CN109967845B - 一种机器人弧焊过程电弧光谱同步采集装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机器人弧焊过程电弧光谱同步采集装置及方法，采集装置包括机器人控制系统、氩弧焊系统和数据采集系统；本发明可以在全角度多方位的空间位置上采集电弧光谱信息，同时实现能够在数量上自由调整滤光片数和在滤波上自由搭配滤光片组合，达到焊丝头、滤光镜和光纤采集端口处于统一轴线上，避免自然光的干扰。焊枪上的固定件可拆卸更换，可适应不同的焊枪、陶瓷喷嘴的尺寸。在焊接过程中采集装置实时随焊枪移动，两者之间相对静止，同时空间位置不变，确保采集到的光谱信息原始准确，具有稳定性更强，采集的范围更大，时间更长，对于电弧焊接过程中焊接缺陷和成形缺陷的形成和演变，电弧焊接质量的在线检测有重要的实际意义。
Description
技术领域
本发明属于焊接设备及工艺领域，具体涉及一种机器人弧焊过程电弧光谱同步采集装置及方法。
背景技术
随着我国工业智能制造的快速发展，对基于传感信息的焊接过程质量检测提出了更高的要求。电弧发射光谱作为焊接过程中最丰富的信号源，具有信息丰富、非接触测量等优良特性。它不仅包含了焊材中的金属元素，还囊括了氮、氢、氧等气体成分，与电弧等离子体内部电子温度、粒子密度和成分等微观状态以及焊接质量等宏观状态联系密切，是反映电弧本质行为的重要信息，实时获取其数据信息对在线监测焊接质量有重大意义。然而，现有的机器人焊接系统不具备实时获取电弧光谱信息的条件。
发明内容
本发明的目的在于实时获取机器人电弧焊接过程中的电弧光谱信息，针对现有的光谱检测装置和检测方法的不足，提供一种机器人焊接过程中电弧弧光采集的机械固定和调整装置及采集方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种机器人弧焊过程电弧光谱同步采集装置，包括机器人控制系统、氩弧焊系统和数据采集系统；
所述机器人控制系统包括控制柜和机器人，控制柜与机器人相连并操控机器人；
所述氩弧焊系统包括焊机、焊枪、作业基板、送丝机、保护气罐和水箱，所述焊机分别与焊枪、送丝机、保护气罐和水箱相连，焊枪在作业基板上执行焊接操作；
所述数据采集系统包括滤光片固定装置、滤光片、光纤、光谱仪、计算机、控制箱和数据采集器，所述滤光片设置于滤光片固定装置内，所述滤光片固定装置固定安装于焊枪上使滤光片与焊枪相对位置固定，所述光纤一端与滤光片固定装置相连，另一端与光谱仪相连，所述计算机分别与光谱仪、控制箱及(机器人)控制柜相连，所述控制箱与焊机、数据采集器相连。
在上述技术方案中，所述滤光片固定装置包括水平滑杆、垂直滑杆、夹环、第一夹块、第二夹块、紧固螺栓、滤光筒、压光片和光纤固定嘴，所述水平滑杆一端与夹环固定连接，且沿垂直方向开槽(使垂直滑杆在槽内水平滑动，用于调节滤光片与枪头之间的距离)；所述垂直滑杆沿水平方向开槽(用于插入紧固螺栓，调节滤光片的高度)，且底部形成有用于安装滤光筒的环形结构；所述第一夹块和第二夹块分别安装在水平滑杆的两侧并通过紧固螺栓连接，用于水平滑杆、垂直滑杆相对位置的固定；滤光筒与光纤固定嘴对接后安装于所述垂直滑杆的环形结构内，滤光筒向外一侧安装有用于限位滤光片的压光片。
在上述技术方案中，所述保护气罐内装有纯氩气。
在上述技术方案中，所述的焊枪为自动TIG焊枪。
在上述技术方案中，所述夹环由相对称的两部分独立结构组成而成，二者夹持在焊枪的枪体上，并通过第一连接螺栓和第二连接螺栓连接固定。
在上述技术方案中，所述压光片边缘形成有凸块，滤光筒向外一侧形成有与凸块相匹配的凹槽。
在上述技术方案中，所述水平滑杆的长度为180-260mm，垂直滑杆的长度为120-180mm。
在上述技术方案中，所述滤光筒的厚度为1-2mm。
在上述技术方案中，所述水平滑杆、垂直滑杆、滤光筒、压光件，光纤固定嘴材料选用耐热的绝缘材料或耐热的轻质金属(铝及铝合金、镁及镁合金等)。
一种机器人弧焊过程电弧光谱同步采集方法，按照下述步骤进行；
步骤一：光纤固定装置通过卡扣与焊枪相连；光纤固定装置与光纤采集一端相连；光纤与光谱仪相连；光谱仪通过USB连接线与计算机相连。
步骤二：选择合适数量的滤光片和不同滤光效果的滤光片组合，调整水平滑杆和垂直滑杆使其达到合适的位置，打开焊机、光谱仪和计算机，通过机器人操作面板编写焊接程序，开始焊接。
步骤三：光谱仪将采集到的光谱信号转换成电信号，经过A/D转换，储存在计算机中。
在上述方案中，所述滤光片固定装置随焊枪一同移动，两者之间相对静止，同时空间位置不变。
本发明的优点和有益效果为：本发明的采集方法与采集装置和现有采集电弧光光谱采集的机械固定和调整装置及方法最大的不同是在于，本发明所提出的采集装置和采集方法可以保证多钨极端部、滤光镜和光纤采集端口处于统一轴线上，在全角度多方位的空间位置上采集电弧光谱信息，同时实现能够在数量上自由调整滤光片数和在滤波上自由搭配滤光片组合，实现感兴趣谱段提取。焊枪上的固定件可拆卸更换，可适应不同的焊枪、陶瓷喷嘴的尺寸。在焊接过程中采集装置实时随焊枪移动，两者之间相对静止，同时空间位置不变，确保采集到的光谱信息不受采集距离影响。该同步采集装置及方法具有稳定性强、采集范围可调、实时性好等优点，对于理解电弧焊接过程中焊接缺陷的形成和演变、实现电弧焊接质量的在线检测有重要的实际意义。
附图说明
图1是一种机器人弧焊过程电弧光谱同步采集装置连接示意图。
图2是滤光片固定装置立体结构示意图。
图3是滤光片固定装置俯视结构示意图。
图4是滤光片固定装置侧视结构示意图。
图5是滤光片固定装置装配示意图。
图6是焊接模式下焊接5A06铝合金得到的焊缝表面形貌图。
图7是焊接模式下焊接5A06铝合金得到的焊缝表面形貌图。
图8是焊接模式下焊接5A06铝合金利用本发明电弧焊焊接过程中电弧光光谱采集的机械固定和调整装置采集到的电弧光谱信息图，图中x轴表示焊缝长度(mm)，y轴表示谱段范围(nm)，z轴是相对强度0到16000，无量纲。
其中：1为焊枪，2为夹环，3为第一连接螺栓，4为枪头，5为第二连接螺栓，6为水平滑杆，7为垂直滑杆，8为第一夹块，9为第二夹块，10为紧固螺栓，11为光纤，12为光纤固定嘴，13为压光片，14为滤光筒，15为控制柜，16为送丝机，17为机器人，18为机器人控制系统，19为焊机，20为保护气罐，21为水箱，22为焊枪，23为作业基板，24为氩弧焊系统，25为数据采集系统，26为滤光片，27为滤光片固定装置，28为光谱仪，29为光纤，30为计算机，31为控制箱，32为数据采集器。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
一种机器人弧焊过程电弧光谱同步采集装置，包括机器人控制系统、氩弧焊系统和数据采集系统；
所述机器人控制系统包括控制柜和机器人，控制柜与机器人相连并操控机器人；
所述氩弧焊系统包括焊机、焊枪、作业基板、送丝机、保护气罐和水箱，所述焊机分别与焊枪、送丝机、保护气罐和水箱相连，焊枪在作业基板上执行焊接操作；所述的焊枪为自动TIG焊枪。所述保护气罐内装有纯氩气。
所述数据采集系统包括滤光片固定装置、滤光片、光纤、光谱仪、计算机、控制箱和数据采集器，所述滤光片设置于滤光片固定装置内，所述滤光片固定装置固定安装于焊枪上使滤光片与焊枪相对位置固定，所述光纤一端与滤光片固定装置相连，另一端与光谱仪相连，所述计算机分别与光谱仪、控制箱及(机器人)控制柜相连，所述控制箱与焊机、数据采集器相连。
实施例2
一种滤光片固定装置，包括水平滑杆、垂直滑杆、夹环、第一夹块、第二夹块、紧固螺栓、滤光筒、压光片和光纤固定嘴；水平滑杆用于调整光纤头距离焊接电弧的水平距离。垂直滑杆用于调整光纤头的竖直方向上的位置，使光纤采集头、滤光片与焊接电弧弧光区域处于同轴心的统一水平线上，保证采集的光谱信息完整全面。所述水平滑杆的长度为180-260mm，垂直滑杆的长度为120-180mm。所述水平滑杆一端与夹环固定连接，且沿垂直方向开槽(使垂直滑杆在槽内水平滑动，用于调节滤光片与枪头之间的距离)；所述垂直滑杆沿水平方向开槽(用于插入紧固螺栓，调节滤光片的高度)，且底部形成有用于安装滤光筒的环形结构；所述第一夹块和第二夹块分别安装在水平滑杆的两侧并通过紧固螺栓连接，用于水平滑杆、垂直滑杆相对位置的固定；滤光筒与光纤固定嘴对接后安装于所述垂直滑杆的环形结构内，所述滤光筒的厚度为1-2mm。滤光筒向外一侧安装有用于限位滤光片的压光片。所述压光片边缘形成有凸块，滤光筒向外一侧形成有与凸块相匹配的凹槽。滤光筒采用漏斗形可以屏蔽光纤周围自然光，保证使用过程中滤光片不因机器震动原因发生歪斜，使得由于滤光不彻底造成采集到错误的光谱信息，同时实现能够自由调整滤光片数和自由搭配滤光片组合，以获得原始准确的期望光谱信息。所述夹环由相对称的两部分独立结构组成而成，二者夹持在焊枪的枪体上，并通过第一连接螺栓和第二连接螺栓连接固定。为方便多次使用和光谱采集的稳定，滤光片固定装置中的水平滑杆、垂直滑杆、滤光筒、压光件，光纤固定嘴选用金属材料，优选铝、镁，即将整个光谱采集固定装置用金属材料进行制备，防止焊接过程中由于高温导致装置受热变形，同时由于选用轻质金属材料，也减轻了偏心载荷对焊枪对中性的影响。
实施例3
本发明实施例的设备采用OTC公司的交直流两用双重逆变控制脉冲焊机AVP-500，板厚4mm，光谱仪型号为HR4000 UV-NIR，焊接方法为GTAW，保护气为纯氩气，气流量为25L/min。材料选用5A06铝合金，所选焊接参数如表1所示。
表1
| 脉冲频率 | 峰值电流 | 基值电流 | 占空比 | 焊接速度 | 送丝速度 | 电极直径 |
| 1Hz | 240A | 50A | 50％ | 3mm/s | 10mm/s | 3.2mm |
实验步骤如下：
步骤一：光纤固定装置通过卡扣与焊枪相连；光纤固定装置与光纤采集一端相连；光纤与光谱仪相连；光谱仪通过USB连接线与计算机相连。
步骤二：选择合适数量的滤光片和不同滤光效果的滤光片组合，调整水平滑杆和垂直滑杆使其达到合适的位置，打开焊机、光谱仪和计算机，通过机器人操作面板编写焊接程序，开始焊接。
步骤三：光谱仪将采集到的光谱信号转换成电信号，经过A/D转换，储存在计算机中。
在实验过程汇总，反应滤光片固定装置随焊枪一同移动，两者之间相对静止，同时空间位置不变。
利用上述焊接方法和工艺参数得到的焊缝都表现出如附图6、7所示的表面形貌。由图中可以得出焊缝长230mm，宽12mm。
利用上述焊接方法和工艺参数采集到的电弧光谱信息如附图8所示，图中x轴表示焊缝长度(mm)，y轴表示谱段范围(nm)，z轴是相对强度0到16000，无量纲，由图中得到200-1100nm波长段的光谱数据。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种机器人弧焊过程电弧光谱同步采集装置，其特征在于：包括机器人控制系统、氩弧焊系统和数据采集系统；所述机器人控制系统包括控制柜和机器人，控制柜与机器人相连并操控机器人；所述氩弧焊系统包括焊机、焊枪、作业基板、送丝机、保护气罐和水箱，所述焊机分别与焊枪、送丝机、保护气罐和水箱相连，焊枪在作业基板上执行焊接操作；所述数据采集系统包括滤光片固定装置、滤光片、光纤、光谱仪、计算机、控制箱和数据采集器，所述滤光片设置于滤光片固定装置内，所述滤光片固定装置固定安装于焊枪上使滤光片与焊枪相对位置固定，所述光纤一端与滤光片固定装置相连，另一端与光谱仪相连，所述计算机分别与光谱仪、控制箱及控制柜相连，所述控制箱与焊机、数据采集器相连；
所述滤光片固定装置包括水平滑杆、垂直滑杆、夹环、第一夹块、第二夹块、紧固螺栓、滤光筒、压光片和光纤固定嘴，所述水平滑杆一端与夹环固定连接，且沿垂直方向开槽；所述垂直滑杆沿水平方向开槽，且底部形成有用于安装滤光筒的环形结构；所述第一夹块和第二夹块分别安装在垂直滑杆的两侧并通过紧固螺栓连接，用于水平滑杆、垂直滑杆相对位置的固定；滤光筒与光纤固定嘴对接后安装于所述垂直滑杆的环形结构内，滤光筒向外一侧安装有用于限位滤光片的压光片；所述夹环由相对称的两部分独立结构组成，二者夹持在焊枪的枪体上，并通过第一连接螺栓和第二连接螺栓连接固定；所述压光片边缘形成有凸块，滤光筒向外一侧形成有与凸块相匹配的凹槽。
2.根据权利要求1所述的一种机器人弧焊过程电弧光谱同步采集装置，其特征在于：所述水平滑杆的长度为180—260mm，垂直滑杆的长度为120—180mm。
3.根据权利要求1所述的一种机器人弧焊过程电弧光谱同步采集装置，其特征在于：所述滤光筒的厚度为1—2mm。
4.根据权利要求1所述的一种机器人弧焊过程电弧光谱同步采集装置，其特征在于：所述水平滑杆、垂直滑杆、滤光筒、压光件，光纤固定嘴材料选用耐热的绝缘材料或耐热的轻质金属。
5.根据权利要求1所述的一种机器人弧焊过程电弧光谱同步采集装置，其特征在于：所述保护气罐内装有纯氩气。
6.根据权利要求1所述的一种机器人弧焊过程电弧光谱同步采集装置，其特征在于：所述的焊枪为自动TIG焊枪。
7.利用如权利要求1—6中任意一项所述的一种机器人弧焊过程电弧光谱同步采集装置进行机器人弧焊过程电弧光谱同步采集的方法，其特征在于，按照下述步骤进行：
步骤一：光纤固定装置通过卡扣与焊枪相连；光纤固定装置与光纤采集一端相连；光纤与光谱仪相连；光谱仪通过USB连接线与计算机相连；
步骤二：选择不同数量的滤光片和不同滤光效果的滤光片组合，调整水平滑杆和垂直滑杆使其达到合适的位置，打开焊机、光谱仪和计算机，通过机器人操作面板编写焊接程序，开始焊接；
步骤三：光谱仪将采集到的光谱信号转换成电信号，经过A/D转换，储存在计算机中。
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