CN102642068B - 电弧焊接监控系统高速相机电流触发控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电弧焊接监控系统高速相机电流触发控制电路，它主要由电源、以及与电源相连的电流传感单元、信号放大单元、低通滤波单元、波形整形变换单元、可变计数单元和控制单元组成；其中电流传感单元穿套在电焊机的电源线上；电流传感单元的输出端依次通过信号放大单元、低通滤波单元和波形整形变换单元与可变计数单元的输入端相连；可变计数单元的控制端连接控制单元；可变计数单元的输出端与数字高速相机的电子快门相连。本发明能够对高速摄像装置中的数字高速相机的拍摄周期进行自适应控制，让数字高速相机仅在短路时段进行拍摄。
Description
技术领域
本发明涉及电弧焊技术领域，具体涉及一种电弧焊接监控系统高速相机电流触发控制电路。
背景技术
CO2气体保护焊是目前焊接过程最常用的气体保护焊焊接方法之一，因其焊接过程成本低，质量易于控制，而被广泛应用。溶滴短路过渡焊是CO2气体保护焊中常出现的一种溶滴过渡方式：电弧焊将焊丝端部加热融化，形成悬挂在焊丝端头的溶滴后，通过溶滴与工件上溶池的接触（即所谓短路），而将焊丝融化金属过渡到焊缝中去。参见图1。溶滴短路过渡焊过程的图像分析对提高焊接电弧稳定性、改善焊缝成型、减小金属飞溅、提高焊接质量和焊接生产率、实现焊接自动化有着深远的意义。由于在焊接过程中，短路过程进行得非常迅速，因此须借助于高速摄像装置对溶滴过渡过程进行拍照显示。常见的高速摄像装置主要由光源部分、扩束部分、成像部分和摄像部分4个部分构成。其中光源由点光源或平行光源组成；扩束部分有显微目镜及凸透镜组成；成像部分包括焊丝、成像物镜、小孔光阑和干涉玻璃片组成；摄像部分采用数字高速摄像机对整个焊接过程进行全程拍摄，并将该图像存储到计算机中供后期图像分析之用。然而，因为电弧及熔滴颈缩后产生的飞溅现象的存在，所以目前电弧焊接监控系统中的高速摄像机在非短路时间段内拍摄的图像是模糊不清。这些不清晰的图像存储到计算机中，既会耗费计算机存储容量，同时也会增加计算机后期图像处理的负担。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电弧焊接监控系统高速相机电流触发控制电路，它能够对高速摄像装置中的数字高速相机的拍摄周期进行自适应控制，让数字高速相机仅在短路时段进行拍摄。
为解决上述问题，本发明所设计的一种电弧焊接监控系统高速相机电流触发控制电路，它主要由电源、以及与电源相连的电流传感单元、信号放大单元、低通滤波单元、波形整形变换单元、可变计数单元和控制单元组成；其中电流传感单元穿套在电焊机的电源线上；电流传感单元的输出端依次通过信号放大单元、低通滤波单元和波形整形变换单元与可变计数单元的输入端相连；可变计数单元的控制端连接控制单元；可变计数单元的输出端与数字高速相机的电子快门相连。
上述方案中，所述波形整形变换单元为施密特触发器。
上述方案中，所述施密特触发器主要由第一运算放大器、第十可变电阻、第九可变电阻、第六电容和稳压二极管构成；其中低通滤波器的输出端连接至第一运算放大器的反向输入端；第九可变电阻的两端分别与模拟电源和电源地相连，第九可变电阻的控制端与第一运算放大器的正向输入端连接；第六电容的两端分别与第九可变电阻的控制端和电源地相接；第十可变电阻的两端分别跨接在第一运算放大器的正向输入端和输出端上，第十可变电阻的控制端与第一运算放大器的输出端相连；稳压二极管的负极与第一运算放大器的输出端相接，稳压二极管的正极与电源地相接。
上述方案中，所述可变计数单元主要由反相器、双D触发器、与门、锁存器和3个同步可逆计数器组成；其中波形整形变换单元的输出端与反相器的输入端相连，反相器的输出端分别连接第八同步可逆计数器和第六同步可逆计数器的时钟输入端；双D触发器的置1端连接第八同步可逆计数器的行波时钟输出端，双D触发器的清零端连接第九同步可逆计数器的行波时钟输出端，双D触发器的输出端连接第八同步可逆计数器的清零输入端、第六同步可逆计数器和第九同步可逆计数器的异步并行负载输入端，双D触发器的反向输出端则连接第八同步可逆计数器的异步并行负载输入端、第六同步可逆计数器和第九同步可逆计数器的清零输入端、以及锁存器的第四数据输入端；第六同步可逆计数器的行波时钟输出端与第九同步可逆计数器的时钟输入端相连；与门的一个输入端分别连接反相器的输入端和锁存器的第三数据输入端，与门的另一个输入端则分别连接双D触发器的反向输出端和锁存器的第四数据输入端，与门的输出端连接锁存器的第五数据输入端；第八同步可逆计数器的计数器的其中一个计数输入端连接电源参考电压，其余三个计数输入端连接电源地；第六同步可逆计数器和第九同步可逆计数器的4个计数输入端均经由总线与控制单元的输出端相连；锁存器的第六和第七数据输入端经由总线连接控制单元的输出端，锁存器的输出端与数字高速相机的电子快门相连。
上述方案中，所述控制单元上还接有计数按键。
上述方案中，所述控制单元上还接有数码显示管，此时锁存器的第七和第八数据输入端经该数码显示管与控制单元的输出端连接。
与现有技术相比，本发明增设在数字高速相机的电子快门上，其能够利用焊接过程中的电流波形作为依据来实现高速摄像机的拍摄周期，即在因亮度过高而造成图像模糊的电弧时期不拍摄，在图像相对清晰的短路时期进行拍摄，从而获得更清晰的焊弧度动态视觉效果；这样不仅能够减小存入计算机中视频流的大小，而且能够减小后期图像处理的负担，具有结构简单，高效经济的特点；此外，本发明还通过可变计数单元来实现拍摄周期的人工控制，使图像的显示即满足人眼的视觉暂留效应，又不致于太快看不清楚。
附图说明
图1为溶滴短路过渡焊的焊接过程图；
图2为一种电弧焊接监控系统高速相机电流触发控制电路的原理图；
图3.1为一种电弧焊接监控系统高速相机电流触发控制电路的电路图；
图3.2为另一种电弧焊接监控系统高速相机电流触发控制电路的电路图；
图4为模拟电源电路图；
图5为数字电源电路图。
具体实施方式
本发明一种电弧焊接监控系统高速相机电流触发控制电路，如图2所示，它主要由电源、以及与电源相连的电流传感单元、信号放大单元、低通滤波单元、波形整形变换单元、可变计数单元和控制单元组成。其中电流传感单元穿套在电焊机的电源线上；电流传感单元的输出端依次通过信号放大单元、低通滤波单元和波形整形变换单元与可变计数单元的输入端相连；可变计数单元的控制端连接控制单元；可变计数单元的输出端与数字高速相机的电子快门相连。
电弧焊接监控系统高速相机电流触发控制电路的电路图可以如图3.1所示，也可以如图3.2所示。在本发明优选实施例中，一种电弧焊接监控系统高速相机电流触发控制电路的电路图如图3.2所示，其中：
上述信号放大电路主要由第三运算放大器U2C、第二固定电阻R2、第三固定电阻R3、第四固定电阻R4、第六固定电阻R6、可变电阻R5，电解电容C2组成。第二固定电阻R2和第三固定电阻R3相互串联，且第二固定电阻R2的一端与电源地相接，第三固定电阻R3的一端与模拟电源VCC相接。第四固定电阻R4和第六固定电阻R6的其中一端同时接在第二固定电阻R2和第三固定电阻R3之间；第四固定电阻R4的另一端则与第三运算放大器U2C的反向输入端相连；第六固定电阻R6的另一端则与第三运算放大器U2C的正向输入端相连。可变电阻R5的两端分别接在第三运算放大器U2C的反向输入端和输出端上，可变电阻R5的控制端则与第三运算放大器U2C的输出端相连。电解电容C2的正端连接电流传感单元，电解电容C2的负端连接第三运算放大器U2C的正向输入端。
上述低通滤波器主要由第二运算放大器U2B、第八固定电阻R8、第五电容C5组成。信号放大电路的输出端经由第八固定电阻R8与第二运算放大器U2B的正向输入端相连。第五电容C5的一端连接第二运算放大器U2B的正向输入端，另一端与电源地相接。第二运算放大器U2B的反向输入端与其输出端相接。
上述波形整形变换单元为施密特触发器。所述施密特触发器主要由第一运算放大器U2A、第十可变电阻R10、第九可变电阻R9、第六电容C6和稳压二极管D1构成。其中低通滤波器的输出端连接至第一运算放大器U2A的反向输入端。第九可变电阻R9的两端分别与模拟电源AVCC和电源地相连，第九可变电阻R9的控制端与第一运算放大器U2A的正向输入端连接。第六电容C6的两端分别与第九可变电阻R9的控制端和电源地相接。第十可变电阻R10的两端分别跨接在第一运算放大器U2A的正向输入端和输出端上，第十可变电阻R10的控制端与第一运算放大器U2A的输出端相连；稳压二极管D1的负极与第一运算放大器U2A的输出端相接，稳压二极管D1的正极与电源地相接。
上述可变计数单元主要由反相器U10A、双D触发器U5A、与门U3A、锁存器U7和3个同步可逆计数器U6、U9和U8组成。其中波形整形变换单元的输出端与反相器U10A的输入端相连，反相器U10A的输出端分别连接第八同步可逆计数器U8和第六同步可逆计数器U6的时钟输入端。双D触发器U5A的置1端连接第八同步可逆计数器U8的行波时钟输出端，双D触发器U5A的清零端连接第九同步可逆计数器U9的行波时钟输出端，双D触发器U5A的输出端连接第八同步可逆计数器U8的清零输入端、第六同步可逆计数器U6和第九同步可逆计数器U9的异步并行负载输入端，双D触发器U5A的反向输出端则连接第八同步可逆计数器U8的异步并行负载输入端、第六同步可逆计数器U6和第九同步可逆计数器U9的清零输入端、以及锁存器U7的第四数据输入端。第六同步可逆计数器U6的行波时钟输出端与第九同步可逆计数器U9的时钟输入端相连。与门U3A的一个输入端分别连接反相器U10A的输入端和锁存器U7的第三数据输入端，与门U3A的另一个输入端则分别连接双D触发器U5A的反向输出端和锁存器U7的第四数据输入端，与门U3A的输出端连接锁存器U7的第五数据输入端。为了能够对信号进行过滤，所述波形整形变换单元的输出端经由来2个相互串联的反相器U4A和U4B相连与与门U3A的一个输入端相连。第八同步可逆计数器U8的计数器的其中一个计数输入端连接数字电源VCC，其余三个计数输入端连接电源地；第六同步可逆计数器U6和第九同步可逆计数器U9的4个计数输入端均经由总线与控制单元的输出端相连。锁存器U7的第六和第七数据输入端经由总线连接控制单元的输出端，锁存器U7的输出端与数字高速相机的电子快门相连。
上述控制单元主要由单片机以及单片机外围电路组成。为了能够对可变计数器进行控制，以实现高速相机拍摄周期的人工控制，所述控制单元上还接有计数按键。为了能够直观显示计数器的状态，所述控制单元上还接有数码显示管R1，此时锁存器U7的第六和第七数据输出端经该数码显示管与控制单元的输出端连接。。考虑到本发明既存在模拟电路，又存在数字电路，因此本发明电源包括模拟电源和数字电源。参见图4和图5。
本发明以穿套在电焊机电源线上的电流传感单元作为输入。当焊机正常工作时，工作电流一般在0～200A左右，通过配套的电流传感单元的转换，输出变化规律与工作电流相同的交流电流0～20mA或电压0～5V。电流传感单元采集到的电流信号首先通过300Hz的低通滤波单元滤波，然后再通过波形整形变换电路输出与焊机工作电流相同频率变化的矩形脉冲波形，在熔滴短路左右产生触发沿，去控制照高速摄像机的拍摄动作。由于目前焊机短路焊接周期最短不超过4mS，而一般的电流传感单元响应时间小于10nS，TTL门电路平均延时小于10nS，整个电流转换控制电路延时小于100nS，完全满足电弧焊接监控系统中对拍照时间控制的要求。此外，在人工控制时，可变计数器的加入，使照片图像的显示即满足人眼的视觉暂留效应，又不致于太快而看不清楚。
Claims (6)
1.电弧焊接监控系统高速相机电流触发控制电路，其特征在于：它主要由电源，以及与电源相连的电流传感单元、信号放大单元、低通滤波单元、波形整形变换单元、可变计数单元和控制单元组成；其中电流传感单元穿套在电焊机的电源线上；电流传感单元的输出端依次通过信号放大单元、低通滤波单元和波形整形变换单元与可变计数单元的输入端相连；可变计数单元的控制端连接控制单元；可变计数单元的输出端与数字高速相机的电子快门相连。
2.根据权利要求1所述的电弧焊接监控系统高速相机电流触发控制电路，其特征在于：所述波形整形变换单元为施密特触发器。
3.根据权利要求2所述的电弧焊接监控系统高速相机电流触发控制电路，其特征在于：所述施密特触发器主要由第一运算放大器(U2A)、第十可变电阻(R10)、第九可变电阻(R9)、第六电容(C6)和稳压二极管(D1)构成；其中低通滤波器的输出端连接至第一运算放大器(U2A)的反向输入端；第九可变电阻(R9)的两端分别与模拟电源(AVCC)和电源地相连，第九可变电阻(R9)的控制端与第一运算放大器(U2A)的正向输入端连接；第六电容(C6)的两端分别与第九可变电阻(R9)的控制端和电源地相接；第十可变电阻(R10)的两端分别跨接在第一运算放大器(U2A)的正向输入端和输出端上，第十可变电阻(R10)的控制端与第一运算放大器(U2A)的输出端相连；稳压二极管(D1)的负极与第一运算放大器(U2A)的输出端相接，稳压二极管(D1)的正极与电源地相接。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的电弧焊接监控系统高速相机电流触发控制电路，其特征在于：所述可变计数单元主要由反相器(U10A)、双D触发器(U5A)、与门(U3A)、锁存器(U7)和3个同步可逆计数器(U6、U9和U8)组成；
其中波形整形变换单元的输出端与反相器(U10A)的输入端相连，反相器(U10A)的输出端分别连接第八同步可逆计数器(U8)和第六同步可逆计数器(U6)的时钟输入端；
双D触发器(U5A)的置1端连接第八同步可逆计数器(U8)的行波时钟输出端，双D触发器(U5A)的清零端连接第九同步可逆计数器(U9)的行波时钟输出端，双D触发器(U5A)的输出端连接第八同步可逆计数器(U8)的清零输入端、第六同步可逆计数器(U6)和第九同步可逆计数器(U9)的异步并行负载输入端，双D触发器(U5A)的反向输出端则连接第八同步可逆计数器(U8)的异步并行负载输入端、第六同步可逆计数器(U6)和第九同步可逆计数器(U9)的清零输入端、以及锁存器(U7)的第四数据输入端；
第六同步可逆计数器(U6)的行波时钟输出端与第九同步可逆计数器(U9)的时钟输入端相连；
与门(U3A)的一个输入端分别连接反相器(U10A)的输入端和锁存器(U7)的第三数据输入端，与门(U3A)的另一个输入端则分别连接双D触发器(U5A)的反向输出端和锁存器(U7)的第四数据输入端，与门(U3A)的输出端连接锁存器(U7)的第五数据输入端；
第八同步可逆计数器(U8)的计数器的其中一个计数输入端连接数字电源(VCC)，其余三个计数输入端连接电源地；第六同步可逆计数器(U6)和第九同步可逆计数器(U9)的4个计数输入端均经由总线与控制单元的输出端相连；
锁存器(U7)的第六和第七数据输入端经由总线连接控制单元的输出端，锁存器(U7)的输出端与数字高速相机的电子快门相连。
5.根据权利要求1所述的电弧焊接监控系统高速相机电流触发控制电路，其特征在于：所述控制单元上还接有计数按键。
6.根据权利要求1所述的电弧焊接监控系统高速相机电流触发控制电路，其特征在于：所述控制单元上还接有数码显示管，此时锁存器(U7)的第七和第八数据输入端经该数码显示管与控制单元的输出端连接。
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