專利名稱：基于溫度梯度傳感的焊接溫度場檢測裝置與質量控制方法
技術領域：
本發明涉及一種焊接檢測與控制的裝置與方法，尤其是一種基于溫度梯度傳感的焊接溫度場檢測裝置與質量控制方法，屬于焊接檢測和質量控制領域。
背景技術：
隨著焊接技術在當今的工業生產尤其是我國汽車甚至以及航天企業中的影響越來越大，焊接效率以及焊接質量的要求也越來越高，焊接設備的自動化也迫在眉睫。對焊接質量的控制有兩種一是恒定參數焊接或者預置變參數焊接，以分別完成恒定截面或者變截面工件的焊接；二是閉環反饋實時控制，以適應變焊接條件下工件的焊接。
在早期的工程應用中以及在固定環境的簡單焊縫下，多采用恒定參數開環控制進行焊接。其最主要的思路是通過先期的焊接工藝試驗獲取關于焊接過程或者焊縫成形的一系列信號，并根據這些信號與試驗中所采用的焊接參數相對應，在后續的焊接過程中選取能得到良好焊縫成形的恒定參數或預置變化規律的焊接參數，最終實現穩定的焊接過程、 獲得良好的焊縫成形，屬于開環控制。
采用實時檢測閉環控制以適應變焊接條件情況下工件的焊接，是焊接領域內的發展趨勢。對焊接質量進行控制的關鍵是提取到能反映穿孔熔池行為的特征信號，這是實現焊接過程模型化和焊接過程自動控制的最重要部分。從特征信號的類型來看，主要有以下幾個方面弧光信號、聲信號、弧壓信號、電弧等離子體信號和熔池圖像等。弧光信號主要利用光電器件接收源自于焊接電弧的輻射信息中獲取可以表征小孔行為特征的信號，該方法受到等離子體反翹的影響，且對接收探頭與等離子弧角度、干涉濾光鏡片、等離子弧的光譜輻射亮度、弧光傳輸系統的通過率都有要求；聲信號就是通過采集熔池在焊接時產生的劇烈的低頻振動來獲取熔池狀態的信息，但是在實際生產應用中，無法避免的機器噪音和人為的干擾使聲音傳感檢測出來的聲音信號發生擾動，因此這種方法對環境的要求相對較高，需要避開環境噪音的干擾；弧壓信號主要提取電弧電壓波動來反映熔池狀態，該方法對焊接電源要求較高，而且往往不能和電網的波動完全區分開，不能準確、可靠地檢測到熔池變化；電弧等離子體信號主要應用在等離子弧焊中，利用金屬探針或金屬檢測板檢測電弧的等離子焰，由于等離子焰溫度極高，該方法對金屬探針或金屬檢測板都有很高的要求，容易燒損檢測設備；通過圖像采集監控焊接質量是研究的最多的一種方法，圖像傳感方法具有傳感信息豐富、直觀、不受電磁干擾等優點，如何正確有效的提取熔池邊緣，如何解決強烈的弧光干擾，一直是該方法研究的重點，同時，高精度的CCD攝像和快速的圖象處理技術還很難適應工業現場應用。
焊縫跟蹤是提高焊接生產自動化程度和焊接質量控制的關鍵內容之一。目前常規的自動化焊接生產一般采用預設軌跡、機器人示教或離線編程的方式進行焊縫規劃，焊接過程中只是簡單的重復預先設定的動作。當實際的焊接條件發生變化時，例如焊接過程中的工件在加工、裝配過程中的尺寸誤差和位置偏差以及工件加熱變形等因素的變化會使接頭位置偏移預定路徑，這樣會導致焊接質量下降甚至失敗。因此，精確的焊縫跟蹤是保證焊接質量的關鍵。在現有的焊縫跟蹤實現方案中，一般采用機械、電磁、視覺等傳感器提供焊縫信息，由系統進行處理，實現焊槍位置控制。但是這樣的焊縫跟蹤系統一般是封閉的，是針對特定系統開發的傳感器及處理算法，缺少通用、靈活和獨立的實時焊縫跟蹤系統。而且在焊接過程中，并不是沿著焊縫走，嚴格對中就是好的控制，而是應該要適應焊接過程的變化，適應焊接過程中的散熱、間隙、熔池流動等影響造成的錯邊、間隙變化、截面變化等情況，選擇最合適的熱源位置進行焊接。發明內容
本發明為了改進現有方法的不足，實現快速、準確、便捷的檢測與質量控制，特提出一種基于溫度梯度傳感的焊接溫度場檢測裝置與質量控制方法，該裝置和方法通過直接檢測焊縫周圍的溫度梯度得出熔池的溫度場分布，并以溫度梯度為特征量控制焊槍的運動，在焊接過程中實現實時的非破壞性的焊接質量檢測和控制。該方法具有響應速度快、正確反應熔池信息、系統結構簡單穩定、抗干擾能力強、精度高等優點，且適用于多種焊接工藝和焊縫類型。
為了實現上述目的，本發明采用了如下的技術方案
一種基于溫度梯度傳感的焊接溫度場檢測裝置，其特征在于包括紅外測溫傳感單元、上層控制單元、運動控制單元以及運動執行機構；
所述紅外測溫傳感單元由多個非接觸式紅外測溫傳感器構成，分為兩組垂直于焊接方向分布在焊槍兩側，所述紅外測溫傳感單元和上層控制單元連接，用于將紅外測溫傳感單元內每個非接觸式紅外測溫傳感器測量的溫度及非接觸式紅外測溫傳感器的位置參數提供給上層控制單元；
所述上層控制單元分別與紅外測溫傳感單元、運動控制單元通過通訊電纜連接， 接收紅外測溫傳感單元的信號，結合每個非接觸式紅外測溫傳感器的位置參數對兩組紅外測溫傳感單元采集的多個溫度信號進行分析處理，向運動控制單元發送運動控制指令；
運動控制單元分別和兩組運動執行機構通過通訊電纜連接，兩組運動執行機構分別與焊槍以及被焊工件相連，用于接收上層控制單元的運動控制信號，對焊槍相對于焊縫的偏差、焊接速度或電弧高度進行控制。
所述的多個非接觸式紅外測溫傳感器在平面上呈線性、矩陣或散點分布。
所述的多個非接觸式紅外測溫傳感器的位置能夠在焊槍平面上進行二維調整。
所述的非接觸式紅外測溫傳感器在焊接過程中相對于焊槍位置固定。
該裝置和方法可用于低碳鋼，合金鋼，特種鋼，不銹鋼，銅及其合金，鋁及其合金， 鈦及其合金等其它黑色和有色金屬及其合金的焊接；可用于不開坡口或開坡口的對接、搭接、角接、全位置焊接等多種焊接接頭形式；可用于熔化極惰性氣體保護焊接，或熔化極活性氣體保護焊接，或鎢極活性氣體保護焊接，或鎢極惰性氣體保護焊接，或二氧化碳焊接， 或埋弧焊接，或電渣焊接，或等離子弧焊接，或激光焊接，或攪拌摩擦焊接。
本發明的原理如下
焊接是一個對熔池進行傳熱、傳質、傳力的過程，而其中對熔池的傳熱是主要影響因素。良好的焊縫成形與焊接質量取決于焊接過程中能否形成一個良好的溫度分布和溫度梯度，同時溫度當焊接過程中熔池狀態發生變化時，熔池周圍的溫度場分布和溫度梯度也隨之發生變化當焊接熱源位置偏移時，被焊工件兩側的溫度場必然發生偏移；當外界條件如散熱等發生變化時，被焊工件兩側的溫度梯度必然發生變化。因此本方法從焊接工藝角度出發，通過傳感器直接測量被焊工件平面多個垂直于焊縫不同距離點的溫度值，計算出溫度場分布和溫度梯度，就能正確的反映熔池狀態，并加以控制，保證焊接質量。
上述裝置的質量控制方法如下
步驟一將兩組紅外測溫傳感單元使用傳感器裝卡定位裝置垂直于焊接方向固定在焊槍兩側；將每組紅外測溫單元中的多個非接觸式紅外測溫傳感器都設置成線性、矩陣或散點分布，以焊槍為原點，得出多個非接觸式紅外測溫傳感器的位置信息；
步驟二紅外測溫單元中的所有非接觸式紅外測溫傳感器都指向被焊工件，每個非接觸式紅外測溫傳感器相對焊縫垂直位置固定，按其位置分布指向被焊工件平面相對焊縫垂直位置不同的固定點，用于在焊接過程中測量上述不同固定點的溫度；該固定點位置相對焊槍固定，在被焊工件移動或焊槍移動時在被焊工件表面移動；
步驟三將上層控制單元分別與兩組紅外測溫傳感單元和運動控制單元通過通訊電纜連接，將運動控制單元分別和兩組運動執行機構通過通訊電纜連接，將兩組運動執行機構分別與焊槍以及被焊工件相連；
步驟四將非接觸式紅外測溫傳感器的位置參數和每個非接觸式紅外測溫傳感器對應固定點的溫度信號傳送給上層控制單元，得出被焊工件表面的溫度場分布和溫度梯度，通過對兩組紅外測溫傳感單元的溫度信號進行分析來確定當前焊槍的偏移量，向運動控制單元發送運動控制指令調整焊槍位置，并通過對每組紅外測溫傳感單元中不同位置上的非接觸式紅外測溫傳感器給出的溫度信號進行分析來確定熔池狀態，向運動控制單元發送運動控制指令調整焊接速度或電弧高度。
與同類方法和系統相比，本發明的優點是
直接測量溫度形成溫度梯度數據，解決了其他特征信號在轉換成溫度這一基本量時造成誤差的問題，同時避免了數據轉換造成的延時，使系統響應速度大大提高；基于溫度梯度和溫度場分布的檢測和控制方法，從焊接工藝與焊縫成型的角度出發進行焊縫跟蹤與焊槍位置調整，和光學和機械焊縫跟蹤相比，最大程度上利于焊縫成型；采用溫度作為特征信號，和其他方法相比避免了焊接過程中強烈的弧光、電磁、噪聲干擾，系統抗干擾能力強， 精度尚。
以上所述，其實時性、強大的適應性、穩定性和高抗干擾能力、高精度無疑是該檢測與質量控制方法和系統的優點所在。


圖1是本發明檢測與控制系統的三維示意圖2是本發明檢測與控制系統的俯視示意圖3是本發明檢測與控制系統的系統框圖4是本發明中的非接觸式紅外測溫傳感器的幾種分布方式示意圖中1、上層控制單元，2、運動控制單元，3、運動執行機構，4、通訊電纜，5、焊槍， 6、被焊工件，7、非接觸式紅外測溫傳感器，8、通訊電纜，9、通訊電纜，10、紅外測溫傳感單元 A，11、紅外測溫傳感單元B具體實施方式
以下參考附圖具體地說明本發明的實施方式。附圖中所使用的紅外測溫傳感單元 IOUl和非接觸式紅外測溫傳感器7的位置、數量和分布并不是限制性的，只是說明性質。 附圖中只說明了該裝置以及質量控制方法自身的連接方式，焊接過程所必須的氣路、水路和電路接法都是使用常規接法，所以不再進行說明。
下面結合附圖對該裝置的組成及質量控制方法進行詳細說明
本方法和裝置包含上層控制單元1、運動控制單元2、運動執行機構3、紅外測溫傳感單元A10、紅外測溫傳感單元B11。其中紅外測溫傳感單元AlO和紅外測溫傳感單元Bll 由數個非接觸式紅外測溫傳感器7按一定分布組成，如附圖4所示，并指向被焊工件6安裝固定在焊槍5的焊槍架上，如附圖2所示。安裝完成后以焊槍為原點測量每個非接觸式紅外測溫傳感器7相對于焊槍的位置并輸入上層控制單元1。將紅外測溫傳感單元AlO和紅外測溫傳感單元Bll通過通訊電纜8與上層控制單元1相連，將測得的溫度信號傳送給上層控制單元1。將運動控制單元2通過通訊電纜9與上層控制單元1相連，運動執行機構3 通過通訊電纜4與運動控制單元2相連，上層控制單元發送控制指令給運動控制單元2后， 運動控制單元2控制運動執行機構3運動。連接好的系統如附圖1所示。
通過對紅外測溫傳感單元AlO和紅外測溫傳感單元Bl 1的溫度數據進行對比來判斷焊槍5相對于焊縫的偏移量并對焊槍位置進行控制，通過對紅外測溫傳感單元AlO和紅外測溫傳感單元Bll中不同位置的非接觸式紅外測溫傳感器7的溫度數據進行對比來判斷焊接質量并對電弧高度或焊接速度進行控制。紅外測溫傳感單元AlO和紅外測溫傳感單元 Bll中的每個非接觸式紅外測溫傳感器7都對應被焊工件6上相對焊槍固定的點。在同一工況下的焊接過程中，當焊縫成形、焊接質量和焊槍位置都良好的情況下，上層控制單元記錄該狀態下每個非接觸式紅外測溫傳感器7的平均溫度信號，并結合每個非接觸式紅外測溫傳感器7的位置信息得出被焊工件6兩側的溫度場和溫度梯度。當焊接過程中，檢測到被焊工件6 —側的溫度場或溫度梯度整體下降、另一側的溫度場或溫度梯度整體上升時， 表明焊接熱源偏離正常位置，上層控制單元1發送控制指令給運動控制單元2，調整焊槍位置，令被焊工件6上的溫度場和溫度梯度恢復正常；當檢測到被焊工件6兩側的溫度場整體升高、溫度梯度增大時，表明對被焊工件6的熱輸入過大，上層控制單元1發送控制指令給運動控制單元2，增大電弧高度或焊接速度，令被焊工件6上的溫度場和溫度梯度恢復正常；同理，當檢測到被焊工件6兩側的溫度場整體下降、溫度梯度減小時，表明對被焊工件 6的熱輸入過小，上層控制單元1發送控制指令給運動控制單元2，降低電弧高度或焊接速度，令被焊工件6上的溫度場和溫度梯度恢復正常。
權利要求
1.一種基于溫度梯度傳感的焊接溫度場檢測裝置，其特征在于包括紅外測溫傳感單元、上層控制單元(1)、運動控制單元O)以及運動執行機構(3)；所述紅外測溫傳感單元由多個非接觸式紅外測溫傳感器(7)構成，分為兩組垂直于焊接方向分布在焊槍( 兩側，所述紅外測溫傳感單元和上層控制單元(1)連接，用于將紅外測溫傳感單元內每個非接觸式紅外測溫傳感器(7)測量的溫度及非接觸式紅外測溫傳感器(7)的位置參數提供給上層控制單元(1)；所述上層控制單元(1)分別與紅外測溫傳感單元、運動控制單元( 通過通訊電纜連接，接收紅外測溫傳感單元的信號，結合每個非接觸式紅外測溫傳感器(7)的位置參數對兩組紅外測溫傳感單元采集的多個溫度信號進行分析處理，向運動控制單元( 發送運動控制指令；運動控制單元( 分別和兩組運動執行機構( 通過通訊電纜連接，兩組運動執行機構( 分別與焊槍(5)以及被焊工件(6)相連，用于接收上層控制單元(1)的運動控制信號，對焊槍( 相對于焊縫的偏差、焊接速度或電弧高度進行控制。
2.根據權利要求1所述的一種基于溫度梯度傳感的焊接溫度場檢測裝置，其特征在于所述的多個非接觸式紅外測溫傳感器(7)在平面上呈線性、矩陣或散點分布。
3.根據權利要求1所述的一種基于溫度梯度傳感的焊接溫度場檢測裝置，其特征在于所述的多個非接觸式紅外測溫傳感器(7)的位置能夠在焊槍( 平面上進行二維調整。
4.根據權利要求1所述的一種基于溫度梯度傳感的焊接溫度場檢測裝置，其特征在于所述的非接觸式紅外測溫傳感器(7)在焊接過程中相對于焊槍( 位置固定。
5.根據權利要求1-4之一所述的基于溫度梯度傳感的焊接溫度場檢測裝置的質量控制方法，其特征在于步驟一將兩組紅外測溫傳感單元使用傳感器裝卡定位裝置垂直于焊接方向固定在焊槍(5)兩側；將每組紅外測溫單元中的多個非接觸式紅外測溫傳感器(7)都設置成線性、矩陣或散點分布，以焊槍(5)為原點，得出多個非接觸式紅外測溫傳感器(7)的位置信息；步驟二 紅外測溫單元中的所有非接觸式紅外測溫傳感器(7)都指向被焊工件(6)，每個非接觸式紅外測溫傳感器(7)相對焊縫垂直位置固定，按其位置分布指向被焊工件(6) 平面相對焊縫垂直位置不同的固定點，用于在焊接過程中測量上述不同固定點的溫度；該固定點位置相對焊槍(5)固定，在被焊工件(6)移動或焊槍( 移動時在被焊工件(6)表面移動；步驟三將上層控制單元(1)分別與兩組紅外測溫傳感單元和運動控制單元( 通過通訊電纜連接，將運動控制單元( 分別和兩組運動執行機構( 通過通訊電纜連接，將兩組運動執行機構( 分別與焊槍(5)以及被焊工件(6)相連；步驟四將非接觸式紅外測溫傳感器(7)的位置參數和每個非接觸式紅外測溫傳感器 (7)對應固定點的溫度信號傳送給上層控制單元(1)，得出被焊工件(6)表面的溫度場分布和溫度梯度，通過對兩組紅外測溫傳感單元的溫度信號進行分析來確定當前焊槍(5)的偏移量，向運動控制單元( 發送運動控制指令調整焊槍( 位置，并通過對每組紅外測溫傳感單元中不同位置上的非接觸式紅外測溫傳感器(7)給出的溫度信號進行分析來確定熔池狀態，向運動控制單元( 發送運動控制指令調整焊接速度或電弧高度。
全文摘要
本發明涉及用于焊接過程的在線監測和質量控制的方法和系統，具體提供一種基于溫度梯度傳感的焊接溫度場檢測裝置與質量控制方法，屬于焊接質量控制技術領域。包括紅外測溫傳感單元、上層控制單元、運動控制單元以及運動執行機構。本發明通過與焊縫方向垂直并呈直線分布的非接觸式紅外測溫傳感器實時測量相對焊槍固定點的溫度，傳送給上層控制單元進行處理分析得出焊接溫度場并通過運動控制單元對焊槍的運動或焊接速度進行控制。本發明具有通用性好、獨立性高、響應速度快等優點，能夠對焊接溫度場和焊接質量進行實時檢測和控制，適應多種焊接工藝和焊縫類型。
文檔編號G05B19/19GK102513746SQ20111040984
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月9日 優先權日2011年12月9日
發明者于洋, 盧振洋, 蔣凡, 陳樹君 申請人:北京工業大學