CN101927414A - 焊接控制系统 - Google Patents

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CN101927414A CN2010102203055A CN201010220305A CN101927414A CN 101927414 A CN101927414 A CN 101927414A CN 2010102203055 A CN2010102203055 A CN 2010102203055A CN 201010220305 A CN201010220305 A CN 201010220305A CN 101927414 A CN101927414 A CN 101927414A
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S·麦蒂
U·D·拉波尔
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Abstract

本申请涉及一种焊接控制系统。在一个实施例中，一种系统(100)包括焊接控制器(118)，该焊接控制器(118)配置成用以从指向熔敷区(107)的多个观察点接收图像。该焊接控制器(118)还配置成用以根据对这些图像的差别分析控制影响熔敷的参数。

Description

焊接控制系统
技术领域
本文中所公开的标的物涉及一种焊接控制系统，且更具体而言，涉及一种用于根据立体焊珠可视化(stereoscopic bead visualization)来调整焊接参数的系统。
背景技术
在自动焊接操作期间，可能会由于不正确的焊机设置而形成缺陷。例如，对于特定的焊接操作，可能没有正确配置焊机的输出功率、材料向焊接区中的馈送速率及/或焊机相对于工件的速度。这些不正确的设置可造成不令人满意的焊珠。例如，焊珠可能会不具有正确的高度、宽度及/或在工件中的穿透深度。此外，焊机可能会耗损焊接区周围的工件材料-此种情况被称为咬边(undercut)。这些缺陷可降低焊接品质，从而导致接缝较弱。此外，可执行额外的费时且成本昂贵的修整工序来纠正缺陷。因此，可能期望监测焊珠熔敷并自动调整焊机参数，以补偿所检测到的缺陷。
发明内容
在下文中，对与最初所主张的本发明的范围内相对应的某些实施例进行概述。这些实施例并非用以限制所主张的本发明的范围，相反，这些实施例仅旨在提供对本发明的可能形式的简要概述。实际上，本发明可囊括可能与下文中所提出的实施例类似或不同的各种形式。
在第一实施例中，一种系统包括焊机，该焊机配置成用以在工件上熔敷焊珠。该系统还包括多个照相机，多个照相机指向焊珠并配置成用以各自产生图像。此外，该系统包括控制器，该控制器配置成用以从这些图像产生焊珠的立体图像并根据立体图像调整焊珠熔敷的参数。
在第二实施例中，一种系统包括焊接控制器，该焊接控制器配置成用以从指向熔敷区的多个观察点接收图像。该焊接控制器还配置成用以根据对这些图像的差别分析，控制影响熔敷的参数。
在第三实施例中，一种系统包括多个照相机，多个照相机指向工件并配置成用以产生工件上的焊接区的相应图像。该系统还包括控制器，该控制器配置成用以根据这些图像而产生焊接区的三维图像。该控制器还配置成用以根据三维图像，调整影响焊接区内焊珠的形成的参数。
附图说明
在参照附图阅读下文中的详细说明后，将能更好地理解本发明的这些及其它特征、方面及优点，在全部图式中，相同的符号代表相同的部件，在图式中：
图1为根据本技术某些实施例的具有立体视觉系统的自动焊接系统的方块图，立体视觉系统配置成用以根据焊珠可视化来调整焊接参数；
图2为根据本技术某些实施例的图1所示自动焊接系统的方块图，在该自动焊接系统中，焊接激光器及光源的输出通过物镜而指向焊接区；
图3为根据本技术某些实施例的两个照相机的示意图，这两个照相机指向焊接区并配置成用以确定焊珠高度；
图4为根据本技术某些实施例的图2所示自动焊接系统的方块图，该自动焊接系统包括指向焊接区的相反侧的额外照相机及光源；
图5为根据本技术某些实施例的用于根据焊接区的立体图像来操作自动焊机的方法的流程图；
图6为根据本技术某些实施例的用于检测焊接缺陷及/或焊珠特性的方法的流程图；以及
图7为根据本技术某些实施例的用于调整影响焊珠熔敷的参数的方法的流程图。
元件符号列表：
100：自动焊接系统        102：工件
104：焊机                106：焊珠
107：焊接区              108：第一照相机
110：第二照相机          112：光源
114：第一定位机构        116：第二定位机构
118：控制器              120：焊接激光器
122：二向色镜            123：二向色镜的反射表面
124：第二反射镜          125：第二反射镜的反射表面
126：物镜                127：第一照相机与工件之间的角度
128：第一照相机镜头      129：第二照相机与工件之间的角度
130：第二照相机镜头      131：第一照相机与焊珠之间的距离
132：第一照相机的光敏元件
133：第二照相机与焊珠之间的距离
134：第二照相机的光敏元件
135：从焊珠高度处的点发射的光线
136：工件中的咬边        137：从焊珠基部处的点发射的光线
138：照相机              140：照相机
142：光源                143：方法流程图
144：从多个照相机捕获焊接区的图像
146：产生立体/三维/差别图像
148：检测焊接缺陷及/或焊珠特性
150：调整影响焊珠熔敷的参数
152：确定焊珠高度
154：确定焊珠宽度
156：检测工件中的咬边
158：确定焊珠温度
160：确定焊珠成分
162：确定焊珠穿透深度
164：调整焊机输出功率
166：调整焊机相对于工件的速度
168：调整材料向焊接区中的馈送速率
具体实施方式
在下文中，将对本发明的一个或多个特定实施例进行说明。为提供对这些实施例的简明说明，在说明书中可能不会对实际实现方式的所有特征进行说明。应了解，在任何这种实际实现方式的开发中，如在任何工程或设计项目中一样，必须做出大量针对具体实现方式的决定以实现开发者的具体目的，例如符合与系统相关的及与商业相关的限制条件，而这可随实现方式的不同而不同。此外，应了解，这种开发努力可能是复杂且费时的，但是对于受益于本发明的一般技术人员，却是进行设计、制作及制造的例行程序。
当介绍本发明各实施例的元件时，冠词“一(a或an)”、“该(the或said)”旨在表示存在这些元件中的一者或多者。用语“包括(comprising)”、“包含(including)”及“具有(having)”旨在为包括性的且表示除所列元件外可能还存在额外的元件。
本公开内容的实施例可通过立体地观察焊接区以及根据所检测到的缺陷及/或焊珠特性调整焊接参数，来增强与自动焊接系统相关的焊接品质。具体而言，自动焊接系统可包括配置成用以将焊珠熔敷到工件上的焊机。在某些实施例中，光源可配置成用以照射焊接区。多个照相机可指向焊珠并配置成用以输出焊珠形成的图像。照相机可以通信方式耦合至控制器，控制器配置成用以从输出图像产生焊珠的立体图像或三维图像。或者，控制器可配置成用以对输出图像执行差别分析，以计算焊珠的各种几何特性。例如，控制器可配置成用以计算焊珠的高度及/或宽度。此外，控制器可配置成用以检测与焊接区邻近的工件材料中的咬边。在某些实施例中，第二组多个照相机可定位在工件的相反侧上，与焊机相对。这些照相机也可指向焊珠并配置成用以输出图像至控制器。控制器可立体地分析这些图像，以计算焊珠在工件中的穿透深度。在其它实施例中，控制器可执行对图像的光谱分析，以确定焊珠的温度及/或成分。根据几何数据及光谱数据，控制器可调整焊珠熔敷参数，以增强焊机性能及/或补偿所检测到的缺陷。例如，控制器可调整焊机输出功率、焊机相对于工件的速度及/或材料向焊接区中的馈送速率。换句话说，控制器可根据立体图像建立反馈回路，以增强对自动焊接系统的控制。
图1为具有立体视觉系统的自动焊接系统100的方块图，其配置成用以根据焊珠可视化来调整焊接参数。具体而言，自动焊接系统100包括工件102及焊机104。焊机104可配置成用以将焊珠106熔敷到工件102上。工件102可包含相邻放置的两件或更多件材料(例如金属、塑料等)。在某些实施例中，焊机104在同时将填充材料熔敷到焊接区107中的时候加热工件材料。热量与所熔敷的填充材料的结合可形成焊珠106，并引起工件的构成元件的熔合，从而形成焊接接缝。
任何适当的焊机104均可包含于自动焊接系统100内。例如，焊机104可为电子束焊机，在电子束焊机中，高速率电子冲击工件。来自电子冲击的动能可产生足够的热量以使焊接区107内的材料熔化，从而将工件102的元件熔合在一起。或者，焊机104可为摩擦搅动焊机(friction stir welder)，摩擦搅动焊机包括与工件的两个对接板邻近放置的旋转件(rotating bit)。因旋转件贴靠工件102摩擦而产生的热量可使每一个板的材料软化，同时旋转运动将软化的材料混合在一起，从而形成熔合接缝。焊机104也可为超声波焊机，在超声波焊机中，超声波能量引起工件102中的材料软化并与周围材料混合而形成熔合接缝。在其它实施例中，焊机104可为弧焊机，例如钨极惰性气体保护(tungsten inert gas；TIG)焊机、金属焊条惰性气体保护(metal inert gas；MIG)焊机、屏蔽金属弧焊机(shielded metal arc welder；SMAW)、或焊剂芯弧焊机(flux-cored arc welder；FCAW)以及其它弧焊机。每一类型的弧焊机均采用与工件102之间形成电弧的电极。来自电弧的热量可使焊接区107内的工件材料熔化，同时额外填充材料(例如钢、铝、钛等)被熔敷，从而形成焊珠106。焊机104也可为气焊机，气焊机在存在氧化剂(例如液体氧气或空气)的情况下燃烧燃料(例如乙炔、丁烷、丙烷等)来产生足够热量，以使焊接区107内的材料熔化并形成熔合接缝。在某些实施例中，焊机104可为原子氢焊机，在原子氢焊机中，分子氢被两个电极之间的电弧分离成原子氢。由于氢重组，因而可释放足够的热量以使工件材料熔化。在自动焊接系统100中可采用的另一类型的焊机104是等离子焊机。等离子焊机通过电弧加热工作气体，且然后以高的速度(例如接近声音的速度)排出该气体。一旦接触，热的气体便可使工件102的材料熔化，从而形成熔合接缝。在自动焊接系统100中可采用的另一焊机104配置是焊接激光器。如下所详细论述的那样，从焊接激光器发出的辐射可被集中(focus)到工件102上，从而使构成材料熔化并形成焊珠106。在某些实施例中，焊接激光器可与另一焊机配置(例如等离子、TIG或MIG)相结合而形成激光混合焊机。这种结合可提高例如焊接穿透深度及/或焊接速度。
自动焊接系统100还包括至少第一照相机108及第二照相机110。两个照相机108及110均指向工件102上的焊珠106。如下所详细论述的那样，可将这些照相机108及110的位置配置成获得焊接区107的三维图像或立体图像。可通过结合从不同视角取得的两个二维图像来形成立体图像。具体而言，可将各二维图像内的参考点的位置相比较，以计算各参考点相对于照相机108及110的深度。这样，可形成立体图像，立体图像包括各参考点的三维位置。尽管在所例示的实施例中，照相机108及110是位于焊珠106的相对侧上，但是应了解，在替代实施例中，照相机108及110也可位于相同侧上。此外，尽管在本实施例中采用两个照相机108及110，但是替代实施例也可包括更多个照相机(例如3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个或更多个照相机)，以观察焊接区107的不同视角。另外，照相机108及110可为配置成用以提供工件102的单独图像的静止照相机或能够每秒捕捉多个图像的摄影机。例如，照相机108及110可采用电荷耦合器件(charge coupled device；CCD)或互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor；CMOS)，以捕捉图像并输出指示这些图像的数字信号。
在某些配置中，可提供至少一个光源112以照射焊接区107。光源112可为例如白炽灯或荧光灯、一个或多个发光二极管(lightemitting diode；LED)、或激光器(例如二极管激光器)。在某些配置中，将光源112定位成与焊机104邻近，使得光源112实质垂直于焊珠106。这种配置可向每一照相机108及110提供有效照明，以获得焊珠106的得到正确照射的图像。替代实施例可包括多个光源112，这多个光源112定位在与工件102邻近的各个位置处并指向焊珠106。例如，在某些实施例中，光源112可设置在每一照相机108及110上并指向焊接区107。
工件102可耦合至第一定位机构114，第一定位机构114配置成用以相对于焊机104移动(例如平移、旋转或两者)工件102。类似地，焊机104连同照相机108及110以及光源112可耦合至第二定位机构116，第二定位机构116配置成用以相对于工件102移动(例如平移、旋转或两者)焊机104。此配置可使焊机104能够沿工件102的表面熔敷焊珠106。如下所详细论述的那样，工件102相对于焊机104的速度可影响焊珠106的特性。
焊机104、照相机108及110、光源112、以及定位机构114及116可以通信形式耦合至控制器118。具体而言，控制器118可配置成用以从照相机108及110接收图像，并根据这些图像调整焊机104及/或定位机构114及116的参数。例如，控制器118可配置成用以使来自照相机108及110的图像相结合，以形成焊接区107的立体图像或三维图像。另外，控制器118可配置成用以对来自照相机108及110的图像执行差别分析，以计算焊珠106的几何特性。此立体图像、三维图像或差别图像可使控制器118能够检测焊接缺陷，例如咬边、不正确的焊珠高度、不正确的焊珠宽度及/或不正确的穿透深度。另外，控制器118可配置成用以提供对来自照相机108及110的图像的光谱分析，以确定焊珠106的温度及/或焊珠成分。然后，控制器118可调整焊机104及/或定位机构114及116的参数，以补偿所检测到的缺陷或焊珠特性。例如，控制器118可调整焊机功率输出及/或材料向焊珠106中的馈送速率。另外，控制器118可通过定位机构114及/或116控制焊机相对于工件102移动的速率。调整焊机参数以补偿所检测到的焊珠缺陷或特性可增强焊珠形成、提供更牢固的焊接接缝、并实质减少或消除费时且成本昂贵的修整工序。
在替代实施例中，系统100可配置成用以在工件102上熔敷涂层。例如，系统100可包括氧燃料火焰涂覆装置(oxygen fuel flame coating device)及/或等离子涂覆装置。与焊珠熔敷类似，涂覆装置可将一层材料涂覆于工件102上。然后，照相机108及110可观察对该层的熔敷，同时控制器118根据例如所检测到的涂层厚度及/或成分来调整熔敷参数。类似地，控制器118可配置成用以检测涂层中的空隙、间隙或瑕疵。此配置可通过调整熔敷参数以补偿所检测到的涂层缺陷及/或特性来增强熔敷品质。
图2为图1所示的自动焊接系统100的方块图，在自动焊接系统100中，焊接激光器及光源的输出通过物镜指向焊接区107。所例示的实施例包括焊接激光器120、二向色镜122、第二反射镜124及物镜126。焊接激光器120可包括配置成用以将热量施加到工件102上的各种类型的激光器，从而焊接各构成元件。例如，焊接激光器120可包括固体激光器或气体激光器。固体激光器包括例如掺有钕的钇铝石榴石(Nd:YAG)或掺有钕的玻璃(Nd:glass)等增益介质(gain medium)，增益介质被光泵激(optically pumped)以引起例如通过闪光灯或激光二极管的激光辐射的发射。气体激光器包括例如二氧化碳、氢、氮、及/或氦等密封的气体介质，密封的气体介质被电泵激以引起激光辐射的发射。在某些实施例中，焊接激光器120配置成用以在红外波谱(例如大约700nm至100微米之间的波长)中发射激光辐射。这种波长可非常适合于激光焊接，这是因为这些波长可向工件102提供足够热量以使构成元件熔化并有利于正确的熔合。焊接激光器120可配置成用以发射连续束或脉冲束。如所了解的那样，可通过改变脉冲宽度及/或脉冲频率来调整脉冲激光器的输出功率。
如所例示的那样，激光辐射指向二向色镜122，而来自光源112的光以近似垂直于激光辐射方向的角度指向二向色镜122。二向色镜122包括反射表面123，反射表面123配置成用以在允许第二频率的光通过的同时反射第一频率的光。例如，二向色镜122可配置成用以在允许红外辐射通过的同时反射可见光。在这种配置中，如果将焊接激光器120配置成发射红外辐射并且将光源112配置成发射可见光，则激光辐射可通过二向色镜122，而可见光则被表面123反射。在此配置中，来自光源112的光与来自焊接激光器120的红外辐射均可沿实质平行的方向离开二向色镜122，照射在第二反射镜124的反射表面125上，并指向物镜126。在替代实施例中，可将焊接激光器120及光源112的位置颠倒，以使来自光源112的光通过二向色镜122而来自焊接激光器120的激光辐射则被表面123反射。
物镜126可配置成用以使激光辐射及可见光均指向工件102的焊接区107。物镜是与所关心的物体(例如工件102)邻近定位的复合透镜系统。如所了解的那样，透镜的折射率可根据折射光的波长而不同。因此，可尤其是将透镜126配置成将来自光源112的可见光与来自焊接激光器120的红外辐射集中到焊珠106上。此配置既可照射焊珠106而使得照相机108及110可观察焊接区107，又可将激光辐射集中到工件102上以提供足够能量来熔化构成材料并引起正确熔合。在某些实施例中，可将物镜126配置成与激光辐射相比在更大面积中集中可见光。
如所了解的那样，焊接过程本身可发出足以照射焊接区107的光。然而，由于此光的强度，照相机108及110可能会无法直接从焊接区107捕获图像。因此，可使照相机108及110指向焊珠106在焊接区107后面的区域(即已形成焊珠106的区域)。在这种布置中，来自焊接区107的光可能会不足以照射焊珠106。因此，可使来自光源112的光指向此区域，以为照相机108及110正确地照射焊珠106。在这种实施例中，物镜126可配置成用以在将光集中到焊珠106的不同区域上的同时，将激光辐射集中到焊接区107上。
如上所述，照相机108及110可指向焊珠106，以监测形成的各种方面。如所例示的那样，可将照相机108与工件102之间的角度127及照相机110与工件102之间的角度129选择成使每一照相机108及110直接地、没有障碍地看到焊珠106。在某些实施例中，角度127与129可实质相同，以使每一照相机108及110均从实质类似的视角观察焊珠106。在替代实施例中，角度127与129可不同，以向照相机108及110提供焊珠106的不同视野。例如，在某些实施例中，照相机108可指向焊珠106的中心，而照相机110则指向焊珠106与工件102之间的交叉点。这种布置可使每一照相机108及110均能够看到焊接区107的不同区域。在某些实施例中，角度127与129可处于近似0°至90°、5°至80°、10°至70°、15°至60°、或大约15°至45°的范围内。
此外，如所例示的那样，照相机108定位于距焊珠106为距离131处，而照相机110则定位于距焊珠106为距离133处。在某些实施例中，这些距离131与133可实质相同。替代实施例可包括不同的距离131与133，使得每一照相机108及110检查焊接区107的不同区域。例如，距离131可小于距离133。在此配置中，照相机108可观察焊珠106的特定区域，而照相机110则捕获整个焊接区107。可通过改变每一照相机108及110的焦距来实现类似的布置。例如，距离131与133可实质类似，但是照相机108可具有更大的焦距，使得照相机108集中在焊珠106的特定区域上。如所了解的那样，照相机108及110可定位于距焊接区107足够距离处，以确保照相机108及110不被暴露于可能会干扰照相机运行的过多热量中。
在某些实施例中，照相机108及110可包括位于照相机镜头与焊接区107之间的滤光器，以降低进入照相机镜头的光的光度及/或限制进入照相机镜头的光的频率。例如，滤光器可包括紫外线(UV)过滤元件，配置成用以使光检测元件(例如CCD或CMOS)避开从焊接区107发射的UV辐射。类似地，滤光器可配置成用以阻挡来自焊接激光器120的红外线(IR)辐射。此外，滤光器可配置成用以降低进入照相机108及110的可见光的光度。例如，在某些实施例中，焊接过程可发射可见光谱中的强烈电磁辐射。这些发射可使照相机108及110内的敏感的光检测元件过载。因此，滤光器可使照相机108及110能够有效地从焊接区107捕获图像。
照相机108及110配置成用以以电子方式捕获图像并传送所捕获的图像至控制器118。控制器118可通过形成立体图像或三维图像或通过对所捕获的图像执行差别分析来分析图像。然后，控制器118可根据分析来确定焊珠高度(h)及/或焊珠宽度(w)。焊珠高度(h)是焊珠106相对于基线位置的高度。例如，如所例示的那样，基线位置是工件102面向照相机108及110的表面。因此，可将焊珠高度(h)定义为焊珠106相对于工件表面的高度。焊珠宽度(w)是焊珠106垂直于焊珠形成方向(例如沿工件102的表面)的宽度。如下所详细论述的那样，各种参数(例如焊机输出、填料馈送速率及/或焊机速度)可影响焊珠高度(h)及/或焊珠宽度(w)。控制器118可配置成用以调整焊机104及/或定位机构114及116的参数，以建立所期望的焊珠高度(h)及/或焊珠宽度(w)。根据立体可视化来提供焊珠高度(h)及/或焊珠宽度(w)的反馈控制可增强焊珠形成，并实质减少或消除修整工序。
尽管在本实施例中例示两个照相机108及110，但是应了解，可采用一个照相机从两个不同的视角捕获图像，以形成立体图像或使控制器118能够执行对这些图像的差别分析。例如，在某些实施例中，两个光缆(fiber optic cable)可延伸至在不同观察点处与焊珠106邻近定位的透镜。这些光缆可耦合至多路复用器(multiplexer)，以向照相机提供来自每一观察点的图像。具体而言，可在空间或时间上对来自每一光缆的图像进行多路复用。例如，如果将照相机配置成在空间上对图像进行多路复用，则每一光缆均可将图像投射到照相机图像传感器件(例如CCD或CMOS)的不同部分上。在此配置中，可使来自一个观察点的图像指向图像传感器件的上部，而使来自另一观察点的图像指向图像传感器件的下部。因此，图像传感器件可以一半的分辨率扫描每一图像。换句话说，扫描分辨率与在空间上多路复用的信号的数量成反比。如所了解的那样，与较高分辨率扫描相比，较低分辨率扫描向控制器118提供的与焊珠106相关的信息较少。因此，在空间上多路复用的信号的数量可受足以使控制器118识别焊接缺陷及/或焊珠特性的最小分辨率限制。或者，由光缆提供的图像可在时间上被多路复用。例如，照相机(例如摄影机)可使用图像传感器件的全部分辨率来交替地从每一观察点扫描图像。利用此技术，可使用图像传感器件的全部分辨率，但是扫描频率可与所扫描的观察点的数量成比例地降低。例如，如果扫描两个观察点并且照相机的帧速率是200帧每秒，则照相机仅能够从每一观察点以100帧每秒扫描图像。因此，在时间上多路复用的信号的数量可受所期望的扫描频率限制。
图3为指向焊接区107并配置成用以确定焊珠高度(h)的两个照相机108及110的示意图。如上所述，控制器118可计算焊珠高度(h)的一种方法是通过对来自每一照相机108及110的图像执行差别分析。如所例示的那样，照相机108包括镜头128，而照相机110则包括镜头130。镜头128定位于距照相机108的光敏元件132为距离(f)处。类似地，镜头130定位于距照相机110的光敏元件134为距离(f)处。如所了解的那样，距离(f)对应于镜头128与130的焦距。尽管在本实施例中，每一照相机108及110的焦距(f)均相同，但是在替代实施例中，照相机108及110的焦距(f)可不同。
每一照相机108及110相隔距离(d)且距工件102为距离R定位。可尤其将这些距离配置成使每一照相机108及110能够从类似的视角查看焊珠106。从焊珠106(例如通过来自光源112的反射光)发射的光分别穿过镜头128与130，并被投射到光敏元件132与134上。例如，从焊珠高度(h)处的点发射的光线135与从焊珠106的基部处的点发射的光线137可穿过每一镜头128与130，并照射在光敏元件132与134上。光线135与光线137在元件132上的投射点之间的距离表示为距离L。类似地，光线135与光线137在元件134上的投射点之间的距离表示为距离R。根据L与R之间的长度差以及焊接系统100的几何配置，可计算焊珠高度(h)。具体而言，可根据以下方程式计算焊珠高度(h)：
h = df R - L
如所了解的那样，在替代实施例中，照相机108及110的位置与方向可有所变化。这些变化可导致焊珠高度(h)与距离L及R之间的关系被修改。然而，应了解，无论特定配置如何，均可根据对来自照相机108及110的图像的差别分析来计算焊珠高度(h)，其中照相机108及110位于邻近并指向焊珠106的不同位置处。根据所测量的焊珠高度(h)，控制器118可调整某些焊机参数，以确保焊珠高度(h)对应于所制定的范围。这样，可实现正确的焊珠形成，从而增强接缝强度并实质减少或消除修整工序。
图4为图2所示的自动焊接系统100的方块图，自动焊接系统100包括指向焊接区107的相反侧的额外照相机及至少一个光源。具体而言，本实施例包括位于工件102的与照相机108实质相对的侧上的照相机138以及位于工件102的与照相机110实质相对的侧上的照相机140。这两个照相机138及140均指向焊珠106的相反侧。另外，本实施例包括光源142，光源142位于工件102的与物镜126实质相对的侧上，并配置成用以投射实质垂直于工件102的光。与光源112类似，光源142可包括任何适当的光产生机构，例如白炽灯泡或荧光灯、一个或多个LED及/或激光器二极管。可将光源142定位成以足够的强度照射焊珠106的相反侧，以使照相机138及140观察焊珠106。
由于照相机138及140位于焊珠106的相反侧上，因而照相机138及140可能会无法观察焊珠高度(h)及焊珠宽度(w)。然而，照相机138及140可配置成用以产生指示穿透深度P的图像。如所了解的那样，焊接的强度可取决于实现焊珠106彻底穿透工件102。因此，将照相机138及140定位在工件102的相反侧上可使控制器118能够根据差别分析或根据焊接区107的立体图像或三维图像的产生来计算穿透深度P。例如，关于计算焊珠高度(h)，控制器118可执行与上述方法类似的计算。具体而言，控制器118可对来自照相机138及140的图像执行差别分析，以计算工件102的面向照相机138及140的表面与焊珠106之间的距离N。然后，可通过从工件102的厚度T中减去距离N来计算穿透深度P。这样，控制器118可调整焊接参数，以确保获得正确的穿透深度P。
另外，图4例示工件102中可被照相机108及110观察到的咬边136。咬边136是指其中工件102与焊接区107邻近的材料被耗损的状况。具体而言，不正确的焊机输出功率及/或焊机104相对于工件102的不正确的速度可造成咬边136，这是因为过多的工件材料熔化并流进焊珠106中。由于咬边136可降低工件102的强度，因而如果存在咬边136状况，则可能会执行成本昂贵且费时的修补操作，从而增加制造成本。因此，根据立体可视化对焊接参数(例如焊机输出功率及/或焊机速度)进行自动控制可实质减少或消除咬边136，从而降低制造成本。
图5为用于根据焊接区107的立体图像来操作自动焊接系统100的方法143的流程图。首先，如方块144所表示，从多个照相机捕获焊接区107的图像。如上所述，此步骤可包括从通过空间多路复用器或时间多路复用器耦合至多个光缆的单一照相机捕获图像。然后，如方块146所表示，产生立体图像、三维图像或差别图像。例如，控制器118可通过对来自照相机108及110的图像执行差别分析，根据上述计算来计算焊珠高度(h)。或者，控制器118可配置成用以产生焊接区107的立体图像或三维图像，以计算例如焊珠高度(h)、宽度(w)及/或穿透深度P等特性。
接着，如方块148所表示，可检测焊接缺陷及/或焊珠特性。例如，控制器118可包括焊珠高度(h)的所期望范围。控制器118可监测焊珠高度(h)并将所计算的值与所期望的范围相比较。如果所计算的焊珠高度(h)处于所制定的范围之外，则可检测到焊接缺陷。对于焊珠宽度(w)及/或穿透深度P，可将类似范围输入控制器118中。然后，控制器118可将所计算的焊珠宽度(w)及/或穿透深度P与所制定的范围相比较，以检测焊接缺陷。
控制器118还可配置成用以对焊珠106执行光谱分析，以确定温度及成分。具体而言，如所了解的那样，由于构成原子(constituentatoms)内的电子受到激发并放松(relax)至基态，因而每一化学元素发射不同的光谱辐射。某些焊接技术(例如弧焊接、气体焊接、激光混合焊接等)可向焊接区107提供足够的能量，以激发工件102及/或填料的原子内的电子。通过观察焊接区107的光谱辐射，可确定焊珠106的成分。例如，控制器118可对来自照相机108及110的图像执行光谱分析，并产生一系列发射谱线。然后，控制器118可将这些发射谱线与已存储的已知化学元素的发射谱线相比较，从而确定焊接区107内存在哪些元素。例如，在某些实施例中，可向焊珠106添加填充材料，以增强工件102的元件之间的熔合。填充材料可包含与工件不同的化学元素。在这种配置中，控制器118可根据构成焊珠106的原子的光谱分析来检测熔敷于焊珠106内的填料的量。在此配置中，控制器118可确定是否向焊珠106添加适当量的填料。
由于焊接的品质可受在工件102上熔敷焊珠106时的温度影响，因此控制器118可配置成用以根据光谱辐射确定焊接区107的温度。具体而言，通过确定焊接区107内的构成元素并观察处于各种频率的辐射的强度，可计算出焊接区107的温度。然后，控制器118可确定温度是否偏离所制定的范围。
根据对焊接缺陷或焊珠106的特性的检测，可调整影响焊珠熔敷的参数，如方块150所表示。例如，可调整焊机104的输出功率，可调整焊机104相对于工件102移动的速度及/或可调整填充材料的馈送速率。这样，可形成正确的焊珠106，从而提高焊接品质并节省与修整工序相关的时间及费用。
图6为用于检测焊接缺陷及/或焊珠特性的方法148(如图5中的方块148所表示)的流程图。如方块152所表示，确定焊珠高度(h)。如上所述，此步骤可涉及对来自多个照相机的图像执行差别分析。或者，控制器118可从照相机图像产生立体图像或三维图像，以确定焊珠106的几何特性，包括焊珠高度(h)。接着，可确定焊珠宽度(w)，如方块154所表示。与焊珠高度(h)的计算类似，控制器118可根据所产生的立体图像或三维图像或对照相机图像的差别分析来确定焊珠宽度(w)。此外，如方块156所表示，可检测工件102中的咬边136。如上所述，咬边136是其中工件材料在焊接过程期间被耗损的状况。由于可使周围材料的强度降低，因而咬边136可导致不令人满意的焊接接缝。根据咬边136的位置，可由一个照相机或多个照相机观察这种状况。由一个照相机进行的观察可使控制器118能够检测这种状况，而由两个或更多个照相机进行的观察可使控制器118能够根据与焊珠高度(h)的计算类似的咬边深度计算来检测咬边136的程度。
如方块158所表示，可确定焊珠温度。以光学方式确定温度的一个方式是监测来自焊珠106的热金属的各种发射频率的强度。如所了解的那样，焊珠106的前缘可包括金属熔池。此液体金属可代表焊接区107的最高温度区域。因此，焊接池可为光谱分析提供最高强度辐射。如所了解的那样，可根据所检测的光谱辐射来确定温度。在某些实施例中，控制器118可配置成用以确定焊接池及/或焊珠106的平均温度。或者，控制器118可根据对在步骤146中所产生的立体图像或三维图像的光谱分析来计算焊接区107的三维温度分布。
如方块160所表示，可确定焊珠成分。如上所述，此步骤可涉及分析发射光谱以识别焊接区107内的各个元素。在某些焊接操作中，填充材料可包含相对少量的在工件102中没有发现的某些元素。例如，如果工件102是由铝构成，则可使用实质铝填料来增强焊接接缝。然而，填充材料可包含少量(例如小于5％、4％、3％、2％、1％、0.05％、或0.01％)的硅、铁、铜、锰、镁、铬、锌、钛、或铍以及其它元素。因此，可将控制器118配置成检测这些元素的量，以确定存在于焊珠106中的填料的量。例如，某些铝填料可包含近似0.1％铜。可将存在于填料中的铜的量输入控制器118中。然后，控制器118可执行对来自焊接区107的图像的光谱分析，以确定存在于焊珠106中的铜的比例。根据所期望的填充材料的量，控制器118可确定焊珠106中的铜的比例是否与所期望的量一致。如所了解的那样，对于铝或其它工件材料，控制器118可配置成用以检测焊珠106中的其它元素的比例。此外，控制器118可配置成用以根据对在步骤146中产生的立体图像或三维图像的光谱分析来计算焊接区107的三维成分分布。
最后，如方块162所表示，可确定焊珠穿透深度P。如上所述，可根据差别图像分析或从位于工件102的与焊机104相反的侧上的照相机138及140产生的立体图像或三维图像来计算穿透深度P。确保正确的穿透深度P可增强焊接连接的强度。
图7为用于调整影响焊珠熔敷的参数的方法150(如图5中的方块150所表示)的流程图。首先，如方块164所表示，可调整焊机104的输出功率。输出功率可与施加至焊接区107的热量成正比。例如，对于弧焊机，输出功率可影响用于熔合工件102的元件的弧的温度。类似地，可调整焊接激光器输出功率以改变光束强度。例如，如上所述，可通过改变脉冲式焊接激光器的频率及/或脉冲宽度来修改激光器输出功率。过大的焊机输出功率可造成咬边136。具体而言，过大的功率可造成工件材料的额外熔化，从而形成与焊珠106邻近的空隙。降低输出功率可实质减少或消除咬边136状况。因此，可将控制器118配置成如果检测到咬边136，则降低焊机功率。类似地，如果控制器118确定焊接池或焊珠106的温度处于所期望的范围之外，则控制器118可调整输出功率以进行补偿。
如方块166所表示，可调整焊机104相对于工件102的速度。具体而言，焊珠高度(h)、焊珠宽度(w)及穿透深度P可与焊机速度成反比。例如，随着焊机速度增大，焊珠高度(h)、焊珠宽度(w)及/或穿透深度P可减小。因此，可将控制器118配置成调整定位机构114及/或116的移动速率，以建立能使焊珠高度(h)、焊珠宽度(w)及/或穿透深度P处于所期望范围内的焊机速度。
最后，如方块168所表示，可调整填充材料向焊接区107中的馈送速率。例如，如果控制器118确定焊珠高度(h)小于所制定的范围，则控制器118可增大填充材料向焊接区107中的馈送速率。相反，如果控制器118确定焊珠宽度(w)大于所制定的范围，则控制器118可减小填充材料向焊接区107中的馈送速率。换句话说，焊珠高度(h)与焊珠宽度(w)均可与材料的馈送速率成比例。因此，控制器118可调整馈送速率，以补偿这些所检测的状况。类似地，填充材料的馈送速率可影响穿透深度P。例如，不足的馈送速率可造成不完全的接缝穿透。因此，可将控制器118配置成如果穿透深度P小于所期望的量，则增大馈送速率。另外，如上所述，可将控制器118配置成根据焊珠成分的光谱分析来监测焊珠106中的填充材料的量。在某些实施例中，可将所期望的填充材料量输入控制器118中。然后，控制器118可调整填料馈送速率，以在焊珠106中提供所期望的填充材料量。通过根据焊接区107的立体可视化来调整焊机功率输出、焊机速度及/或填料馈送速率，控制器118可提供增强的焊珠形成，从而提高接缝强度并实质减少或消除修整工序。
本书面说明使用实例来公开本发明，包括本发明的最佳模式，并也使任何所属领域的技术人员能够实践本发明，包括制作及使用任何装置或系统以及执行任何所包含的方法。本发明的可取得专利权的范围由权利要求界定，并且可包括所属领域的技术人员可想到的其它实例。如果这些其它实例具有与权利要求的书面语言并无不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的书面语言具有非实质性差别的等效结构元件，则它们也旨在处于权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种系统(100)，包括：
焊机(104)，配置成用以在工件(102)上熔敷焊珠(106)；
多个照相机(108，110)，指向所述焊珠(106)并配置成用以产生相应的多个图像；以及
控制器(118)，配置成用以从所述多个图像产生所述焊珠(106)的立体图像，并根据所述立体图像调整焊珠熔敷的参数。
2.如权利要求1所述的系统(100)，其特征在于包括指向所述焊珠(106)的光源(112)。
3.如权利要求1所述的系统(100)，其特征在于，所述焊机(104)包括焊接激光器(120)。
4.如权利要求3所述的系统(100)，其特征在于包括物镜(126)，所述物镜配置成用以将来自所述焊接激光器(120)的激光辐射与来自光源(112)的光集中至所述焊珠(106)上。
5.如权利要求1所述的系统(100)，其特征在于，所述焊机(104)包括电子束焊机、摩擦搅动焊机、超声波焊机、弧焊机、气焊机、激光混合焊机、原子氢焊机、金属焊条惰性气体保护焊机、钨极惰性气体保护焊机、等离子焊机、或其组合。
6.如权利要求1所述的系统(100)，其特征在于，所述控制器(118)配置成用以根据所述立体图像计算所述焊珠(106)的高度、所述焊珠(106)的宽度、或其组合。
7.如权利要求1所述的系统(100)，其特征在于，所述控制器(118)配置成用以根据所述立体图像检测所述工件(102)中的咬边(136)。
8.如权利要求1所述的系统(100)，其特征在于，所述焊珠熔敷的参数包括所述焊机(104)的输出功率。
9.如权利要求1所述的系统(100)，其特征在于，所述焊珠熔敷的参数包括填充材料向所述焊珠(106)中的馈送速率。
10.如权利要求1所述的系统(100)，其特征在于，所述焊珠熔敷的参数包括所述焊机(104)相对于所述工件(102)的速度。
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