CN109128452A - 一种超高强钢弧焊接缝角度感知方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高强钢弧焊接缝角度感知方法与装置，该装置具体为将内嵌近红外带通滤光片的挡板，聚焦透镜，反射镜片，近红外CCD传感器，接收镜头集成在一个密封的黑盒中。挡板延伸出黑盒下边缘，即所述的近红外带通滤光片后设置1号大焦距透镜，反光镜下加2号大聚焦透镜，将筛选出的近红外光聚焦。近红外CCD传感器与可进行视觉信息图像处理的计算机连接，且CCD接收镜头周围加装挡光隔板。利用上述装置可以实时在线的检测超高强钢厚板对接焊时接缝角度变化，为焊接工艺实时在线的自身调整给出重要依据，实现高效率高质量的焊接目的。

Description

一种超高强钢弧焊接缝角度感知方法与装置

技术领域

本发明涉及一种超高强钢弧焊接缝角度感知方法与装置，属于材料加工检测领域。

背景技术

超高强钢厚板对接焊具有大厚度，材质有高硬度、高强度和高碳当量特征，易产生裂纹、气孔等焊接缺陷，使焊缝成为整体结构件的薄弱点，降低构件的综合性能和使用寿命。

在超高强钢厚板对接焊中，多层多道焊接是目前的主要方法。多层多道焊接中每层焊接过后会造成接缝坡口的形态和接缝角度变化，从而使焊接热输入不规则，造成额外的残余应力。为降低焊缝处的残余应力，使焊接热输入均匀，需要根据接缝角度变化实时调整焊接工艺。从而需要一种超高强钢厚板对接弧焊接缝角度感知方法与装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超高强钢弧焊接缝角度的感知方法与装置。

实现本发明目的提供技术方案如下：

一种超高强钢厚板对接焊接缝角度感知装置，包括黑盒，以及设置在黑盒一侧且中心开槽的电弧弧光挡板，所述的电弧弧光挡板的开槽处设有近红外带通滤光片，在黑盒内靠近近红外带通滤光片处设有用于聚焦通过近红外带通滤光片的近红外光的1号大焦距透镜；黑盒的另一侧设有反射镜，还设有2号大焦距透镜，其位置与反射镜的反射光同轴；黑盒内轴线位置集成有近红外CCD传感器，接收镜头且位于近红外带通滤光片的下方，近红外CCD传感器与能够进行视觉信息图像处理的计算机连接，黑盒位于近红外带通滤光片上设有安装架用于将黑盒固定在焊枪上，且使焊枪产生的弧光通过近红外带通滤光片进入黑盒。

进一步的，挡板中心开槽，槽宽2mm，槽上嵌近红外带通滤光片与1号大焦距透镜。

进一步的，1号大焦距透镜的焦距为20-25mm，接收镜头焦距为10-15mm。

进一步的，近红外带通滤光片的中心波长为800-950nm。

进一步的，挡板上近红外带通滤光片与1号大焦距透镜3同轴，反光镜中心与近红外带通滤光片、1号大焦距透镜中心等高，反射的光线与近红外CCD传感器轴线成10-15°夹角，近红外CCD传感器与接收镜头同轴，反射光线与反射镜下2号大焦距透镜同轴。

进一步的，近红外CCD传感器的接收镜头周围加挡光隔板。

进一步的，黑盒的内壁与挡光隔板使用黑色涂料覆盖。

进一步的，黑盒底部设置透光的防护罩。

提供一种超高强钢厚板对接焊接缝角度感知方法，该方法为：

利用焊接时电弧产生的弧光，经过近红外带通滤光片筛选出近红外光再经1号大焦距透镜聚焦，增强光束后经反光镜、2号大焦距透镜发射到接缝上，用近红外CCD传感器接收图像信号，近红外CCD传感器连接装有专用计算机图像处理软件的计算机，将近红外传感器输出的模拟电信号转换成数字信号并进行相应的信息处理，从而得出照射在图像传感器上的光线移动的角度。

本发明提供超高强钢厚板对接焊接缝角度感知方法，该方法具体为：

步骤一：将弧光挡板中心开槽，镶嵌近红外带通滤光片，槽后设置1号大聚焦透镜，使弧光的近红外波能通过挡板中心槽透出，并通过1号大焦距透镜聚焦增强；

步骤二：将步骤一经过近红外带通滤光片的近红外光通过反射镜反射，并通过2号聚焦透镜聚焦，使其能照射到样件接缝上；

步骤三：将带有近红外带通滤光片的挡板，反射镜，1号大焦距透镜、2号大焦距透镜与近红外CCD传感器、接收镜头集成到一个黑盒中，近红外CCD传感器通过连接杆固定在挡板上；

步骤四：在黑盒底部设置透光的防护罩；

步骤五：将近红外CCD传感器与可进行视觉信息图像处理的计算机连接，将近红外传感器输出的模拟电信号转换成数字信号并进行相应的信息处理，从而得出照射在图像传感器上的光线移动的角度；

步骤六：计算机连接机器人控制器中焊接系统，根据焊接过程接缝角度实时变化做出在线实时的工艺参数调整。

本发明与现有技术装置相比，其显著优点是：

1、采用电弧自传感的方式，使用电弧弧光作为光源，放弃了红外激光器的使用，装置更加简单，操作更方便，有效的实现了资源的高效利用。

2、使用近红外带通滤光片与近红外CCD，实现近红外测量超高强钢厚板对接焊接缝角度变化，测量精度高，可达0.15mm。

3、可测量多种超高强钢弧焊如PMIG、双丝PMIG、熔敷焊、MIG、MAG、TIG、和等离子弧焊等过程超高强钢厚板焊接的接缝角度，适应范围非常宽。

附图说明

图1是本发明超高强钢弧焊接缝角度感知装置的结构示意图。

图2是本发明基于电弧自传感的弧焊机器人智能焊接系统设备示意图。

图3是本发明所用计算机视觉信息图像处理软件的流程图。

其中，黑盒1、安装架2、1号大焦距透镜3、滤光片4、接杆5、挡光板6、板7、反光镜8、2号大聚焦透镜9、近红外CCD传感器10、接收镜头11、防护罩12、计算机13、机器人控制器14、焊枪枪体15、工件16、机器人17、显示器18、数据线19。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体结构及使用方法进行进一步详细说明

结合图1，本发明一种超高强钢弧焊接缝角度感知装置，包括设置在安装架2上的黑盒1与该黑盒1连接的中心开槽内嵌近红外带通滤波4的的挡板7，将近红外CCD传感器10、接收镜头11，焦距为20-25mm的1号大焦距透镜3、焦距为20-25mm的2号大焦距透镜9和反光镜8集成在内壁涂有黑色涂料的黑盒1内。即所述的近红外带通滤光片4后设置1号大焦距透镜3，反光镜8下加2号大聚焦透镜9，将筛选出的近红外光聚焦。其中近红外带通滤光片4中心与1号大焦距透镜3，反光镜8中心等高，且在一条轴线上。光线经过反光镜8反射与近红外CCD传感器10轴线成10-15°夹角，近红外CCD传感器10与接收镜头11同轴，接收镜头焦距为10-15mm，反射光线与2号大焦距透镜9轴线重合。所述的近红外CCD传感器10设置黑色涂料覆盖的挡光板6，近红外CCD传感器10通过连接杆5与挡板7连接固定。黑盒1底部设置透光的防护罩12。所述的近红外CCD传感器10与能够进行视觉信息图像处理的计算机13连接。本发明一种超高强钢弧焊接缝角度感知装置内黑盒1内壁与挡光板6均使用黑色涂料覆盖使接缝、熔池和焊缝外观的反射、辐射杂散光被充分阻隔与吸收。保证了采集图像的清晰。

结合图2，本发明的超高强钢弧焊接缝角度感知装置001采用销柱定位组装安装在焊枪枪体15上。该枪体15安装在连接一个机器人控制器14的机器人17上。

在对工件16的接缝角度进行检测时，焊枪在前，超高强钢弧焊接缝角度感知装置001在后，从接缝尾部检测接缝角度，该超高强钢弧焊接缝角度感知装置001端部引出一组数据线19，数据线19与超高强钢弧焊接缝角度感知装置001的计算机12中的图像采集卡接头相连。计算机12一端连接显示器18，另一端连接机器人控制器14。

结合图3，本发明超高强钢弧焊接缝角度感知装置001采集到的信号通过数据线19传输至计算机12的图像采集卡，再进入计算机系统，专用的视觉信息图像处理软件对采集的信号进行计算机图像处理得出相关信息。经计算可得出接缝角度变化过程。

角度测量原理为依据公式：

式中，y为CCD在靶面上的光点到光轴的距离，f为接收镜头透镜的焦距，为被测接缝角度变化。可见，如果能够通过CCD快速地获得y，则可以求得

具体步骤为：近红外传感CCD接收接缝区域图像，图像信息经由CCD传输到数据采集卡，在传输到装有专用的视觉信息图像处理软件的计算机中，通过计算机的专用的视觉信息图像处理软件对图像进行光心检测，

为避免噪声等对光心位置的影响，对CCD所采集的图像进行高斯滤波处理。能有效地降低噪声，继而可采用边界阈值的方法对光斑进行分割，得到光斑在像面上的分布。通过图像细分，能有效地提高测量系统的分辨率至亚像素级。

按照测量要求，以光斑重心的位置表示光心位置，以图像左上点作为坐标原点，向下建立y轴坐标，向右建立x轴坐标，建立二维平面坐标系。设CCD象元(i,j)对应灰度值为P_i,j，像面上光斑重心为(x,y)。设分割阈值为T，图像尺寸为m×n，则光斑的重心可定义为:

由于对准等因素影响，光斑内部光强分布不均，不易准确提取光心位置。考虑到激光光斑光强的分布的特点，光斑上光强较强的位置更接近光心位置，可采用灰度级作为权值对灰度级进行加权，经灰度级加权的光斑重心改进：

经计算机计算处理得出接缝角度信息，将角度信息输出。输出的信号传输给机器人控制器14在线调整焊接工艺，同时传输给机器人17进行实时焊接操作，获得的接缝角度信息可在显示器17上显示，并存储到指定位置。

Claims (10)

1.一种超高强钢厚板对接焊接缝角度感知装置，其特征在于：包括黑盒(1)，以及设置在黑盒(1)一侧且中心开槽的电弧弧光挡板(7)，所述的电弧弧光挡板(7)的开槽处设有近红外带通滤光片(4)，在黑盒(1)内靠近近红外带通滤光片(4)处设有用于聚焦通过近红外带通滤光片(4)的近红外光的1号大焦距透镜(3)；黑盒(1)的另一侧设有反射镜(8)，还设有2号大焦距透镜(9)，其位置与反射镜(8)的反射光同轴；黑盒(1)内)轴线位置集成有近红外CCD传感器(10)，接收镜头(11)且位于近红外带通滤光片(4)的下方，近红外CCD传感器(10)与能够进行视觉信息图像处理的计算机(12)连接，黑盒(1)位于近红外带通滤光片(4)上设有安装架(2)用于将黑盒固定在焊枪上，且使焊枪产生的弧光通过近红外带通滤光片(4)进入黑盒(1)。

2.根据权利要求1所述的超高强钢厚板对接焊接缝角度感知装置，其特征在于：所述的挡板(7)中心开槽，槽宽2mm，槽上嵌近红外带通滤光片(4)与1号大焦距透镜(3)。

3.根据权利要求2所述的超高强钢厚板对接焊接缝角度感知装置，其特征在于：所述的1号大焦距透镜(3)的焦距为20-25mm，接收镜头焦距为10-15mm。

4.根据权利要求1-3所述的超高强钢厚板对接焊接缝角度感知装置，其特征在于：近红外带通滤光片(4)的中心波长为800-950nm。

5.根据权利要求1-2所述的超高强钢厚板对接焊接缝角度感知装置，其特征在于：挡板(7)上近红外带通滤光片(4)与1号大焦距透镜3同轴，反光镜(8)中心与近红外带通滤光片(4)、1号大焦距透镜(3)中心等高，反射的光线与近红外CCD传感器(10)轴线成10-15°夹角，近红外CCD传感器(10)与接收镜头(11)同轴，反射光线与反射镜(8)下2号大焦距透镜(9)同轴。

6.根据权利要求5所述的超高强钢厚板对接焊接缝角度感知装置，其特征在于：近红外CCD传感器(10)的接收镜头(11)周围加挡光隔板(6)。

7.根据权利要求1所述的超高强钢厚板对接焊接缝角度感知装置，其特征在于：黑盒(1)的内壁与挡光隔板(6)使用黑色涂料覆盖。

8.根据权利要求1或7所述的超高强钢厚板对接焊接缝角度感知装置，其特征在于：黑盒(1)底部设置透光的防护罩(12)。

9.一种超高强钢厚板对接焊接缝角度感知方法，其特征在于：该方法为，

利用焊接时电弧产生的弧光，经过近红外带通滤光片(4)筛选出近红外光再经1号大焦距透镜(3)聚焦，增强光束后经反光镜(8)、2号大焦距透镜(9)发射到接缝上，用近红外CCD传感器(10)接收图像信号，近红外CCD传感器(10)连接装有专用计算机图像处理软件的计算机(13)，将近红外传感器输出的模拟电信号转换成数字信号并进行相应的信息处理，从而得出照射在图像传感器上的光线移动的角度。

10.根据权利要求8所述的超高强钢厚板对接焊接缝角度感知方法，其特征在于，该方法具体为：

步骤一：将弧光挡板(7)中心开槽，镶嵌近红外带通滤光片(4)，槽后设置1号大聚焦透镜(3)，使弧光的近红外波能通过挡板(1)中心槽透出，并通过1号大焦距透镜(3)聚焦增强；

步骤二：将步骤一经过近红外带通滤光片(4)的近红外光通过反射镜(8)反射，并通过2号聚焦透镜(9)聚焦，使其能照射到样件接缝上；

步骤三：将带有近红外带通滤光片(4)的挡板(7)，反射镜(8)，1号大焦距透镜(3)、2号大焦距透镜(9)与近红外CCD传感器(10)、接收镜头(11)集成到一个黑盒(1)中，近红外CCD传感器(10)通过连接杆(5)固定在挡板(7)上；

步骤四：在黑盒底部设置透光的防护罩(12)；

步骤五：将近红外CCD传感器(10)与可进行视觉信息图像处理的计算机(13)连接，将近红外传感器输出的模拟电信号转换成数字信号并进行相应的信息处理，从而得出照射在图像传感器上的光线移动的角度；

步骤六：计算机(13)连接机器人控制器(14)中焊接系统，根据焊接过程接缝角度实时变化做出在线实时的工艺参数调整。