CN101885102A - 应用于铝合金tig焊反面熔池检测的背面摄像机与焊枪随动的控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

应用于铝合金TIG焊反面熔池检测的背面摄像机与焊枪随动的控制装置及方法，涉及一种同步控制装置和方法。解决了焊接大尺寸工件时，背面CCD摄像机与焊枪通过机械装置连接在一起协调运动困难的问题，所述控制装置的丝杠和电机连接并设置在工作台下方，照明灯和CCD摄像机固定在丝杠上，CCD摄像机、图像采集卡、工控一体机依次相连，工控一体机与电机相连，所述控制装置与正面焊枪无机械连接。所述控制方法，过程如下：对焊枪在CCD摄像机的取像区域内进行位置标定；根据熔池偏离标定位置的偏移量大小，得到需要改变的CCD摄像机的运动速度，进而对CCD摄像机的运动速度进行反馈控制，保证背面CCD摄像机与焊枪一起平稳的运动。本发明可以获取清晰的反面熔池图像。

Description

应用于铝合金TIG焊反面熔池检测的背面摄像机与焊枪随动的控制装置及方法

技术领域

本发明涉及一种同步控制的装置和方法。

背景技术

TIG焊为惰性气体钨极保护焊，它是在惰性气体的保护下，利用钨电极与工件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝（如果使用填充焊丝）的一种焊接方法。焊接时保护气体从焊枪的喷嘴中连续喷出，在电弧周围形成气体保护层隔绝空气，以防止其对钨极、熔池及邻近热影响区的有害影响，从而可获得优质的焊缝。保护气体可采用氩气、氦气或氩氦混合气体。在特殊应用场合，可添加小量的氢。

在铝合金TIG焊自动化焊接过程中，图像检测技术是其中关键的一个环节。在工件背面空间允许的条件下，焊接过程中反面熔池的检测将会对提高焊接质量有很大的帮助。当焊枪在焊接过程中不移动时，利用CCD摄像机获取的反面熔池图像十分清晰，焊缝与边缘母材的界限非常明显。但是焊枪在实际焊接过程中往往是需要移动的，那么CCD摄像机如何能保证和焊枪一起运动就是一个相当重要的问题，很多时候人们想利用一定的机械装置把CCD摄像机和焊枪连在一起，但是在实际的焊接过程中，焊接工件比较宽大，工作空间限制了机械装置的使用，如何在空间受限的情况下保证CCD摄像机与焊枪一起运动就是一个亟待解决的难题。

发明内容

本发明为了解决焊接大尺寸的工件时，背面CCD摄像机与焊枪通过机械装置连接在一起协调运动困难的问题，提出一种应用于铝合金TIG焊反面熔池检测的背面摄像机与焊枪随动的控制装置及方法。

应用于铝合金TIG焊反面熔池检测的背面摄像机与焊枪随动的控制装置，它由照明灯、CCD摄像机、图像采集卡、工控一体机、丝杠和电机组成，所述丝杠和电机设置在工作台的下方，丝杠的轴线设置方向与焊缝方向一致，丝杠的一端与电机的动力输出端固定连接在一起，照明灯和CCD摄像机固定在移动座上，所述移动座套在丝杠上，且与所述丝杠螺纹连接，CCD摄像机用于采集焊缝区域的图像，照明灯用于为CCD摄像机提供辅助照明，CCD摄像机的图像信号输出端与图像采集卡的图像信号输入端相连，图像采集卡的信号输出端与工控一体机的信号输入端相连，工控一体机的驱动信号输出端与电机的驱动信号输入端相连。

基于应用于铝合金TIG焊反面熔池检测的背面摄像机与焊枪随动的控制装置的控制方法，在TIG焊接过程中具体如下：

步骤A、CCD摄像机拍摄铝合金TIG焊反面熔池的图像，并将所述图像信息通过图像采集卡发送给工控一体机；

步骤B、工控一体机根据灰度突变判断熔池前端位置，如果熔池前端位置偏离CCD摄像机获取的图像的取像区域a，则执行步骤C；否则，则返回执行步骤A；所述取像区域a为钨极氩弧焊焊枪未运动时标定于CCD摄像机图像上的位置；

步骤C、工控一体机根据本幅图像中熔池前端位置与步骤B所述的取像区域a位置的相对变化量，获得照明灯和CCD摄像机的运动速度V’；

步骤D、工控一体机根据步骤C获得的需要改变的照明灯和CCD摄像机的运动速度V’转化为电机的控制信息发送给电机；

步骤E、电机控制丝杠旋转，照明灯和CCD摄像机按照变化后的运动速度V’运动，返回执行步骤A，直到焊接过程结束。

本发明无需把钨极氩弧焊焊枪与CCD摄像机通过机械装置连接在一起，只利用熔池在图像中的位置来驱动CCD摄像机运动，在CCD摄像机与钨极氩弧焊焊枪没有丝毫机械运动关系的情况下，同样可以保证钨极氩弧焊焊枪移动过程中，照明灯和CCD摄像机也能平稳地跟着运动，获取清晰的反面熔池图像。

附图说明

图1为应用于铝合金TIG焊反面熔池检测的背面摄像机与焊枪随动的控制装置的结构示意图。图2为基于应用于铝合金TIG焊反面熔池检测的背面摄像机与焊枪随动的控制装置的控制方法的流程图。图3为拍摄的背面熔池图片。图4为取像区域a的示意图。图5为取像区域a的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，应用于铝合金TIG焊反面熔池检测的背面摄像机与焊枪随动的控制装置，它由照明灯2、CCD摄像机3、图像采集卡5、工控一体机6、丝杠7和电机8组成，所述丝杠7和电机8设置在工作台4的下方，丝杠7的轴线设置方向与焊缝方向一致，丝杠7的一端与电机8的动力输出端固定连接在一起，照明灯2和CCD摄像机3固定在移动座上，所述移动座套在丝杠7上，且与所述丝杠7螺纹连接，CCD摄像机3用于采集焊缝区域的图像，照明灯2用于为CCD摄像机3提供辅助照明，CCD摄像机3的图像信号输出端与图像采集卡5的图像信号输入端相连，图像采集卡5的信号输出端与工控一体机6的信号输入端相连，工控一体机6的驱动信号输出端与电机8的驱动信号输入端相连。

具体实施方式二、结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不用之处在于工控一体机6为台式计算机或笔记本计算机。

具体实施方式三、结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不用之处在于工控一体机6为EWS-844一体化工作站。

具体实施方式四、结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不用之处在于CCD摄像机3为黑白CCD摄像机。

具体实施方式五、结合图2和图4说明本实施方式，基于应用于铝合金TIG焊反面熔池检测的背面摄像机与焊枪随动的控制装置的控制方法，在TIG焊接过程中具体如下：

步骤A、CCD摄像机3拍摄铝合金TIG焊反面熔池的图像，并将所述图像信息通过图像采集卡5发送给工控一体机6；

步骤B、工控一体机6根据灰度突变判断熔池前端位置，如果熔池前端位置偏离CCD摄像机3获取的图像的取像区域a，则执行步骤C；否则，则返回执行步骤A；所述取像区域a为钨极氩弧焊焊枪1未运动时标定于CCD摄像机3图像上的位置；

步骤C、工控一体机6根据本幅图像中熔池前端位置与步骤B所述的取像区域a位置的相对变化量，获得照明灯2和CCD摄像机3的运动速度V’；

步骤D、工控一体机6根据步骤C获得的需要改变的照明灯2和CCD摄像机3的运动速度V’转化为电机8的控制信息发送给电机8；

步骤E、电机8控制丝杠7旋转，照明灯2和CCD摄像机3按照变化后的运动速度V’运动，返回执行步骤A，直到焊接过程结束。

步骤B中，返回执行步骤A的工作过程即为：电机8的转速不变，照明灯2和CCD摄像机3按照原有的运动速度运动，等待CCD摄像机3拍摄下一幅图像。

在焊接前，调整CCD摄像机3的位置，使其采集到焊缝起始位置的图像。

具体实施方式六、本实施方式是对具体实施方式五中步骤C的进一步说明，步骤C中工控一体机6根据本幅图像中熔池前端位置与步骤B所述的取像区域a位置的相对变化量，获得照明灯2和CCD摄像机3的运动速度V’，具体为：

步骤C1、测量本幅图像中熔池前端位置与步骤B所述的取像区域a位置的相对变化量ΔS；

步骤C2、根据下式求得CCD摄像机3与钨极氩弧焊焊枪1的相对运动速度：ΔV=ΔS/t；

其中ΔS为本幅图像中熔池前端位置与步骤B所述的取像区域a位置的相对变化量，t为CCD摄像机3取像间隔时间；

步骤C3、如果本幅图像中熔池前端位置与CCD摄像机3取像区域a相比超前，则钨极氩弧焊焊枪1运动速度小于照明灯2和CCD摄像机3的同步运动速度，则为减速，改变后的运动速度为V’=V－|ΔV|；

如果本幅图像中熔池前端位置与CCD摄像机3取像区域a相比滞后，则钨极氩弧焊焊枪1运动速度大于照明灯2和CCD摄像机3的同步运动速度，则为加速，改变后的运动速度为V’=V+|ΔV|；

其中，V为照明灯(2)和CCD摄像机(3)当前的于东速度。

如果钨极氩弧焊焊枪1运动速度大于照明灯2和CCD摄像机3的同步运动速度，则在CCD摄像机3获取的图像中熔池就会向着于CCD摄像机3取像区域a的前方移动，工控一体机6根据熔池在CCD摄像机3获取的图像上偏离取像区域a偏移量大小，获得钨极氩弧焊焊枪1与CCD摄像机3的相对运动速度，进而获得需要改变的照明灯2和CCD摄像机3的同步运动速度；

如果钨极氩弧焊焊枪1运动速度小于照明灯2和CCD摄像机3的同步运动速度，则在CCD摄像机3获取的图像中熔池就会向着于CCD摄像机3取像区域a的后方移动，工控一体机6根据熔池在CCD摄像机3获取的图像上偏离取像区域a偏移量大小，获得钨极氩弧焊焊枪1与CCD摄像机3的相对运动速度，进而获得需要改变的照明灯2和CCD摄像机3的同步运动速度。

具体实施方式七、本实施方式是对具体实施方式五中步骤D的进一步说明，步骤D中转速信息为电机转速，其中：

电机8的转速n=V’/d，d为丝杠7的螺纹间距。

具体实施方式八、结合图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式五步骤B的进一步说明，步骤B中取像区域a为位于CCD摄像机3拍摄图像中心的1/9区域，即取像区域a的长为CCD摄像机3拍摄图像长的1/3，取像区域a的宽为CCD摄像机3拍摄图像宽的1/3。

具体实施方式九、结合图5说明本实施方式，步骤B中取像区域a为位于CCD摄像机3拍摄图像中心的一条直线，所述直线垂直于CCD摄像机3拍摄图像焊缝所在直线。

Claims (7)

1.应用于铝合金TIG焊反面熔池检测的背面摄像机与焊枪随动的控制装置，其特征在于它由照明灯(2)、CCD摄像机(3)、图像采集卡(5)、工控一体机(6)、丝杠(7)和电机(8)组成，所述丝杠(7)和电机(8)设置在工作台(4)的下方，丝杠(7)的轴线设置方向与焊缝方向一致，丝杠(7)的一端与电机(8)的动力输出端固定连接在一起，照明灯(2)和CCD摄像机(3)固定在移动座上，所述移动座套在丝杠(7)上，且与所述丝杠(7)螺纹连接，CCD摄像机(3)用于采集焊缝区域的图像，照明灯(2)用于为CCD摄像机(3)提供辅助照明，CCD摄像机(3)的图像信号输出端与图像采集卡(5)的图像信号输入端相连，图像采集卡(5)的信号输出端与工控一体机(6)的信号输入端相连，工控一体机(6)的驱动信号输出端与电机(8)的驱动信号输入端相连。

2.根据权利要求1所述的应用于铝合金TIG焊反面熔池检测的背面摄像机与焊枪随动的控制装置，其特征在于工控一体机(6)为EWS-844一体化工作站。

3.根据权利要求1或2所述的应用于铝合金TIG焊反面熔池检测的背面摄像机与焊枪随动的控制装置，其特征在于CCD摄像机(3)为黑白CCD摄像机。

4. 基于权利要求1所述的应用于铝合金TIG焊反面熔池检测的背面摄像机与焊枪随动的控制装置的控制方法，其特征在于在TIG焊接过程中具体如下：

步骤A、CCD摄像机(3)拍摄铝合金TIG焊反面熔池的图像，并将所述图像信息通过图像采集卡(5)发送给工控一体机(6)；

步骤B、工控一体机(6)根据灰度突变判断熔池前端位置，如果熔池前端位置偏离CCD摄像机(3)获取的图像的取像区域(a)，则执行步骤C；否则，则返回执行步骤A；所述取像区域(a)为钨极氩弧焊焊枪(1)未运动时标定于CCD摄像机(3)图像上的位置；

步骤C、工控一体机(6)根据本幅图像中熔池前端位置与步骤B所述的取像区域(a)位置的相对变化量，获得照明灯(2)和CCD摄像机(3)的运动速度V’；

步骤D、工控一体机(6)根据步骤C获得的需要改变的照明灯(2)和CCD摄像机(3)的运动速度V’转化为电机(8)的控制信息发送给电机(8)；

步骤E、电机(8)控制丝杠(7)旋转，照明灯(2)和CCD摄像机(3)按照变化后的运动速度V’运动，返回执行步骤A，直到焊接过程结束。

5. 根据权利要求4所述的基于应用于铝合金TIG焊反面熔池检测的背面摄像机与焊枪随动的控制装置的控制方法，其特征在于步骤B中取像区域(a)为位于CCD摄像机(3)拍摄图像中心的一条直线，所述直线垂直于CCD摄像机(3)拍摄图像焊缝所在直线。

6. 根据权利要求5所述的基于应用于铝合金TIG焊反面熔池检测的背面摄像机与焊枪随动的控制装置的控制方法，其特征在于步骤C工控一体机(6)根据本幅图像中熔池前端位置与步骤B所述的取像区域(a)位置的相对变化量，获得照明灯(2)和CCD摄像机(3)的运动速度V’，具体为：

步骤C1、测量本幅图像中熔池前端位置与取像区域(a)位置的相对变化量ΔS；

步骤C2、根据下式求得CCD摄像机(3)与钨极氩弧焊焊枪(1)的相对运动速度：ΔV=ΔS/t；

其中ΔS为本幅图像中熔池前端位置与取像区域(a)位置的相对变化量，t为CCD摄像机(3)取像间隔时间；

步骤C3、如果本幅图像中熔池前端位置与CCD摄像机(3)取像区域(a)相比超前，则为减速，改变后的运动速度为V’=V－|ΔV|；

如果本幅图像中熔池前端位置与CCD摄像机(3)取像区域(a)相比滞后，则为加速，改变后的运动速度为V’=V+|ΔV|；

其中，V为照明灯(2)和CCD摄像机(3)当前的于东速度。

7. 根据权利要求4或5所述的基于应用于铝合金TIG焊反面熔池检测的背面摄像机与焊枪随动的控制装置的控制方法，其特征在于步骤D中的转速信息为电机转速，其中：

电机(8)的转速n=V’/d，d为丝杠(7)的螺纹间距。 

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