CN107127432A - 基于焊工调节的铝合金mig焊熔透控制系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于焊工调节的铝合金MIG焊熔透控制系统与控制建模方法，铝合金MIG焊熔透控制系统包括熔透图像检测系统、焊接系统、参数控制与存储系统，铝合金MIG焊控制建模方法如下：标定熔透图像检测系统，并在图像上标出设定熔池尺寸；焊工观察熔池图像，调节焊接参数保证背面熔透均匀性；导出焊接参数与熔池尺寸存储数据，建立焊接参数变化与熔池尺寸变化的动态模型；将建立的动态模型应用于铝合金MIG焊熔透控制过程；本发明方法将焊工调节过程引入到控制器设计中，无需进行传统焊接控制器设计所需的焊接过程动态建模、仿真与控制器调试，具有设计过程简单、可操作性强的优点，为铝合金MIG焊实时熔透控制提供了可靠的技术支撑。
Description
技术领域
本发明属于焊接过程控制技术领域，具体涉及一种基于焊工调节的铝合金MIG焊熔透控制系统与控制建模方法。
背景技术
铝合金MIG焊是在惰性气体保护下，利用焊丝与铝合金工件间建立电弧以熔化母材与焊丝的一种焊接方法。焊接时，惰性保护气体从喷嘴中喷出，可以对熔池及其周围母材进行保护，从而获得优良的焊缝成形。目前，铝合金MIG焊是轨道交通领域铝合金车体焊接的优选方法。
在铝合金MIG焊过程中，由于铝合金工件散热条件、坡口间隙、加工精度等因素的干扰，纵使采用恒定规范焊接，也难以保证背面熔透的均匀性。为解决这一难题，常采用背面视觉检测与焊接参数自动调整控制的方法。但焊接参数调整过程需要设计控制器，控制器设计包括焊接过程动态建模、控制器仿真、控制试验参数调整等一系列复杂的过程，不仅对控制器设计人员的理论水平要求高，而且过程耗时量大。反观手工焊接过程，焊工观察熔池，根据熔池的尺寸大小实时调整焊接参数，保证熔透的一致性。如果能将焊工手工焊接调节过程引入到控制过程，将有效地解决传统控制器设计对人员要求高、过程耗时量大的难题。因此，有必要探索一种新型的基于焊工调节的铝合金MIG焊熔透控制系统与控制建模方法。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于解决铝合金MIG焊熔透控制过程中传统控制器设计对人员的理论水平要求高、过程耗时量大的问题，提供一种基于焊工调节的铝合金MIG焊熔透控制系统与控制建模方法。
为实现上述发明目的，本发明提供一种基于焊工调节的铝合金MIG焊熔透控制系统，包括：熔透图像检测系统、焊接系统、参数控制与存储系统；
所述熔透图像检测系统包括工业摄像机、计算机、与计算机连接的显示器，工业摄像机与计算机连接；
所述焊接系统包括焊接电源、控制模块、焊件夹持平台，焊接电源的地线与焊件夹持平台连接，控制模块与焊接电源、计算机连接；
所述参数控制与存储系统包括熔透图像显示模块、焊接参数调节模块、焊接参数存储模块、熔池尺寸存储模块；
所述工业摄像机安装在焊件夹持平台背面，用于采集MIG焊枪正下方铝合金工件背面熔透图像，采集图像信号传输到计算机中，并在显示器上进行显示；所述控制模块发出电压模拟量信号控制焊接电源的焊接参数，控制模块发出开关量输出信号控制焊接电源的起弧与熄弧；所述熔透图像显示模块用于熔池背面图像的实时显示与图像处理；所述焊接参数调节模块用于焊工对焊接参数的调节与控制；所述焊接参数存储模块用于对调节的焊接参数波形进行采集与存储；所述熔池尺寸存储模块用于存储检测的背面熔池尺寸参数。
作为优选方式，所述熔透图像检测系统还包括外加光源，外加光源安装在焊件夹持平台背面，用于铝合金背面熔池的照明，便于在工业摄像机采集的熔透图像中区分铝合金熔池与母材。
作为优选方式，所述工业摄像机的轴线与MIG焊枪的轴线位于XOZ平面内，且工业摄像机的轴线与Z轴的夹角为15-25°。夹角设定在这个角度范围内既可以防止焊漏对工业摄像机的干扰，又能避免采集图像区域大面积难以聚焦的现象。
作为优选方式，所述控制模块为USB或PCI数据采集卡。
作为优选方式，所述参数控制与存储系统的建立是在Microsoft visual studio环境中利用对话框按钮功能编程实现。
作为优选方式，所述焊接参数调节模块包括焊接电流调节模块与焊接电压调节模块。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种利用上述基于焊工调节的铝合金MIG焊熔透控制系统的控制建模方法，包括如下步骤：
(1)工业摄像机观察MIG焊枪正下方的铝合金焊件坡口背面，通过坐标标定，获得实际背面图像检测区域的像素比例因子，在图像显示区域用直线条标记设定的背面熔池尺寸Ws。
(2)开启焊接电源，MIG焊接方法进行铝合金工件焊接，熔透图像检测系统检测铝合金背面熔池信号，在显示器上实时显示图像，图像处理算法实时计算熔池检测尺寸Wd，焊工观察图像上的背面熔池，并与设定的背面熔池尺寸Ws比较，根据熔池尺寸误差E＝Wd-Ws变化的大小与快慢，焊工点击显示器上的焊接参数调节模块，保证铝合金背面熔透的均匀性。
(3)焊接结束后，根据焊接参数存储模块与熔池尺寸存储模块，导出焊接参数与熔池尺寸数据，将焊接参数与熔池尺寸去均值化，利用最小二乘法建立背面熔池尺寸变化ΔW(k)与焊接参数变化ΔF(k)的动态模型关系式：
ΔF(k)＝a1ΔF(k-1)+a2ΔF(k-2)+···+amΔF(k-m)+b1ΔF2(k-1)+b2ΔF2(k-2)+···+bnΔF2(k-n)+c1ΔW(k-1)+c2ΔW(k-2)+···+cpΔW(k-p)+d1ΔW2(k-1)+d2ΔW2(k-2)+···+dqΔW2(k-q)
其中，a1,a2,…,am,b1,b2,…,bn,c1,c2,…,cp,d1,d2,…,dq为模型系数，m,n,p,q为模型结构参数，k为采样时刻。
(4)将焊工调节过程建立的铝合金背面熔池尺寸变化与焊接参数变化的动态模型关系式作为控制器，并用于后续铝合金熔透控制试验中。
作为优选方式，步骤(1)中所述坐标标定是将图像像素坐标转为二维平面坐标，标定工具采用已知尺寸的平面模板或钢尺。
作为优选方式，步骤(2)中所述MIG焊接方法为脉冲MIG焊。
作为优选方式，步骤(2)中所述图像处理算法包括中值滤波、Sobel边缘检测、Hough变换拟合，中值滤波对背面熔池图像进行去噪滤波，Sobel边缘检测用于背面熔池尺寸边缘提取，Hough变换拟合对提取的边缘进行去噪拟合。
作为优选方式，步骤(3)中背面熔池尺寸变化与焊接参数变化的动态模型关系式的建立是通过matlab编程实现的。
与现有技术相比，本发明方法的有益效果为：本发明方法设计了一种基于焊工调节的铝合金MIG焊熔透控制系统与控制建模方法，焊工观察采集的背面熔透图像，根据背面熔池尺寸的大小，实时调整焊接参数，通过记录焊工调节的焊接参数变化，建立背面熔池尺寸变化与焊接参数变化的动态模型。本发明方法无需进行焊接过程动态建模、仿真与控制器设计，具有设计过程简单、可操作性强的优点，为铝合金MIG焊实时熔透控制提供了可靠的技术支撑。
附图说明
图1是基于焊工智能的铝合金MIG焊熔透控制系统示意图；
图2是采集的铝合金MIG焊背面熔透图像；
图3是焊工调节的铝合金MIG焊背面焊缝成形。
其中，1为MIG焊枪，2为焊件夹持平台，3为铝合金工件，4为焊接电源，5为工业摄像机，6为外加光源，7为控制模块，8为计算机，9为显示器，10为熔透图像显示模块，11为焊接参数调节模块，12为焊接参数存储模块，13为熔池尺寸存储模块，14为焊工。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例
如图1所示，一种基于焊工调节的铝合金MIG焊熔透控制系统，包括：熔透图像检测系统、焊接系统、参数控制与存储系统，所述熔透图像检测系统包括工业摄像机5、计算机8、与计算机8连接的显示器9，工业摄像机5与计算机8连接；所述焊接系统包括焊接电源4、控制模块7、焊件夹持平台2，焊接电源4的地线与焊件夹持平台2连接，控制模块7与焊接电源4、计算机8连接；所述参数控制与存储系统包括熔透图像显示模块10、焊接参数调节模块11、焊接参数存储模块12、熔池尺寸存储模块13；所述工业摄像机5安装在焊件夹持平台2背面，用于采集MIG焊枪1正下方铝合金工件3背面熔透图像，采集图像信号通过USB接口传输到计算机8中，并在显示器9上进行显示；所述控制模块7发出电压模拟量信号控制焊接电源4的焊接参数，控制模块7发出开关量输出信号控制焊接电源4的起弧与熄弧；所述熔透图像显示模块10用于熔池背面图像的实时显示与图像处理；所述焊接参数调节模块11用于焊工14对焊接参数的调节与控制；所述焊接参数存储模块12用于对调节的焊接参数波形进行采集与存储；所述熔池尺寸存储模块13用于存储检测的背面熔池尺寸参数。
所述熔透图像显示模块10、焊接参数调节模块11、焊接参数存储模块12、熔池尺寸存储模块13都是在Microsoft visual studio软件环境中利用对话框按钮功能编写的模块，模块通过C++程序语句编程实现。
所述熔透图像检测系统还包括外加光源，外加光源安装在焊件夹持平台背面，用于铝合金背面熔池的照明，便于在工业摄像机采集的熔透图像中区分铝合金熔池与母材。
所述工业摄像机轴线与MIG焊枪轴线位于XOZ平面内，且工业摄像机轴线与Z轴的夹角为15-25°。夹角设定在这个角度范围内既可以防止焊漏对工业摄像机的干扰，又能避免采集图像区域大面积难以聚焦的现象。
所述控制模块为USB或PCI数据采集卡。
所述焊接参数调节模块包括焊接电流调节模块与焊接电压调节模块。
本实施例还提供一种利用上述基于焊工调节的铝合金MIG焊熔透控制系统的控制建模方法，包括如下步骤：
(1)工业摄像机观察MIG焊枪正下方的铝合金焊件坡口背面，通过坐标标定，获得实际背面图像检测区域的像素比例因子，在图像显示区域用直线条标记设定的背面熔池宽度Ws。
(2)开启焊接电源，脉冲MIG焊接方法进行铝合金工件焊接，MIG焊枪静止，步进电机驱动的丝杠带动焊件夹持平台运动，熔透图像检测系统检测铝合金背面熔池信号，在显示器上实时显示图像，采集的铝合金MIG焊背面熔透图像如图2所示，图像处理算法实时计算熔池检测宽度Wd，焊工观察图像上的背面熔池，并与设定的背面熔池宽度Ws比较，根据熔池宽度误差E＝Wd-Ws变化的大小与快慢，焊工点击显示器上的焊接电流调节模块，保证铝合金背面熔透的均匀性。
(3)焊接结束后，根据焊接参数存储模块与熔池尺寸存储模块，导出焊接电流与熔池宽度数据，将焊接电流与熔池宽度去均值化，利用最小二乘法建立背面熔池宽度变化ΔW(k)与焊接电流变化ΔF(k)的动态模型关系式：
ΔF(k)＝a1ΔF(k-1)+a2ΔF(k-2)+···+amΔF(k-m)+b1ΔF2(k-1)+b2ΔF2(k-2)+···+bnΔF2(k-n)+c1ΔW(k-1)+c2ΔW(k-2)+···+cpΔW(k-p)+d1ΔW2(k-1)+d2ΔW2(k-2)+···+dqΔW2(k-q)
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(4)将焊工调节过程建立的铝合金背面熔池宽度变化与焊接电流变化的动态模型关系式作为控制器，并用于后续铝合金熔透控制试验中，焊工调节的铝合金MIG焊背面焊缝成形如图3所示。
所述步骤(1)中所述坐标标定是将图像像素坐标转为二维平面坐标，标定工具采用已知尺寸的平面模板或钢尺。
所述步骤(2)中所述图像处理算法包括中值滤波、Sobel边缘检测、Hough变换拟合，中值滤波对背面熔池图像进行去噪滤波，Sobel边缘检测用于背面熔池尺寸边缘提取，Hough变换拟合对提取的边缘进行去噪拟合。
所述步骤(3)中背面熔池宽度变化与焊接电流变化的动态模型关系式的建立是通过matlab编程实现的。
上述步骤的试验平台：焊接电源为松下400GE2型焊机，步进电机驱动的丝杠带动焊件夹持平台运动。铝合金母材为6061型铝合金，板厚4mm，焊丝型号为5356，丝材直径1.2mm，试验工艺参数为：初始平均电流130A，电弧电压20V，焊接速度7mm/s，保护气为纯氩，气体流量25L/min。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (11)
1.一种基于焊工调节的铝合金MIG焊熔透控制系统，其特征在于，包括：熔透图像检测系统、焊接系统、参数控制与存储系统；
所述熔透图像检测系统包括工业摄像机(5)、计算机(8)、与计算机(8)连接的显示器(9)，工业摄像机(5)与计算机(8)连接；
所述焊接系统包括焊接电源(4)、控制模块(7)、焊件夹持平台(2)，焊接电源(4)的地线与焊件夹持平台(2)连接，控制模块(7)与焊接电源(4)、计算机(8)连接；
所述参数控制与存储系统包括熔透图像显示模块(10)、焊接参数调节模块(11)、焊接参数存储模块(12)、熔池尺寸存储模块(13)；
所述工业摄像机(5)安装在焊件夹持平台(2)背面，用于采集MIG焊枪(1)正下方铝合金工件(3)背面熔透图像，采集图像信号传输到计算机(8)中，并在显示器(9)上进行显示；所述控制模块(7)发出电压模拟量信号控制焊接电源(4)的焊接参数，控制模块(7)发出开关量输出信号控制焊接电源(4)的起弧与熄弧；所述熔透图像显示模块(10)用于熔池背面图像的实时显示与图像处理；所述焊接参数调节模块(11)用于焊工(14)对焊接参数的调节与控制；所述焊接参数存储模块(12)用于对调节的焊接参数波形进行采集与存储；所述熔池尺寸存储模块(13)用于存储检测的背面熔池尺寸参数。
2.根据权利要求1所述的基于焊工调节的铝合金MIG焊熔透控制系统，其特征在于：熔透图像检测系统还包括外加光源(6)，外加光源(6)安装在焊件夹持平台(2)背面，用于铝合金背面熔池的照明。
3.根据权利要求1所述的基于焊工调节的铝合金MIG焊熔透控制系统，其特征在于：工业摄像机(5)的轴线与MIG焊枪(1)的轴线位于XOZ平面内，且工业摄像机(5)的轴线与Z轴的夹角为15-25°。
4.根据权利要求1所述的基于焊工调节的铝合金MIG焊熔透控制系统，其特征在于：控制模块(7)为USB或PCI数据采集卡。
5.根据权利要求1所述的基于焊工调节的铝合金MIG焊熔透控制系统，其特征在于：参数控制与存储系统的建立是在Microsoft visual studio环境中利用对话框按钮功能编程实现。
6.根据权利要求1所述的基于焊工调节的铝合金MIG焊熔透控制系统，其特征在于：焊接参数调节模块(11)包括焊接电流调节模块与焊接电压调节模块。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的基于焊工调节的铝合金MIG焊熔透控制系统的控制建模方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)工业摄像机观察MIG焊枪正下方的铝合金焊件坡口背面，通过坐标标定，获得实际背面图像检测区域的像素比例因子，在图像显示区域用直线条标记设定的背面熔池尺寸Ws；
(2)开启焊接电源，MIG焊接方法进行铝合金工件焊接，熔透图像检测系统检测铝合金背面熔池信号，在显示器上实时显示图像，图像处理算法实时计算熔池检测尺寸Wd，焊工观察图像上的背面熔池，并与设定的背面熔池尺寸Ws比较，根据熔池尺寸误差E＝Wd-Ws变化的大小与快慢，焊工点击显示器上的焊接参数调节模块，保证铝合金背面熔透的均匀性；
(3)焊接结束后，根据焊接参数存储模块与熔池尺寸存储模块，导出焊接参数与熔池尺寸数据，将焊接参数与熔池尺寸去均值化，利用最小二乘法建立背面熔池尺寸变化ΔW(k)与焊接参数变化ΔF(k)的动态模型关系式：
ΔF(k)＝a1ΔF(k-1)+a2ΔF(k-2)+···+amΔF(k-m)+b1ΔF2(k-1)+b2ΔF2(k-2)+···+bnΔF2
(k-n)+c1ΔW(k-1)+c2ΔW(k-2)+···+cpΔW(k-p)+d1ΔW2(k-1)+d2ΔW2(k-2)+···+dqΔW2(k-q)；
其中，a1,a2,…,am,b1,b2,…,bn,c1,c2,…,cp,d1,d2,…,dq为模型系数，m,n,p,q为模型结构参数，k为采样时刻；
(4)将焊工调节过程建立的铝合金背面熔池尺寸变化与焊接参数变化的动态模型关系式作为控制器，并用于后续铝合金熔透控制试验中。
8.根据权利要求7所述的基于焊工调节的铝合金MIG焊熔透控制系统的控制建模方法，其特征在于步骤(1)中所述坐标标定是将图像像素坐标转为二维平面坐标，标定工具采用已知尺寸的平面模板或钢尺。
9.根据权利要求7所述的基于焊工调节的铝合金MIG焊熔透控制系统的控制建模方法，其特征在于：步骤(2)中所述MIG焊接方法为脉冲MIG焊。
10.根据权利要求7所述的基于焊工调节的铝合金MIG焊熔透控制系统的控制建模方法，其特征在于步骤(2)中所述图像处理算法包括中值滤波、Sobel边缘检测、Hough变换拟合，中值滤波对背面熔池图像进行去噪滤波，Sobel边缘检测用于背面熔池尺寸边缘提取，Hough变换拟合对提取的边缘进行去噪拟合。
11.根据权利要求7所述的基于焊工调节的铝合金MIG焊熔透控制系统的控制建模方法，其特征在于步骤(3)中背面熔池尺寸变化与焊接参数变化的动态模型关系式的建立是通过matlab编程实现的。
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