基于红外热像仪的盲区焊缝在线评估与控制系统的制作方法

本公开涉及焊接自动化
技术领域：
，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。
背景技术：
：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为运动机构示意图。图4为焊枪运动轨迹示意图。图5为水冷滑块结构图。图6为焊枪尺寸图。图7是控制器结构框图。图8是待焊接区域盲区示意图。具体实施方式焊接熔池存在被焊接母材以及水冷滑块遮挡，空间没有位置可以放置传感设备感知熔池的情况，难以完成焊接。针对盲区焊接任务，本公开采用气电立焊技术实现对狭小空间盲区焊缝的自动连接，通过红外热像仪获取母材可观察区域的温度场信息，系统以控制器为核心进行协调，实时估计熔池位置信息，进而为运动机构提供控制指令，进而保证有效可靠地完成焊接任务。为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。在本公开的一个示例性实施例中，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。图1为本公开第一示意性实施例的结构示意图。如图1所示，本公开的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。以下分别对本实施例的各个组成部分进行详细描述。红外热像仪，用于焊接状态监测，在不直接观察熔池的情况下，给出焊接状态信息。图2为基于钢板温度场示意图。如图2所示，因为焊接过程会造成整个焊接母材温度的变化，可以通过红外热像仪对焊接母材可观察区域温度场信息进行观察，间接地对熔池的位置信息做出实时估计，进而可以为运动机构提供运动控制指令，有效可靠地完成焊接任务。焊接热过程会导致铝钢爆炸焊板外侧的变化，通过直接观察温度场的变化，可获取熔池信息，而无需将直接观察熔池。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。红外热像仪选用dt-9868，红外热像仪的关键参数如表：技术指标参数值温度测量范围-20℃-300℃精度±2％图像捕捉频率9hz红外光谱带6.5μm-14μm图像显示方式熔融金属可见光像素48608运动机构，用于实现焊接过程中部件的运动，包括：提升机构，摆动机构，以及姿态调整机构。图3为运动机构示意图。如图3所示，所述运动机构中，提升机构用于焊接过程中焊枪的提升，在焊接过程中可以根据熔池的上升自动进行提升；摆动机构实现焊接过程中水平往复运动，从而保证焊接的均匀性；姿态调整机构可以调整焊枪和待焊接工位的相对位姿，因为运动机构的平台和待焊接工位之间一定存在相对位姿偏差，需要通过额外的机构来弥补。图4为焊枪运动轨迹示意图。如图4所示，焊枪运动轨迹既有水平往复运动，而且不端随着熔池进行提升。焊接系统，用于实现焊接，包括焊接电源，水冷系统，焊枪以及气瓶。所述焊接系统中，焊接电源用于焊接过程控制，可以调整焊接电压、电流参数，控制送丝速度；水冷系统包括水冷滑块和水冷箱：水冷滑块贴紧焊接母材保证熔池不会侧流，如图5所示为水冷滑块结构图；水冷箱保证整个水循环系统的正常工作；图6为焊枪尺寸图，如图7所示，焊枪要尽可能扁，保证不接触焊接工位，防止撞枪；气瓶用于提供焊接保护气。采用焊接参数如表：控制器模块，用于控制整个系统的工作，图7是控制器结构框图，如图7所示，控制器包含以下功能模块：热像仪红外图像采集器，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和焊接系统控制器，错误处理器，主控模块。所述控制器模块中，热成像红外图像采集器可以实现对焊接母材可观察区域的温度场图像的采集、传输与存储；热成像温度特征提取器可以提取温度场的特征，如电弧和熔池对应热核面积，用于为后续处理和动作提供依据；熔池位置估计器借助之前采集的信息以及采用熔池温度场的有限元分析手段，进行对比，对熔池的真实位置做出估计；运动机构位置控制器将反馈回来的熔池位置用于闭环控制，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；错误处理器可以控制整个焊接过程中的各种错误操作，从而可以保证系统可靠稳定地运行；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、焊接系统控制器及错误处理器，用于对上述模块进行协调和控制。根据铝钢爆炸焊板外侧表面的温度场变化情况，可以判断焊枪运动情况是否满足要求。具体可以分为以下几种情形：1、焊枪水平运动是否平行于铝钢爆炸焊板：如果焊枪水平方向始终保持与焊板平行，那么温度场中心热核基本保持不变，如果与焊板贴的过近，或者较远，可以观察到对应的熔池热核变大或者变小，都会导致焊枪与侧壁的粘连，影响一侧的焊接质量，研制会烧毁导电嘴，通过检测可以保证焊枪始终位于焊缝的中心位置，保证内外两侧的焊接质量。2、焊枪提升速度是否与熔池上升速度匹配：如果焊枪竖直提升速度是稳定的，基本可以保持电弧长度不变，如果提升过快或者过慢，可以观察到对应的电弧热核变长或者变短，进而导致电弧拉的过长可能会灭弧，电弧过短会烧毁导电嘴。3、水冷滑块是否贴紧：如果某侧的水冷滑块没有贴紧的话，会导致熔融金属流出，就会影响热温度场的分布情况，破坏温度场的形状。4、熔深是否满足要求：参照上述第1种情况判断焊枪运动是否满足熔深要求。在焊枪运动规范的情况下，合理的焊接参数也是至关重要的。在保证一定熔深的情况下，会有合理的焊接参数，对应热分布情况，如果热分布与理论分析不一样，就要重新调整焊接参数，以满足要求。无论是优秀的焊工还是目前现有的熔池视觉传感装置，都无法拥有本解决方案的优势：因为对于人眼，红外是非可见光；对于传统的视觉系统，本装置可以安装在开阔的区域，不必针对熔池，并且狭小的作业环境下安装熔池摄像头是不现实的。本公开的技术主要应用于铝电解车间，保障可靠完成焊接任务，在降低工人劳动强度的前提下，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。至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属
技术领域：
中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。当前第1页12