CN104741778A - 一种复合焊焊缝跟踪控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种复合焊焊缝跟踪控制系统，包括：激光传感器采集焊缝的第一位置图像信息及第二位置图像信息；图像处理计算机用于根据第一位置图像信息及第二位置图像信息计算焊缝的横向偏差、纵向偏差；根据第二位置图像信息获取焊缝的焊接参数，根据焊接参数计算激光输出功率控制量；将横向偏差转换为横向偏差电压量，将纵向偏差转换为纵向偏差电压量，根据超前延时量进行延时计算后，将横向偏差电压量、纵向偏差电压量及激光输出功率控制量发送至控制器；控制器用于控制执行器根据横向偏差电压量修正横向偏差，根据纵向偏差电压量修正纵向偏差，使复合焊焊炬与焊缝保持精准对中状态；根据激光输出功率控制量调节激光传感器的输出能量，保证焊接质量。
Description
技术领域
本发明属于石油工程焊接技术领域，尤其涉及一种复合焊焊缝跟踪控制系统。
背景技术
目前，对大口径管道焊接时，一般使用激光/电弧复合焊技术进行焊接。因激光/电弧复合焊技术具有焊接速度快、能量密度大，作用时间短的特点，其激光聚焦光斑直径仅为0.15mm量级，跟踪精度小于0.15mm。但在焊接时，若不能识别、修正因焊缝不规则产生的偏差，则会导致焊点接质量下降甚至焊接失败。
而现有管道自动焊接设备在焊接过程中主要依靠人工对中的方法，该方法劳动强度大，焊缝对准精度低，不能适应激光/电弧复合焊高速的焊接过程。且现有技术中多采用恒定焊接功率模式，不能根据焊缝的具体情况实时调节焊炬的激光输出能量，进而不能保证焊接质量。因此，亟需精确焊缝跟踪和实时控制技术以确保激光/电弧复合焊的焊炬在焊接过程中既可以始终处在焊缝的最优焊接位置，又可以保证焊接质量。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供了一种复合焊焊缝跟踪控制系统，用于解决现有技术中使用激光/电弧复合焊进行焊接时，焊接质量得不到保证的技术问题。
本发明提供一种复合焊焊缝跟踪控制系统，所述系统包括：
激光传感器，所述激光传感器用于采集焊缝的第一位置图像信息及第二位置图像信息；
图像处理计算机，所述图像处理计算机用于根据所述第一位置图像信息及所述第二位置图像信息计算所述焊缝的横向偏差、纵向偏差；根据所述第二位置图像信息获取所述焊缝的焊接参数，根据所述焊接参数计算激光输出功率控制量；
将所述横向偏差转换为横向偏差电压量，将所述纵向偏差转换为纵向偏差电压量，根据超前延时量进行延时计算后，将所述横向偏差电压量、所述纵向偏差电压量及所述激光输出功率控制量发送至控制器；
控制器，所述控制器用于控制执行器根据所述横向偏差电压量修正所述横向偏差，根据所述纵向偏差电压量修正所述纵向偏差，使所述复合焊焊炬与所述焊缝保持精准对中状态；根据所述激光输出功率控制量调节所述激光传感器的输出能量，保证焊接质量。
上述方案中，所述焊接参数包括：焊缝的对口间隙及所述焊缝的错边量。
上述方案中，所述复合焊包括：激光焊炬、电弧焊炬。
上述方案中，所述第一位置图像信息具体包括：所述复合焊焊炬的初始焊接位置的图像信息；
所述第二位置图像信息具体包括：在预设周期内，所述复合焊焊炬到达焊接位置的图像信息。
上述方案中，所述图像处理计算机用于根据所述第一位置图像信息及所述第二位置图像信息计算所述焊缝的横向偏差、纵向偏差包括：
所述图像处理计算机对所述第一位置图像信息及所述第二位置图像信息进行滤波、二值化、阈值分割和边缘检测处理，利用数字图像处理算法拟合出与焊缝具有比例关系的焊缝图像，根据结构光原理确定所述焊缝的横向偏差及所述焊缝的纵向偏差。
上述方案中，所述图像处理计算机将所述横向偏差转换为横向偏差电压量，将所述纵向偏差转换为纵向偏差电压量包括：
所述图像处理计算机根据第一转换系数将所述横向偏差转换为对应的第一像素点，将所述第一像素点转换为所述横向偏差电压量；
根据第二转换系数将所述纵向偏差转换为对应的第二像素点，将所述第二像素点转换为所述纵向偏差电压量。
上述方案中，所述第一转换系数为：1mm的所述横向偏差对应100个所述第一像素点，100个所述第一像素点对应1V所述横向偏差电压量；
所述第二转换系数为：1mm的所述纵向偏差对应100个所述第二像素点，100个所述第二像素点对应1V所述纵向偏差电压量。
上述方案中，所述第一转换系数及所述第二转换系数根据激光传感器的安装高度确定。
上述方案中，所述超前延时量根据所述激光传感器的导前量与所述复合焊的焊接速度确定。
本发明提供了一种复合焊焊缝跟踪控制系统，所述系统包括：激光传感器，所述激光传感器用于采集焊缝的第一位置图像信息及第二位置图像信息；图像处理计算机，所述图像处理计算机用于根据所述第一位置图像信息及所述第二位置图像信息计算所述焊缝的横向偏差、纵向偏差；根据所述第二位置图像信息获取所述焊缝的焊接参数，根据所述焊接参数计算激光输出功率控制量；将所述横向偏差转换为横向偏差电压量，将所述纵向偏差转换为纵向偏差电压量，根据预先设置的超前延时量进行延时计算后，将所述横向偏差电压量、所述纵向偏差电压量及所述激光输出功率控制量发送至控制器；控制器，所述控制器用于控制执行器根据所述横向偏差电压量修正所述横向偏差，根据所述纵向偏差电压量修正所述纵向偏差，使所述复合焊焊炬与所述焊缝保持精准对中状态；根据所述激光输出功率控制量调节所述激光传感器的输出能量，保证焊接质量，如此，既可以确保所述复合焊焊炬与所述焊缝保持动态对中，对中精度高，响应时间短；又可以根据焊缝的焊接参数信息实时调节焊炬的激光输出功率；提高了焊接效率和焊接质量。
附图说明
图1为本发明实施例提供的复合焊焊缝跟踪控制系统整体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的图像处理计算机的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的导流板的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的防护板的结构示意图。
具体实施方式
为了解决在高速焊接时，确保所述复合焊焊炬与所述焊缝保持动态对的精度，保证焊缝成型效果和焊接质量。本发明提供了一种复合焊焊缝跟踪控制系统，所述系统包括：激光传感器，所述激光传感器用于采集焊缝的第一位置图像信息及第二位置图像信息；图像处理计算机，所述图像处理计算机用于根据所述第一位置图像信息及所述第二位置图像信息计算所述焊缝的横向偏差、纵向偏差；根据所述第二位置图像信息获取所述焊缝的焊接参数，根据所述焊接参数计算激光输出功率控制量；将所述横向偏差转换为横向偏差电压量，将所述纵向偏差转换为纵向偏差电压量，根据超前延时量进行延时计算后，将所述横向偏差电压量、所述纵向偏差电压量及所述激光输出功率控制量发送至控制器；控制器，所述控制器用于控制执行器根据所述横向偏差电压量修正所述横向偏差，根据所述纵向偏差电压量修正所述纵向偏差，使所述复合焊焊炬与所述焊缝保持精准对中状态；根据所述激光输出功率控制量调节所述激光传感器的输出能量，保证焊接质量。
下面通过附图及具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
本实施例提供一种复合焊焊缝跟踪控制系统，如图1所示，所述系统包括：激光传感器1、图像处理计算机2、控制器3、执行器4、复合焊5；其中，
所述激光传感器1用于采集焊缝的第一位置图像信息及第二位置图像信息，将所述第一位置图像信息及第二位置图像信息发送至所述图像处理计算机2；具体地，所述激光传感器1投射到焊缝上的特定频率的激光条纹经过滤光片过滤其他频率干扰光线后由电荷耦合元件(CCD，Charge-Coupled Device)成像单元摄取包含焊缝参数的图像信息。所述焊缝参数包括：所述焊缝的横向偏差、纵向偏差、所述焊缝的对口间隙以及所述焊缝的错边量。
这里，如图2所示，所述图像处理计算机2包括：图像处理器21、质量分析器22以及存储器23；其中，
在焊接过程中，当所述图像处理计算机2接收到所述第一位置图像信息及第二位置图像信息时，所述图像处理器21首先根据所述第一位置图像信息及所述第二位置图像信息计算所述焊缝的横向偏差、纵向偏差；根据所述第二位置图像信息获取所述焊缝的对口间隙以及所述焊缝的错边量，根据所述对口间隙及所述错边量拟合计算激光输出功率控制量。
具体地，所述图像处理器21利用激光功率控制函数拟合计算激光输出功率控制量。
因所述复合焊具有大熔深、桥接能力好的特点，因此可以适应较大的错边量，所述错边量的值具体可以为：0～2mm。但如果所述错边量超过2mm，就需要增大所述复合焊的激光输出功率控制量。
一般来说，透焊双面1mm坡口钝边需要1KW的激光输出功率，因此，在焊缝内部成型时，所需第一激光输出功率P1可以根据公式(1)得出。
P1＝P0*(1+1/2*C) (1)
其中，在公式(1)中，所述P0为基础功率，所述C为错边量。
进一步地，因所述复合焊的激光束的聚焦直径一般为0.33mm，当坡口钝边较小时，所述激光束可以适应的对口间隙为0～0.3mm；而坡口钝边为4～10mm的较厚钝边时，所述激光束在负离焦处的直径变大，可以适应的对口间隙为0～0.5mm。其中，所述负离焦为所述激光束的聚焦点位于焊接工件的背面。
而对口间隙过大时，使得激光透射能量过大，造成焊缝背后过高，因此可根据公式(2)根据0～0.5mm的对口间隙调整第二激光输出功率P2。
P2＝P0*(1-1/2*G) (2)
其中，在公式(2)中，所述G为对口间隙。
因此，可以得出所述激光功率控制函数的关系式，如公式(3)所示：
P＝P0*(1+1/2*C-1/2*G) (3)
其中，所述错边量及所述对口间隙的1mm对应1v电压。
这里，所述横向偏差为所述第二位置图像信息与所述第二位置图像信息在水平方向上的差量；所述纵向偏差为所述第二位置图像信息与所述第一位置图像信息在垂直方向上的差量。其中，
所述第一位置图像信息具体包括：所述复合焊5焊炬的初始焊接位置信息；
所述第二位置图像信息具体包括：在预设周期内，所述复合焊5焊炬到达的焊接位置信息。所述预设的周期为1～3s。
具体地，图像处理器21对接收到的第一位置图像信息及第二位置图像信息进行滤波、二值化、阈值分割和边缘检测等图像处理，利用数字图像处理算法拟合出与焊缝具有比例关系的焊缝图像，根据结构光原理确定焊炬与焊缝对中的纵向偏差和横向偏差，加比例系数修正所述纵向偏差和所述横向偏差。
这里，经过计算得到的激光传感器1的安装高度与比例系数有关系。例如，预先设定的安装高度是100mm，则比例系数为1。但是在安装过程中会存在安装误差，或者由于机械结构的限制不能准确安装视觉传感器于100mm高度、，此时需要设定比例系数，比如安装高度为90mm，比例系数需要设为0.9；或者安装高度为110mm时，比例系数需要设为1.1，以此修订获得准确的焊缝尺度信息。综上所述，所述比例系数一般为1左右。在使用过程中，安装高度应该尽量接近100mm，否则对于定焦的激光感器1的成像质量会受到影响。
其次，所述图像处理器21将所述横向偏差转换为横向偏差电压量，将所述纵向偏差转换为纵向偏差电压量，根据预先设置的超前延时量进行延时计算后，将所述横向偏差电压量、所述纵向偏差电压量及所述激光输出功率控制量发送至控制器3。这里，所述超前延时量根据所述激光传感器1的导前量与所述复合焊5的焊接速度确定。比如，当所述导前量为1m，所述焊接速度为1m/s时，可以确定所述超前延时量为1s。
具体地，所述图像处理器21根据第一转换系数将所述横向偏差转换为对应的第一像素点，将所述第一像素点转换为所述横向偏差电压量；
根据第二转换系数将所述纵向偏差转换为对应的第二像素点，将所述第二像素点转换为所述纵向偏差电压量。其中，
所述第一转换系数为：1mm的所述横向偏差对应100个所述第一像素点，100个所述第一像素点对应1V所述横向偏差电压量；
所述第二转换系数为：1mm的所述纵向偏差对应100个所述第二像素点，100个所述第二像素点对应1V所述纵向偏差电压量。
其中，所述第一转换系数及所述第二转换系数根据激光传感器1的安装高度确定。
当所述图像处理器21将所述横向偏差转换为所述横向偏差电压量、将所述纵向偏差转换为所述纵向偏差电压量时，所述控制器3具体用于：控制执行器4根据所述横向偏差电压量修正所述横向偏差，根据所述纵向偏差电压量修正所述纵向偏差；以使所述复合焊5焊炬与所述焊缝保持精准对中状态。根据所述激光输出功率控制量实时调节所述激光传感器1的输出能量，保证激光输出功率与所述焊缝的对口间隙、错边量的匹配，进而保证焊接质量。
另外，本实施例提供的焊接系统还可以实现自动化焊接质量的在线监测，提高监测效率及质量，降低漏检率，为焊接质量提供参考数据。具体地，所述系统还包括：红外热像仪6及图像采集卡7；其中，所述述红外热像仪6用于在焊接过程中，摄录所述焊点的熔池红外热成像数据及焊缝成型过程。
具体地，在焊接过程中，当所述红外热成像仪6将所述熔池红外热成像数据及焊缝成型过程摄录完成后，所述图像采集卡7具体用于：采集所述熔池红外热成像数据及焊缝成型过程，将所述熔池红外热成像数据焊缝成型过程发送至图像处理计算机2。
当所述图像处理计算机2接收到所述熔池红外热成像数据后，所述图像处理器21具体还用于：对所述熔池红外热成像数据进行分析，获取焊接参数，将所述焊接参数发送至所述质量分析器22。
当所述质量分析器22接收到所述焊接参数时，具体用于：将所述焊接参数与预设的焊接标准相比较，自动获取焊点质量评估结果；并对检测异常的焊点的时间、坐标进行记录，将所述异常的焊点的时间、坐标发送至存储器23。
所述存储器23用于存储所述熔池红外热成像数据、所述焊接成型过程的图像数据以及所述异常焊点的时间、坐标数据。
这里，当所述图像处理计算机2检测到所述焊点的焊接参数不满足所述焊接标准时，还用于：提取所述焊点的焊接时间、焊接位置信息，分析所述焊点的焊接时间及所述焊接位置存在的缺陷，为焊接质量检测提供参考数据。
当操作人员需要离线分析时，所述图像处理计算机2还用于：
读取所述存储器23中存储的所述熔池红外热成像数据，对所述熔池红外热成像数据进行离线分析，生成离线分析报告；并通过帧播放所述熔池红外热成像过程及焊接成型过程，为不同材料、不同参数的焊接工艺提供数据参考。
这里，本实施例提供的复合焊5包括：激光焊炬51、电弧焊炬52。
在焊接过程中，为了改变压缩空气的气流方向，消除所述气流对电弧焊保护气体的干扰，避免出现焊接气孔，保证焊接质量，该系统还设置有导流板8，如图3所示，所述导流板8为“T”型金属板，所述导流板8上设置有与激光聚焦点同心的第一圆孔，连通激光光路。所述第一圆孔的直径可以通过激光焊炬51的高斯光束能量散失计算，使所述第一圆孔聚集所述高斯光束激光能量的86％。
这里，所述导流板8的材质包括：铜板、铝板。
所述导流板8的一端为直线型，第一宽度为55mm，第一长度为60mm；所述导流板8的另一端为弧形，第二宽度为90mm，第二长度为150mm。所述导流板8的厚度为0.1mm。
具体地，将所述导流板8的一端设置在所述激光焊炬51的聚焦镜片下方，另一端与所述激光传感器1的一端连接，在焊接过程中，横吹气帘的高压压缩空气流从激光焊炬51的侧面吹出后，经过所述导流板8的另一端引导后，排到焊炬两侧较远处，消除了高压压缩空气流对复合焊保护气流的干扰，有效抑制了焊接气孔，提高了焊接质量。
进一步地，在焊接过程中，为了够有效避免激光焊炬51聚焦镜片受到焊渣的污染，消除所述激光焊炬51防护气帘气流对保护气流的影响，提高焊接质量及焊接效率，所述系统还设置有防护板9；其中，
如图4所示，所述防护板9为“L”型金属板，所述防护板9包括：第一金属板91及第二金属板92；其中，
所述第一金属板91为长方形，所述长方形的长为100mm，所述长方形的宽为64mm。所述第一金属板91上设置有安装孔，所述安装孔包括三排，以调整所述第一金属板91的安装高度。
所述第二金属板92为正方形，所述正方形的边长为64mm，所述第二金属板92上设置有与所述激光焊炬51聚焦点同心的第二圆孔。
具体地，焊接前，将所述防护板9安装在激光焊炬51的激光头处，并可通过公式h＝d/D*H计算所述防护板9的安装高度h；其中，
所述d为所述第二圆孔的直径；所述H为激光焊炬51的焦距。所述第二圆孔的直径d为7.3～7.5mm。
本发明提供的复合焊焊缝跟踪控制系统可实时实现焊接时的焊缝偏差控制和修正、并根据焊缝参数信息实时调节激光输出功率，简化了控制系统和操作难度，实现了自动化、智能化的焊缝跟踪，提高了焊接质量。且本系统采用非接触视觉激光传感器，自动化、智能化程度高，适应性强，响应速度快，对焊接过程影响较小，适用于各种大口径高速焊接场合。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种复合焊焊缝跟踪控制系统，其特征在于，所述系统包括：
激光传感器，所述激光传感器用于采集焊缝的第一位置图像信息及第二位置图像信息；
图像处理计算机，所述图像处理计算机用于根据所述第一位置图像信息及所述第二位置图像信息计算所述焊缝的横向偏差、纵向偏差；根据所述第二位置图像信息获取所述焊缝的焊接参数，根据所述焊接参数计算激光输出功率控制量；
将所述横向偏差转换为横向偏差电压量，将所述纵向偏差转换为纵向偏差电压量，根据超前延时量进行延时计算后，将所述横向偏差电压量、所述纵向偏差电压量及所述激光输出功率控制量发送至控制器；
控制器，所述控制器用于控制执行器根据所述横向偏差电压量修正所述横向偏差，根据所述纵向偏差电压量修正所述纵向偏差，使所述复合焊焊炬与所述焊缝保持精准对中状态；根据所述激光输出功率控制量调节所述激光传感器的输出能量，保证焊接质量。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述焊接参数包括：焊缝的对口间隙及所述焊缝的错边量。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述复合焊包括：激光焊炬、电弧焊炬。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一位置图像信息具体包括：所述复合焊焊炬的初始焊接位置的图像信息；
所述第二位置图像信息具体包括：在预设周期内，所述复合焊焊炬到达焊接位置的图像信息。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述图像处理计算机用于根据所述第一位置图像信息及所述第二位置图像信息计算所述焊缝的横向偏差、纵向偏差包括：
所述图像处理计算机对所述第一位置图像信息及所述第二位置图像信息进行滤波、二值化、阈值分割和边缘检测处理，利用数字图像处理算法拟合出与焊缝具有比例关系的焊缝图像，根据结构光原理确定所述焊缝的横向偏差及所述焊缝的纵向偏差。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述图像处理计算机将所述横向偏差转换为横向偏差电压量，将所述纵向偏差转换为纵向偏差电压量包括：
所述图像处理计算机根据第一转换系数将所述横向偏差转换为对应的第一像素点，将所述第一像素点转换为所述横向偏差电压量；
根据第二转换系数将所述纵向偏差转换为对应的第二像素点，将所述第二像素点转换为所述纵向偏差电压量。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一转换系数为：1mm的所述横向偏差对应100个所述第一像素点，100个所述第一像素点对应1V所述横向偏差电压量；
所述第二转换系数为：1mm的所述纵向偏差对应100个所述第二像素点，100个所述第二像素点对应1V所述纵向偏差电压量。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一转换系数及所述第二转换系数根据激光传感器的安装高度确定。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述超前延时量根据所述激光传感器的导前量与所述复合焊的焊接速度确定。
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