CN106493455B - 基于图像对中短时起弧的电弧压力分布测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊接电弧压力测量领域，公开了基于图相对中短时起弧的电弧压力分布测量装置与方法，以计算机系统连接数据采集控制器；数据采集控制器分别连接压力传感器和可控制焊接电源，可控制电源连接焊炬和电极，焊炬发出的电弧对准水冷极板的引导孔，电极连接于水冷极板；压力传感器连接于引导孔下端；水冷极板固定于高精度手动平移台；两个连接于计算机系统的摄像机在水平上相互垂直的两个方向对准引导孔进行拍摄；测量时，控制可控制焊接电源放电0.5～2秒，电弧稳定时摄像机拍照；引导孔内气压变化通过压力传感器传输并记录数据；高精度型手动平移台微调引导孔位置，测出沿一个方向连续测量点的电弧压力，汇集整理数据得出电弧压力分布。

Description

基于图像对中短时起弧的电弧压力分布测量装置与方法

技术领域

本发明涉及焊接电弧压力测量领域，具体的说，是涉及一种基于图像对中短时起弧的电弧压力分布测量装置与方法。

背景技术

电弧压力是焊接过程中的一个重要参数，它直接影响着焊接过程的稳定性，焊缝气体杂质、缺陷的形成，焊缝熔深及成形等。当采用较大电流时，加在熔池上的电弧压力是决定焊道熔深的重要参数。要得到一定的熔深需要较大的电弧压力，但是电弧压力太大则可能引起熔穿等焊接缺陷。在实际测量时很难把各种电弧力严格区分开来，电弧力主要包括电弧静压力(电磁收缩力)、电弧动压力(等离子流力)、爆破力、斑点力、熔滴冲击力等。对于非熔化极焊接，由于没有熔滴过渡的干扰，电弧力的测定相对容易。归纳起来，测量非熔化极焊接电弧压力的方法通常包括传感器的连续测量法、气压计的静态测量法及力平衡法。

用于测量电弧压力的传感器连续测量法通常是在电极板上开小孔，通过压力连接管把电弧冲击力传到传感器，从而把力信号转换成电信号，再对电信号进行采集处理。这种方法的缺点是由于电弧的热作用，长时间测量可能会导致极板上孔的形变从而引起测量误差；目前的技术设计操作都不太方便，不能很好地测量出电弧的压力分布。由于试验装置反应的滞后性，连续测定的曲线发生了畸变，而且测定速度越快，畸变越严重。

用于测量电弧压力的气压计测量法通常是在极板上开测量孔，气体冲击力导致U形玻璃管内液柱发生变化，通过液柱的变化换算出单位面积上的冲击力。这种方法的缺点是反应速度不快，难以连续测量。

用于测量电弧压力的力平衡法测量多用摆称或平衡杆，一端连接极板用以接受电弧，另一端连接光电编码器或位移传感器，该方法通过杠杆原理将微弱的电弧力放大，因此测量的精度有所提高；且其力传导采用刚性连接，避免了传导介质属性变化造成的系统误差，测量准确性也有所提高。然而目前力平衡法的测量研究多使用一个较大的极板以确保散热，导致只能测量电弧力的均值，无法得到力的空间分布状况。

发明内容

本发明要解决的是技术问题在于，其一，传感器连续测量法中由于长时间测量，电弧热作用引起的极板孔形变问题；其二，由于试验装置反应的滞后性导致的不能准确测量距电弧的压力分布问题，提供了一种基于图像对中短时起弧的电弧压力分布测量装置与方法，对测量装置进行优化设计，使测量操作更为简单。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种基于图像对中短时起弧的电弧压力分布测量装置，包括计算机系统、数据采集控制器、可控制焊接电源、高精度手动平移台、摄像机、压力传感器、焊炬、水冷极板、电极；所述水冷极板为中空的箱形结构，其两个相对的壁面分别设置有进水口和出水口，用于使冷却水在所述水冷极板内部循环流动；所述水冷极板的上壁和下壁之间连接有内设引导孔的柱体，所述引导孔贯穿所述水冷极板的上壁和下壁；所述水冷极板的下壁设置有与所述引导孔连通的管螺纹孔，所述管螺纹孔用于连接所述压力传感器的探头；所述水冷极板的下壁设置有用于连接所述电极的普通螺纹孔；

所述计算机系统连接所述数据采集控制器；所述数据采集控制器数据接收端连接所述压力传感器的信号输出端，所述数据采集控制器的信号发出端连接所述可控制焊接电源的信号接收端；所述可控制电源的负极连接所述焊炬，所述焊炬发出的电弧位于所述水冷极板的引导孔上方；所述可控制电源的正极连接所述电极，所述电极连接于水冷极板的下壁；所述压力传感器的冷凝管接头密封连接于所述水冷极板的引导孔下端；所述水冷极板以其下壁固定于所述高精度手动平移台表面；两个所述摄像机在水平上相互垂直的两个方向对准所述水冷极板的引导孔进行拍摄，两个所述摄像机均与所述计算机系统连接。

其中，所述引导孔的直径为0.6mm～0.8mm。

其中，所述水冷极板的下壁两侧分别设置有耳板，用于通过螺钉固定于所述高精度手动平移台的螺纹孔处。

一种利用上述装置进行的基于图像对中短时起弧的电弧压力分布测量方法，按照如下步骤进行：

(1)开启所述计算机系统、所述数据采集控制器、所述可控制焊接电源、所述高精度手动平移台、所述摄像机、所述压力传感器；

(2)将所述水冷极板的进水口和出水口分别连接进水管和出水管，保持所述水冷极板内部的冷却水流动；

(3)通过所述计算机系统及所述数据采集控制器控制所述可控制焊接电源放电0.5～2 秒，通过所述摄像机观察所述水冷极板的引导孔位置，调节所述高精度手动平移台，使所述水冷极板的引导孔位于所述焊炬发出的电弧中心；

(4)再次通过所述计算机系统及所述数据采集控制器控制所述可控制焊接电源放电 0.5～2秒，电弧稳定时所述摄像机拍照；此时所述焊炬发出的电弧打在所述水冷极板的引导孔处，所述引导孔内气压变化通过所述压力传感器和所述数据采集控制器传输给所述计算机系统并记录数据；

(5)通过所述高精度手动平移台在水平上相互垂直的两个方向微调所述引导孔的位置，重复步骤(4)测出沿一个方向上连续测量点的电弧压力，汇集整理数据得出电弧压力分布。

本发明的有益效果是：

本发明的电弧压力分布测量装置与方法，可以通过计算机控制焊炬起弧时间，采用瞬间起弧的方式，在0.5～2秒内电弧电流即达到稳定，从而有效减小电弧热作用所引起的引导孔形变以保持测量精准度；同时可以将水冷极板固定于可移动平台上，操控平台使引导孔处于电弧不同位置来测量电弧压力分布，并通过两个垂直方向(即X方向和Y方向)上的摄像机观测引导孔的位置，使测量结果准确并且全面。

附图说明

图1是实施例中电弧压力分布测量装置的结构示意图；

图2是实施例中水冷极板的外观示意图；

图3是实施例中水冷极板的第一全剖视图；

图4是实施例中水冷极板的第二全剖视图；

图5是手动平移台与水冷极板的装配示意图。

图中：1、计算机系统；2、数据采集控制器(DAQ)；3、可控制焊接电源；4、高精度手动平移台；5、摄像机；6、压力传感器；7、焊炬；8、电弧；9、水冷极板；9-1、管螺纹孔；9-2、普通螺纹孔；9-3、引导孔；9-4、柱体；9-5、下壁；9-6、上壁；9-7、左壁；9-8、右壁；9-9、进(出)水口；9-10、出(进)水口；9-11、耳板；9-12、前壁；9-13、后壁；10、电极；11、螺纹孔。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1所示，本实施例公开了一种基于图像对中短时起弧的电弧压力分布测量装置，包括计算机系统1、数据采集控制器(DAQ)2、可控制焊接电源3、高精度手动平移台4、摄像机5、压力传感器6、焊炬7、水冷极板9、电极10。其中，数据采集控制器(DAQ) 2采用NIUSB-6002型；高精度手动平移台4采用PP160-25H型，其台面尺寸110m*80mm，驱动方式精研丝杠副，驱动方式侧向驱动，行程25mm，最小刻度0.01mm，最小调整量 2μmm，导轨形式为高精密超薄线性滑轨，承载20kg，直线度2μ，偏摆10”，俯仰10”，台面平行度15μ，运动平行度10μ，自重0.85kg，材料硬铝，表面处理阳极氧化染黑。

如图2至图4所示，水冷极板9为长方体的中空箱形结构，该箱形结构由下壁9-5、上壁9-6、左壁9-7、右壁9-8、前壁9-12、后壁9-13围成。左壁9-7和右壁9-8上分别设置有进(出)水口9-9和出(进)水口9-10，进(出)水口9-9和出(进)水口9-10均为管螺纹孔，用于连接进水管(出水管)和出水管(进水管)，从而使冷却水在水冷极板9 的箱体结构内有效循环。上壁9-6和下壁9-5之间连接有一个实心圆形柱体9-4，该柱体 9-4中间设置有上下贯穿箱体结构的引导孔9-3，引导孔9-3的直径在0.6mm～0.8mm范围内。下壁9-5对应于引导孔9-3的位置设置有管螺纹孔9-1，该管螺纹孔9-1未贯穿下表面壁，用于连接压力传感器6的冷凝管，电弧引导孔9-3内气压的变化通过冷凝管传到压力传感器6并将数据记录下来。下壁9-5还设置有一个普通螺纹孔9-2，该普通螺纹孔9-2未贯穿下表面壁，用于连接电极10。水冷极板9的上壁9-6是在进行测量时与焊炬7发出的电弧22接触的极板面。下壁9-5两侧(即前壁9-12的下边沿处和后壁9-13的下边沿处) 分别设置有两个耳板9-11，可用螺钉通过耳板9-11和螺纹孔11将水冷极板9固定于高精度手动平移台4。

数据采集控制器(DAQ)2的micro USB接口通过连接线连接到计算机系统1的USB接口，数据采集控制器(DAQ)2的数据接收端通过连接线连接压力传感器6的信号输出端，数据采集控制器(DAQ)2的信号发出端通过连接线连接可控制焊接电源3的信号接收端。可控制电源3的负极连接焊炬7，可控制电源3的正极连接电极10。电极10的接头设有外螺纹，可直接连接于水冷极板9的普通螺纹孔9-2。压力传感器6的冷凝管的接头设有外螺纹，连接于水冷极板9的管螺纹孔9-1，且要求连接后气密性良好，如通过加橡胶垫实现。

如图5所示，水冷极板9以其下壁9-5固定于高精度手动平移台4表面，两者的固定可通过水冷极板9的耳板9-11与高精度手动平移台4的螺纹孔11用螺钉连接来实现。

再如图1所示，两个摄像机5在水平略微向下倾斜的两个方向(X和Y)上对准引导孔9-3进行拍摄，俯视效果为X和Y两个互相垂直方向，如图5所示。两个摄像机5均与计算机系统连接。

利用上述装置的基于图像对中短时起弧的电弧压力分布测量方法，其具体步骤如下：

(1)开启计算机系统1、数据采集控制器(DAQ)2、可控制焊接电源3、高精度手动平移台4、摄像机5、压力传感器6；

(2)水冷极板9的进(出)水口9-9和出(进)水口9-10连接进水管(出水管)和出水管(进水管)，保持水冷极板9的箱体内冷却水流动；

(3)通过计算机系统1及数据采集控制器(DAQ)2控制可控制焊接电源3放电0.5～2秒，通过摄像机5观察水冷极板9的引导孔9-3位置，调节高精度手动平移台4使水冷极板9的引导孔9-3位于焊炬7发出的电弧22中心；

(4)再次通过计算机系统1及数据采集控制器(DAQ)2控制可控制焊接电源3放电0.5～2秒，电弧稳定时摄像机5拍照；此时焊炬7发出的电弧22打在水冷极板9的引导孔 9-3处，引起引导孔9-3内气压的变化，气压变化通过冷凝管传到压力传感器6，压力传感器6将压力信号通过数据采集控制器(DAQ)2传输给计算机系统1并将数据记录下来；

(5)通过高精度手动平移台4微调在如图5所示Y方向或X方向上引导孔9-3的位置，重复步骤(4)测出沿一个方向上连续测量点的电弧压力，汇集整理数据得出电弧压力分布。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于图像对中短时起弧的电弧压力分布测量装置，其特征在于，包括计算机系统、数据采集控制器、可控制焊接电源、高精度手动平移台、摄像机、压力传感器、焊炬、水冷极板、电极；所述水冷极板为中空的箱形结构，其两个相对的壁面分别设置有进水口和出水口，用于使冷却水在所述水冷极板内部循环流动；所述水冷极板的上壁和下壁之间连接有内设引导孔的柱体，所述引导孔贯穿所述水冷极板的上壁和下壁；所述水冷极板的下壁设置有与所述引导孔连通的管螺纹孔，所述管螺纹孔用于连接所述压力传感器的探头；所述水冷极板的下壁设置有用于连接所述电极的普通螺纹孔；

所述计算机系统连接所述数据采集控制器；所述数据采集控制器数据接收端连接所述压力传感器的信号输出端，所述数据采集控制器的信号发出端连接所述可控制焊接电源的信号接收端；所述可控制电源的负极连接所述焊炬，所述焊炬发出的电弧位于所述水冷极板的引导孔上方；所述可控制电源的正极连接所述电极，所述电极连接于水冷极板的下壁；所述压力传感器的冷凝管接头密封连接于所述水冷极板的引导孔下端；所述水冷极板以其下壁固定于所述高精度手动平移台表面；两个所述摄像机在水平上相互垂直的两个方向对准所述水冷极板的引导孔进行拍摄，两个所述摄像机均与所述计算机系统连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于图像对中短时起弧的电弧压力分布测量装置，其特征在于，所述引导孔的直径为0.6mm～0.8mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于图像对中短时起弧的电弧压力分布测量装置，其特征在于，所述水冷极板的下壁两侧分别设置有耳板，用于通过螺钉固定于所述高精度手动平移台的螺纹孔处。

4.一种利用如权利要求1-3中任一项所述装置进行的基于图像对中短时起弧的电弧压力分布测量方法，其特征在于，按照如下步骤进行：

(1)开启所述计算机系统、所述数据采集控制器、所述可控制焊接电源、所述高精度手动平移台、所述摄像机、所述压力传感器；

(2)将所述水冷极板的进水口和出水口分别连接进水管和出水管，保持所述水冷极板内部的冷却水流动；

(3)通过所述计算机系统及所述数据采集控制器控制所述可控制焊接电源放电0.5～2秒，通过所述摄像机观察所述水冷极板的引导孔位置，调节所述高精度手动平移台，使所述水冷极板的引导孔位于所述焊炬发出的电弧中心；

(4)再次通过所述计算机系统及所述数据采集控制器控制所述可控制焊接电源放电0.5～2秒，电弧稳定时所述摄像机拍照；此时所述焊炬发出的电弧打在所述水冷极板的引导孔处，所述引导孔内气压变化通过所述压力传感器和所述数据采集控制器传输给所述计算机系统并记录数据；

(5)通过所述高精度手动平移台在水平上相互垂直的两个方向微调所述引导孔的位置，重复步骤(4)测出沿一个方向上连续测量点的电弧压力，汇集整理数据得出电弧压力分布。