CN107378200A - 旋转磁场激励下的微间隙焊缝跟踪方法和装置 - Google Patents

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Abstract

电弧传感和接触传感均为直接接触的传感方式，焊缝跟踪精度较低，且不利于实时操作。超声波传感式受噪声干扰比较大，具有不稳定性。视觉传感法虽然跟踪精度高，应用广泛。但是对于焊缝间隙小于0.1mm的紧密对接焊，仍然无法实现准确跟踪。直流恒定磁场下的磁光传感法虽然解决了微间隙焊缝跟踪的问题，但该方法只能对高磁导率焊件的焊缝进行检测跟踪。本发明针对现有跟踪系统的不足，提出了一种旋转磁场激励下的微间隙焊缝跟踪方法和装置,首先利用交叉磁轭形成旋转磁场即复合磁场给具有高低磁导率的焊件焊缝进行励磁，然后利用基于法拉第磁光效应的磁光感器获取焊缝处的磁光图像。

Description

旋转磁场激励下的微间隙焊缝跟踪方法和装置
技术领域
本发明为旋转磁场激励下的微间隙焊缝跟踪方法。主要应用于焊缝的提取，跟踪和实时纠偏，保证良好的焊接质量。首先利用旋转磁场激励装置给具有高(低)磁导率的焊件励磁，通过磁光传感器获取包含焊件焊缝信息的磁光图，然后通过图像处理的方法对焊缝信息进行提取，实现跟踪和纠偏。
背景技术
精确的焊缝跟踪是保证焊接质量的关键，在焊接过程中要保证焊枪始终对正焊缝中心，首先要解决的问题就是准确地提取焊缝的位置信息。目前国内外针对焊缝位置信息提取和跟踪系统主要按着传感器的类别分为：电弧传感，接触传感，超声波传感，视觉传感和恒定磁场下的磁光传感等。其中视觉传感跟踪系统和磁光传感器跟踪系统应用较为广泛。视觉传感跟踪系统包括结构光式，激光扫描式和直接拍摄电弧式三种。结构光式主要是将结构光横跨于焊缝上，由于焊缝处存在间隙使条形结构光发生形变，这种形变被CCD相机拍摄获取，经过图像处理后实时获取焊缝信息进行纠偏，实现跟踪。结构光式也是三种视觉传感法中跟踪精度最高的，但是对于焊缝间隙小于0.1mm的紧密对接焊的条纹不明显，仍然无法实现准确跟踪。直流恒定磁场下的磁光传感法是利用直流恒定磁场激励装置给焊件励磁，然后利用磁光传感器获取焊缝处的磁光图像，经过图像处理后识别焊缝位置实现跟踪，解决了微间隙焊缝的提取和跟踪的难题。但是直流恒定磁场下的磁光传感法只能对高磁导率焊件的焊缝进行检测跟踪，一般也只用于对直线焊缝信息的提取和跟踪，具有一定的局限性。
传统的焊缝跟踪方法都具有一定的局限性。电弧传感和接触传感均为直接接触的传感方式，焊缝跟踪精度较低，且不利于实时操作。超声波传感式受噪声干扰比较大，具有不稳定性。视觉传感法虽然跟踪精度高，应用广泛。但是对于焊缝间隙小于0.1mm的紧密对接焊，仍然无法实现准确跟踪。直流恒定磁场下的磁光传感法虽然解决了微间隙焊缝跟踪的问题，但该方法只能对高磁导率焊件的焊缝进行检测跟踪，一般只用于对直线焊缝信息的提取和跟踪，不能够应用于曲线焊缝，不具有普遍性。
发明内容
本发明针对现有跟踪系统的不足，提出了一种基于旋转磁场激励下的微间隙焊缝跟踪新方法。由于只有磁场方向尽量与焊缝方向垂直，才能最大限度地检测焊缝位置。而直流恒定磁场方向单一，交叉磁轭形成的旋转磁场(复合磁场)的方向复杂，可实现多方向焊缝的检测。首先利用交叉磁轭形成旋转磁场(复合磁场)给具有高(低)磁导率的焊件焊缝进行励磁，然后利用基于法拉第磁光效应的磁光感器获取焊缝处的磁光图像。当一束线偏振光通过具有磁旋光介质时，如果在该介质中沿光传播方向上加一磁感应强度为B的外加磁场，则光通过该介质后,光振动的振动面将发生偏转。由于焊缝处存在间隙形成N,S极，产生漏磁场，而使偏转一定角度的偏振光经过检偏器被COMS相机采集，将磁场变化的信息转换为光强的变化实时成像。然后对包含焊缝信息的磁光图像经过图像处理，提取焊缝信息，实现焊缝跟踪。
本发明提出了一种基于旋转磁场激励下的微间隙焊缝跟踪新方法。由于只有磁场方向尽量与焊缝方向垂直，才能最大限度地检测焊缝位置。而直流恒定磁场方向单一，由两个交叉磁轭形成的旋转磁场(复合磁场)可实现多方向励磁，无论焊缝的方向如何多变，总有某个方向的复合磁场与焊缝垂直。利用交变旋转磁场激励装置给具有高(低)磁导率的曲线焊缝励磁，利用磁光传感器获取包含焊缝位置信息的磁光图，然后利用计算机储存，图像处理，分析和提取焊缝位置信息，反馈给运动控制器进行纠偏，实现准确的焊缝跟踪，保证良好的焊接质量。
本发明具有以下优点：
(1)本发明与现有技术相比，激励装置是两个交叉磁轭形成的旋转磁场(复合磁场)可实现多方向励磁，无论焊缝的方向如何多变，总有某个方向的复合磁场与焊缝垂直。能够利用磁光传感器获取清晰的焊缝信息。
(2)旋转磁场激励下，可以实现具有多方向的焊缝位置的检测和跟踪。
(3)与直流恒定磁场励磁相比，交变旋转磁场激励装置可以实现对具有高(低)磁导率焊件进行励磁，具有普遍性。
(4)本发明使用的励磁装置，通直流，可以形成直流恒定磁场单方向励磁，通交流，可以形成交流旋转磁场多方向励磁。
附图说明
图1.法拉第磁光效应图；
图2.磁光传感器成像原理图；
1-电磁铁，2-聚光镜，3-LED光源，4-起偏器，5-反射镜，6-检偏器，7-CCD成像系统，8-存储设备，9-磁光介质，10-反射面，11-被检测焊件，12-交流线圈。
图3.焊缝与磁场方向示意图；
图4.旋转磁场示意图；
图5.旋转磁场励磁装置；
1.交叉磁轭线圈；2.支架；3.电源开关；4.急停按钮；5.控制台；6.Y向磁轭线圈开关；7.X向磁轭线圈开关；8.Y向线圈频率调节器；9.Y向线圈电压调节器；10.显示器；11.接线口；12.X向线圈电压调节器；13.X向线圈频率调节器；14.顶盖；15.霍尔元件
图6.焊缝跟踪系统简单示意图
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细描述。
本发明应用到了如图1所示的法拉第磁光效应：当一束线偏振光通过具有磁旋光性的介质时，如果在该介质中沿光传播方向上加一磁感应强度为B的外加磁场，则光通过该介质后,光振动的振动面将发生偏转。
本发明应用到的磁光传感器的原理如图2所示：基于法拉第磁光效应，当一束LED光源发出后，经过起偏器转变为一束偏振光。偏振光穿过磁光介质，经磁光薄膜反射面反射。由于光束的传播方向外加磁场存在，光的偏振面将会发生一定的偏转。偏转一定角度的偏振光经过检偏器被COMS相机采集，将磁场变化的信息转换为光强的变化实时成像。
本发明基于法拉第磁光效应，如图3(a)(b)所示，只有磁场方向尽量与焊缝方向垂直，磁场发生的畸变明显，产生的漏磁场较大。包含焊缝信息的磁光图像越清晰，检测到的焊缝位置就越准确。直流恒定磁场方向单一，只适用于直线焊缝跟踪。难以满足焊缝的多方向性。如图4所示，由两个交叉磁轭形成的旋转磁场(复合磁场)可实现多方向励磁，无论焊缝的方向如何多变，总有某个方向的复合磁场与焊缝垂直，使其获取清晰的磁光图，经过图像处理提取焊缝，实现焊缝的跟踪。
旋转磁场由两相相位差为的交变电流产生，结构采用平面交叉式，两个磁轭几何夹角为90度，形成四个磁极横跨焊缝区域，在焊缝上形成围绕磁极交叉点旋转的多方向复合磁场，给焊缝多方向励磁。由于激励装置形成的是交变旋转磁场，所以能够为具有高(低)磁导率的焊件进行励磁，避开了一定的局限性。
本发明应用如图5所示旋转磁场激励装置，该装置可以通直流，作为直流恒定励磁机构使用。也可以通交流，通过8和13频率调节器来调节两个磁轭线圈的相位差，从而产生具有多方向的复合磁场，然后通过15霍尔元件检测磁场大小，并通过显示器显示出电压，频率，相位差，感应磁场强度等相关参数。更好地控制相关参数，使焊件励磁达到最优。
如图6所示，将焊件放置在旋转磁场激励装置上进行励磁，然后利用放置在焊枪前侧方向的磁光传感器获取包含焊缝位置信息的磁光图，利用计算机储存，图像处理，分析和识别焊缝位置信息，反馈给运动控制器进行纠偏，实现准确的焊缝跟踪，保证良好的焊接质量。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种基于旋转磁场激励下的微间隙焊缝跟踪方法，首先利用交叉磁轭形成旋转磁场给具有高低磁导率的焊件焊缝进行励磁，然后利用基于法拉第磁光效应的磁光感器获取焊缝处的磁光图像，利用计算机储存，图像处理，分析和提取焊缝位置信息，反馈给运动控制器进行纠偏，实现准确的焊缝跟踪。
2.根据权利要求1所述的微间隙焊缝跟踪方法，其特征在：偏转一定角度的偏振光经过检偏器被COMS相机采集，将磁场变化的信息转换为光强的变化实时成像。
3.根据权利要求1所述的微间隙焊缝跟踪方法，其特征在：旋转磁场由两相相位差为的交变电流产生，结构采用平面交叉式，两个磁轭几何夹角为90度，形成四个磁极横跨焊缝区域，在焊缝上形成围绕磁极交叉点旋转的多方向复合磁场，给焊缝多方向励磁。
4.一种基于旋转磁场激励下的微间隙焊缝跟踪装置，包括旋转磁场励磁装置、焊枪、磁光传感器、计算机和运动控制器；旋转磁场励磁装置用于对焊件进行励磁；磁光传感器放置在焊枪前侧方向，磁光传感器用于获取包含焊缝位置信息的磁光图；计算机用于储存，图像处理，分析和识别焊缝位置信息；运动控制器利用计算机反馈的焊缝位置信息进行纠偏。
5.根据权利要求4所述的微间隙焊缝跟踪装置，其特征在于：所述旋转磁场激励装置包括：交叉磁轭线圈；支架；电源开关；急停按钮；控制台；Y向磁轭线圈开关；X向磁轭线圈开关；Y向线圈频率调节器；Y向线圈电压调节器；显示器；接线口；X向线圈电压调节器；X向线圈频率调节器；顶盖；霍尔元件。
6.根据权利要求5所述的微间隙焊缝跟踪装置，其特征在于：旋转磁场激励装置可以通直流，作为直流恒定励磁机构使用；也可以通交流，通过频率调节器来调节两个磁轭线圈的相位差，从而产生具有多方向的复合磁场，然后通过霍尔元件检测磁场大小，并通过显示器显示出电压，频率，相位差，感应磁场强度相关参数。
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