CN109807434A - 一种多元焊接传感信息监测及控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多元焊接传感信息监测及控制系统，包括：传感器模块，采集焊接设备焊接过程中电压电流数据、声音数据、图像数据和位姿数据；控制模块；PLC模块(9)，与控制模块连接，实现数模转换；数据采集卡模块，与控制模块和传感器模块连接，实现模数转换；隔离模块(8)，隔离焊接设备与PLC模块(9)；延时模块(6)，在开始焊接的设定时长内断开焊接设备与数据采集卡模块的连接。与现有技术相比，本发明同时采用多传感特征提取与多信息融合技术，实现实时的焊接质量监测，并实现反馈控制。

Description

一种多元焊接传感信息监测及控制系统及方法

技术领域

本发明涉及焊接和自动控制领域，尤其是涉及一种多元焊接传感信息监测及控制系统及方法。

背景技术

焊接的质量控制，是焊接技术的关键。要实现焊接过程质量的精确控制，首先需要获得描述焊接状态的准确信息。而焊接过程是一个多变量、非线性、时变的强耦合过程，焊接过程中伴随着强烈的声、光、电、强电磁等强干扰因素，单种传感器在获得全面的、有效的反映焊接过程状态的信息方面都存在一定的不足之处，获得的都是描述焊接过程状态的某一方面的信息，不能全面准确的对焊接过程状态进行描述。而多传感器显然能采集更多的信息，采用多传感器获得相应的信息，进行信息处理和融合能够实现对焊接质量的精确可靠控制。基于上述原因，已有专家针对焊缝跟踪提出基于多信息融合的监控技术，例如发表于《船舰电子工程》上的《基于多传感器信息融合的焊缝跟踪系统设计》，但是本篇文章并未自己搭建一个完整的控制系统，只是给出了软件控制算法，且相应的信息融合算法是最优加权与递推最小二乘法相结合的多传感器融合算法，属于特征层融合，不如决策层融合更精确。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多元焊接传感信息监测及控制系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种多元焊接传感信息监测及控制系统，包括：

传感器模块，用于采集焊接设备焊接过程中电压电流数据、声音数据、图像数据和位姿数据；

控制模块；

PLC模块，与控制模块连接，用于实现数模转换；

数据采集卡模块，与控制模块和传感器模块分别连接，用于实现模数转换；

隔离模块，用于隔离焊接设备与PLC模块；

延时模块，在开始焊接后的设定时长内，使焊接设备与数据采集卡模块之间的连接断开，用于延时保护。

所述的延时模块包括延时继电器。

所述的传感器模块包括电流电压传感器、电荷耦合器、声音传感器及位姿传感器。

所述的控制模块包括工控机。

所述的数据采集卡模块包括40000Hz的第一数据采集卡和200Hz的第二数据采集卡，所述的第一数据采集卡采集声音传感器数据，所述的第二数据采集卡采集电流电压传感器数据。

所述的控制模块与PLC模块之间采用Modbus TCP通信方式。

所述的控制模块与PLC模块通过USB接口连接。

一种使用如权利要求1所述的多元焊接传感信息监测及控制系统进行焊接监测与控制的方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1：所述的传感器模块获取焊接设备焊接过程中数据并传送给控制模块；

步骤S2：所述的控制模块对步骤S1得到的数据进行去噪、特征提取、特征降维与选择，并经由特征-焊接质量映射模型处理，得到实时焊接质量；

步骤S3：所述的控制模块根据步骤S2得到的实时焊接质量计算控制数据，并传送给焊接设备，继而控制电压电流、材料运送速度、焊接速度与位姿。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明包括延时模块，在焊接设备启动时可起到保护电路作用。

(2)将送焊接设备和控制模块整合起来，有效实现对焊接过程准确地监控和实时控制；能采集到焊接声音，图像，电流，电压信息，实现对焊接质量的预测和判断。

(3)从硬件到软件模块化，自主搭建，可控制成本，应用广泛。

(4)对传感器得到的数据进行去噪、特征提取、特征降维与选择，并经由特征-焊接质量映射模型处理，得到实时焊接质量，决策层融合更为精确。

(5)控制模块与传感器模块通过USB接口连接，速度快，标准统一。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为可编程逻辑控制器、控制模块、机器人工作流程图；

图3为实时获取焊接质量流程示意图；

图4为本发明监测与控制方法流程图；

附图标记：

1为工控机；2为第一数据采集卡；3为第二数据采集卡；4为声音传感器；5为电流电压传感器；6为延时模块；7为焊机；8为隔离模块；9为可编程逻辑控制器；10为送丝机；11为机器人；12为电荷耦合器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

一种多元焊接传感信息监测及控制系统，包括：

传感器模块，采集焊接设备焊接过程中电压电流数据、声音数据、图像数据和位姿数据；

控制模块；

PLC模块9，与控制模块连接，实现数模转换；

数据采集卡模块，与控制模块和传感器模块连接，实现模数转换；

隔离模块8，隔离焊接设备与PLC模块9；

延时模块6，在开始焊接的设定时长内断开焊接设备与数据采集卡模块的连接。

延时模块6包括延时继电器。

传感器模块包括电流电压传感器5、电荷耦合器12、声音传感器4及位姿传感器。

控制模块包括工控机1。

数据采集卡模块包括40000Hz的第一数据采集卡2和200Hz的第二数据采集卡3；第一数据采集卡2采集声音传感器4数据，第二数据采集卡3采集电流电压传感器5数据。

控制模块与PLC模块9之间采用Modbus TCP通信方式。

控制模块与PLC模块9通过USB接口连接。

如图4所示，一种使用多元焊接传感信息监测及控制系统进行焊接监测与控制的方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1：传感器模块获取焊接设备焊接过程中数据后传送给控制模块；

步骤S2：控制模块对步骤S1得到的数据进行去噪、特征提取、特征降维与选择，并经由特征-焊接质量映射模型处理，得到实时焊接质量；

步骤S3：控制模块根据步骤S2得到的焊接质量计算控制数据，并传送给焊接设备继而控制电压电流、材料运送速度、焊接速度与位姿。

如图1所示，本实施例结构主要包含以下部件：可编程逻辑控制器(ProgrammableLogic Controller，PLC)模块、隔离模块8、延时模块6、传感器模块、数据采集卡模块、控制模块。焊接设备包括机器人11、焊机7、送丝机10；传感器模块包括电流电压传感器5、声音传感器4、电荷耦合器12(Charge Coupled Device，CCD)和集成在机器人11上位姿传感器；控制模块包括工控机1；工控机1可以通过Modbus TCP协议将电流控制信号和送丝速度控制信号传递给PLC模块9，PLC模块9输出模拟量信号，经由隔离模块8分别传送到焊机7和送丝机10中，实现电流和送丝速度的控制。声音传感器4可将采集到的声音信号传入第一数据采集卡2(40000Hz)中，经过模数转换后上传至工控机1。CCD可将采集的熔池图像传入工控机1。电流电压传感器5可以采集焊接时的电流电压信号传入第二数据采集卡3(200Hz)，经过模数转换后上传至工控机1。焊枪搭载在机械臂上，机器人11作为运动机构控制焊枪运动的速度及位姿，工控机1与机器人11通过Robot Interface通讯，可实现运动速度控制及机器人11位姿信息的读取。延时模块6在这里起到保护电路的作用，焊机7起弧方式为非接触式起弧，刚起弧时会伴随高频高压，延时模块6会在起弧时2s内断开，保护部分电路不受高频的干扰，待高频阶段结束后闭合。

如图2所示，信号采集及监测、控制的流程是先进行Modbus通讯接口和机器人11通讯接口的初始化，然后工控机1作为Modbus client访问作为Modbus server的PLC模块9，发出信号通过对PLC模块9寄存器的读写实现对送丝速度和焊接电流的实时监测和控制。工控机1也可以作为Modbus client访问机器人11的开放接口，发出信号通过对机器人11寄存器的读写实现焊接速度和焊枪姿态的实时的监测和控制，发出信号连接焊机7实现焊接的起弧，工控机1通过第二数据采集卡3获得焊接电流电压的信息，通过第一数据采集卡2获得声音信息，电荷耦合器12获取图像信息，进一步监测焊接电流信号，若起弧，继续采集，继续实时监控整个焊接过程。否则，停止采集。

如图3所示，采集与处理熔池图像信息、电流电压信息和电弧声音信息，不同的信号经过信号去噪，特征分析，特征提取，特征降维与选择后，交由特征-焊接质量映射模型，得出焊接质量及焊接缺陷的预测结果。

本专利将送丝机10、焊机7、机器人11和工控机1的整合起来，有效实现对焊接过程准确地监控，并且能采集到焊接声音，图像，电流，电压信息。同时实现对焊接质量的预测和判断。从硬件到软件模块化，自主搭建，可控制成本，应用广泛。

同时该系统可嵌入焊接诊断型专家系统与焊接质量评估型专家系统，实时处理采集的焊接过程多传感数据，发现焊接过程异常或设备故障并及时报警。该系统可将传感数据处理与压缩上传至工业web云并录入数据库中，从而实现焊接过程信息管理以及焊接质量的监控。

Claims (8)

1.一种多元焊接传感信息监测及控制系统，其特征在于，包括：

传感器模块，用于采集焊接设备焊接过程中电压电流数据、声音数据、图像数据和位姿数据；

控制模块；

PLC模块(9)，与控制模块连接，用于实现数模转换；

数据采集卡模块，与控制模块和传感器模块分别连接，用于实现模数转换；

隔离模块(8)，用于隔离焊接设备与PLC模块(9)；

延时模块(6)，在开始焊接后的设定时长内，使焊接设备与数据采集卡模块之间的连接断开，用于延时保护。

2.根据权利要求1所述的一种多元焊接传感信息监测及控制系统，其特征在于，所述的延时模块(6)包括延时继电器。

3.根据权利要求1所述的一种多元焊接传感信息监测及控制系统，其特征在于，所述的传感器模块包括电流电压传感器(5)、电荷耦合器(12)、声音传感器(4)及位姿传感器。

4.根据权利要求1所述的一种多元焊接传感信息监测及控制系统，其特征在于，所述的控制模块包括工控机(1)。

5.根据权利要求1所述的一种多元焊接传感信息监测及控制系统，其特征在于，所述的数据采集卡模块包括40000Hz的第一数据采集卡(2)和200Hz的第二数据采集卡(3)，所述的第一数据采集卡(2)采集声音传感器(4)数据，所述的第二数据采集卡(3)采集电流电压传感器(5)数据。

6.根据权利要求1所述的一种多元焊接传感信息监测及控制系统，其特征在于，所述的控制模块与PLC模块(9)之间采用Modbus TCP通信方式。

7.根据权利要求1所述的一种多元焊接传感信息监测及控制系统，其特征在于，所述的控制模块与PLC模块(9)通过USB接口连接。

8.一种使用如权利要求1所述的多元焊接传感信息监测及控制系统进行焊接监测与控制的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤S1：所述的传感器模块获取焊接设备焊接过程中数据并传送给控制模块；

步骤S2：所述的控制模块对步骤S1得到的数据进行去噪、特征提取、特征降维与选择，并经由特征-焊接质量映射模型处理，得到实时焊接质量；

步骤S3：所述的控制模块根据步骤S2得到的实时焊接质量计算控制数据，并传送给焊接设备，继而控制电压电流、材料运送速度、焊接速度与位姿。