一种激光位移传感器的角焊缝自动焊接控制方法及装置与流程

本发明涉及自动化焊接领域，具体涉及一种激光位移传感器的角焊缝自动焊接控制方法及装置。

背景技术：

焊接自动化和智能化已经成为焊接技术的发展趋势，是提高焊接质量和提升焊接效率的重要保证。在轨道交通、海工装备、重型机械、船舶航运等行业的焊接生产中，很多焊接结构由于结构复杂、焊缝规格种类多，还处于手工焊或半自动焊阶段，生产效率低，劳动环境差。在实际焊接生产中，由于工件加工或装配误差，致使焊枪偏离焊缝中心，需要动态调整焊枪位置和焊接工作参数。国内外已有多种传感方法来自动识别焊枪或焊缝位置，如电弧传感器、超声波传感器、激光传感器等，其中，基于激光位移传感器的自动焊接控制方法具有非接触、精度高、结构简单等优点，逐渐进入工业应用。在现有基于激光传感器的自动焊接技术和方法中，大多采用激光视觉系统和激光视觉算法，以图像处理的方法从激光视觉图像中识别焊缝；如专利号为“201410529039.2”的“一种激光视觉引导的焊接机器人角接焊缝特征的提取方法”，通过图像处理的方法提取了角接焊缝的角接角度和焊缝点坐标；如专利号为“201310199968.7”的“波纹薄板角焊缝自动焊接中的视觉跟踪监测系统与方法”采用双目视觉装置，通过图像处理计算出待焊区装配缝轨迹及装配缝宽，也可获得熔池中心相对缝隙中心线左边端点偏移量及焊缝当前区的缝宽；基于视觉系统和图像处理系统的自动焊接系统的结构复杂、成本高昂，应用受限。本发明涉及的一种激光位移传感器的角焊缝自动焊接控制方法及装置，结构简单，焊缝识别准确，生产成本低，对焊接自动化发展具有重要的推动作用。

技术实现要素：

为了解决现有方法或技术存在的不足，更好的推动自动化焊接的发展，提供一种激光位移传感器的角焊缝自动焊接控制方法及装置，用于自动化焊接专机中角焊缝跟踪、角焊缝坡口识别和焊接参数自动调整。其系统框图如图1所示，系统包括激光位移传感器、自动焊接控制器、驱动器、十字滑架、数字化焊接电源、焊枪、焊接小车，其中，自动焊接控制器包括数据采样模块、焊缝偏差检测模块、坡口角度识别模块；该方法采用激光位移传感器对角焊缝坡口进行位移传感；利用数据采样模块对激光位移传感器输出信号进行数据采样；焊缝偏差检测模块对采样数据采用三谐波解耦算法检测角焊缝横向偏差，采用形态滤波阀值法检测角焊缝纵向偏差；坡口角度识别模块对采样数据采用双谐波解耦算法识别角焊缝坡口角度；根据角焊缝偏差驱动十字滑架调整焊枪位置，根据坡口角度自动调整数字化焊接电源的工作参数。

本发明采用激光位移传感器检测角焊缝坡口，利用角焊缝偏差和角焊缝坡口角度对激光位移传感器输出信号的影响特征，对传感器输出信号进行谐波变换，通过本发明的解算方法检测角焊缝偏差和识别角焊缝坡口角度，最后根据角焊缝偏差驱动十字滑架运动调整焊枪位置，根据坡口角度自动调整数字化焊接电源的工作参数，它包括以下步骤：

步骤1：激光位移传感

采用激光位移传感器对角焊缝坡口进行位移传感，其示意图如图2所示；图2中，(1)为激光位移传感器，(2)为焊枪，(1)和(2)都安装在十字滑架上，(3)和(4)分别为十字滑架的纵向电机和横向电机；

步骤2：数据采样

利用数据采样模块对激光位移传感器输出信号进行数据采样；

步骤3：角焊缝偏差检测

焊缝偏差检测模块对采样数据采用三谐波解耦算法检测角焊缝横向偏差，采用形态滤波阀值法检测角焊缝纵向偏差；

步骤4：角焊缝坡口角度识别

坡口角度识别模块对采样数据采用双谐波解耦算法识别角焊缝坡口角度；

步骤5：焊枪位置调整和数字化焊接电源的工作参数调整

根据角焊缝偏差检测结果，焊缝偏差检测模块输出使能信号给驱动器，驱动器驱使电机带动十字滑架运动，十字滑架带动焊枪进行焊接位置的调整；

根据角焊缝坡口角度识别结果，坡口角度识别模块输出控制信号给数字化焊接电源，数字化焊接电源调整自身的工作参数，如焊接电流、电弧电压和送丝速度等。

本发明的有益成果是：本发明提供了一种激光位移传感器的角焊缝自动焊接控制方法及装置，该方法采用激光位移传感器对角焊缝坡口进行位移传感，位移传感精度高，输出响应快；采用三谐波解耦算法检测角焊缝横向偏差，采用形态滤波阀值法检测角焊缝纵向偏差，采用双谐波解耦算法识别角焊缝坡口角度，算法稳定，识别准确，无需采用视觉系统和图像处理系统和算法，使系统的结构简化，成本降低；本发明的方法可获取角焊缝偏差和角焊缝坡口角度，根据角焊缝偏差和坡口角度调整焊枪位置和数字化焊接电源的工作参数，有利于焊缝自动跟踪焊接和焊接工艺的均匀性和稳定性，对提高角焊缝焊接生产线的质量和效率具有重要意义，对焊接自动化的发展具有重要的推动作用。

附图说明

图1是本发明一种激光位移传感器的角焊缝自动焊接控制方法及装置的系统框图。

图2是激光位移传感器对角焊缝坡口进行位移传感示意图。

图3是角焊缝右偏时激光位移传感信号采样波形。

图4是角焊缝右偏时激光位移传感信号计算波形。

图5是角焊缝右偏时激光位移传感信号的形态因子系数示意图。

图6是角焊缝右偏时激光位移传感信号的形态阀值示意图。

图7是角焊缝左偏时激光位移传感信号采样波形。

图8是角焊缝左偏时激光位移传感信号计算波形。

图9是角焊缝左偏时激光位移传感信号的形态因子系数示意图。

图10是角焊缝左偏时激光位移传感信号的形态阀值示意图。

具体实施方式

为了更好的表达整个发明的技术方案与有益成果，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。但是，本发明的实施方式不限于此。

实施例1：本发明的一种激光位移传感器的角焊缝自动焊接控制方法及装置的系统框图如图1所示，系统包括：激光位移传感器、自动焊接控制器、驱动器、十字滑架、数字化焊接电源、焊枪、焊接小车，其中，自动焊接控制器包括数据采样模块、焊缝偏差检测模块、坡口角度识别模块；采用激光位移传感器对角焊缝坡口进行位移传感；利用数据采样模块对激光位移传感器输出信号进行数据采样；焊缝偏差检测模块对采样数据采用三谐波解耦算法检测角焊缝横向偏差，采用形态滤波阀值法检测角焊缝纵向偏差；坡口角度识别模块对采样数据采用双谐波解耦算法识别角焊缝坡口角度；根据角焊缝偏差驱动十字滑架调整焊枪位置，根据坡口角度自动调整数字化焊接电源的工作参数。

本发明的一种激光位移传感器的角焊缝自动焊接控制方法及装置包括以下步骤：

步骤1：激光位移传感

采用激光位移传感器对角焊缝坡口进行位移传感，其示意图如图2所示；图2中，(1)为激光位移传感器，(2)为焊枪，(1)和(2)都安装在十字滑架上，(3)和(4)分别为十字滑架的纵向电机和横向电机；

步骤2：数据采样

利用数据采样模块对激光位移传感器输出信号进行数据采样，某角焊缝右偏时由数据采样模块得到的激光位移传感信号采样波形如图3所示。

步骤3：角焊缝偏差检测

记数据采样模块得到的采样数据为S(k)(k＝0,1,2...N-1)，N为采样总数，记激光位移传感器的传感范围为b(如图2所示)，记角焊缝横向偏差为e，则焊缝偏差检测模块采用三谐波解耦算法检测角焊缝横向偏差的计算方程如下：

通过上述计算方程，即可得到角焊缝横向偏差e，图4为通过计算后获得的角焊缝右偏时激光位移传感信号的波形图。

采用形态滤波阀值法检测角焊缝纵向偏差的过程如下：

首先，计算角焊缝激光位移传感信号的形态因子系数；记形态因子系数为f(k)(k＝0,1,2...N-1)，f(k)如图5中阴影部分区域所示；

然后，确定角焊缝激光位移传感信号的形态阀值；记形态阀值为H，H如图6所示；

最后，通过形态滤波阀值法检测角焊缝纵向偏差；记角焊缝纵向偏差为y，y的计算方程如下：

步骤4：角焊缝坡口角度识别

坡口角度识别模块对采样数据采用双谐波解耦算法识别角焊缝坡口角度；记角焊缝坡口角度为α，α如图2所示，则双谐波解耦算法计算α的方程如下：

上式中，σ和d的计算方程如下：

上述两式中，c、K_R1、K_R2和λ的计算方程如下：

上述各式中，R(1)、R(2)和R(3)的计算方程如下：

步骤5：焊枪位置调整和数字化焊接电源的工作参数调整

根据角焊缝偏差检测结果e和y，焊缝偏差检测模块输出使能信号给驱动器，驱动器驱使电机(图2中(4)和(3))带动十字滑架运动，十字滑架带动焊枪进行焊接位置的调整；

根据角焊缝坡口角度识别结果α，坡口角度识别模块输出控制信号给数字化焊接电源，数字化焊接电源调整自身的工作参数，如焊接电流、电弧电压和送丝速度等。

实施例2：通过本发明的方法，采用激光位移传感器对角焊缝坡口进行位移传感，利用数据采样模块对激光位移传感器输出信号进行数据采样，角焊缝左偏时得到的激光位移传感信号采样波形如图7所示，通过焊缝偏差检测模块采用三谐波解耦算法检测角焊缝横向偏差e，图8为通过计算后获得的角焊缝左偏时激光位移传感信号的波形图，然后采用形态滤波阀值法检测角焊缝纵向偏差y，角焊缝激光位移传感信号的形态因子系数f(k)(k＝0,1,2...N-1)如图9中阴影部分区域所示，角焊缝激光位移传感信号的形态阀值H如图10所示，通过坡口角度识别模块采用双谐波解耦算法识别角焊缝坡口角度α，最后根据角焊缝偏差检测结果e和y调整焊枪位置，根据角焊缝坡口角度识别结果α调整数字化焊接电源的工作参数。

实施例3：本发明同样适用于其它基于角焊缝坡口位移传感的角焊缝跟踪、角焊缝坡口识别和焊接参数自动调整，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明原理的前提下所作出的若干改进，都视为本发明的保护范围。