窄间隙焊接电弧摇动的适应控制方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开一种窄间隙焊接电弧摇动的适应控制方法及装置，控制装置由红外摄像机系统、计算机图像处理系统、电弧摇动参数控制系统、折弯导电杆式摇动电弧焊炬等构成；红外摄像机系统以外触发方式采集电弧偏向坡口左侧壁或右侧壁时的焊接区域红外图像，经过计算机图像处理后，实时提取坡口宽度信息，并计算电弧摇动角度目标值；电弧摇动参数控制系统控制电机驱动机构转动折弯导电杆，带动焊接电弧按摇动角度目标值作圆弧形摇动，实现根据坡口宽度变化对电弧摇动角度的适应控制。本发明控制装置构成简单，坡口宽度检测精度高，环境适应性好，工程实用性强，可与焊缝跟踪和焊接熔敷量控制系统联合使用，达到变坡口窄间隙焊接质量适应控制的目的。
【专利说明】窄间隙焊接电弧摇动的适应控制方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及焊接【技术领域】，特指一种在坡口宽度变化条件下对窄间隙焊接电弧运 动进行适应控制的方法及装置。
【背景技术】
[0002] 窄间隙熔化极气体保护焊是一种高效、高质量、低成本的焊接方法。在实际窄间隙 焊接过程中，往往由于受坡口加工误差、工件装配误差、焊接热变形等因素的影响，会导致 坡口宽度大小和焊缝中心位置发生变化，使得即使采用摇动电弧焊接法、高速旋转电弧焊 接法、蛇形焊丝焊接法等控制坡口侧壁熔透的新工艺也不能保证电弧始终均匀有效地加热 坡口侧壁，同时也难以保证获得稳定的焊缝高度，从而影响焊接质量。对于这种坡口宽度变 化的变坡口焊接问题，需要引入针对电弧位置的适应控制机制。
[0003]日本专利号为JP55048475A、名称为"窄间隙自动焊接方法"的专利文献中，公开采 用轮式弯丝机构使焊丝预先产生圆弧状弯曲变形，电机通过蜗轮蜗杆装置驱动门板式摇动 机构，带动从直型导丝管中心孔送出的呈圆弧状弯曲状态的焊丝端部的电弧，在窄间隙坡 口内作往复式摇动；同时，通过锥形辊轮接触式探头探测坡口宽度，并通过与辊轮探头机构 相连的电位差计将坡口宽度变化转换成电信号，最后通过门板式摇动机构控制焊丝摇动角 度，以自动适应坡口宽度的变化。其缺点是：1)轮式弯丝机构和蜗轮蜗杆式摇动机构复杂， 不方便调节焊丝弯曲度和电弧摇动半径；2)焊丝预变形和摇动导向机构远离焊丝伸出端， 使得焊丝从导电嘴送出后摇动规则性不强；3)接触式坡口宽度传感探头易磨损，且传感检 测点与焊接电弧位置不同步，使得传感精度较低；4)摇动控制装置可控性较差，导致电弧摇 动控制精度下降。
[0004] 中国专利号为ZL200810236274. 5、名称为"摇动电弧窄间隙熔化极气体保护焊接 方法及装置"，采用空心轴电机直接驱动微弯导电杆绕焊炬中心轴线往复运动，带动从直型 导电嘴中心孔送出焊丝端部的电弧在窄间隙焊接坡口内作圆弧形摇动，实现摇动电弧窄间 隙焊接。该发明克服了上述先有技术的不足，无需对焊丝进行远程预变形处理，而是直接通 过折弯导电杆为焊丝提供末端弯曲导向，从而简化了电弧摇动机构设计，并使得焊丝摇动 规则性强，电弧指向性好，电弧摇动控制精度高；此外，通过采用不同折弯角度和折弯长度 的弯曲导电杆，可方便地调节电弧摇动半径，以适应不同坡口宽度的焊接应用。其缺点是： 对于常见的变坡口窄间隙焊接应用，未涉及具体的实施技术方案，难以使变坡口窄间隙焊 接工艺实用化。
【发明内容】
[0005]针对现有技术存在窄间隙坡口宽度提取精度低、电弧摇动控制精度不高、焊接环 境适应性不强等缺点，本发明提出一种控制精度高、工程实用性强、环境适应性好、实施方 便的窄间隙焊接电弧摇动的适应控制方法及装置，根据红外视觉传感器检测坡口宽度信 息，并通过折弯导电杆式摇动电弧焊炬实时调整电弧摇动角度，实现根据坡口宽度变化对 电弧摇动角度的自适应控制。
[0006] 本发明提出的窄间隙焊接电弧摇动的适应控制装置采用的技术方案是：包括窄间 隙焊炬，窄间隙焊炬中的折弯导电杆一端与电机驱动及馈电机构相连、另一端与直型导电 嘴相接，穿过窄间隙焊炬的焊丝伸入坡口宽度变化的待焊坡口中产生焊接电弧；还包括电 弧摇动参数控制系统、计算机图像处理系统以及红外摄像系统；红外摄像系统包括数字式 红外摄像机及红外滤光系统，计算机图像处理系统包含依次连接的图像采集卡、坡口宽度 提取模块和摇动角度计算模块，图像采集卡通过视频线与红外摄像机相连，摇动角度计算 模块的输出连接电弧摇动参数控制系统。
[0007] 本发明提出的窄间隙焊接电弧摇动的适应控制装置的控制方法采用的技术方案 是：红外摄像系统以电弧位置外触发方式获取焊接区域红外图像，经过计算机图像处理后， 实时提取坡口宽度信息，并根据坡口宽度计算出电弧摇动角度目标值；然后，电弧摇动参数 控制系统控制电机驱动及馈电机构直接转动折弯导电杆，控制电弧在待焊坡口内以目标摇 动角度作相对于焊炬的圆弧形轨迹摇动，实现根据坡口宽度变化对电弧摇动角度的自适应 控制。
[0008] 进一步地，本发明窄间隙焊接电弧摇动的适应控制装置的控制方法具体又包括如 下步骤： I在摇动角度计算模块中，预设电弧摇动半径r、预留工艺间隙g、坡口宽度变化判定 阈值THW以及坡口宽度初始值Gs(l后，计算出坡口初始宽度GsCI(视同为坡口实际宽度A#。处 的采样值)处所对应的初始摇动角度aM然后焊炬与红外摄像系统一起以焊接速度Vw向前 移动，同时电弧摇动参数控制系统通过焊炬控制电弧在待焊坡口内作摇动角度为a^的往 复式圆弧形轨迹摇动； +f电弧摇动参数控制系统根据电机转动位置检测信号PM，在电弧偏向待焊坡口左侧壁 或右侧壁(或处于坡口中心）时，向红外摄像机和图像采集卡发出电弧拍摄与图像采集触发 信号PA，使计算机图像处理系统获取焊接区域图像后，宽度提取模块通过图像处理实时提 取坡口宽度； I当焊炬移动到坡口实际宽度为八也(实际采样点序数i> 1)的任意位置处时，坡口宽 度提取模块实时提取该处坡口宽度当前检测值匕，并与之前在其他位置获取的最近（n-1) (i彡n时)或（i-1)(i<n时)个坡口宽度检测值一起，求出共n(n彡1)或i(i<n时） 个坡口宽度检测值的中值或平均值，作为八此处坡口宽度当前采样值Gsi，再输入至摇动角 度计算模块中； I摇动角度计算模块将坡口宽度当前采样值Gsi与前次采样值G 进行比较，若二者 差值的绝对值AGsi<THw，则不调整坡口实际宽度为AiBi处的电弧摇动角度ai;否则，由 摇动角度计算模块根据坡口宽度当前采样值Gsi、预留工艺间隙g和电弧摇动半径r，计算求 得AiBi处电弧摇动角度目标值a1后，电弧摇动参数控制系统再通过电机驱动及馈电机构 驱动折弯导电杆，控制电弧作角度为ai的圆弧形轨迹摇动，使电弧在侧壁停留点0,和心处 至坡口侧壁距离分别与设定的预留工艺间隙g相等；重复上述步骤I至步骤i,直至焊接 过程结束。
[0009] 在步骤I.中，预留工艺间隙g是在与焊接速度垂直方向上电弧轴线至坡口左右 侧壁的最短距离，预设的电弧摇动半径r>(G_-2g)/2,其中，
【权利要求】
1. 一种窄间隙焊接电弧摇动的适应控制装置，包括窄间隙焊炬，窄间隙焊炬中的折弯 导电杆（3)-端与电机驱动及馈电机构（4)相连、另一端与直型导电嘴（2)相接，穿过窄间 隙焊炬的焊丝（5)伸入坡口宽度变化的待焊坡口（9)中产生焊接电弧（1 )，其特征是：还包 括电弧摇动参数控制系统（10)、计算机图像处理系统（11)以及红外摄像系统；红外摄像系 统包括数字式红外摄像机（12)及红外滤光系统（13)，计算机图像处理系统（11)包含依次 连接的图像采集卡（14)、坡口宽度提取模块（15)和摇动角度计算模块（16)，图像采集卡 (14)通过视频线与红外摄像机（12)相连，摇动角度计算模块（16)的输出连接电弧摇动参 数控制系统（10)。
2. -种如权利要求1所述窄间隙焊接电弧摇动的适应控制装置的控制方法，其特征 是：红外摄像系统以电弧位置外触发方式获取焊接区域红外图像，经过计算机图像处理系 统（11)处理，实时提取到坡口宽度信息；计算机图像处理系统（11)根据坡口宽度计算出电 弧摇动角度目标值；电弧摇动参数控制系统（10 )控制电机驱动及馈电机构（4 )直接转动折 弯导电杆（3)，控制电弧（1)在待焊坡口（9)内以目标摇动角度作相对于焊炬的圆弧形轨迹 (8 )摇动，实现根据坡口宽度变化对电弧摇动角度的自适应控制。
3. 根据权利要求2所述的控制方法，其特征是具体包括以下步骤： 工在摇动角度计算模块（16)中，预设电弧摇动半径r、预留工艺间隙g、坡口宽度变化 判定阈值THw以及坡口宽度初始值Gs(l后，计算出坡口初始宽度Gs(l处所对应的初始摇动角 度a^，作为坡口实际宽度AtlBtl处的采样值，然后焊炬与红外摄像系统一起以焊接速度V￥向 前移动，同时电弧摇动参数控制系统（10)通过焊炬控制电弧（1)在待焊坡口（9)内作摇动 角度为％的往复式圆弧形轨迹（8)摇动； .1:电弧摇动参数控制系统（10)根据电机转动位置检测信号ΡΜ，在电弧（1)偏向待焊坡 口（9)左侧壁或右侧壁或处于坡口中心时，向红外摄像机（12)和图像采集卡（14)发出电弧 拍摄与图像采集触发信号Pa，使计算机图像处理系统（11)获取焊接区域图像后，宽度提取 模块（15)通过图像处理实时提取坡口宽度； S当焊炬移动到坡口实际宽度为AiBi的任意位置处时，坡口宽度提取模块（15)实时提 取该处坡口宽度当前检测值Gi,并与之前在其他位置获取的最近的当i>η时的η-1个或 当i<η时的i-Ι个坡口宽度检测值一起，求出当η> 1时共η个或当i<η时共i个坡 口宽度检测值的中值或平均值，作为AiBi处坡口宽度当前采样值Gsi，再输入至摇动角度计 算模块（16)中；其中i是实际采样点序数，i> 1 ; ?摇动角度计算模块（16)将坡口宽度当前采样值Gsi与前次采样值G进行比较， 若二者差值的绝对值AGsi彡THw，则不调整坡口实际宽度为AiBi处的电弧摇动角度ai;否 贝1J，摇动角度计算模块（16)根据坡口宽度当前采样值Gsi、预留工艺间隙g和电弧摇动半径 r，计算求得AiBi处电弧摇动角度目标值α,后，电弧摇动参数控制系统（10)再通过电机驱 动及馈电机构（4)驱动折弯导电杆（3)，控制电弧（1)作角度为Cii的圆弧形轨迹（8)摇动， 使电弧在侧壁停留点DJPM,处至坡口侧壁距离分别与设定的预留工艺间隙g相等； ⑤重复上述步骤..I至步骤.1.,直至焊接过程结束。
4. 根据权利要求3所述的控制方法，其特征是：步骤.1中，宽度提取模块（15)实时提 取坡口宽度的方法一是：当电弧（I)偏向待焊坡口（9)左侧壁时，根据坡口右边缘线（19)的 横向位置变化调整坡口右侧图像截取窗口（17)定位点的横坐标值，截取坡口右侧图像，提 取坡口右边缘线（19)以及坡口右边缘线（19)至全局图像左边界的当前距离Lli;当电弧偏 向待焊坡口（9)右侧壁时，根据坡口左边缘线（20)的横向位置变化调整坡口左侧图像截取 窗口（ 18 )定位点的横坐标值，截取坡口左侧图像，提取坡口左边缘线（20 )以及坡口左边缘 线（20)至全局图像左边界的当前距离L2i，计算出坡口宽度当前检测值Gi= (Ln-L2i)。
5. 根据权利要求3所述的控制方法，其特征是：步骤2中，宽度提取模块（15)实时提取 坡口宽度的方法二是：通过对全局焊接图像进行处理，提取电弧区域最高点的位置坐标，根 据最高点的纵坐标值确定坡口左、右侧图像截取窗口（ 18、17)的定位点的纵坐标值，根据坡 口边缘线（20、19)的横向位置变化调整图像截取窗口（18、17)定位点的横坐标值；用右侧 图像截取窗口（17)截取包含坡口右边缘线（19)信息的图像后，再求取坡口右边缘线（19) 至全局图像左边界的当前距离Lli;在同一幅图像中用坡口左侧图像截取窗口（18)截取包 含坡口左边缘线（20)信息的图像后，再求取坡口左边缘线（20)至全局图像左边界的当前 距离L2i，计算出坡口宽度的当前检测值Gi= (Ln-L2iX
6. 根据权利要求4或5所述的控制方法，其特征是：坡口左边缘线（20)至全局图像左 边界距离L2i的检测点的纵坐标值，与坡口右边缘线（19)至全局图像左边界距离Lli的检测 点的纵坐标值相同，为坡口左、右侧图像截取窗口（18、17)内坡口左、右边缘线（20、19)上m 个位置检测值的中值或平均值，m> 1。
7. 根据权利要求4或5所述的控制方法，其特征是：在处理图像截取窗口（17)或（18) 截取的小窗口图像时，先进行中值法滤波，再对所全局图像图像进行灰度分析，自动寻找熔 池图像与背景图像灰度分布的峰谷点并确定阈值点，对全窗口图像进行大津法自适应阈值 分割处理，最后用Canny边缘检测算子提取坡口边缘线（19、20);在对全局焊接图像处理 时，先采用中值法滤波和对比度拉伸处理，然后对焊接图像进行全局固定阈值分割后提取 电弧区域轮廓，再对电弧区域轮廓进行形态学腐蚀处理后，提取电弧区域最高点的位置坐 标。
8. 根据权利要求4或5所述的控制方法，其特征是：根据电弧拍摄与图像采集触发信 号Pa或电弧区域最高点横坐标值，辨识并确认电弧偏向坡口左侧壁或是偏向坡口右侧壁或 是在坡口中心。
9. 根据权利要求3所述的控制方法，其特征是：在步骤I中，预留工艺间隙g是在与 焊接速度Vir垂直方向上电弧轴线至坡口左右侧壁的最短距离，预设的电弧摇动半径r> (Gmax-2g)/2，其中，+ 通多,Gmax是坡口宽度可能的最大值，a是焊 炬的折弯导电杆（3)折弯部分的长度，b是焊炬的直型导电嘴（2)的长度，h是焊炬高度，β是折弯导电杆（3)的折弯角度；在步骤I:中，坡口宽度变化判定阈值THW< 0. 5_，摇动角度
【文档编号】B23K9/095GK104439620SQ201410741503
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月9日 优先权日:2014年12月9日
【发明者】王加友, 朱杰, 苏娜, 杨茂森, 黎文航 申请人:江苏科技大学