CN113049678A - 一种基于声场调控的焊件检测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于声场调控技术的焊件形状和装配位置检测方法及设备，属于一种焊接无损检测技术领域，其特征在于：通过利用声波的反射特性，搭建声场声源系统、扬声器和传声器阵列、声场信号采集系统和直线导轨等，采集遇到待焊工件后反射回的声波信号，基于声场调控技术，进行预处理和分析，重建待焊工件图像，进而识别待焊工件形状和装配位置信息。本发明的目的是通过声场检测装置，辅助操作人员在光照条件较差、有粉尘和有毒气体的环境中进行焊前检测，提高焊前检测效率。
Description
技术领域
本发明属于一种焊接无损检测技术领域，特别涉及一种基于声场调控技术检测待焊工件形状和装配位置的装置和方法。
背景技术
无损检测技术是在不破坏焊接结构的情况下，完成对焊件结构的内部进行缺陷检测，在工业生产中，无损检测技术得到了普遍应用。尤其是利用无损检测技术检测焊后的工件。人们从许多方面对无损检测技术进行了改型和创新研究。如国内外常采用射线检测法（RT）、超声检测法（UT）、磁粉检测法（MT）、磁记忆检测法（MMT）、渗透检测法（PT）以及相控阵检测技术等对焊缝进行在线检测已经趋于成熟。但是大部分的无损检测技术集中在焊接过程中以及焊后的检测，对于焊接前工件的检测技术研究较少，目前大部分焊前检测方法采用目视检测方法进行，主要依靠操作人员的经验完成，要求操作人员有一定的经验及良好的光照条件。本发明通过声场调控技术，建立声场声源系统和声场信号采集系统，重建待焊工件形状和装配位置图像。本发明利用待焊工件反射回的声波信号，重建工件形状和装配位置的信息，并建立了不同声波分贝与重建图像感兴趣区域(region of interest, ROI)平均灰度值的关系。设计开发的焊件位置检测系统对焊件形状和焊件装配位置的识别具有良好的实用性和准确性。
发明内容
本发明是基于声场调控技术，搭建了声场声源系统、扬声器和传声器阵列以及声场信号采集系统，利用FMCW解调算法，重建待焊工件形状和装配位置的图像；通过重建的图像识别焊前待焊工件的形状和装配位置，该检测装置识别准确率高、稳定、光照度要求低。研制的可调声波分贝和发射频率的声场声源系统装置设计技术参数为：可调声波分贝范围10-200dB；声波发射频率范围20~20000Hz。配备了直线导轨作为扬声器和传声器阵列移动装置。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于声场调控的焊件位置检测装置和方法，其特征在于：该方法是按照如下步骤进行：
（1）发明的声场无损检测装置中包含声场声源系统，其中包含电源、可调频率的声波信号发生装置和用于调节声波分贝的功率放大器，声场声源系统产生的声场频率范围为：20-20000Hz，使其在遇到物体时大部分声波信号产生反射或折射，而不是穿透或绕开物体；
（2）利用扬声器和传声器，垂直搭建可拆卸的扬声器和传声器阵列，通过扬声器发射声波信号，形成声场，扬声器和传声器阵列利用直线导轨进行水平方向移动，使声场全面覆盖被检工件，获得全面的被检工件的声波反射信号；
（3）检测装置放置于待焊工件的正前方，中间无其他障碍物阻碍，以提高检测装置的准确性和稳定性；
（4）通过扬声器和传声器阵列中的传声器模块，采集被工件反射回的声波信号，再利用声场信号采集系统，采集并保存待焊工件反射回的声波信号，进行声波信号的模数转换，保存为数字格式的音频文件，音频文件通过数据预处理、算法处理和图像显示等操作，重建待焊工件的形状和装配位置信息；
（5）通过调节声波信号的分贝，通过反复的试验和数据分析对比，从而探寻出合适的声音信号分贝范围以达到清晰的重建效果。
其中，在步骤（1）中的声波频率的调节范围为：20-20000Hz；在步骤（4）中扬声器和传声器阵列距离待焊工件距离为：30~100mm；在步骤（5）中声波分贝范围为：10-200dB；待焊工件装配角度90~230°。
一种如上所述的焊件形状和装配位置检测装置，包括声场声源系统、扬声器和传声器阵列、声场信号采集系统、直线导轨、待焊工件。其特征在于：一个能够产生可调制频率和分贝的声场声音系统与扬声器和传声器阵列连接，产生声场，扬声器和传声器阵列和声场信号采集系统连接，采集并处理声波信号，扬声器和传声器阵列在直线导轨水平移动进行检测。
本发明的优点：焊接前利用声场检测装置，重建待焊工件图像，进而识别待焊工件形状和装配位置。本发明弥补了目前缺少用于焊接前检测装置的不足，同时在光照条件较差的焊前检测环境下可以辅助操作人员进行焊前检测。本发明不受光照强度、粉尘、有毒气体的影响，而且成本低，方便操作。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明的具体实施方式进行详细说明：
在图1中，1.声场声源系统；2.声场信号采集系统；3.扬声器和传声器阵列；4.直线导轨；5.待焊工件；6.焊缝。
本发明的装置主要由声场声源系统1、与声场声源连接的扬声器和传声器阵列3、连接3的声场信号采集系统2、使3可以在水平方向上运动的直线导轨4、待焊工件5和待焊工件之间的间隙焊缝6组成。通过扬声器和传声器阵列3形成声场，并同时由3接收工件反射回的声波信号，传递给2进行信号处理和分析重建待焊工件图像。声场焊前检测装置声波分贝和发射频率可以调节，以达到清晰的重建图像效果。
声波频率的调节范围为：20-20000Hz；声波分贝范围为：10-200dB；检测装置可检测距离其30~100mm的待焊工件。
该方法是：
（1）发明的声场无损检测装置中包含声场声源系统，其中包含电源、频率可调的声波信号和用于调节声波分贝的功率放大器，声场声源系统产生的声音频率范围为：20-20000Hz，使其在遇到物体时大部分声波信号产生反射或是折射，而不是穿透或绕开物体；
（2）利用扬声器和传声器，垂直搭建可拆卸的扬声器和传声器阵列，通过扬声器发射声波信号，形成声场，扬声器和传声器阵列利用直线导轨进行水平方向移动，使声场全面覆盖被检工件，获得全面的被检工件的声波反射信号；
（3）检测装置放置于待焊工件的正前方，中间无其他障碍物阻碍，已提高检测装置的准确性和稳定性；
（4）通过扬声器和传声器阵列中传声器采集被工件反射回的声波信号，再利用声场信号采集系统，采集并保存待焊工件反射回的声波信号，进行声波信号的模数转换，保存为数字格式的音频文件，音频文件通过数据预处理、算法处理和图像显示等操作，重建待焊工件的形状和装配位置信息；
（5）通过调节声波信号的分贝和待焊工件的装配位置，通过反复的试验和数据分析对比，从而探寻出合适的声音信号分贝范围和检测装置待焊工件不同的装配位置重建效果。
其中，在步骤（1）中的声波频率的调节范围为：20-20000Hz；在步骤（4）中扬声器和传声器阵列距离待焊工件距离为：30~100mm；在步骤（5）中声波分贝范围为：10-200dB；待焊工件装配角度90~230°。
本发明方法的具体实施步骤如下：
步骤一：根据被检工件位置，将检测装置摆放在待焊工件正前方合适的范围的位置处，被检焊件处于扬声器和传声器阵列的水平方向可移动范围内，检测装置和被检工件中间无障碍物阻挡。
步骤二：连通声场声源系统和声场信号采集系统电源，在声场声源系统中设定声波信号的频率和信号时长，并将获得的声波信号通过功率放大器放大后连接扬声器，传声器连接声场信号采集系统；扬声器和传声器阵列在直线导轨中产生声波信号并采集反射回的声波信号。传声器连接的声场信号采集系统记录和保存采集到的声波信号。
步骤三：记录的声波信号文件转换为二进制文件，进行进一步处理，利用声场调控技术及图像算法，重建待焊工件图像信息。
步骤四：通过声波分贝的大小，从而调节重建图像的清晰度，获得可检测待焊工件形状和装配信息的重建图像。
其中，在步骤一中的直线导轨可移动范围为：0~120mm。
在步骤四中的改变距离待焊工件的位置为：30~100mm；可调节分贝大小为：10-200dB。
试验及测试结果：
试验：试验采用Q235B作为待焊工件，表面平整，竖直摆放。声场阵列放置在距离工件50cm处进行检测。试验焊件摆放夹角180°，大部分声波在遇到待焊工件时会产镜面反射，按原路径返回，一部分发生漫反射，反射到其他位置。调节分贝大小10-200dB。具体参数见表1：
表1 试验参数
试验后，得到不同声波分贝重建图像，利用ROI值进行比较，找到检测重建图像效果好的分贝范围。通过不同分贝值ROI的测量 ，得到分贝值和区域平均灰度值对应关系，如表2所示，在85dB至90dB时ROI值逐渐增大，90至100dB的范围内，ROI区域逐渐减小，100dB之后ROI区域值突然增大，利用ROI 判断重建图像的清晰度，进而调节检测装置声波分贝获得清晰的重建图像。
表2 不同分贝值ROI区域平均分贝值
| 分贝值（dB） | 85 | 90 | 95 | 97 | 101 | 102 | 103 |
| 区域平均灰度值（ROI） | 58.42 | 74.398 | 63.088 | 57.747 | 56.452 | 71.707 | 79.632 |
Claims (3)
1.一种在焊前利用声场无损检测待焊工件的方法，其特征在于：该方法是按照如下步骤进行：
（1）发明的声场无损检测装置中包含声场声源系统，其中包含电源、频率可调的声波信号和用于调节声波分贝的功率放大器，声场声源系统产生的声音频率范围为：20-20000Hz，使其在遇到物体时大部分声波信号产生反射或是折射，而不是穿透或绕开物体；
（2）利用扬声器和传声器，垂直搭建可拆卸的扬声器和传声器阵列，通过扬声器发射声波信号，形成声场，扬声器和传声器阵列利用直线导轨进行水平方向移动，使声场全面覆盖被检工件，获得全面的被检工件的声波反射信号；
（3）检测装置放置于待焊工件的正前方，中间无其他障碍物阻碍，已提高检测装置的准确性和稳定性；
（4）通过扬声器和传声器阵列中传声器采集被工件反射回的声波信号，再利用声场信号采集系统，采集并保存待焊工件反射回的声波信号，进行声波信号的模数转换，保存为数字格式的音频文件，音频文件通过数据预处理、算法处理和图像显示等操作，重建待焊工件的形状和装配位置信息；
（5）通过调节声波信号的分贝和待焊工件的装配位置，通过反复的试验和数据分析对比，从而探寻出合适的声音信号分贝范围和检测装置待焊工件不同的装配位置重建效果。
2.根据权利要求1所述的一种声场焊前无损检测方法，其特征在于：在步骤（1）中声波的发射频率范围为：20-20000Hz；在步骤（5）中的声波信号分贝范围为：10-200dB。
3.一种如权利要求1所述的利用声场无损检测焊前工件的装置，包括声场声源系统、扬声器和传声器阵列、声场信号采集分析系统和移动扬声器和传声器阵列的直线导轨。
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