CN110426004A - 一种基于脉冲超声波传感器的熔池形貌获取及动态分析装置 - Google Patents

一种基于脉冲超声波传感器的熔池形貌获取及动态分析装置 Download PDF

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洪波
罗华
秦子濠
邓洁
张智勇
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B17/00—Measuring arrangements characterised by the use of infrasonic, sonic or ultrasonic vibrations
    • G01B17/06—Measuring arrangements characterised by the use of infrasonic, sonic or ultrasonic vibrations for measuring contours or curvatures

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Abstract

本发明公开了一种基于脉冲超声波传感器的熔池图像获取及动态分析装置，它主要针对熔池形貌获取及动态分析的一种基于脉冲超声波传感器的熔池形貌获取及动态分析装置。本发明的技术要点是：它由脉冲超声波发射组、脉冲超声波接收器阵列组、数据处理模块、熔池形貌还原模块、动态控制模块组成。熔池两侧超声波发射器按设定轨迹分别扫描熔池两侧，超声波接收器阵列组接受熔池表面反射的脉冲信号，通过数据处理模块的运算后，提取熔池表面形貌，从而对熔池形貌动态分析；本设计的优点是抗电弧光干扰，节省电路设计，优化结构，同时熔池形貌获取精度高，并且可对熔池形貌进行动态分析。

Description

一种基于脉冲超声波传感器的熔池形貌获取及动态分析装置
技术领域
本发明属于焊接自动控制技术领域，具体涉及一种基于脉冲超声波传感器的熔池形貌获取及动态分析装置。
背景技术
在现代工业生产制造中，焊接技术应用十分广泛，也尤为重要。在焊接自动控制技术领域，熔池形貌获取技术一直以来都是一个难点。各种焊接工艺都有熔池的存在，熔池形貌获取的研究具有广泛的适用性，且熔池形貌获取作为工业生产中较为重要的工艺，有必要研究出具有广泛适用性的一种基于脉冲超声波传感器的熔池形貌获取及动态分析装置，相对于其它熔池形貌获取装置而言，该装置抗电弧光干扰，节省电路设计，优化结构，同时熔池形貌获取精度高，并且可对熔池形貌进行动态分析。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗电弧光干扰，节省电路设计，优化结构，同时熔池形貌获取精度高，并且可对熔池形貌进行动态分析的熔池形貌获取装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：该熔池形貌获取装置，包括脉冲超声波发射组、脉冲超声波接收器阵列组、焊枪固定器、连接杆、脉冲超声波接收器阵列组放置板、数据处理模块、熔池形貌还原模块、动态控制模块组成。所述的焊枪固定器将熔池形貌获取装置固定在焊枪上，连接杆将脉冲超声波发射组与脉冲超声波接收器阵列组放置板装配连接。
更具体的，所述的脉冲超声波传感器的机理特征是；脉冲超声波发射器在熔池上方左右对称放置，每对脉冲超声波发射器工作在垂直熔池方向的同一平面，脉冲超声波发射器在设定的角度内匀速往复运动，同时发射脉冲信号，由脉冲超声波接收器阵列组接受。在脉冲超声波发射器运动中，每次发射信号时信号起始点坐标位置可由计算得出，信号终止点坐标位置可由脉冲超声波接收器阵列组中单个接收器的坐标位置确定，记录每次脉冲信号起始点和终止点的坐标位置，经过数据处理模块得到熔池上各个表面点的坐标位置。
所述的数据处理模块及熔池形貌还原模块：得到脉冲起始点和终止点的坐标位置信息，从而通过几何关系，运用数学方法得到熔池表面各个点坐标位置信息，建立三维直角坐标系，将各个点坐标位置信息放置于三维直角坐标系，通过MATLAB仿真模拟得到熔池形貌。
所述的动态控制模块：所述的脉冲超声波发射组共三对等距离间距的脉冲超声波信号发射器，其中脉冲超声波发射组中间距即决定了熔池形貌可变化时间，通过设定间距大小来控制熔池动态变化中的间隔时间；每对脉冲超声波信号发射器在熔池上放左右对称位置各放置一个，当第一对脉冲超声波发射器扫描过熔池后，在第二对脉冲超声波发射器扫描到第一对脉冲超声波发射器扫描过的熔池之前，第一对脉冲超声波发射器扫描过的熔池形貌会时间而发生变化，此时第二对脉冲超声波发射器扫描过熔池，获得同一区域熔池的不同形貌，同理第三对脉冲超声波发射器在间隔时间后获得与之前两对脉冲超声波发射器不同的熔池形貌；三对脉冲超声波发射器获得的熔池形貌为熔池同一区域不同时刻点的熔池形貌，通过对比可得熔池表面形貌随时间变化的变化情况，同时可以根据熔池变化特征改变设定间距大小来控制熔池动态变化中的间隔时间，从而得到熔池形貌变化动态过程。
所述的熔池图像获取及动态分析装置的特征是：脉冲超声波发射组在垂直熔池方向的平面上往复旋转发射脉冲信号，脉冲信号在熔池表面反射后，通过脉冲超声波接收器阵列组采集不同时刻脉冲信号，记录每次脉冲信号起始点和终止点的坐标位置，经数据处理模块几何关系、运用数学方法确定采集点的坐标信息，再由MATLAB仿真模拟将采集到的信息点曲面重建，然后通过动态控制模块分析不同时段相同区域熔池的表面形貌，得到熔池表面的动态形貌。
附图说明
图1是整体装置结构示意图。
其中图(a)是整体装置工作状态下由下向上视角结构示意图，图(b)是是整体装置工作状态下由上向下视角结构示意图。
图2是外部固定套筒结构示意图。
图3是脉冲超声波接收器阵列组放置板结构置示意图。
图4是熔池单个位置坐标点计算示意图。
在图1中，1、外部固定套筒，2、连接杆，3、脉冲超声波接收器阵列组放置板，4、焊枪固定套筒，5、脉冲超声波发射器，6、脉冲超声波接收器，7、脉冲超声波接收器阵列组放置板定位滑动导轨。
在图4中，a、脉冲发射点与待测点水平方向间距，b、脉冲接受点与待测点水平方向间距，φ、脉冲接受点竖直偏角，脉冲发射点竖直偏角，h1、脉冲发射点竖直高度，h2脉冲接受点竖直高度，s2脉冲发射点与脉冲接受点水平方向间距。
具体实施方式
为了更好地表达整个发明的技术方案与有益效果，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。但是，本发明的实施方式不限于此。
参见图1，图2，图3，所述的一种基于脉冲超声波传感器的熔池形貌获取及动态分析装置。其整体结构由外部固定套筒定位固定，在外部固定套筒上设置了焊枪固定套筒，使整套系统可固定于焊枪上，脉冲超声波接收器位于脉冲超声波接收器阵列组放置板上，同时放置板通过连接杆与脉冲超声波发射器相连，使得脉冲超声波接收器阵列组与脉冲超声波发射器位于同一竖直平面，从而保证了脉冲超声波接收器阵列组能够准确地接受脉冲超声波发射器所发射的脉冲信号。
参见图2，是外部固定套筒结构示意图。在外部固定套筒两侧设置有脉冲超声波接收器阵列组放置板定位滑动导轨，其中三组脉冲信号发射采集装置可以通过脉冲超声波接收器阵列组放置板连接在导轨上滑动定位，所述的脉冲超声波发射组共三对等距离间距的脉冲超声波信号发射器，其中脉冲超声波发射组中间距即决定了熔池形貌可变化时间，通过定位滑动导轨设定间距大小来控制熔池动态变化中的间隔时间；每对脉冲超声波信号发射器在熔池上放左右对称位置各放置一个，当第一对脉冲超声波发射器扫描过熔池后，在第二对脉冲超声波发射器扫描到第一对脉冲超声波发射器扫描过的熔池之前，第一对脉冲超声波发射器扫描过的熔池形貌会随着温度的降低而发生变化，此时第二对脉冲超声波发射器扫描过熔池，获得同一区域熔池的不同形貌，同理第三对脉冲超声波发射器在间隔时间后获得与之前两对脉冲超声波发射器不同的熔池形貌；三对脉冲超声波发射器获得的熔池形貌为熔池同一区域不同时刻点的熔池形貌，通过对比可得熔池表面形貌随时间变化的变化情况，同时可以根据熔池变化特征改变设定间距大小来控制熔池动态变化中的间隔时间，即在某个时刻点获取的是熔池在此刻熔池单个平面形貌特征，在某个时间段获取的是熔池在此时间段脉冲超声波发射器扫描过熔池部分的三维形貌特征，对三组脉冲信号发射采集装置所采集的三组三维形貌特征进行数据处理和形貌分析，从而得到熔池形貌变化动态过程。
参见图3，是脉冲超声波接收器阵列组放置板结构置示意图。脉冲超声波接收器在放置板上阵列摆放，选用体积小精度高的脉冲超声波接收器，使各个脉冲超声波接收器在摆放中紧密相连(图3仅为示意图，以文字说明为准)，从而使得脉冲超声波接收器在接受到脉冲信号时，能确定接受点坐标位置。
参见图4，是熔池单个位置坐标点计算示意图，每次测量单个位置点时以脉冲超声波接收点正下方为坐标原点。
通过几何关系可知：
可得：
b＝s1-a ⑥
则可测得单个位置坐标点为(h2-bcosφ，bsinφ)
其中a、b、φ、h1、h2、s1、s2都为已知量。
其中s1是整个过程脉冲超声波走过的路程，s1＝t·v，v＝340m/s(声波速度)，t为脉冲超声波从发射到接受的反应时间。
通过以上计算得到熔池单个位置坐标点。

Claims (3)

1.一种基于脉冲超声波传感器的熔池形貌获取及动态分析装置，该装置由脉冲超声波发射组、脉冲超声波接收器阵列组、数据处理模块、熔池形貌还原模块、动态控制模块组成，其特征是：脉冲超声波发射组在垂直熔池方向的平面上往复旋转发射脉冲信号，通过脉冲超声波接收器阵列组采集不同时刻脉冲信号，经数据处理模块确定采集点的坐标信息，再由图像还原模块将采集到的信息点曲面重建，然后通过动态控制模块分析不同时段相同区域熔池的表面形貌，得到熔池表面的动态形貌。
2.根据权利1所述的一种基于脉冲超声波传感器的熔池形貌获取及动态分析装置，其特征是：脉冲超声波发射组在熔池上方左右两边放置三组对称脉冲超声波发射器，脉冲超声波发射器在垂直熔池方向的平面上往复旋转发射脉冲信号，脉冲超声波接收器阵列组依次接收脉冲信号，得到脉冲起始点和终止点的坐标位置信息，从而通过几何关系，运用数学方法得到熔池表面各个点坐标位置信息，通过数据还原模块还原熔池形貌。
3.根据权利1所述的一种基于脉冲超声波传感器的熔池形貌获取及动态分析装置，其动态控制模块特征是：所述的脉冲超声波发射组共三对等距离间隔的脉冲超声波信号发射器，每对脉冲超声波信号发射器在熔池上放左右对称位置各放置一个；当第一对脉冲超声波发射器扫描过熔池后，获得第一个时间段的熔池形貌，熔池形貌会随着时间而发生变化，当第二对脉冲超声波发射器扫描过熔池，获得第二个时间段熔池形貌，同理第三对脉冲超声波发射器获得第三个时间段的熔池形貌；三对脉冲超声波发射器获得的熔池形貌为熔池同一位置不同时刻点的熔池形貌，通过对比可得熔池表面形貌随时间变化的变化情况，其中，可以通过改变脉冲超声波发射组之间的距离间隔控制每组扫描时间，从而更为精确地得到熔池形貌变化动态过程。
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