CN106735750B - 一种基于复合式超声相控阵传感器的角焊缝自动跟踪方法 - Google Patents

一种基于复合式超声相控阵传感器的角焊缝自动跟踪方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于复合式超声相控阵传感器的角焊缝自动跟踪方法，主要是应用于自动化焊接专机中，解决其角焊缝的自动跟踪问题，该方法利用复合式超声相控阵传感器进行距离和温度测量，采用MPM‑CC算法以消除温度等因素对测距的影响；在跟踪过程中，复合式超声相控阵传感器固连于焊枪，焊枪上部通过转轴与PID变幅运动器相连，PID变幅运动器计算模块通过收集的采样信号计算出复合式超声相控阵传感器和焊枪需要偏转的角度和移动的距离，通过PID变幅运动器驱动模块驱动PID变幅运动器执行模块，PID变幅运动器执行模块驱动转轴以及十字滑架调整复合式超声相控阵传感器的位置角度，通过算法与硬件的配合完成角焊缝的自动跟踪。

Description

一种基于复合式超声相控阵传感器的角焊缝自动跟踪方法
技术领域
本发明涉及焊接自动化领域，是一种基于复合式超声相控阵传感器的角焊缝自动跟踪方法。
背景技术
对于角焊缝的焊接生产线，我国的自动化水平还不是很高，目前在焊缝自动跟踪领域采用的比较多的方式为摆动电弧跟踪技术、磁控电弧跟踪技术和结构光视觉跟踪技术，其中摆动电弧跟踪技术的噪声大，磨损严重；磁控电弧跟踪技术的设计复杂，需要考虑的因素众多；结构光视觉跟踪技术容易受到弧光的干扰，并且不适合铝合金、镁合金等有色金属焊接过程中的焊缝自动跟踪。相对来说，利用复合式超声相控阵技术进行焊缝跟踪，其抗干扰能力强，无噪声，无磨损，并且传感器的线阵阵元结构简单，激励控制也比较容易，因此采用复合式超声相控阵技术进行角焊缝焊接的自动跟踪，对进一步提高焊接生产的自动化和焊缝跟踪水平有着积极地推动作用。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在解决现在的超声波焊缝跟踪技术控制方面比较复杂，接收信号难度比较大、精确度较低的问题。针对目前仅能跟踪长直焊缝，并且精确度较低，稳定性较低的问题，本发明提出一种基于复合式超声相控阵传感器的角焊缝自动跟踪方法，其特征是：该跟踪方法采用的系统是由复合式超声相控阵传感器、PID变幅运动器和自动跟踪控制器组成，复合式超声相控阵传感器固连于焊枪，焊枪上部通过转轴与PID变幅运动器相连；复合式超声相控阵传感器包括：超声波收发模块、复合式超声相控阵传感器信号采样及处理模块和立体式温度传感器；PID变幅运动器包括：PID变幅运动器执行模块、PID变幅运动器计算模块及PID变幅运动器驱动模块；该方法利用超声波收发模块、立体式温度传感器进行数据采集；该方法利用复合式超声相控阵传感器信号采样及处理模块对采样数据采用MPM-CC算法精确计算焊缝与传感器之间的距离；所述MPM-CC算法中主要包括瑞利积分、Pencil法和温度补偿算法，瑞利积分用于叠加各离散点源的声压，Pencil法用来计算声压在传播过程中的衰减，这两种算法的糅合用于复合式超声相控阵传感器的自动定位，为了在焊接过程中精确计算出复合式超声相控阵传感器与焊缝之间的距离，利用温度补偿算法对原始算法进行精度修正，构建了MPM-CC焊缝跟踪算法；PID变幅运动器计算模块通过获取复合式超声相控阵传感器输出的复合式超声相控阵传感器与焊缝之间的距离，计算出复合式超声相控阵传感器和焊枪需要偏转的角度和移动的距离，通过PID变幅运动器驱动模块驱动PID变幅运动器执行模块，PID变幅运动器执行模块驱动转轴以及十字滑架调整复合式超声相控阵传感器和焊枪的位置角度。根据上述的一种基于复合式超声相控阵传感器的角焊缝自动跟踪方法，复合式超声相控阵传感器是在呈线阵排列的压电晶片。
本发明所述复合式超声相控阵传感器，其特征是：该复合式超声相控阵传感器将嵌入立体式温度传感器的压电晶片以一定的间距呈线阵排列，使发射的超声波束产生干涉偏转聚焦，该立体式温度传感器可监测焊缝坡口与传感器之间的温度场分布情况，构成了嵌入温度传感的新型复合式超声相控阵传感器；该传感器由超声波收发模块、立体式温度传感器和复合式超声相控阵传感器信号采样及处理模块组成；本发明所述的PID变幅运动器是由PID变幅运动器执行模块、PID变幅运动器计算模块、PID变幅运动器驱动模块组成，主要是用于调节传感器的位置角度，以保证传感器发出的超声波能够垂直传输到坡口位置，使复合式超声相控阵传感器能够通过PID变幅运动器处理的信号进行自适应位置角度调整。其特征是：该PID变幅运动器由PID变幅运动器执行模块和PID变幅运动器计算模块及PID变幅运动器驱动模块组成，当工件的角焊缝轨迹发生变化时，根据复合式超声相控阵传感器接收的声波信号通过MPM-CC算法计算得到坡口电信号，PID变幅运动器计算模块计算出需要偏转的角度，并由PID变幅运动器驱动模块驱动执行机构实时智能调整，使超声波垂直入射角焊缝。
本发明所述的用于超声波信号处理的MPM-CC算法，其特征是：MPM-CC算法中主要包括：瑞利积分、Pencil法和温度补偿算法，瑞利积分主要用于叠加各个离散电源的声压，Pencil法主要用来计算超声波在传播过程中声压的衰减情况，这两种算法的糅合可以用于复合式超声相控阵传感器寻找焊缝，但是将该温度补偿算法与之前的两种算法通过方程式糅合在一起构成的MPM-CC算法，可用于精确计算超声波的收发间隔时间，根据超声波在空气中的传播速度和焊接温度对速度的影响系数，通过积分的形式计算得到焊缝与传感器之间的精确距离，新的算法可应用于焊接过程中焊缝的自动跟踪。
本发明所述的利用复合式超声相控阵技术进行焊缝跟踪的具体方法：在角焊缝自动定位跟踪过程中主要分为两个部分，分别是起始点的自动定位，还有就是焊接过程中的自动跟踪。在起始点自动定位时，要求定位精度高，焊枪姿态准确，所以要合理地利用复合式超声相控阵，尽可能多的产生偏转焦点，对焊缝采用多点测量的方式，调整焊枪姿态，具体方法如下：该复合式超声相控阵传感器中含有m个压电晶片组成线型相控阵产生超声波，其中n个一组进行超声波的偏转聚焦，因此该装置会产生m/n个偏转聚焦的焦点作用于焊缝坡口，偏转焦点组成一个动态矩阵，利用瑞利积分将超声探头看成由许多小点源组成的一个整体，超声发射场中各点声压值可通过叠加各离散点源在该点上的声压得到，因为瑞利积分能够解析的问题比较少，所以还需要将瑞利积和Pencil法结合起来对发射声场和声场在不同介质中的传播情况进行计算，两种方法的结合可适用于更多的复杂界面，不仅如此，还需要对气-固界面的声波衰减进行计算，将计算结果反馈到PID变幅运动器，同时PID变幅运动器驱动模块驱动PID变幅运动器执行模块，PID变幅运动器执行模块驱动十字滑架及转轴运动，调整复合式超声相控阵传感器的位置角度；在焊缝自动跟踪过程中，由于焊接过程中产生的热场会影响超声波在空气中的传播速度，所以在本发明中将立体式温度传感器嵌入到超声相控阵传感器中，该立体式温度传感器可以监焊缝与传感器之间的温度场分布梯度及变化情况，通过将温度补偿算法和瑞利积分及Pencil法结合起来，以积分的形式计算，自动补偿因为温度变化产生的声波速度衰减。
本发明的有益效果是：本发明旨在解决工件角焊缝焊接自动化过程中起始点自动定位和焊缝轨迹自动跟踪的问题，提出了一种基于复合式超声相控阵传感器的角焊缝自动定位跟踪的方法。在现有超声相控阵传感器技术的基础上，发明了一种嵌入立体式温度传感器的复合式超声相控阵传感器，并将瑞丽积分以及Pencil法进行融合，得到MPM-CC算法，能对实时采集的信息进行处理并进行焊接轨迹预判，通过距离的精确测定，准确的识别焊缝，PID变幅运动器通过得到的距离信号实时调整复合式超声相控阵传感器的姿态，以达到最好的焊缝识别效果。本发明中设计了全新的传感器和算法，使焊缝的自动跟踪不再受弧光、飞溅和温度的干扰，为全自动化焊缝跟踪打下基础。
附图说明
图1是本发明一种基于复合式超声相控阵传感器的角焊缝自动定位跟踪方法的系统示意图
图中：1-纵向滑架，2-横向滑架，3-PID变幅运动器，4-焊枪，5-复合式超声相控阵传感器，6-转轴
图2是本发明中复合式超声相控阵传感器的内部结构图
图中：7-复合式超声相控阵传感器阵元，8-立体式温度传感器，9-复合式超声相控阵传感器信号处理模块，10-复合式超声相控阵传感器信号采集模块，11-固定装置
图3是PID变幅运动器结构图
图中：12-PID变幅运动器计算模块，13-PID变幅运动器驱动模块，14-PID变幅运动器执行模块
图4是复合式超声相控阵测距原理图
图5是MPM-CC算法工作流程图
具体实施方式
为了更好的表达整个发明的技术方案与有益效果，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。但是，本发明的实施方式不限于此。
实施例1，本发明基于复合式超声相控阵传感器，其中复合式超声相控阵传感器如图2所示，PID变幅运动器如图3所示，该复合式超声相控阵传感器5包括：7-复合式超声相控阵传感器阵元，8-立体式温度传感器，9-复合式超声相控阵传感器信号处理模块，10-复合式超声相控阵传感器信号采集模块，11-固定装置；PID变幅运动器主要包括：12-PID变幅运动器计算模块，13-PID变幅运动器驱动模块，14-PID变幅运动器执行模块，复合式超声相控阵传感器与焊枪4刚性连接，通过导线与变幅运动器相连，PID变幅运动器接收来自于复合式超声相控阵传感器输出的电信号，通过PID变幅运动器计算模块计算出复合式超声相控阵传感器的调整角度，并通过PID变幅运动器执行模块直接驱动转轴和十字滑架调整复合式超声相控阵传感器位置角度。
实施例2，本发明中复合式超声相控阵传感器原理如图4所示，探测器通过一定频率的激励信号激励相阵器阵元，相阵器的阵元为圆环形超声波换能器，在圆环形换能器中间嵌入有立体式温度传感器，该换能器由压电陶瓷制作而成；在超声波发射模式，其压电晶片可以将电信号转换为声波信号，经过阵元组合，将原始每个阵元发射的横波经过偏转聚焦，焦点分布在工件焊缝的监测点附近，经反射的超声波被超声波换能器接收，换能器可以将接收到的超声波信号转换为电信号，其中声波在传输过程中的等效线条如图4中所示，其中每条虚线均是超声波面的法线，通过偏转聚焦形成对应的焦点。嵌入的立体式温度传感器可以记录焊接过程中传感器至焊缝区域的立体温度分布情况；温度变化会影响超声波信号的传输速度，也会影响在气-固界面的反射效果，通过在复合式超声相控阵传感器中嵌入立体式温度传感器，两者同步将采集到的信号传输到复合式超声相控阵传感器信号采集及处理模块，对因为温度变化采用具有温度补偿作用的MPM-CC算法对引起的测距误差进行补偿。
实施例3，本发明基于新的信号计算方法，其算法工作流程图如图5所示，首先对嵌入立体式温度传感器的复合式超声相控阵传感器的阵元进行编码，按照从1,2……N的顺序。在实施例2中我们已经进行叙述，复合式超声相控阵的工作原理是给每个阵元的激励时刻不同，通过对激励设置一定的延时，从而实现超声波束的干涉偏转聚焦，在算法控制当中，我们在采集每个阵元发出超声波所获得的数据的同时也要采集立体式温度传感器测量的立体温度数据；在算法方面，只有接收到第1个阵元的数据，我们才会激励第2个阵元，如果因为某些问题，超声波换能器并未接收到回波，那激励装置将会继续激励第1个阵元，直到换能器接收到数据为止，将采集到的所有数据导入到方程求解，采用MPM-CC算法对数据进行处理得到每个阵元测量得到的精确距离，然后与标准距离和标准位置进行比对，得到传感器的位置偏差信息，也就是焊枪相对于焊缝的偏差信息，若焊缝位于信号的中央位置，则直接输出焊枪按照原来的方向角度前进；若焊缝偏离信号中心位置,或者复合式超声相控阵传感器测量与标准的距离值有偏差，该控制系统便通过PID变幅运动器计算模块计算出复合式超声相控阵传感器即将需要转动的角度和移动的方位与距离，最后通过PID变幅运动器驱动模块驱动PID变幅运动器执行模块，PID变幅运动器执行模块驱动转轴和十字滑架调整复合式超声相控阵传感器的位置角度。

Claims (2)

1.一种基于复合式超声相控阵传感器的角焊缝自动跟踪方法，其特征是：该跟踪方法采用的系统是由复合式超声相控阵传感器、PID变幅运动器和自动跟踪控制器组成，复合式超声相控阵传感器固连于焊枪，焊枪上部通过转轴与PID变幅运动器相连；复合式超声相控阵传感器包括：超声波收发模块、复合式超声相控阵传感器信号采样及处理模块和立体式温度传感器；PID变幅运动器包括：PID变幅运动器执行模块、PID变幅运动器计算模块及PID变幅运动器驱动模块；该方法利用超声波收发模块、立体式温度传感器进行数据采集；利用复合式超声相控阵传感器信号采样及处理模块对采样数据采用MPM-CC算法精确计算焊缝与复合式超声相控阵传感器之间的距离；所述MPM-CC算法中主要包括瑞利积分、Pencil法和温度补偿算法，瑞利积分用于叠加各离散点源的声压，Pencil法用来计算声压在传播过程中的衰减，这两种算法的糅合用于复合式超声相控阵传感器的自动定位，为了在焊接过程中精确计算出复合式超声相控阵传感器与焊缝之间的距离，利用温度补偿算法对原始算法进行精度修正，构建了MPM-CC焊缝跟踪算法；PID变幅运动器计算模块通过获取复合式超声相控阵传感器输出的复合式超声相控阵传感器与焊缝之间的距离，计算出复合式超声相控阵传感器和焊枪需要偏转的角度和移动的距离，通过PID变幅运动器驱动模块驱动PID变幅运动器执行模块，PID变幅运动器执行模块驱动转轴以及十字滑架调整复合式超声相控阵传感器和焊枪的位置角度。
2.根据权利要求1所述的一种基于复合式超声相控阵传感器的角焊缝自动跟踪方法，复合式超声相控阵传感器是在呈线阵排列的压电晶片中嵌入了立体式温度传感器。
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