CN104209667B - 超微间隙对接焊缝磁旋光成像自动检测和跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超微间隙对接焊缝磁旋光成像自动检测和跟踪方法。采用磁旋光成像技术，由磁场发生器以交变信号激励磁场在焊件上感应出涡流，涡流的分布在焊缝处发生畸变，引起该处的垂直磁场分量发生变化，相应地改变涡流激发的磁场。磁光成像传感器在该磁场的作用下产生磁光效应，使传感器中的偏振光在通过磁光传感介质时产生不同的旋转角度，包含了焊缝信息的光线经偏振分光镜反射后被电荷耦合器件接收并实时成像。计算机控制器采集该焊缝磁光图像，并实现焊缝图像识别和焊缝位置坐标计算。焊缝跟踪运动部件采用导轨导向和伺服电动机驱动，带动滑块上的磁场发生器、磁光成像传感器和夹具，实现超微间隙对接焊缝的非接触自动测量和跟踪。

Description

超微间隙对接焊缝磁旋光成像自动检测和跟踪方法

技术领域

本发明涉及激光焊接和电弧焊接过程中焊缝的自动检测和跟踪方法，具体涉及超微间隙对接焊缝磁旋光成像自动检测和跟踪方法。

背景技术

焊接是制造业领域重要的加工技术，具有工作条件恶劣、工作量大及质量要求高等诸多特点。电弧焊和激光焊是焊接工业中较常用的焊接工艺方法，以电弧和激光束作为被控对象实现焊接自动控制是焊接自动化的一个重要手段。其中，精确的焊缝跟踪是保证焊接质量的前提，即在整个焊接过程中必须控制激光束或电弧使其始终与焊缝对中，不得超出允许的焊缝跟踪偏差。为此，需精确地自动检测出焊缝的位置。随着精密工件焊接的需求及减少成本的考虑，无坡口、紧密对接的超微间隙焊缝的焊接问题日益突出。焊接超微间隙对接焊缝时可不用填丝，能获得更小的焊接变形和更加均匀的焊缝接头，并能减少接头焊后缺陷检测和修复的工作量，从而可显著提高焊接效率和经济效益。因此超微间隙对接焊缝的自动检测和跟踪技术十分重要。

由于焊接是一门复杂的热加工工艺技术，工件在焊接过程中要产生热变形，并且在焊接过程中会出现强烈的辐射、弧光、烟尘、飞溅等干扰，使得在焊接过程中实现焊缝位置的精确检测相当困难。特别是对于激光焊接，其激光束功率密度高，光斑直径小，焊缝间隙窄，所允许的激光束与焊缝之间的偏差非常小。激光焊接过程中的对接焊缝往往为不开坡口的超微间隙焊缝，肉眼难以分辨，采用一般传感方法难以实现该类焊缝的识别和检测。

目前国内外对于焊缝的检测基本上都是局限于较宽间隙或带有坡口的焊缝。获取焊缝位置信息主要集中在以下几种方法：(1)结构光视觉传感方法。将一可见光谱段的激光束转换为条形结构光横跨熔池前端焊缝上，当焊缝有一定间隙或形变时，条形光将随之变形。利用与结构光波长相匹配的摄像机获取变形的条形光，通过三角测量原理和图像处理技术得到焊缝位置信息。由于结构光照射位置在焊接区前方且摄像机主要采集特定波长段的结构光，因而具有较高的信噪比。目前工业上应用的焊缝跟踪器的工作原理大多数是结构光视觉传感方法。但该方法有其难以克服的缺陷：对于等厚平板对接焊，一般只能有效检测间隙大于0.1mm的焊缝。对于间隙小于0.1mm的焊缝，焊接前通常需要在对接焊缝表面处开微坡口，以使结构光在此处变形。但这无疑增加了加工成本、降低了焊接生产效率。而对于紧密对接、无坡口的超微间隙焊缝，结构光几乎不产生变形，所以无法识别焊缝。(2)红外传感方法。该方法多用于电弧焊或焊件背面传感激光焊的焊缝识别，焊接熔池及周围形成一定的温度场并伴随红外辐射，使用红外摄像机直接拍摄熔池获取红外热像，对采集到的弧焊区红外热像进行定量分析，可以获得电弧偏离焊缝的量化信息。由于剧烈的熔池和温度变化使得很难获得层次分明的红外图像，再加上红外传感器易受环境干扰并存在精度不高等问题，所以该方法还无法实现超微间隙对接焊缝的检测。(3)直接图像传感方法。该方法利用摄像机直接拍摄熔池，通过图像处理分析灰度分布，推测焊缝中心偏差信息。由于该方法直接获取熔池图像，很大程度上消除了导前误差。但由于熔池变化剧烈且熔池处的焊缝已经熔化，焊缝信息基本湮没，因此难以从根本上获取焊缝偏差的特征和规律。目前仅限于检测间隙较宽的焊缝。(4)其它方法。利用差动变压器作为检测垂直和水平方向偏差的传感器；根据焊缝间隙对声发射波传播有影响的现象，利用声发射-微处理器控制的焊缝检测系统；应用电弧传感器实现带有坡口的V形焊缝检测；利用电涡流方法检测焊缝，但不能准确判断焊缝左右偏差位置，且难以精确测量焊缝偏差；超声波传感方法需要超声变换器与被焊板材的紧密接触，极大地限制了超声波传感器在检测焊缝方面的应用。以上方法均不能准确检测超微间隙对接焊缝的位置。

综上分析可知，目前对于等厚对接的超微间隙焊缝，尚无有效的检测和跟踪方法。事实上，当前国内外在焊接超微间隙(<0.1mm)对接焊缝方面还不具备可靠的焊缝检测和跟踪方法，在焊接前需要对焊缝表面加工微坡口(采用结构光跟踪焊缝时)，或花费相当多的时间用于工件的装配、夹持及精确调整，激光束或电弧大多按预先设定的路径运动。而由于在加工过程中，工件的热变形、装配误差等往往使得焊缝偏离预先设定的路径，这种预先设定焊接轨迹的方法时常无法避免焊缝出现较大的偏差，难以满足现代工业焊接要求。

发明内容

本发明的主要目的在于克服上述现有焊缝检测技术的不足，提供一种检测和跟踪精度高、运行可靠的超微间隙对接焊缝磁旋光成像自动检测和跟踪方法。

为达上述目的，本发明采用如下的技术方案：采用磁旋光成像技术，由磁场发生器以交变信号激励磁场在焊件上感应出涡流，而涡流的分布在焊缝处发生畸变，引起该处的垂直磁场分量发生变化，相应地改变涡流感应磁场。磁光成像传感器在该磁场的作用下产生磁光效应，使传感器中的偏振光在通过磁光传感介质时产生不同的旋转角度，包含了焊缝信息的光线经偏振分光镜反射后被电荷耦合器件接收并实时成像。计算机控制器采集该焊缝磁光图像并进行焊缝图像识别和焊缝位置坐标计算，伺服电动机驱动系统控制激光束或电弧完成焊缝轨迹跟踪。

本发明提供的超微间隙对接焊缝磁旋光成像自动检测和跟踪方法，采用磁旋光成像技术，被测焊缝由装设在传感器底板下的磁场发生器产生交变感应磁场，进而在焊接工件中感应出涡流，涡流形成一个与磁场发生器磁场方向相反的磁场，在涡流流动的路径上若有焊缝存在时，其流动会受到影响，涡流在焊缝处将发生畸变，这一畸变的涡流将产生畸变的涡流磁场，并引起该处的垂直磁场分布变化。

上述传感器底板下的磁光成像传感器在该磁场的作用下产生磁光效应，使磁光成像传感器中的偏振光在通过磁光传感介质时产生不同的旋转角度，包含了焊缝信息的光线经偏振分光镜反射后被电荷耦合器件接收并实时成像，生成磁光焊缝图像。

上述磁光成像传感器将磁光焊缝图像传输到计算机控制器，计算机控制器实现焊缝图像处理、识别和焊缝位置坐标计算。

上述计算机控制器控制伺服电动机驱动系统完成焊缝轨迹跟踪，装设于导轨导向的一维运动工作台下的伺服电动机通过联轴器和滚珠丝杠使得装设于导轨滑道上的运动滑块带动传感器底板运动，控制传感器底板下的夹具及固定于其上的焊炬或激光头对中焊缝，实现焊缝的实时检测和精确跟踪。

与现有焊缝检测和跟踪技术相比，本发明采用的技术方案具有下述有益效果：

1)本发明采用磁光成像传感技术，在超微间隙对接焊缝焊接过程中，由磁场发生器产生交变磁场，并在被测焊缝处感应出畸变涡流，同时由磁光成像传感器生成焊缝图像，计算机控制器实现焊缝图像识别和焊缝位置坐标计算，伺服电动机驱动系统完成焊缝轨迹跟踪。该方法可实现超微间隙对接焊缝位置的非接触自动测量和跟踪，不仅测量和跟踪精度高，而且运行可靠。

2)由于磁光成像传感器、计算机控制器和伺服驱动器的灵活配合，使得计算机控制器能够实时控制伺服驱动器驱动伺服电动机实现焊缝的实时纠偏，自动化程度高，跟踪速度快。

3)与本发明配套的装置通过一维运动工作台上的螺孔连接到焊接机构上，方便装夹和拆卸。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明的一维运动工作台的翻转结构示意图；

图3是本发明的用于焊缝检测的装置部分翻转结构示意图；

图4是本发明的总体结构装配示意图；

图5是本发明超微间隙对接焊缝磁旋光成像自动检测和跟踪方法工作示意图。

图中各编号含义：1-单轴运动工作台，2-传感器底板，3-磁场发生器，4-磁光成像传感器，5-夹具，1-1-上顶板，1-2-轴承座，1-3-导轨，1-4-轴承，1-5-滚珠丝杠，1-6-滑块，1-7-伺服电动机，1-8-联轴器，1-9-伺服电动机固定板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明应用到法拉第磁旋光效应原理，当一束偏振光通过介质时，若在光束传播方向存在一个外磁场，那么光通过偏振面将发生偏转，偏转角依赖于磁场强度。

本发明应用到磁旋光成像技术，用磁场发生器以交变信号激励磁场在焊件上感应出涡流，而涡流的分布在焊缝处发生畸变，引起该处的垂直磁场分量发生变化，相应地改变涡流感应磁场。磁光成像传感器在该磁场的作用下产生磁光效应，使磁光成像传感器中的偏振光在通过磁光传感介质时产生不同的旋转角度，包含了焊缝信息的光线经偏振分光镜反射后被电荷耦合器件接收并实时成像。

如图1至图2所示，本发明为一种超微间隙对接焊缝磁旋光成像自动检测和跟踪方法，包括单轴运动工作台1和安装于其下的传感器底板2，装置还包括焊缝检测部件与焊缝跟踪运动部件，焊缝检测部件装设于传感器底板2下，焊缝跟踪运动部件装设于单轴运动工作台1内。焊缝检测部件包括磁场发生器3和磁光成像传感器4。焊缝跟踪运动部件包括导轨1-3、滑块1-6、伺服电动机1-7、伺服电动机固定板1-9、轴承座1-2、滚珠丝杠1-5、联轴器1-8和轴承1-4。所述单轴运动工作台1设有上顶板1-1及导轨1-3，导轨1-3与上顶板1-1通过螺栓紧密连接，运动滑块1-6装设于导轨1-3的滑道上，伺服电动机1-7通过伺服电动机固定板1-9装设于上顶板1-1下，滚珠丝杠1-5和联轴器1-8通过轴承1-4固定于轴承座1-2内，轴承座1-2通过螺栓与上顶板1-1固结。上顶板1-1、导轨1-3和轴承座1-2紧密连接而成为一体。其中，所述焊缝检测和跟踪装置通过上顶板1-1的螺孔连接到外部焊接机构上，容易实现整个装置与外部焊接机构的装夹与拆卸，实用方便，实施性强。所述滑块1-6在伺服电动机1-7带动下通过联轴器1-8和滚珠丝杠1-5而沿着滑道滑行。

如图3至图4所示，所述滑块1-6装设有用于固定磁场发生器3、磁光成像传感器4和夹具5的传感器底板2，传感器底板2通过内六角螺栓装设于滑块下。传感器底板2装设有磁场发生器3、磁光成像传感器4和夹具5，磁场发生器3、磁光成像传感器4和夹具5通过内六角螺栓装设于传感器底板下。磁场发生器3在被测焊缝上产生交变磁场并在焊接工件中感应出涡流，涡流形成一个与磁场发生器3磁场方向相反的磁场。在涡流流动的路径上有焊缝存在时，其流动受到影响，涡流在焊缝处发生畸变，这一畸变的涡流将产生畸变的涡流磁场，并引起该处的垂直磁场分布变化。磁光成像传感器4在该磁场的作用下产生磁光效应，使磁光成像传感器4中的偏振光在通过磁光传感介质时产生不同的旋转角度，包含了焊缝信息的光线经偏振分光镜反射后被电荷耦合器件接收并实时成像。磁光成像传感器4将获取的磁光焊缝图像传输到计算机控制器，由计算机控制器实现焊缝图像处理和焊缝位置检测。

通过计算机控制器发出指令启动磁场发生器3工作，控制磁场发生器3在焊缝处产生交变磁场。所述磁光成像传感器4的工作原理主要是利用光的偏振状态来实现信息传感的功能，即当一束偏振光通过介质时，若在光束传播方向存在着一个外磁场，那么光通过偏振面将旋转一个角度，即磁光旋转效应。磁光成像传感器4主要部分包括激光光源、起偏器、电荷耦合器件、检偏器和磁光晶片。磁光成像传感器4属于非接触测量方式，可靠性好、测量精度高、功耗低并且信息传输速率高。磁光成像传感器4工作时在焊件表面和焊缝上方，通过精确控制磁场发生器3使得焊件的焊缝附近产生感应磁场，由于焊缝存在，感应磁场在焊缝附近发生变化。当偏振光平行通过感应磁场反射后旋转一定的角度，再通过检偏器可以针对性地实现旋转后的偏振光的通过或截止，最后由电荷耦合器件获取并成像，所得的图像即为包含了焊缝信息的磁光图像。所述夹具5为可更换的不同规格的夹具，可实现不同尺寸的激光头或焊炬的夹持。

整个焊缝检测和焊缝跟踪运动系统的工作均由计算机控制器进行控制，图5是本发明超微间隙对接焊缝磁旋光成像自动检测和跟踪方法工作示意图。首先计算机控制器控制磁场发生器3产生交变磁场，同时发出指令启动磁光成像传感器4工作，同步协调磁光成像传感器4连续采集焊缝磁光图像，并将获得的磁光图像传输到计算机控制器。然后由相应的控制算法计算出焊缝位置及跟踪纠偏量，通过伺服驱动器驱动伺服电动机运动从而控制夹具的移动，实现超微间隙对接焊缝的位置跟踪。计算机控制器还具有自检能力，可显著提高系统的实时性和测控自动化程度。所采用的控制系统能自动修正测量误差，提高焊缝位置测量和跟踪精度。

系统的工作原理：磁光成像传感器4、磁场发生器3和伺服驱动器分别与计算机控制器连接，使用本发明测量焊缝时，通过单轴运动工作台1上的螺孔连接到焊接机构上，同时将焊件放在焊接工作台上。起焊前通过计算机控制器控制伺服驱动器并驱动伺服电动机使得磁光成像传感器4晶片处于焊缝上方。计算机控制器控制磁场发生器3产生交变磁场，同步协调磁光成像传感器4连续采集磁光图像，将磁光图像传输到计算机控制器，由计算机控制器实现焊缝图像处理和焊缝位置计算。由于磁光成像传感器4与安装有焊炬或激光头的夹具5有固定的坐标关系，所以计算机控制器经过图像处理和分析计算出焊缝位置后，便可由计算机控制器计算出运动机构的焊缝跟踪纠偏量，通过伺服驱动器对伺服电动机进行驱动，伺服电动机通过联轴器1-8和滚珠丝杠1-5控制焊炬或激光头运动，实现超微间隙焊缝的实时检测和精确跟踪。

Claims (3)

1.一种超微间隙对接焊缝磁旋光成像自动检测和跟踪方法，其特征在于：采用磁旋光成像技术，被测焊缝由磁场发生器(3)产生交变感应磁场，进而在焊接工件中感应出涡流，涡流形成一个与磁场发生器磁场方向相反的磁场，处于涡流流动路径上的焊缝使涡流在焊缝处发生畸变，这一畸变的涡流将产生畸变的涡流磁场，并引起该处的垂直磁场分布变化；磁光成像传感器(4)在垂直磁场的作用下产生磁光效应，使磁光成像传感器(4)中的偏振光在通过磁光传感介质时产生不同的旋转角度，包含了焊缝信息的光线经偏振分光镜反射后被电荷耦合器件接收并实时成像，生成磁光焊缝图像。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：磁光成像传感器(4)将磁光焊缝图像传输到计算机控制器，计算机控制器实现焊缝图像处理、识别和焊缝位置坐标计算，实现对焊缝位置的实时检测。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：计算机控制器根据焊缝检测结果控制伺服电动机驱动系统完成焊缝轨迹跟踪，伺服电动机(1-7)通过联轴器(1-8)和滚珠丝杠(1-5)使运动滑块(1-6)带动传感器底板(2)运动，控制夹具上的焊炬或激光头对中焊缝，实现对焊缝的实时精确跟踪。