一种等离子转移弧堆焊控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种等离子转移弧堆焊控制系统及控制方法，控制系统包括工控机、等离子粉末堆焊机、数据采集装置和视觉传感器单元；控制方法包括以下步骤：数据采集装置采集电流和电压并传输至工控机，视觉传感器单元采集热影响区高温散斑图像并传输至工控机；基于数字图像相关法得到散斑图像的ROI区域的平均应变；通过PID控制方式，调节焊接电流。与现有技术相比，本发明专利技术通过工控机在线控制焊接过程，避免直接在等离子粉末堆焊机上进行操作，自动化程度高，减少了在实际作业环境内的走动，提高了安全性和便捷性；基于数字图像相关法计算热影响区的平均应变，能实现应变数据的实时和精确测量，为后续焊接过程中焊接电流的精确调控奠定了基础。

【技术实现步骤摘要】
一种等离子转移弧堆焊控制系统及控制方法
本专利技术涉及机器人焊接
，尤其是涉及一种等离子转移弧堆焊控制系统及控制方法。
技术介绍
等离子转移弧堆焊是一种效果显著地表面改性技术，常用于金属工件的修复再制造和表面强化等。等离子转移弧堆焊是以等离子弧作为热源，应用等离子弧产生的高温将合金粉末与基体表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散、凝固，等离子束离开后自激冷却，形成一层高性能的合金层，从而实现零件表面的强化与硬化的堆焊工艺。与传统的氩弧焊、埋弧焊和电渣焊等熔焊技术相比，等离子转移弧堆焊具有电弧温度高、稳定性好、传热率高、形成的堆焊层与构件基体结合强度高、堆焊层均匀致密、热影响区小、稀释率低等优点。然而，等离子弧粉末堆焊工艺涉及参数较多，传统的焊接设备不能实现在线调控工艺参数，自动化程度低，使用效果差，无法进行焊接过程中的信息采集，更没有办法根据焊接过程中的焊接工艺参数进行等离子转移弧堆焊的反馈控制。此外，在等离子堆焊过程中，为保证焊接质量，需要根据堆焊过程中焊接热影响区的应变数据来调节焊接电流。传统的应变测量方法一般采用耐高温的应变计、位移传感器等，还有利用钻孔技术、X射线技术以及中子衍射技术等测量残余应力或应变。但是，这些方法无法实时得到堆焊过程中焊接热影响区中ROI(RegionOfInterest)的平均应变，或结果不够精准，不能满足需求。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种等离子转移弧堆焊控制系统及控制方法，通过工控机在线调控等离子粉末堆焊机的焊接过程，避免直接在等离子粉末堆焊机上进行操作，自动化程度高，减少了在实际作业环境内的走动，提高了焊接过程的安全性和便捷性；根据两个工业相机采集的热影响区高温散斑图像，基于数字图像相关法计算得到热影响区的平均应变，能实现堆焊过程中焊接热影响区的应变数据的实时测量，应变数据更加精确。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种等离子转移弧堆焊控制系统，包括工控机和等离子粉末堆焊机，还包括数据采集装置和视觉传感器单元；所述数据采集装置与等离子粉末堆焊机和工控机连接，用于采集焊接过程中的电流数据和电压数据并将采集到的数据传输至工控机；所述视觉传感器单元与工控机连接，用于采集图像并将采集到的图像传输至工控机，包括工业相机和激光光源，所述工业相机的数量为2个；所述工控机分别与等离子粉末堆焊机、数据采集装置和视觉传感器单元连接，用于接收焊接过程中的焊接参数和控制等离子粉末堆焊机运行，所述焊接参数包括电流数据、电压数据和图像。进一步的，所述等离子粉末堆焊机包括焊枪系统、送粉系统、制冷系统和焊接电源，所述焊枪系统、送粉系统和制冷系统与工控机通信连接。进一步的，所述数据采集装置包括数据采集卡，所述数据采集卡将采集到的电流数据和电压数据进行AD转换并传输至工控机。更进一步的，所述等离子转移弧堆焊控制系统还包括工业机器人，所述工业机器人与工控机通信连接，所述等离子粉末堆焊机的焊枪系统固定在工业机器人上并随工业机器人的移动而移动。一种等离子转移弧堆焊控制方法，用于控制如上所述的等离子转移弧堆焊控制系统，包括以下步骤：S1：数据采集装置采集焊接过程中的电流数据和电压数据并将其传输至工控机，视觉传感器单元采集焊接前的原始图像和焊接过程中热影响区高温散斑图像并将其传输至工控机；S2：根据原始图像和热影响区高温散斑图像，基于数字图像相关法计算散斑图像的ROI区域的平均应变；S3：获取电流数据、电压数据与ROI区域的平均应变之间的关系，通过PID增量控制器，将ROI区域的平均应变与预设置的应变阈值之间的差值作为输入，根据电流数据、电压数据与ROI区域的平均应变之间的关系计算得到控制量的增量；S4：工控机基于控制量的增量调节等离子粉末堆焊机的焊接电流；S5：重复步骤S1，直至停止焊接。进一步的，所述步骤S1包括以下步骤：S11：在两个工业相机的成像镜头前安装滤波片和减光片，调整两个工业相机的角度以及焦距，调整激光光源的功率，直至两个工业相机采集的图像满足精度需求；S12：使用两个工业相机同时采集不同方位的标定板图像，获取两个工业相机的内部参数和两个工业相机之间的相对位置关系矩阵；S13：两个工业相机同时采集焊接前的原始图像并将其传输至工控机；S14：等离子粉末堆焊机开始工作，数据采集装置采集焊接过程中的电流数据和电压数据并将其传输至工控机，两个工业相机同时开始采集焊接过程中热影响区高温散斑图像并将其传输至工控机。更进一步的，所述步骤S12中，至少采集12个方位的标定板图像。更进一步的，所述步骤S2包括以下步骤：S21：将两个工业相机分别记为第一相机和第二相机，通过图像匹配算法将第一相机和第二相机采集的原始图像进行匹配，找到ROI区域，并进行三维重建，根据第一相机与第二相机的内部参数和第一相机与第二相机之间的相对位置关系矩阵，得到ROI区域的像素点在世界坐标系的坐标，将ROI区域的像素点还原到三维世界坐标系中，作为ROI区域的原始坐标OXYZ0；S22：将第一相机采集的第一张热影响区高温散斑图像记为第一图像，第二相机采集的第一张热影响区高温散斑图像记为第二图像，通过图像匹配算法将第一图像和第二图像进行匹配，找到ROI区域，并进行三维重建，根据第一相机与第二相机的内部参数和第一相机与第二相机之间的相对位置关系矩阵，得到ROI区域的像素点在世界坐标系的坐标，将ROI区域的像素点还原到三维世界坐标系中，得到ROI区域的坐标OXYZ1，根据原始坐标OXYZ0和坐标OXYZ1计算ROI区域的平均应变并输出；S23：对于第一相机采集的第i(i>1)张热影响区高温散斑图像，将该图像和第一图像进行匹配，并进行三维重建，得到ROI区域的第一坐标对于第二相机采集的第i张热影响区高温散斑图像，若该图像与第二图像的相似度大于预设置的相似度阈值，则将该图像和第一图像进行匹配，并进行三维重建，得到ROI区域的第二坐标否则，将该图像和第二图像进行匹配，并进行三维重建，得到ROI区域的第二坐标结合第一坐标和第二坐标得到坐标OXYZi，根据坐标OXYZi和坐标OXYZi-1计算ROI区域的平均应变并输出；S24：重复步骤S23，直至停止焊接。更进一步的，所述步骤S23中，相似度的具体计算过程包括：a1：计算图像i与第二图像的相似度值：其中，CLS表示经过反向牛顿迭代最后得到的相似度值，取值范围为[0，∞]，M表示图像的半径，i表示横向图像像素坐标，j表示纵向图像像素坐标，f(xi,yi)表示第二图像的灰度值分布函数，表示第二图像的平均灰度值，表示图像i的平均灰度值，g(x′i,y′j)表示图像i的灰度值分布函数，Δ(f2)表示第二图像的灰度值方差，Δ(g2)表示图像i的灰度值方差；a2：通过Sigmoid函数对相似度值CLS进行归一化处理，将CLS映射到[0，1]本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种等离子转移弧堆焊控制系统，包括工控机(1)和等离子粉末堆焊机(2)，其特征在于，还包括数据采集装置(3)和视觉传感器单元(4)；/n所述数据采集装置(3)与等离子粉末堆焊机(2)和工控机(1)连接，用于采集焊接过程中的电流数据和电压数据并将采集到的数据传输至工控机(1)；/n所述视觉传感器单元(4)与工控机(1)连接，用于采集图像并将采集到的图像传输至工控机(1)，包括工业相机和激光光源，所述工业相机的数量为2个；/n所述工控机(1)分别与等离子粉末堆焊机(2)、数据采集装置(3)和视觉传感器单元(4)连接，用于接收焊接过程中的焊接参数和控制等离子粉末堆焊机(2)运行，所述焊接参数包括电流数据、电压数据和图像。/n

【技术特征摘要】
1.一种等离子转移弧堆焊控制系统，包括工控机(1)和等离子粉末堆焊机(2)，其特征在于，还包括数据采集装置(3)和视觉传感器单元(4)；
所述数据采集装置(3)与等离子粉末堆焊机(2)和工控机(1)连接，用于采集焊接过程中的电流数据和电压数据并将采集到的数据传输至工控机(1)；
所述视觉传感器单元(4)与工控机(1)连接，用于采集图像并将采集到的图像传输至工控机(1)，包括工业相机和激光光源，所述工业相机的数量为2个；
所述工控机(1)分别与等离子粉末堆焊机(2)、数据采集装置(3)和视觉传感器单元(4)连接，用于接收焊接过程中的焊接参数和控制等离子粉末堆焊机(2)运行，所述焊接参数包括电流数据、电压数据和图像。


2.根据权利要求1所述的一种等离子转移弧堆焊控制系统，其特征在于，所述等离子粉末堆焊机(2)包括焊枪系统、送粉系统、制冷系统和焊接电源，所述焊枪系统、送粉系统和制冷系统与工控机(1)通信连接。


3.根据权利要求1所述的一种等离子转移弧堆焊控制系统，其特征在于，所述数据采集装置(3)包括数据采集卡，所述数据采集卡将采集到的电流数据和电压数据进行AD转换并传输至工控机(1)。


4.根据权利要求2所述的一种等离子转移弧堆焊控制系统，其特征在于，所述等离子转移弧堆焊控制系统还包括工业机器人，所述工业机器人与工控机(1)通信连接，所述等离子粉末堆焊机(2)的焊枪系统固定在工业机器人上并随工业机器人的移动而移动。


5.一种等离子转移弧堆焊控制方法，其特征在于，用于控制如权利要求1-4中任一所述的等离子转移弧堆焊控制系统，包括以下步骤：
S1：数据采集装置(3)采集焊接过程中的电流数据和电压数据并将其传输至工控机(1)，视觉传感器单元(4)采集焊接前的原始图像和焊接过程中热影响区高温散斑图像并将其传输至工控机(1)；
S2：根据原始图像和热影响区高温散斑图像，基于数字图像相关法计算散斑图像的ROI区域的平均应变；
S3：获取电流数据、电压数据与ROI区域的平均应变之间的关系，通过PID增量控制器，将ROI区域的平均应变与预设置的应变阈值之间的差值作为输入，根据电流数据、电压数据与ROI区域的平均应变之间的关系计算得到控制量的增量；
S4：工控机(1)基于控制量的增量调节等离子粉末堆焊机(2)的焊接电流；
S5：重复步骤S1，直至停止焊接。


6.根据权利要求5所述的一种等离子转移弧堆焊控制方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：
S11：在两个工业相机的成像镜头前安装滤波片和减光片，调整两个工业相机的角度以及焦距，调整激光光源的功率，直至两个工业相机采集的图像满足精度需求；
S12：使用两个工业相机同时采集不同方位的标定板图像，获取两个工业相机的内部参数和两个工业相机之间的相对位置关系矩阵；
S13：两个工业相机同时采集焊接前的原始图像并将其传输至工控机(1)；
S14：等离子粉末堆焊机(2)开始工作，数据采集装置(3)采集焊接过程中的电流数据和电压数据并将其传输至工控机(1)，两个工业相机同时开始采集焊接过程中热影响区高温散斑图像并将其传输至工控机(1)。


7.根据权利要求6所述的一种等离子转移弧堆焊控制方法，其特征在于，所述步骤S12中，至少采集12个方位的标定板图像。...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈华斌，孙嘉，王秀瑾，范雪飞，樊重建，刘传亮，刘网扣，王维，
申请(专利权)人：上海交通大学，上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：上海;31