影响，限制了该设备的使用范围。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有搅拌摩擦焊参数检测装置在检测多个参数时冗杂，可靠性低的问题，提供了一种搅拌摩擦焊参数检测装置及方法。本专利技术的一种搅拌摩擦焊参数检测装置，包括激光测距传感器、码盘传感器、传感器支架和旋转电机；传感器支架为圆环状，该传感器支架套装于搅拌头外部，且传感器支架的支架中轴与搅拌头的搅拌头中轴位于同一条直线上；旋转电机，用于带动传感器支架以支架中轴为旋转轴进行旋转；激光测距传感器固定于传感器支架侧壁，该激光测距传感器所发射的激光束与搅拌头中轴平行，激光测距传感器用于测得焊接工件上的检测点与激光测距传感器的距离；检测点为激光束与焊接工件表面的交点；码盘传感器位于旋转电机上，该码盘传感器用于测得检测点的二维位置信息。本专利技术的一种搅拌摩擦焊参数检测装置的参数检测方法，方法包括搅拌头倾角检测方法，步骤如下：步骤一、建立空间直角坐标系，建立空间直角坐标系的方法如下：步骤一一、在一个检测周期中，设位于搅拌头前进方向后端的激光束形成线段AD、位于搅拌头前进方向前端的激光束形成线段BC，且A点和B点位于焊接工件上、C点和D点分别为激光束在前端的发射端点和激光束在后端的发射端点；步骤一二、以线段CD与搅拌头中轴的交点为空间直角坐标系原点、直线CD的方向为空间直角坐标系x轴方向、搅拌头中轴方向为空间直角坐标系z轴方向，空间直角坐标系y轴方向垂直于xoz平面；步骤二、利用码盘传感器获得检测点的二维位置信息、以及利用激光测距传感器获取高度信息，通过有效的检测点拟合焊接工件上表面在空间直角坐标系上的平面方程ax+by+cz+d＝0；有效的检测点为激光束与焊接工件表面未加工区域的交点；步骤三、通过平面方程ax+by+cz+d＝0得到焊接工件表面的法向量(a,b,c)，法向量(a,b,c)与空间直角坐标系z轴之间的夹角θ即为搅拌头倾角。其中，方法还包括焊缝偏差值检测方法，步骤如下：步骤四一、得到搅拌头前进方向所在直线EF；步骤四二、在一个检测周期中，激光测距传感器在焊缝位置测得一个高度信息峰值，高度信息峰值对应检测点在拟合工件平面的投影点与直线EF的距离即为焊缝偏差值。其中，方法还包括下压量检测方法，步骤如下：步骤五一、求得A点坐标；步骤五二、计算A点坐标到平面方程的距离即为下压量。本专利技术的有益效果是：(1)基于激光测距原理，能够在仅使用一台激光测距传感器的情况下，对焊接过程中的下压量、搅拌头的倾角和焊缝位置信息进行实时检测，实现高质量、高效率焊接；(2)仅采用了激光测距技术，减少了检测设备的数量，降低了检测装置的复杂度，大大提高了焊接参数检测装置的集成度和可靠性，降低了设备成本。附图说明图1为本专利技术的一种搅拌摩擦焊参数检测装置的主视结构示意图；图2为本专利技术的一种搅拌摩擦焊参数检测装置的结构示意图；图3为本专利技术的一种搅拌摩擦焊参数检测方法中建立空间直角坐标系的原理示意图；其中，焊接工件上箭头表示搅拌头前进方向；图4为本专利技术的一种搅拌摩擦焊参数检测方法中建立空间直角坐标系的抽象原理示意图；其中圆点所构成的椭圆为有效的检测点在焊接工件表面形成的轨迹；图5为本专利技术的一种搅拌摩擦焊参数检测方法中检测搅拌头倾角的抽象原理示意图；图6为本专利技术的一种搅拌摩擦焊参数检测方法中检测焊缝偏差值的抽象原理示意图；图7为本专利技术的一种搅拌摩擦焊参数检测方法中检测下压量抽象原理示意图；图8为本专利技术的一种搅拌摩擦焊参数检测装置的部分电气结构示意图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的一种搅拌摩擦焊参数检测装置，包括激光测距传感器1、码盘传感器2、传感器支架3和旋转电机4；传感器支架3为圆环状，该传感器支架3套装于搅拌头5外部，且传感器支架3的支架中轴与搅拌头5的搅拌头中轴位于同一条直线上；旋转电机4，用于带动传感器支架3以支架中轴为旋转轴进行旋转；激光测距传感器1固定于传感器支架3侧壁，该激光测距传感器1所发射的激光束与搅拌头中轴平行，激光测距传感器1用于测得焊接工件6上的检测点与激光测距传感器1的距离；检测点为激光束与焊接工件6表面的交点；码盘传感器2位于旋转电机4上，该码盘传感器2用于测得检测点的二维位置信息。具体地，如图1、图2和图8所示，搅拌摩擦焊的搅拌头5装夹到焊接设备的主轴上，搅拌头5在主轴旋转带动下进行焊接。激光测距传感器1、码盘传感器2和旋转电机4安装在传感器支架3上，传感器支架3套在主轴(搅拌头5)的外侧，在旋转电机4带动下旋转。激光测距传感器1发射的激光束平行于搅拌头5的搅拌头中轴线，在旋转电机4带动下围绕搅拌头5旋转，并以一定频率获取搅拌头5附近焊接工件6表面的高度信息。设激光束与搅拌头中轴之间的距离为检测半径R。激光束与焊接工件6表面的交点称为检测点，检测点的位置信息(x,y)和高度信息h构成一个完整的检测点数据(x,y,h)。其中，高度信息h由激光测距传感器1提供，位置信息(x,y)由码盘传感器2提供。由于本装置需要一直围绕着搅拌头5旋转，因此应当配置电池和无线数据传输模块7，将检测点数据传输到上位机。利用上位机对检测点数据的进行处理，即可提取焊缝位置、下压量和搅拌头倾角等焊接参数。本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种搅拌摩擦焊参数检测装置，其特征在于，包括激光测距传感器(1)、码盘传感器(2)、传感器支架(3)和旋转电机(4)；/n所述传感器支架(3)为圆环状，该传感器支架(3)套装于搅拌头(5)外部，且传感器支架(3)的支架中轴与搅拌头(5)的搅拌头中轴位于同一条直线上；/n所述旋转电机(4)，用于带动传感器支架(3)以所述支架中轴为旋转轴进行旋转；/n所述激光测距传感器(1)固定于传感器支架(3)侧壁，该激光测距传感器(1)所发射的激光束与所述搅拌头中轴平行，所述激光测距传感器(1)用于测得焊接工件(6)上的检测点与所述激光测距传感器(1)的距离；所述检测点为所述激光束与所述焊接工件(6)表面的交点；/n所述码盘传感器(2)位于旋转电机(4)上，该码盘传感器(2)用于测得所述检测点的二维位置信息。/n
【技术特征摘要】
1.一种搅拌摩擦焊参数检测装置，其特征在于，包括激光测距传感器(1)、码盘传感器(2)、传感器支架(3)和旋转电机(4)；
所述传感器支架(3)为圆环状，该传感器支架(3)套装于搅拌头(5)外部，且传感器支架(3)的支架中轴与搅拌头(5)的搅拌头中轴位于同一条直线上；
所述旋转电机(4)，用于带动传感器支架(3)以所述支架中轴为旋转轴进行旋转；
所述激光测距传感器(1)固定于传感器支架(3)侧壁，该激光测距传感器(1)所发射的激光束与所述搅拌头中轴平行，所述激光测距传感器(1)用于测得焊接工件(6)上的检测点与所述激光测距传感器(1)的距离；所述检测点为所述激光束与所述焊接工件(6)表面的交点；
所述码盘传感器(2)位于旋转电机(4)上，该码盘传感器(2)用于测得所述检测点的二维位置信息。
2.基于权利要求1的一种搅拌摩擦焊参数检测装置的参数检测方法，其特征在于，所述方法包括搅拌头倾角检测方法，步骤如下：
步骤一、建立空间直角坐标系，所述建立空间直角坐标系的方法如下：
步骤一一、在一个检测周期中，设位于搅拌头(5)前进方向后端的激光束形成线段AD、位于搅拌头前进方向前端的激光束形成线段BC，且A点和B点位于焊接工件(6)上、C点和D点分别为激光束在前端的发射端点和激光束在后端的发射端点；
步骤一二...
【专利技术属性】
技术研发人员：高洪明，李国豪，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23
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