CN110640298B - 一种搅拌摩擦焊实时温度场监测系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种搅拌摩擦焊实时温度场监测系统及控制方法，控制系统由搅拌摩擦焊焊机、红外测温系统、焊接工艺辅助计算机、参数调整执行机构、实时温度场显示终端组成，红外测温系统安装在搅拌摩擦焊焊机上用于接头处实时信号监测，并处理成温度场数据输入工艺控制辅助计算机中与数据库进行匹配，判断轴肩下压量参数是否需要调节，并给出对于下压量工艺参数的修正建议；所述参数调整执行机构根据工艺参数修正指令，通过控制主轴上方Z轴微调电机转动，电机带动伸缩推杆伸缩，完成轴肩下压量的调整。一种搅拌摩擦焊实时温度场监测系统的控制方法能够实时在线监测温度场，对轴肩下压量进行实时调控。
Description
技术领域
本发明属于金属材料的焊接技术领域，尤其涉及一种搅拌摩擦焊实时温度场监测系统及控制方法。
背景技术
自搅拌摩擦焊接技术于1991年由英国焊接研究所发明以来，该项技术因其焊接温度低、残余应力小，焊接过程中不产生弧光、烟尘等污染，同时功率输入小，能降低生产成本等特点受到广泛的关注。在搅拌摩擦焊接过程中，由于搅拌头和焊接材料之间的摩擦力是随着轴肩下压量变化的，因此在一定范围内，焊接摩擦产热量与轴肩下压量成相关性。在实际焊接操作中，焊接板材的厚度误差以及工作台表面的平整度等因素均会引起温度峰值与温度场的改变，最终导致焊缝长度方向的接头质量不均匀性增加。因此，如何在焊接过程中实时监测温度场的变化，通过反馈信号的处理实时修正轴肩下压量参数，从而实现对于搅拌摩擦焊缝质量均匀性的控制具有重要的意义。
随着焊接技术的辅助手段快速发展，焊接监测技术发展日趋成熟，但现有技术大多聚焦于如热电偶方式的焊接特征点静态温度循环监测与红外动态焊接温度监测手段，而针对搅拌摩擦焊接温度场实时监测信号的反馈处理与焊接参数的修正调整等方法还没有相关研究。因此，开发一种关于搅拌摩擦焊接温度场的实时测量与参数修正的方法与系统是十分必要的。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种搅拌摩擦焊实时温度场监测系统及控制方法，能够实时在线监测温度场，对轴肩下压量进行实时调控。
一种搅拌摩擦焊实时温度场监测系统，由搅拌摩擦焊焊机、红外测温系统、焊接工艺辅助计算机、参数调整执行机构、实时温度场显示终端组成，所述红外测温系统安装在搅拌摩擦焊焊机上用于焊缝周围温度实时监测，并处理成温度场数据输入工艺控制辅助计算机中与数据库进行匹配，判断轴肩下压量参数是否需要调节，并给出对于下压量工艺参数的修正建议；所述参数调整执行机构根据工艺参数修正指令，通过控制主轴上方Z轴微调电机转动，电机带动伸缩推杆伸缩，完成轴肩下压量的调整。
所述参数调整执行机构包括下压量控制模块、主轴Z轴微调电机以及内嵌在主轴支架内的伸缩推杆，下压量控制模块经主轴支架上航空插座连接的信号线与焊接工艺辅助计算机进行通信，主轴Z轴微调电机由固定架固定在主轴支架上不动，焊接工艺辅助计算机根据修正建议通过控制电动伸缩推杆控制主轴上下移动，间接调整下压量。
所述搅拌摩擦焊焊机的搅拌头前方安装有涂刷装置，所述涂刷装置包括一个装涂料的内腔、两个可替换的软毛刷子，涂料受旋转阀门控制流过刷子均匀地涂刷在焊接材料表面，根据焊接进给方向，焊接材料经过涂刷后表面会形成两条黑色带状区域，作为红外测温系统的温度采集区域；对于待焊接的金属为黑色金属时，可以关闭旋转阀门。
所述红外测温系统作为焊接过程中动态温度场数据采集系统，随主轴支架与搅拌头同步运动，具体包括与主轴支架用螺钉固连的红外温度摄像头和与其红外温度摄像头相连的图像处理器，红外温度摄像头始终对准搅拌头周围黑色区域，焊缝周围红外能量聚焦在红外温度摄像头上并转变为相应的电信号，该电信号经过图像处理器中的放大器和信号处理电路，按照其内部的算法和预先设定的目标发射率校正后转变为被测目标的温度值；红外测温系统将输出实时具体温度数据至焊接工艺辅助计算机用于与数据库匹配，并在实时温度场显示终端显示实时温度场。
所述数据库为焊接前预先输入进计算机中的理想状态下的焊缝区域温度场阈值范围和超出阈值范围后所采用的加大或减小下压量的控制策略，控制策略具体包括：当焊接区域周围温度场数据在阈值范围内，维持当前轴肩下压量参数不变；当温度场数值超过阈值，根据预先设定的控制策略，采用减小轴肩下压量的策略；当焊接区域周围温度场数据低于阈值范围内时，采用增加轴肩下压量的策略。
前述的一种搅拌摩擦焊实时温度场监测系统的控制方法，具体包括以下步骤：
步骤一：按照信号传递顺序连接设备建立搅拌摩擦焊实时温度场监测系统，检查涂刷装置内部涂料是否充足，如充足转到下一步，如缺少涂料及时添加；
步骤二：测试红外温度摄像头是否正常，观察实时温度场显示终端是否有图像及数据输出，如不正常，替换或维修至正常后进行下一步；
步骤三：根据待焊接材料种类、厚度、与之匹配的焊具参数和焊接工艺要求，输入焊接工艺参数，进行搅拌摩擦焊接；
步骤四：当焊接主轴对工件进行下压及进给焊接时，通过前置涂刷装置连续将焊接材料进行黑色表面涂刷，红外测温系统在焊接过程中实时监测温度场并进行信号处理，转换为实时温度场数据，并在温度场实时显示终端构建温度场的实时显示；
步骤五：红外测温系统将实时温度场数据传输至焊接工艺辅助计算机，与其中的数据库阈值进行比对，焊接工艺辅助计算机给出对于下压量工艺参数的修正建议并对参数调整执行机构发出指令：当焊接区域周围温度场数据在阈值范围内，维持当前轴肩下压量参数不变；当温度场数值超过阈值，根据预先设定的工艺规范，采用减小轴肩下压量的策略；当焊接区域周围温度场数据低于阈值范围内时，采用增加轴肩下压量的策略；同时将实时温度场在温度场实时显示终端显示；
步骤六：参数调整执行机构接收焊接工艺辅助计算机的调整指令并下达到设备伺服机构中，对焊机数控系统中已输入的工艺参数进行修正，通过主轴Z轴微调电机以及内嵌在主轴支架内的伸缩推杆改变轴肩下压量参数，形成循环控制以达到连续稳态焊接。
本发明的有益效果是：
(1)本发明中的检测系统是一种新型的搅拌摩擦焊温度监测系统，根据红外测温系统对焊缝周围黑色区域温度的检测以及图像处理器的处理可为焊接工艺参数的调节作为参考，并加入了多种控制策略，使得系统适用于各种材料的焊接；
(2)本发明基于黑体辐射理论，采用温度场数据库匹配算法，较热电偶式测温法更具实时性，能够提高搅拌摩擦焊工艺参数的控制精度；
(3)本发明可通过在线温度场监测、信号采集与处理的协同工作，记录大量的焊接过程中焊缝周围的实际温度场变化信息，进而可计算出焊缝区域的温度变化，有利于搅拌摩擦焊接焊缝区域的温度研究。
附图说明
图1为本发明中搅拌摩擦焊实时温度场监测系统连接示意图；
图2为本发明中红外测温系统的控制方法流程图；
图3为本发明中搅拌摩擦焊焊机局部放大图；
其中，
01-搅拌摩擦焊焊机，02-红外测温系统，03-焊接工艺辅助计算机，04-参数调整执行机构，05-实时温度场显示终端，06-涂刷装置，11-主轴支架，12-主轴，13-搅拌头，21-红外温度摄像头，22-图像处理器，41-下压量控制模块，42-主轴Z轴微调电机，43-伸缩推杆，44-航空插头，61-内腔，62旋转阀门，63-刷子。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明的技术方案和效果作详细描述。
如图1-3所示，一种搅拌摩擦焊实时温度场监测系统，由搅拌摩擦焊焊机01、红外测温系统02、焊接工艺辅助计算机03、参数调整执行机构04、实时温度场显示终端05组成。
所述搅拌摩擦焊焊机01还包括一个安装在搅拌头13前方可连续涂刷黑色涂料的涂刷装置06，所述涂刷装置包括一个装涂料的内腔61、两个可替换的软毛刷子63，涂料受旋转阀门62控制流过刷子均匀地涂刷在焊接材料表面，根据焊接进给方向，焊接材料经过涂刷后表面会形成两条黑色带状区域，作为红外测温系统中红外温度摄像头21的温度采集区域；对于待焊接的金属为黑色金属时，可以关闭旋转阀门62。
所述红外测温系统02作为焊接过程中动态温度场数据采集系统，安装在搅拌摩擦焊焊机01上随主轴支架11与搅拌头13同步运动，具体包括与主轴支架用螺钉固连的红外温度摄像头21和与其红外温度摄像头21相连的图像处理器22，红外温度摄像头21始终对准搅拌头周围黑色区域，焊缝周围红外能量聚焦在红外温度摄像头21上并转变为相应的电信号，该信号经过图像处理器中的放大器和信号处理电路，按照仪器内部的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值；红外测温系统02将输出实时具体温度数据至焊接工艺辅助计算机03用于与数据库匹配，并在实时温度场显示终端05显示实时温度场。
所述数据库为焊接前预先输入进焊接工艺辅助计算机03中的理想状态下的焊缝区域温度场阈值范围，以及超出阈值范围后所采用的加大或减小下压量的控制策略，控制策略具体包括：当焊接区域周围温度场数据在阈值范围内，维持当前轴肩下压量参数不变；当温度场数值超过阈值，根据预先设定的控制策略，采用减小轴肩下压量的策略；当焊接区域周围温度场数据低于阈值范围内时，采用增加轴肩下压量的策略。
所述参数调整执行机构04包括下压量控制模块41、主轴Z轴微调电机42以及内嵌在主轴支架11内的伸缩推杆43，下压量控制模块41由主轴支架11的航空插座44连接信号线与焊接工艺辅助计算机03进行通信，焊接工艺辅助计算机03根据修正建议通过控制电动伸缩推杆43控制主轴12上下移动，间接调整下压量。
所述工艺辅助计算机03用于输入温度数据的处理、比对与决策，将温度场数据与焊接工艺辅助计算机03内数据库中阈值范围比对，判断轴肩下压量参数是否需要调节，且给出对于下压量工艺参数的修正建议。
一种搅拌摩擦焊实时温度场监测系统的控制方法，具体包括以下步骤：
步骤一：按照信号传递顺序连接设备建立搅拌摩擦焊实时温度场监测系统，检查涂刷装置06内部涂料是否充足，如充足转到下一步，如缺少涂料及时添加；
步骤二：测试红外温度摄像头21是否正常，观察实时温度场显示终端05是否有图像及数据输出，如不正常，替换或维修至正常后进行下一步；
步骤三：根据待焊接材料种类、厚度、与之匹配的焊具参数和焊接工艺要求，输入初始焊速v、转速w和下压量h，以及理想状态下的焊缝区域温度场阈值范围和超出阈值范围后所采用的加大或减小下压量的控制策略，将以上数据存入焊接工艺辅助计算机03作为数据库；
步骤四：当焊机主轴12对工件进行下压及进给焊接时，通过前置涂刷装置06连续将焊接材料进行黑色表面涂刷，目的是采用黑体对红外温度摄像头21进行标定，标定完成后由红外温度摄像头21根据黑体辐射理论实时进行温度采集并进行信号处理，建立红外温度摄像头21输出电压与红外温度摄像头21接收的辐射量的关系，绘制出焊缝周围温度场；
步骤五：红外测温系统02将实时温度场数据传输至焊接工艺辅助计算机03，与其中的数据库中温度场阈值进行比对，焊接工艺辅助计算机03给出对于下压量工艺参数的修正建议并对参数调整执行机构04发出指令：当焊接区域周围温度场数据在阈值范围内，维持当前轴肩下压量参数不变；当温度场数值超过阈值，根据预先设定的控制策略，采用减小轴肩下压量的策略；当焊接区域周围温度场数据低于阈值范围内时，采用增加轴肩下压量的策略；同时将实时温度场在温度场实时显示终端显示；
步骤六：参数调整执行机构04接收焊接工艺辅助计算机03的调整指令并下达到设备伺服机构中，对搅拌摩擦焊焊机01的数控系统中已输入的工艺参数进行修正，通过主轴Z轴微调电机42以及内嵌在主轴支架内的伸缩推杆43改变轴肩下压量参数，形成循环控制以达到连续稳态焊接。
Claims (4)
1.一种搅拌摩擦焊实时温度场监测系统，其特征在于：由搅拌摩擦焊焊机、红外测温系统、焊接工艺辅助计算机、参数调整执行机构、实时温度场显示终端组成，所述红外测温系统安装在搅拌摩擦焊焊机上用于焊缝周围温度实时监测，并处理成温度场数据输入焊接工艺辅助计算机中与数据库进行匹配，判断轴肩下压量参数是否需要调节，并给出对于下压量工艺参数的修正建议，并对参数调整执行机构发出指令；所述参数调整执行机构根据工艺参数修正指令，通过控制主轴Z轴微调电机转动，电机带动伸缩推杆伸缩，完成轴肩下压量的调整；
所述搅拌摩擦焊焊机的搅拌头前方安装有涂刷装置，所述涂刷装置包括一个装涂料的内腔、两个可替换的软毛刷子，涂料受旋转阀门控制流过刷子均匀地涂刷在焊接材料表面，根据焊接进给方向，焊接材料经过涂刷后表面会形成两条黑色带状区域，作为红外测温系统的温度采集区域；对于待焊接的金属为黑色金属时，可以关闭旋转阀门；
所述红外测温系统作为焊接过程中动态温度场数据采集系统，随主轴支架与搅拌头同步运动，具体包括与主轴支架用螺钉固连的红外温度摄像头和与其红外温度摄像头相连的图像处理器，红外温度摄像头始终对准搅拌头周围黑色区域，焊缝周围红外能量聚焦在红外温度摄像头上并转变为相应的电信号，该电信号经过图像处理器中的放大器和信号处理电路，按照其内部的算法和预先设定的目标发射率校正后转变为被测目标的温度值；红外测温系统将输出实时具体温度数据至焊接工艺辅助计算机用于与数据库匹配，并在实时温度场显示终端显示实时温度场。
2.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦焊实时温度场监测系统，其特征在于：所述参数调整执行机构包括下压量控制模块、主轴Z轴微调电机以及内嵌在主轴支架内的伸缩推杆，下压量控制模块经主轴支架上的航空插座连接的信号线与焊接工艺辅助计算机进行通信，主轴Z轴微调电机由固定架固定在主轴支架上不动。
3.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦焊实时温度场监测系统，其特征在于：所述数据库为焊接前预先输入进计算机中的理想状态下的焊缝区域温度场阈值范围和超出阈值范围后所采用的加大或减小下压量的控制策略，控制策略具体包括：当焊接区域周围温度场数据在阈值范围内，维持当前轴肩下压量参数不变；当温度场数值超过阈值，采用减小轴肩下压量的策略；当焊接区域周围温度场数据低于阈值范围内时，采用增加轴肩下压量的策略。
4.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦焊实时温度场监测系统的控制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤一：按照信号传递顺序连接设备建立搅拌摩擦焊实时温度场监测系统，检查涂刷装置内部涂料是否充足，如充足转到下一步，如缺少涂料及时添加；
步骤二：测试红外温度摄像头是否正常，观察实时温度场显示终端是否有图像及数据输出，如不正常，替换或维修至正常后进行下一步；
步骤三：输入焊接工艺参数，进行搅拌摩擦焊接；
步骤四：当焊接主轴对工件进行下压及进给焊接时，通过前置涂刷装置连续将焊接材料进行黑色表面涂刷，红外测温系统在焊接过程中实时监测温度场并进行信号处理，转换为实时温度场数据，并在温度场实时显示终端构建温度场的实时显示；
步骤五：红外测温系统将实时温度场数据传输至焊接工艺辅助计算机，与其中的数据库阈值进行比对，焊接工艺辅助计算机给出对于下压量工艺参数的修正建议并对参数调整执行机构发出指令：当焊接区域周围温度场数据在阈值范围内，维持当前轴肩下压量参数不变；当温度场数值超过阈值，根据预先设定的工艺规范，采用减小轴肩下压量的策略；当焊接区域周围温度场数据低于阈值范围内时，采用增加轴肩下压量的策略；同时将实时温度场在温度场实时显示终端显示；
步骤六：参数调整执行机构接收焊接工艺辅助计算机的调整指令并下达到设备伺服机构中，对焊机数控系统中已输入的工艺参数进行修正，通过主轴Z轴微调电机以及内嵌在主轴支架内的伸缩推杆改变轴肩下压量参数，形成循环控制以达到连续稳态焊接。
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| CN110640298A (zh) | 2020-01-03 |
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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