专利名称：一种用于金属丝材熔化加工的丝材对准方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明是一种用于金属丝材熔化加工的丝材对准方法及装置，属于特种加工技术领域，适用于高能束流或电弧填丝焊接、熔敷或快速成形。
背景技术：
高能束流或电弧熔化丝材加工技术主要用于焊接、熔覆及快速成形。为了保证加エ工程的稳定、加工表面形态及内部质量，在热源熔化送进的丝材填加工时，对丝材的对准精度要求很高。金属丝材熔化加工过程稳定性取决于两个方面
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I.丝材的稳定送进及精确对准；送丝系统包含三个部分储丝装置、送进装置、对准装置。储丝装置包括储丝纶及其支座；送进装置指送丝机及导管，送丝机通过电机驱动；对准装置指使送进的丝材准确进入熔池的装置，可以是固定式，也可以是可调式。2.參数的合理匹配。加工过程中，工作位置及热源品质通常維持恒定，需要匹配的參数主要有热源功率、热源与エ件的相对运动速度、送丝速度三个參数。当參数匹配不当时，会导致加工过程不稳定，甚至造成过程中断，主要现象有断续送丝、烧穿、焊漏、塌陷、大滴过渡、丝材弯曲等。在实际工作过程中，丝材的送进并非均匀稳定储丝轮受到丝材拉カ产生转动，SP使采用带有阻尼的轮轴，在惯性作用下，也会过量转动导致丝材松弛；当松弛部分重新拉紧后，再一次对储丝轮产生拉力，相对于送丝机，则产生波动性的负载，导致送丝速度的波动；另外,受丝材曲率及丝材本身弹性的影响,丝材在导管中不断翻滚,扭动,会使丝端产生偏摆，同时还会造成送丝阻カ不规则变化，影响送丝速度的稳定性。现有的送丝系统丝材的对准方式有固定式及可调式。固定式是将出丝导嘴的空间位置固定，使丝材在送出导嘴后在一定距离上进入熔池。在加工过程中，将不能对送丝角度、高度、位置进行对准，一旦发生丝材偏离将不能矫正，导致缺陷或成型失败。现有的可调节式送丝对准系统具有ニ维或三维可动系统，可以实现人工调节丝端位置，但很少具有实时自动调节能力。热源熔化金属丝材进行焊接或堆积成型时，丝材的高速、稳定熔凝是关键技术之一。加工过程中，熔池受到基体表面状态及參数波动的影响，其位置、大小、形状均会出现意想不到的变化；丝材受到曲率变化、阻カ波动、受热弯曲等影响，丝端将随机性摆动，大部分情况下均处于熔池范围，仍能加工，但偶发的大幅摆动可能使丝材偏离熔池，从而与エ件发生干渉，轻则使加工过程的中断或形成缺陷，严重时会损坏送丝系统。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的缺点而设计提供了一种用于金属丝材熔化加工的丝材对准方法及装置，其目的是在金属丝材熔化加工过程中，使丝材能够始终对准熔池的特定区域，避免发生偏离熔池的现象。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的本发明提出了一种用于金属丝材熔化加工的丝材对准方法，其特征在干该方法的步骤是(I)用摄像机对熔池及丝端部位进行摄影，按固定的时间间隔提取图像；(2)对图像进行分区处理、定义；2. I区分出熔池的边界轮廓线、丝端部位的影像及轮廓线；部分被丝材遮挡的熔池轮廓线由计算机通过已有的熔池轮廓线拟合补充。2. 2将熔池最宽处的连线定义为I3，最长处连线定义为I1, I1和I3这两条直线交点即熔池中心定义为O1 ；将丝材影像区长度方向中心线定义为I2，将丝材影像上与I2垂直的宽度突变的临·界处连线定义为14，I2和I4这两条直线的交点O2为丝端中心；以I3为分界线，以熔池轮廓中钝圆ー边为熔池前缘，另ー侧为熔池尾部；需要说明的是，熔池长度方向与熔池的运动方向平行，但有可能与丝材轴线方向呈任意角度。2. 3以熔池中心O1为基准，设定ー个椭圆I形封闭的区域定义为安全区，在安全区域外缘与熔池的边界轮廓之间，再定义ー个椭圆II，椭圆I和椭圆II之间的封闭区域作为过渡区，两个椭圆区域的中心即熔池的中心O1，长轴与熔池长度方向中心轴线Ii重合，短轴与熔池宽度方向轴线I3重合；安全区椭圆I长半轴长度不大于I1与熔池前缘轮廓的交点A与熔池中心O1距离的50%，安全区的椭圆I的短轴长度不大于熔池宽度的50% ；椭圆II长半轴不大于I1与熔池前缘轮廓的交点A与熔池中心O1距离的80%，椭圆II短轴长度不大于熔池宽I3的80% ;安全区域和过渡区的大小与控制精度要求及丝材的直径有关，椭圆长短轴既可以根据试验设定，也可以在熔池尺寸參数的基础上设定系数，在熔池定义完毕后自动计算出来；在上述调整的基础上，还应满足在任何情况下，丝端影像宽度I4，至少有75%在熔池轮廓线以内。(3)丝端的对准调整；以熔池中心O1为原点，測量出丝端中心O2的位置，根据O2的位置及连续出现的次数，选择以下调整方式之一3. I当O2的位置处于安全区吋，不做调整，按以上步骤顺序对下ー帧图像进行处理、定义和判定；3. 2当O2的位置连续n次越出安全区而位于过渡区吋，不做调整，按以上步骤顺序对下ー帧图像进行处理、定义和判定；3. 3当O2的位置连续n+1次越出安全区而位于过渡区吋，计算出O2相对于O1的相对坐标，并转化成反馈信息，输入计算机中的运动控制卡，运动控制卡驱动执行机构将丝端O2移向O1 ；在计算机运算及存储速度足够大吋，n与摄像机的取像速度有关，如果摄像机的取像速度为P帧/秒，一般要求丝端越出安全区的时间不大于0. 2秒，则n取值为0. 2P ;实际实施时，丝端越出安全区的时间可根据实际情况延长或缩短。
3. 4当O2的位置处于过渡区之外吋，计算出O2相对于O1的相对坐标，并转化成反馈信息，输入计算机中的运动控制卡，运动控制卡驱动执行机构将丝端O2移向O1 ；(4)重复上述步骤(I) (3)，直至束流停止。本发明技术方案还提出了ー种适用于上述用于金属丝材熔化加工的丝材对准方法的装置，其特征在于该装置包括摄像机、计算机及调整执行机构，摄像机安装在光学观察镜上，该种光学观察镜设有可滤去强光的玻璃镜片和调节通光量的光栅，用于调整图像亮区与暗区的对比度，摄像机将收集的光学信息转化成数字信息，并通过数据线输送到计算机，调整执行机构由电机和丝杠导轨副构成，能实现多轴直线运动，调整执行机构与计算机电连接，送丝嘴安装在调整执行机构上，丝材通过送丝机构从送丝嘴送出。本发明技术方案的特点是首先通过图像采集系统将熔池及丝端的视频图像收集到计算机中，对图像进行重新定义并解算，区分出丝材及熔池，并计算出丝端相对熔池中心点的位置，将熔池图像区分为安全区域、过渡区域、与不安全区域，并以此为判据；当解算出丝端在一段时间连续处于过渡区域或不安全区域时，解算出丝端距熔池中心线的距离和方·位，并转化成动作指令传输给三维对准系统的伺服电机，伺服电机执行指令将导嘴移至安全区域，如此过程，实时反复进行，使丝端始终处于安全区域。本发明技术方案的优点是可以实施监测到丝材相对于熔池的位置并实施即时的调整，从而使丝材的熔化过程稳定而均匀。
图I为本发明技术方案中图形处理方法的示意2为本发明技术方案的图形处理及对执行机构控制的软件流程3为本发明技术方案的实施装置的结构示意图
具体实施例方式以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进ー步地详述本发明技术方案的实施例是以电子束填丝加工为例，參见附图3所示，本发明技术方案的实施装置包括电子枪20、摄像机9、计算机5及调整执行机构17等，摄像机9安装在光学观察镜10上，摄像机9将收集的光学信息转化成数字信息，并通过数据线7进入视频分配器6，视频分配器6将视频信号分成两路，一路输出至监视器8，用于操作人员实时观察；另一路进入计算机5中的视频采集卡上，计算机5中装有图形处理软件，可以对收集的视频图像进行解算处理。调整执行机构17由电机和丝杠导轨副构成，调整执行机构17与计算机5电连接，送丝嘴15安装在调整执行机构17上，丝材13通过送丝机构16从送丝嘴15送出。电子枪20产生电子束流12，熔化丝材13及エ件14，形成熔池，同时发出明亮的可见光，全反射棱镜19将枪照明光源18发出的光线和熔池发出的光线反射入光学观察镜10，全反射棱镜19下方设有防蒸汽装置11，可以阻挡金属蒸汽，避免污染棱镜，同时熔池影像可以透过该装置进入光学观察镜10。在电子束流工作状态，熔池亮度很高，使得普通エ业摄像头无法区分背景图像，在光学观察镜10中有可滤去强光的玻璃镜片和可调节通光量的光栅，用于调整图像亮区与暗区的对比度，使得图像各部分均能清晰显示。參见附图I 2所示，本发明技术方案所述方法是通过软件编程来实现的，该软件存贮在计算机5中，其运行过程即是完成本实施例中电子束填丝加工时的丝材对准过程，该过程的步骤是(I)用摄像机对熔池及丝端部位进行摄影，按固定的时间间隔提取图像，相对于软件流程中的2-1 ；(2)对图像进行分区处理、定义，相对于软件流程中的2-2 ；2. I区分出熔池的边界轮廓线I、丝端部位的影像及轮廓线4 ；2. 2将熔池最宽处的连线定义为13，最长处连线定义为I1, I1和I3这两条直线交点即熔池中心定义为O1 ；·将丝材影像区长度方向中心线定义为I2，将与I2垂直的丝材影像区域最宽处连线定义为14，I2和I4这两条直线的交点O2为丝端中心；以I3为分界线，以熔池轮廓中钝圆ー边为熔池前缘，另ー侧为熔池尾部；2. 3以熔池中心O1为基准，设定ー个椭圆I形封闭的区域定义为安全区3，在安全区域外缘与熔池的边界轮廓I之间，再定义ー个椭圆II，椭圆I和椭圆II之间的封闭区域作为过渡区2，两个椭圆区域的中心即熔池的中心O1，长轴与熔池长度方向中心轴线I1重合，短轴与熔池宽度方向轴线I3重合；安全区3椭圆I长半轴长度不大于I1与熔池前缘轮廓的交点A与熔池中心O1距离的50%，安全区3的椭圆I的短轴长度不大于熔池宽度的50% ；椭圆II长半轴不大于I1与熔池前缘轮廓的交点A与熔池中心O1距离的80%，椭圆II短轴长度不大于熔池宽I3度的80% ;(2)丝端的对准调整；以熔池中心O1为原点，測量出丝端中心O2的位置，相对于软件流程中的2-3 ;根据O2的位置及连续出现的次数，选择以下调整方式之一，相对于软件流程中的2-4 3. I当O2的位置处于安全区3吋，不做调整，按以上步骤顺序对下ー帧图像进行处理、定义和判定；相对于软件流程中的2-5 ；3. 2当O2的位置连续n次越出安全区3但位于过渡区2吋，不做调整，按以上步骤顺序对下ー帧图像进行处理、定义和判定；相对于软件流程中的2-6 ；3. 3当O2的位置连续n+1次越出安全区3但位于过渡区2时，计算出O2相对于O1的相对坐标，并转化成反馈信息，输入计算机6中的运动控制卡，运动控制卡驱动执行机构7将丝端从O2移向O1 ;相对于软件流程中的2-7 ；3. 4当O2的位置越出过渡区2时，计算出O2相对于O1的相对坐标，并转化成反馈信息，输入计算机6中的运动控制卡，运动控制卡驱动执行机构7将丝端11从O2移向O1 ；相对于软件流程中的2-8 ；n与摄像机的取像速度有夫，如果摄像机的取像速度为P帧/秒，一般要求丝端越出安全区的时间不大于0. 2秒，则n取值为0. 2P ；(4)重复上述步骤(I) (3)，直至束流停止。与现有技术相比，本发明技术方案的优点是是在金属丝材熔化加工过程中，使丝材能够始終对准熔池的特定区域，避免发生偏离熔池的现象，可明显提高送丝加工的エ艺稳定性，提1 质量。·
权利要求
1.一种用于金属丝材熔化加工的丝材对准方法，其特征在于该方法的步骤是 (1)用摄像机对熔池及丝端部位进行摄影，按固定的时间间隔提取图像； (2)对图像进行分区处理、定义； 2.I区分出熔池的边界轮廓线(I)、丝端部位的影像(4)及轮廓线； 2.2将熔池最宽处的连线定义为I3，最长处连线定义为I1, I1和I3这两条直线交点即熔池中心定义为O1 ； 将丝材影像区长度方向中心线定义为I2，将与I2垂直的丝材影像区域最宽处连线定义为14，I2和I4这两条直线的交点O2为丝端中心； 以I3为分界线，以熔池轮廓中钝圆一边为熔池前缘，另一侧为熔池尾部； 2.3以熔池中心O1为基准，设定一个椭圆I形封闭的区域定义为安全区(3)，在安全区域外缘与熔池的边界轮廓(I)之间，再定义一个椭圆II，椭圆I和椭圆II之间的封闭区域作为过渡区⑵，两个椭圆区域的中心即熔池的中心O1，长轴与熔池长度方向中心轴线Ii重合，短轴与熔池宽度方向轴线I3重合； 安全区(3)椭圆I长半轴长度不大于I1与熔池前缘轮廓的交点A与熔池中心O1距离的50%，安全区(3)的椭圆I的短轴长度不大于熔池宽度的50% ； 椭圆II长半轴不大于I1与熔池前缘轮廓的交点A与熔池中心O1距离的80%，椭圆II短轴长度不大于熔池宽I3度的80% ； (3)丝端的对准调整； 以熔池中心O1为原点，测量出丝端中心O2的位置，根据O2的位置及连续出现的次数，选择以下调整方式之一 3.I当O2的位置处于安全区(3)时，不做调整，按以上步骤顺序对下一帧图像进行处理、定义和判定； 3.2当O2的位置连续η次越出安全区(3)时，不做调整，按以上步骤顺序对下一帧图像进行处理、定义和判定； 3.3当O2的位置连续η+1次越出安全区(3)时，计算出O2相对于O1的相对坐标，并转化成反馈信息，输入计算机中的运动控制卡，运动控制卡驱动执行机构将丝端O2移向O1 ； 3.4当O2的位置处于过渡区之外时，计算出O2相对于O1的相对坐标，并转化成反馈信息，输入计算机中的运动控制卡，运动控制卡驱动执行机构将丝端O2移向O1 ； η与摄像机的取像速度有关，如果摄像机的取像速度为P帧/秒，一般要求丝端越出安全区的时间不大于O. 2秒，则η取值为O. 2Ρ ； (4)重复上述步骤(I) (3)，直至束流停止。
2.一种适用于权利要求I所述的用于金属丝材熔化加工的丝材对准方法的装置，其特征在于该装置包括摄像机(5)、计算机(6)及调整执行机构(7)，摄像机(5)安装在光学观察镜(8)上，该种光学观察镜(8)设有可滤去强光的玻璃镜片和调节通光量的光栅，用于调整图像亮区与暗区的对比度，摄像机(5)将收集的光学信息转化成数字信息，并通过数据线(9)输送到计算机(6)，调整执行机构(7)由电机和丝杠导轨副构成，调整执行机构(7)与计算机(6)电连接，送丝嘴(10)安装在调整执行机构(7)上，丝材(11)通过送丝机构(12)从送丝嘴(10)送出。
全文摘要
本发明针对利用热源熔化金属丝材进行加工的技术，利用加装了滤波装置的摄像机拍摄熔池及其附近图像，对图像进行处理和定义，区分出熔池轮廓及丝端影像。根据加工特点及实践经验，将熔池分为安全区、过渡区和不安全区。比较丝端与熔池中心的相对位置；当丝端位于过渡区外的不安全区域或长时间位于过渡区时，计算机根据丝端与熔池中心的相对位置，发出反馈信号，控制调节机构的电机运动，通过送丝导嘴的移动将丝端调整到安全区域，从而实现丝材的自适应对准，使得送丝过程更加稳定，成形外观质量更好。
文档编号G01B11/00GK102785045SQ20121009635
公开日2012年11月21日 申请日期2012年4月1日 优先权日2012年4月1日
发明者巩水利, 李怀学, 李晋炜, 费群星, 锁红波, 陈哲源 申请人:中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所