CN110842347B - 一种搅拌摩擦焊参数检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种搅拌摩擦焊参数检测装置及方法涉及一种用于搅拌摩擦焊中检测搅拌头下压量、搅拌头倾角和焊缝偏差值的装置及方法，目的是为了克服现有搅拌摩擦焊参数检测装置在检测多个参数时冗杂，可靠性低的问题，其中搅拌摩擦焊参数检测装置，包括传感器支架，为圆环状，传感器支架套装于搅拌头外部，且传感器支架的支架中轴与搅拌头的搅拌头中轴位于同一条直线上；旋转电机，用于带动传感器支架以支架中轴为旋转轴进行旋转；激光测距传感器固定于传感器支架侧壁，该激光测距传感器所发射的激光束与搅拌头中轴平行，激光测距传感器用于测得焊接工件上的检测点与激光测距传感器的距离；码盘传感器位于旋转电机上，用于测得检测点的二维位置信息。

Description

一种搅拌摩擦焊参数检测装置及方法
技术领域
本发明涉及一种焊接参数检测装置及方法，具体涉及用于搅拌摩擦焊中检测搅拌头下压量、搅拌头倾角和焊缝偏差值的装置及方法。
背景技术
搅拌摩擦焊是一种新型固相焊接技术，与电弧焊相比，具有焊接变形小、缺陷少、残余应力小和生产效率高等优势，已经广泛应用于航空航天、船舶制造和轨道列车等领域。为实现高质量、高效率焊接，搅拌摩擦焊过程往往需要对一些关键参数进行闭环控制，如下压量控制、倾角控制和焊缝跟踪等。因此需要一些传感器对相应的参数进行检测。
在中国专利《搅拌摩擦焊焊缝间隙测量方法》(公开号为CN105571502B、公开日为2019-08-09)中主要是通过激光等光源和相机组成的视觉传感系统对搅拌摩擦焊焊缝进行识别；
在中国专利《基于激光测距和姿态反馈的搅拌摩擦焊具及倾角调节方法》(公开号为CN106077940B、公开日为2018-02-23)中所提出的搅拌摩擦焊的下压量和焊具姿态的检测方式是采用四个激光器和四个姿态传感器分别检测焊具四周的高度变化和姿态变化，进而计算下压量和焊具姿态；
但是如果要同时进行焊缝、下压量和焊具姿态的检测，需要将上述各个检测装置安装在焊具上，不仅会使整个焊接装置变得非常冗杂，增加设备成本，更重要的是降低了装置可靠性。
同时，中国专利《基于高精度激光测距传感的恒压入量控制搅拌摩擦焊方法》(公开号为CN 108031968 A、公开日为2018-05-15)中利用了激光测距技术检测下压量，但是检测装置随焊具旋转，受焊具转速的影响，限制了该设备的使用范围。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有搅拌摩擦焊参数检测装置在检测多个参数时冗杂，可靠性低的问题，提供了一种搅拌摩擦焊参数检测装置及方法。
本发明的一种搅拌摩擦焊参数检测装置，包括激光测距传感器、码盘传感器、传感器支架和旋转电机；
传感器支架为圆环状，该传感器支架套装于搅拌头外部，且传感器支架的支架中轴与搅拌头的搅拌头中轴位于同一条直线上；
旋转电机，用于带动传感器支架以支架中轴为旋转轴进行旋转；
激光测距传感器固定于传感器支架侧壁，该激光测距传感器所发射的激光束与搅拌头中轴平行，激光测距传感器用于测得焊接工件上的检测点与激光测距传感器的距离；检测点为激光束与焊接工件表面的交点；
码盘传感器位于旋转电机上，该码盘传感器用于测得检测点的二维位置信息。
本发明的一种搅拌摩擦焊参数检测装置的参数检测方法，方法包括搅拌头倾角检测方法，步骤如下：
步骤一、建立空间直角坐标系，建立空间直角坐标系的方法如下：
步骤一一、在一个检测周期中，设位于搅拌头前进方向后端的激光束形成线段AD、位于搅拌头前进方向前端的激光束形成线段BC，且A点和B点位于焊接工件上、C点和D点分别为激光束在前端的发射端点和激光束在后端的发射端点；
步骤一二、以线段CD与搅拌头中轴的交点为空间直角坐标系原点、直线CD的方向为空间直角坐标系x轴方向、搅拌头中轴方向为空间直角坐标系z轴方向，空间直角坐标系y轴方向垂直于xoz平面；
步骤二、利用码盘传感器获得检测点的二维位置信息、以及利用激光测距传感器获取高度信息，通过有效的检测点拟合焊接工件上表面在空间直角坐标系上的平面方程ax+by+cz+d＝0；有效的检测点为激光束与焊接工件表面未加工区域的交点；
步骤三、通过平面方程ax+by+cz+d＝0得到焊接工件表面的法向量(a,b,c)，法向量(a,b,c)与空间直角坐标系z轴之间的夹角θ即为搅拌头倾角。
其中，方法还包括焊缝偏差值检测方法，步骤如下：
步骤四一、得到搅拌头前进方向所在直线EF；
步骤四二、在一个检测周期中，激光测距传感器在焊缝位置测得一个高度信息峰值，高度信息峰值对应检测点在拟合工件平面的投影点与直线EF的距离即为焊缝偏差值。
其中，方法还包括下压量检测方法，步骤如下：
步骤五一、求得A点坐标；
步骤五二、计算A点坐标到平面方程的距离即为下压量。
本发明的有益效果是：
(1)基于激光测距原理，能够在仅使用一台激光测距传感器的情况下，对焊接过程中的下压量、搅拌头的倾角和焊缝位置信息进行实时检测，实现高质量、高效率焊接；
(2)仅采用了激光测距技术，减少了检测设备的数量，降低了检测装置的复杂度，大大提高了焊接参数检测装置的集成度和可靠性，降低了设备成本。
附图说明
图1为本发明的一种搅拌摩擦焊参数检测装置的主视结构示意图；
图2为本发明的一种搅拌摩擦焊参数检测装置的结构示意图；
图3为本发明的一种搅拌摩擦焊参数检测方法中建立空间直角坐标系的原理示意图；其中，焊接工件上箭头表示搅拌头前进方向；
图4为本发明的一种搅拌摩擦焊参数检测方法中建立空间直角坐标系的抽象原理示意图；其中圆点所构成的椭圆为有效的检测点在焊接工件表面形成的轨迹；
图5为本发明的一种搅拌摩擦焊参数检测方法中检测搅拌头倾角的抽象原理示意图；
图6为本发明的一种搅拌摩擦焊参数检测方法中检测焊缝偏差值的抽象原理示意图；
图7为本发明的一种搅拌摩擦焊参数检测方法中检测下压量抽象原理示意图；
图8为本发明的一种搅拌摩擦焊参数检测装置的部分电气结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种搅拌摩擦焊参数检测装置，包括激光测距传感器1、码盘传感器2、传感器支架3和旋转电机4；
传感器支架3为圆环状，该传感器支架3套装于搅拌头5外部，且传感器支架3的支架中轴与搅拌头5的搅拌头中轴位于同一条直线上；
旋转电机4，用于带动传感器支架3以支架中轴为旋转轴进行旋转；
激光测距传感器1固定于传感器支架3侧壁，该激光测距传感器1所发射的激光束与搅拌头中轴平行，激光测距传感器1用于测得焊接工件6上的检测点与激光测距传感器1的距离；检测点为激光束与焊接工件6表面的交点；
码盘传感器2位于旋转电机4上，该码盘传感器2用于测得检测点的二维位置信息。
具体地，如图1、图2和图8所示，搅拌摩擦焊的搅拌头5装夹到焊接设备的主轴上，搅拌头5在主轴旋转带动下进行焊接。激光测距传感器1、码盘传感器2和旋转电机4安装在传感器支架3上，传感器支架3套在主轴(搅拌头5)的外侧，在旋转电机4带动下旋转。激光测距传感器1发射的激光束平行于搅拌头5的搅拌头中轴线，在旋转电机4带动下围绕搅拌头5旋转，并以一定频率获取搅拌头5附近焊接工件6表面的高度信息。
设激光束与搅拌头中轴之间的距离为检测半径R。激光束与焊接工件6表面的交点称为检测点，检测点的位置信息(x,y)和高度信息h构成一个完整的检测点数据(x,y,h)。其中，高度信息h由激光测距传感器1提供，位置信息(x,y)由码盘传感器2提供。
由于本装置需要一直围绕着搅拌头5旋转，因此应当配置电池和无线数据传输模块7，将检测点数据传输到上位机。利用上位机对检测点数据的进行处理，即可提取焊缝位置、下压量和搅拌头倾角等焊接参数。
其中，码盘传感器2测得检测点的位置的原理为，码盘传感器2可以将物体的角位移信号转换为数字编码，并输入到数字系统中，从而实现旋转角度的检测和控制。以增量式码盘传感器为例，该传感器每隔一段时间会发出一次脉冲。通过记录一个旋转周期内的脉冲数，可以实现旋转角度的检测。
设一个旋转周期内有n0个脉冲。则每个脉冲记录的旋转角度为
Figure BDA0002287697060000041
则旋转周期内某点可以用极坐标表示为(R，nθ)，其中，R为旋转半径，n为经过该点时记录下来的脉冲数。用直角坐标可以表示为(Rsin(nθ)，Rcos(nθ))。
具体实施方式二：本实施方式的一种搅拌摩擦焊参数检测装置的参数检测方法，方法包括搅拌头倾角检测方法，步骤如下：
步骤一、建立空间直角坐标系，建立空间直角坐标系的方法如下：
步骤一一、在一个检测周期中，设位于搅拌头5前进方向后端的激光束形成线段AD、位于搅拌头前进方向前端的激光束形成线段BC，且A点和B点位于焊接工件6上、C点和D点分别为激光束在前端的发射端点和激光束在后端的发射端点；
步骤一二、以线段CD与搅拌头中轴的交点为空间直角坐标系原点、直线CD的方向为空间直角坐标系x轴方向、搅拌头中轴方向为空间直角坐标系z轴方向，空间直角坐标系y轴方向垂直于xoz平面；
步骤二、利用码盘传感器2获得检测点的二维位置信息、以及利用激光测距传感器1获取高度信息，通过有效的检测点拟合焊接工件6表面在空间直角坐标系上的平面方程ax+by+cz+d＝0；有效的检测点为激光束与焊接工件6表面未加工区域的交点；
步骤三、通过平面方程ax+by+cz+d＝0得到焊接工件6表面的法向量(a，b，c)，法向量(a，b，c)与空间直角坐标系z轴之间的夹角θ即为搅拌头倾角。
具体地，由于通过检测装置内置的激光测距传感器1和码盘传感器2可以获取检测点的三维坐标(x，y，h)。为了后期更好地处理检测点数据，可以在检测装置上建立坐标系o-xyz，其中坐标系o-xyz的正方向如图3和图4所示，其中图4为图3抽象而成。
在图4中，有效的检测点所形成的图像为椭圆形，有效的检测点主要是指落在焊接工件6表面的检测点，不包括落在下压量区域、飞边区域和焊缝区域的检测点，一般为非焊接加工区域的检测点。激光束AD和BC分别经过椭圆形长轴的两端。
基于上述在有倾角焊接过程中，为了获得良好的焊缝成形，常常需要搅拌头5与焊接工件6表面之间保持一定夹角。在空间直角坐标系o-xyz中，激光测距传感器1围绕搅拌头5旋转一周，采集检测点三维坐标(x，y，h)。利用有效的检测点可以拟合焊接工件6上表面在空间直角坐标系的平面方程ax+by+cz+d＝0。如图5所示，该焊接工件6表面的法向量(a,b,c)与z轴之间的夹角θ即为搅拌头的倾角。
最佳实施例，本实施例是对实施方式二的进一步说明，本实施例中，方法还包括焊缝偏差值检测方法，步骤如下：
步骤四一、得到搅拌头5前进方向所在直线EF；
步骤四二、在一个检测周期中，激光测距传感器1在焊缝位置测得一个高度信息峰值，该高度信息峰值对应的检测点在拟合平面的投影点到搅拌头前进方向EF所在直线的距离即为焊缝偏差值d。
具体地，在获知焊接工件6上表面在空间直角坐标系o-xyz中的平面方程ax+by+cz+d＝0后，如图5和图6所示，可以发现z轴在焊接工件6平面上的投影EF即为搅拌头5的前进方向。另一方面，由于激光测距传感器1检测到焊缝处的高度高于(大于)距离焊接工件6表面的高度，因此，在一个检测周期中，如图6所示，焊缝位置会出现一个高度信息峰值，该高度信息峰值对应检测点在拟合平面的投影点到搅拌头前进方向EF所在直线的距离即为焊缝偏差值d。
上述的，搅拌头前进方向EF直线的计算过程为，已知焊接工件6上表面的平面方程为ax+by+cz+d＝0，该焊接工件6上表面法向量为n1(a,b,c)，z轴的方向向量为(0,0,1)。过z轴(0,0,1)和法向量n1(a,b,c)，作垂直于焊接工件6上表面的垂面，该垂面的法向量n2为z轴(0,0,1)和n1(a,b,c)的向量积(-b,a,0)，所以垂面平面方程为
Figure BDA0002287697060000051
所求直线EF为焊接工件6上表面和垂面交线，因此EF直线的方向向量为n1(a,b,c)和n2(-b,a,0)的向量积
Figure BDA0002287697060000052
另外，直线EF过点
Figure BDA0002287697060000053
则投影直线EF的点向式方程为
Figure BDA0002287697060000054
上述的，焊缝位置在工件表面的投影点到搅拌头前进方向EF的距离计算过程为，设检测到的焊缝位置坐标为G(x0,y0,z0)，将G点的x0和y0代入上述拟合平面方程，可以获得G点在拟合平面方程的投影点G＇(x0,y0,z＇)点。过G点向直线EF做垂线，垂足为H(xc,yc,zc)。
已知直线EF的点向式方程为
Figure BDA0002287697060000055
则直线EF的参数方程为
Figure BDA0002287697060000061
因为
Figure BDA0002287697060000062
所以ac(x0-xc)+bc(y0-yc)-(a2+b2)(z′-zc)＝0；
将直线EF的参数方程代入上式，消除(xc，yc，zc)，得
Figure BDA0002287697060000063
将t代入直线EF的参数方程，可以获得焊缝坐标G在直线EF上垂足H的坐标(xc，yc，zc)，则焊缝G点到直线EF的距离d为
Figure BDA0002287697060000064
最佳实施例，本实施例是对实施方式二的进一步说明，本实施例中，方法还包括下压量检测方法，步骤如下：
步骤五一、求得A点坐标；
步骤五二、计算A点坐标到平面方程的距离即为下压量。
具体地，在一个检测周期内，可以提取沿搅拌头前进方向EF的后端，位于下压量区域的A点的坐标。如图7所示，由于下压量的存在，A点是位于激光测距传感器1表面的下方的，因此计算A点坐标到拟合的焊接工件6表面的平面方程的距离，即可获取下压量H。

Claims (3)

1.基于一种搅拌摩擦焊参数检测装置的参数检测方法，
所述一种搅拌摩擦焊参数检测装置，包括激光测距传感器(1)、码盘传感器(2)、传感器支架(3)和旋转电机(4)；
所述传感器支架(3)为圆环状，该传感器支架(3)套装于搅拌头(5)外部，且传感器支架(3)的支架中轴与搅拌头(5)的搅拌头中轴位于同一条直线上；
所述旋转电机(4)，用于带动传感器支架(3)以所述支架中轴为旋转轴进行旋转；
所述激光测距传感器(1)固定于传感器支架(3)侧壁，该激光测距传感器(1)所发射的激光束与所述搅拌头中轴平行，所述激光测距传感器(1)用于测得焊接工件(6)上的检测点与所述激光测距传感器(1)的距离；所述检测点为所述激光束与所述焊接工件(6)表面的交点；
所述码盘传感器(2)位于旋转电机(4)上，该码盘传感器(2)用于测得所述检测点的二维位置信息；
其特征在于，所述方法包括搅拌头倾角检测方法，步骤如下：
步骤一、建立空间直角坐标系，所述建立空间直角坐标系的方法如下：
步骤一一、在一个检测周期中，设位于搅拌头(5)前进方向后端的激光束形成线段AD、位于搅拌头前进方向前端的激光束形成线段BC，且A点和B点位于焊接工件(6)上、C点和D点分别为激光束在前端的发射端点和激光束在后端的发射端点；
步骤一二、以线段CD与搅拌头中轴的交点为所述空间直角坐标系原点、直线CD的方向为所述空间直角坐标系x轴方向、搅拌头中轴方向为所述空间直角坐标系z轴方向，所述空间直角坐标系y轴方向垂直于xoz平面；
步骤二、利用码盘传感器(2)获得检测点的二维位置信息、以及利用激光测距传感器(1)获取高度信息，通过有效的检测点拟合焊接工件(6)上表面在所述空间直角坐标系上的平面方程ax+by+cz+d＝0；所述有效的检测点为激光束与焊接工件(6)表面未加工区域的交点；
步骤三、通过所述平面方程ax+by+cz+d＝0得到焊接工件(6)表面的法向量(a,b,c)，所述法向量(a,b,c)与所述空间直角坐标系z轴之间的夹角θ即为搅拌头倾角。
2.根据权利要求1所述的参数检测方法，其特征在于，所述方法还包括焊缝偏差值检测方法，步骤如下：
步骤四一、得到搅拌头(5)前进方向所在直线EF；
步骤四二、在一个检测周期中，激光测距传感器(1)在焊缝位置测得一个高度信息峰值，所述高度信息峰值对应检测点在拟合工件平面的投影点与直线EF的距离即为焊缝偏差值。
3.根据权利要求1所述的参数检测方法，其特征在于，所述方法还包括下压量检测方法，步骤如下：
步骤五一、求得A点坐标；
步骤五二、计算A点坐标到所述平面方程的距离即为下压量。
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