CN113588107A - 一种在线接触式测量焊接熔池温度的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线接触式测量焊接熔池温度的装置，属于温度检测技术领域，包括：控制柜；控制机构，其输入端与控制柜的输出端连接，用以输出指令；测温机构，其输入端与控制机构的输出端连接，测温机构基于控制机构的输出指令活动，其中：测温机构包括安装部件、拱形安装支架、舵机、机械臂机构、夹具机构和测温部件，舵机设于安装部件上，机械臂机构活动设于舵机上，夹具机构设于机械臂机构上，测温部件可拆卸设于夹具机构上；熔池，测温部件的测温端插入熔池内以检测温度。本发明用以解决熔池冷却快、冲刷强、温度高等问题，实现精准测量、灵活测温的同时，通过图像直观体现温度数据变化。

Description

一种在线接触式测量焊接熔池温度的装置

技术领域

本发明涉及温度检测技术领域，更具体地说，涉及一种在线接触式测量焊接熔池温度的装置。

背景技术

焊接温度场通常是一个动态温度场，其温度分布及其动态变化过程对焊接接头的形态、金相组织、性能及应力变形等有着非常密切的关系，未控制好熔池温度，会出现焊瘤、烧穿、未焊透，内凹、夹渣，成形不良等缺陷。

熔池测温的特点与难点：熔池具有温度高、凝固快、冲刷强、侵蚀强、烟尘浓度高等特点。

当前常用测温装置和方法介绍以及不足：

目前比较普遍的两种测温方式为：非接触测温法和接触式测温法；

非接触测温法主要是通过非接触式温度传感器，普遍采用红外测温仪，对所测物体的表面进行温度测量，其检测元件与被测目标并不接触，而是通过被测物体的某个与温度相关的特征量进行修正得到；

专利(专利号CN201510512612.3)使用红外热成像仪，对钛合金电弧焊接熔池表面温度场进行监测，但其所使用的设备，价格高昂；调整麻烦；且只能测量表面温度；在焊接过程中，由于弧光和烟尘的干扰，测量得到的结果误差较大；

接触式测温法是将传感器放置在和物体相同的热平衡状态中，采用直接接触的方式，使传感器和被测对象保持在同一温度，这种方法利用被测对象对电气参数的敏感特点，进一步得到温度数据；

常规接触式测温主要的传感器有：热电阻、热敏电阻、电子式温度传感器和热电偶等，其中，热电偶测温的基本原理是，热电偶两端由于温差产生热电势，专利(专利号CN202010411801.2)发明了一种铸片炉接触式测温系统，其原理是将热电偶伸入至熔炼装置的合金液面进行测温，但由于熔池具有凝固速度快等特点，并不适用于测量焊接熔池温度；

现有的接触式测温方法，都是把热电偶预置在被焊试板上，无法测量熔池温度，只能测量焊接热影响区热循环，这种方法的优点有：结构简单；价格低廉；测量精度高；不易受到外部环境干扰；缺点是无法实时有效测量熔池内部温度，因为熔池凝固时间极短，并且不能够在任意位置精确测量，灵活性不高。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种在线接触式测量焊接熔池温度的装置，本发明用以解决熔池冷却快、冲刷强、温度高等问题，实现精准测量、灵活测温的同时，通过图像直观体现温度数据变化。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：

一种在线接触式测量焊接熔池温度的装置，包括：

控制柜；

控制机构，其输入端与控制柜的输出端连接，用以输出指令；

测温机构，其输入端与控制机构的输出端连接，所述测温机构基于控制机构的输出指令活动，其中：所述测温机构包括安装部件、拱形安装支架、舵机、机械臂机构、夹具机构和测温部件，所述舵机设有两个，两个所述舵机均设于安装部件上，所述机械臂机构活动设于舵机上，所述夹具机构设于机械臂机构上，所述测温部件可拆卸设于夹具机构上；

熔池，所述测温部件的测温端插入熔池内以检测温度；

信号传输机构，其输入端与测温部件的输出端连接，所述测温部件输出电动势信号至信号传输机构上，所述信号传输机构将电动势信号转换为数字信号并进行信号传输；

计算机，其输入端与信号传输机构的输出端连接，用以接收信号传输机构传输的数字信号；以及

三维定位仪，设于安装部件上，其输出端与计算机的输入端连接，所述三维定位仪监测与标定测温部件的位置并将数据反馈至计算机上，所述计算机的输出端还与测温机构的输入端连接，所述计算机输送运动轨迹信号至控制机构上。

作为本发明的一种优选方案，所述控制机构包括继电器和第一单片机，所述控制柜的输出端与继电器的输入端连接，所述继电器的输出端与第一单片机的输入端连接，所述计算机的输出端与第一单片机的输入端连接。

作为本发明的一种优选方案，所述安装部件包括拱形安装支架，所述舵机设于拱形安装支架上，所述第一单片机的输出端与舵机的输入端连接，所述拱形安装支架安装有手动磁控以固定测温机构；

所述机械臂机构包括旋转支架、螺母和双头螺柱，所述旋转支架转动设于舵机上，所述双头螺柱与旋转支架之间螺纹配合，所述螺母与双头螺柱之间螺纹配合。

作为本发明的一种优选方案，所述测温部件采用热电偶，所述热电偶为K 型热电偶或者其他型号热电偶或测温元件。

作为本发明的一种优选方案，所述夹具机构可安装多个测温部件，所述测温部件通过螺栓连接件可拆卸设于夹具机构上。

作为本发明的一种优选方案，所述信号传输机构包括第二单片机、信号转换模块、无线串口传输模块和无线串口传输模块，所述信号转换模块和无线串口传输模块均设于第二单片机上，所述测温部件的输出端与信号转换模块的输入端连接，所述信号转换模块的输出端与第二单片机的输入端连接，所述第二单片机的输出端与无线串口传输模块的输入端连接，所述无线串口传输模块与无线串口传输模块之间信号连接，所述无线串口传输模块的输出端与计算机的输入端连接。

作为本发明的一种优选方案，所述计算机上设有：

电脑插件，用以控制测温机构以及实现时间自动补偿，所述电脑插件可由LABVIEW软件制作，或其他电脑软件制作；

温度时间图窗口，实时更新所测量温度曲线；

舵机控制板块，控制舵机的旋转方向；

三维坐标仪的窗口弹出按钮，对标记点进行设置；

实验参数控制窗口，控制焊接速度、启动归位按钮，自动计算运行时间，并进行时间补偿；以及

指示灯，根据三维定位仪传输的数据，由计算机对测温结果进行判定，若在焊接过程中受环境影响，测温部件的测温端标记点的轨迹终点未与熔池标记点重合，则表示测温部件并未到达指定位置测温，指示灯亮起，通过指示灯判断测量结果是否有效。

作为本发明的一种优选方案，所述三维定位仪包括图像采集模块、系统检测模块、信息显示模块、外部通信模块和控制模块，所述三维定位仪采用 Zynq作为核心处理器，两个近红外相机能够组成一个双目视觉系统，针对某一标记点区域可采用灰度加权平均算法精准计算标记点的亚像素坐标，算法公式如下：

其中q为此标记点区域的中心坐标，n为该区域中的像素点个数，q_i和 v_i分别为每个像素点的坐标及灰度值，通过设定灰度阈值及判断像素坐标是否连续，可以确定像素点是否属于同一标记点所形成的亮点区域，同时遍历所有像素点确定所有标记点的连通域。

作为本发明的一种优选方案，所述三维定位仪通过舵机支架安装于拱形安装支架上。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本发明通过三维定位仪，把空间坐标化，保证在焊接热源到达测量位置后，热电偶能够迅速插入，实现精准定位。

(2)本发明能准确地测量出熔池的内部温度，如未达到测量要求，会报警提示。

(3)本发明采用信号转换模块，可自动进行冷端温度补偿和多点测量，测量精度高。

(4)本发明测量时不受外部环境的影响，可以用于多种焊接设备，和焊接条件下使用。

(5)本发明采用计算机进行控制与监测，实现半自动化，测量的数据直接转化为温度变化图像，更自动灵活。

附图说明

图1为本发明一种在线接触式测量焊接熔池温度的装置的主要原理框图；

图2为本发明一种在线接触式测量焊接熔池温度的装置的立体图；

图3为本发明一种在线接触式测量焊接熔池温度的装置中测温机构处的立体图；

图4为本发明一种在线接触式测量焊接熔池温度的装置中夹具机构处的第一种实施方式图；

图5为本发明一种在线接触式测量焊接熔池温度的装置中夹具机构处的第二种实施方式图；

图6为本发明一种在线接触式测量焊接熔池温度的装置中夹具机构处的第三种实施方式图；

图7为本发明一种在线接触式测量焊接熔池温度的装置中夹具机构处的第四种实施方式图；

图8为本发明一种在线接触式测量焊接熔池温度的装置中电脑插件处的界面图；

图9为本发明一种在线接触式测量焊接熔池温度的装置中电脑插件中的三维定位仪的界面图。

图中标号说明：

1、控制机构；101、继电器；102、第一单片机；2、测温机构；201、拱形安装支架；202、舵机；203、旋转支架；204、螺母；205、双头螺柱；206 夹具机构；2061、第一夹具；2062、第二夹具；2063、第三夹具；2064、第四夹具；207、测温部件；3、熔池；4、信号传输机构；401、第二单片机； 402、信号转换模块；403、无线串口传输模块；404、无线串口接收模块；5、计算机；601、舵机支架；602、三维定位仪；7、控制柜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶 /底端”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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例：

请参阅图1-9，一种在线接触式测量焊接熔池温度的装置，包括：

控制柜7；

控制机构1，其输入端与控制柜7的输出端通过信号线电性连接，用以输出指令，具体的：控制机构1包括继电器101和第一单片机102，控制柜7的输出端与继电器101的输入端通过信号线电性连接，继电器101的输出端与第一单片机102的输入端通过导线连接，计算机5的输出端与第一单片机102 的输入端通过数据传输线电性连接，继电器101用来转化控制柜7传输的信号，第一单片机102用来控制舵机202运行，计算机5向第一单片机102发送信号；

测温机构2，其输入端与控制机构1的输出端连接，测温机构2基于控制机构1的输出指令活动，其中：测温机构2包括安装部件、拱形安装支架201、舵机202、机械臂机构、夹具机构206和测温部件207，舵机202设有两个，两个舵机202均设于安装部件上，机械臂机构活动设于舵机202上，夹具机构206设于机械臂机构上，测温部件207可拆卸设于夹具机构206上，具体的：

安装部件包括拱形安装支架201，两个舵机202固定在拱形安装支架201 上，两个舵机202可以在测温方向上实现两个自由度旋转，使测温范围更大更灵活，第一单片机102的输出端与舵机202的输入端通过信号线电性连接，拱形安装支架201安装有手动磁控(图中未出示)以固定测温机构2；

机械臂机构包括旋转支架203、螺母204和双头螺柱205，旋转支架203 转动设于舵机202上，双头螺柱205与旋转支架203之间螺纹配合，螺母204 与双头螺柱205之间螺纹配合；

夹具机构206可安装多个测温部件207，测温部件207通过螺栓连接件可拆卸设于夹具机构206上，用螺栓连接件对测温部件207进行夹紧固定，且可安装多个测温部件207，并可弯折测温部件207测温端，可调节每个测温点的距离，夹具机构206拆卸测温部件207方便快捷，可根据熔池3的实际大小选择多种形式可变的夹具机构206，夹具机构206中间的孔与双头螺柱205 部的孔相重合，用螺栓连接件固定，夹具机构206可根据需要安装多个不同位置的测温部件207，优选的，测温部件207采用热电偶，热电偶为K型热电偶或者R型热电偶或者J型热电偶或者T型热电偶，需要进行说明的是：上述测温部件207还可采用其他接触式测温的测量仪器，包括但不局限于上述热电偶，同时上述热电偶的类型包括但不局限于上述实施方式；

熔池3，测温部件207的测温端插入熔池3内以检测温度；

信号传输机构4，其输入端与测温部件207的输出端连接，测温部件207 输出电动势信号至信号传输机构4上，信号传输机构4将电动势信号转换为数字信号并进行信号传输，具体的：信号传输机构4包括第二单片机401、信号转换模块402、无线串口传输模块403和无线串口传输模块404，信号转换模块402和无线串口传输模块403均设于第二单片机401上，测温部件207 的输出端与信号转换模块402的输入端通过信号线电性连接，信号转换模块 402的输出端与第二单片机401的输入端连接，第二单片机401的输出端与无线串口传输模块403的输入端连接，无线串口传输模块403与无线串口传输模块404之间信号连接，无线串口传输模块404的输出端与计算机5的输入端通过数据传输线电性连接，测温部件207测量的熔池温度通过信号转换模块402转化为温度数据，通过无线传输，在计算机5上实时得到温度随时间变化的图像，信号转换模块402将测温部件207输出的电动势信号转化为数字信号并进行温度补偿；

计算机5，其输入端与信号传输机构4的输出端通过数据传输线电性连接，用以接收信号传输机构4传输的数字信号，具体的：

计算机5上设有：

电脑插件，用以控制测温机构2以及实现时间自动补偿，电脑插件可由LABVIEW软件制作，或其他电脑软件制作，由于本发明中焊接时，熔池3凝固较快，信号传输需要时间，电脑插件会对本发明装置运行时间进行补偿，即计算机5提早进行信号输出；

温度时间图窗口，实时更新所测量温度曲线；

舵机控制板块，控制舵机202的旋转方向；

三维坐标仪的窗口弹出按钮，对标记点进行设置；

实验参数控制窗口，控制焊接速度、启动归位按钮，自动计算运行时间，并进行时间补偿；以及

指示灯，根据三维定位仪602传输的数据，由计算机5对测温结果进行判定，若在焊接过程中受环境影响，测温部件207的测温端标记点的轨迹终点未与熔池3标记点重合，则表示测温部件207并未到达指定位置测温，指示灯亮起，通过指示灯判断测量结果是否有效；

三维定位仪602，设于安装部件上，三维定位仪602通过舵机支架601固定在拱形安装支架201上，其输出端与计算机5的输入端通过数据传输线电性连接，三维定位仪602监测与标定测温部件207的位置并将数据反馈至计算机5上，计算机5的输出端还与测温机构2的输入端通过数据传输线电性连接，计算机5输送运动轨迹信号至控制机构1上，三维定位仪602包括图像采集模块、系统检测模块、信息显示模块、外部通信模块和控制模块，三维定位仪602采用Zynq作为核心处理器，两个近红外相机能够组成一个双目视觉系统，针对某一标记点区域可采用灰度加权平均算法精准计算标记点的亚像素坐标，算法公式如下：

其中q为此标记点区域的中心坐标，n为该区域中的像素点个数，q_i和 v_i分别为每个像素点的坐标及灰度值，通过设定灰度阈值及判断像素坐标是否连续，可以确定像素点是否属于同一标记点所形成的亮点区域，同时遍历所有像素点确定所有标记点的连通域，处理后的标记点亚像素坐标数据可以通过USB上传到计算机5中，通过立体匹配算法及三维坐标计算求得标记点在实际空间坐标系下的三维坐标，实现标记点定位与跟踪功能；

三维定位仪602对焊接起始点、熔熔池3内测温点和测温部件207的测温端部进行跟踪定位，把坐标信号传输到计算机5中，在计算机5中输入坐标，控制测温装置的测量点；

本发明通过机械臂机构与控控制柜7相连，使测温装置上的测温部件207 精准插入熔池3内，使用三维定位仪602对测温部件207和熔熔池3位置进行监测，测温部件207能够第一时间测量熔池3内部温度，并在计算机5中实时得到温度变化图像；

本发明通过下述具体实施方式进行阐述，以下具体实施方式中的测温部件207采用不同型号的热电偶以及不同型号的信号转换模块402，具体如下差阐述：

下面结合附图2，使用图4中的第一夹具2061，装夹一个热电偶进行激光焊接的熔池测温，可通过以下步骤实现：

在激光焊接纯铝金属板的实验中，设定焊接速度为90cm/min，焊接起始点到焊接终点的距离为60mm，热电偶测量的位置，距焊接起始点15mm；

首先在焊接程序中添加I/O口命令，把测温装置安装在焊接平面，调整第一夹具2061角度，用M7螺丝和螺母固定在双头螺柱205顶端，使用K型热电偶，用M7螺丝固定在第一夹具2061的任意一个孔中，并使用磁控把拱形安装支架201固定在焊接位置附近；

在计算机5中的三维定位仪界面，打开红外照明开关和连接设备按钮，选择点位标记，根据三维定位仪602的坐标数据，标定焊接起始点(x,y,z)与测温位置点(x1,y1,z1)，选定夹具机构206测温顶端(x1’,y1’,z1’)，点击定位跟踪按钮，跟踪其运行轨迹，在计算机5的实验参数窗口输入焊接参数即焊接速度90cm/min，舵机控制板块选择舵机202的旋转方向，默认顺时针旋转，点击装置启动按钮，通过观察指示灯是否亮起，判断热电偶是否能够精准插入标定熔池3的位置，点击归位按钮，测温装置调试完毕；

当焊接开始，控制柜7在指定端口用信号线输出一个波动信号即I/O口命令，继电器101输入触点接收到信号后实现开路，当满足第一单片机102 所设定的条件即开路时，第一单片机102把信号传输给计算机5，计算机5根据设定的焊接速度和标记点位，在某一时间，向第一单片机102传输轨迹信号，这时旋转支架203上的舵机202同时运行，当舵机202运行，其上的旋转支架203带动第一夹具2061上的K型热电偶，精准插入三维定位仪602标定的熔池3的位置；

舵机支架601与舵机202底部固定，拱形安装支架201上安装有舵机202，在焊接过程中，监测热电偶测温顶端(x1’,y1’,z1’)的运行轨迹，最终是否与熔池3测温位置(x1,y1,z1)一致，待热电偶与熔池3凝固在一起冷却后，看计算机5中的指示灯是否亮起，如未亮起，代表三维定位仪602监测的最终热电偶顶端测温位置坐标，与熔池3标定位置的坐标一样，所测温度图像为熔池指定点的凝固温度曲线，如亮起，代表三维定位仪602监测的最终热电偶顶端测温位置坐标，与熔池3标定位置的坐标不一样，则测温数据无效；

K型热电偶测得的温度信号转化为电动势信号，通过信号线传输给第二单片机401上的信号转换模块402，该信号转换模块402采用的型为max6675，此信号转换模块402专门针对K型热电偶输出的电动势信号，转化为数字信号并进行温度补偿，使测量数据更精确，再把处理后的数字信号传输给第二单片机401，通过第二单片机401上的无线串口传输模块403发送给计算机5 输出端的无线串口传输模块404，无线串口传输模块404对所传输的数据进行接收，计算机5对接收到的数据进行识别，并做出实时温度变化图像；

测温结束，且熔池3冷却后，热电偶与焊接熔池3粘连在一起，把热电偶从测温装置的第一夹具2061拆下后，点击计算机5上装置归位按钮，测温装置回到测温前状态；

也可调取运行另一I/O口指令，在控控制柜7的输出端输出结束信号，继电器101输出另一触点闭合开路，第一单片机102可根据继电器101的不同触点闭合条件，对舵机202发送反向运行信号，即测温装置回到运行前的初始位置，重新装夹热电偶后，可进行下一次测温试验。

使用图5中的第二夹具2062，装夹四个热电偶进行CMT电弧焊接熔池测温为例，可通过以下步骤实现：

在CMT电弧焊接纯铝金属板的实验中，设定焊接速度为80cm/min，焊接起弧点到焊接熄弧点的距离为50mm，热电偶测量的熔池位置，距焊接起始点 20mm左右，四个J型热电偶测量的位置呈一字排放，垂直于焊缝熔池，保证每个热电偶能够测量熔池不同位置的冷却温度，

首先在焊接程序中添加I/O口命令，把测温装置安装在焊接平面，调整第二夹具2062角度，用M7螺丝和螺母固定在双头螺柱205顶端，使用J型热电偶，把四个热电偶分别用M7螺丝，固定在第二夹具2062的四个孔中，并使用磁控把旋转支架203固定在焊接位置附近，

调整四个热电偶测温端的距离，在计算机5中的三维定位仪界面，打开红外照明开关和连接设备按钮，选择点位标记，根据三维定位仪602的坐标数据，标定焊接起弧起始点(x,y,z)与四个热电偶测温熔池位置(x1,y1,z1)、 (x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)，选定每个热电偶顶部测温端 (x1’,y1’,z1’)、(x2’,y2’,z2’)、(x3’,y3’,z3’)、(x4’,y4’,z4’)，点击定位跟踪按钮，在焊接时，监测每个热电偶顶部位置的运行轨迹，在实验参数窗口输入焊接参数即焊接速度为80cm/min，在舵机控制板块选择两个舵机202的旋转方向，默认顺时针旋转，点击装置启动按钮，通过观察指示灯是否亮起，判断每个热电偶是否能够精准插入对应的标定位置，点击归位按钮，测温装置调试完毕；

当焊接开始，控制柜7在指定端口用信号线输出一个波动信号即I/O口命令，继电器101输入触点接收到信号后，输出触点上连接的导线实现开路，当导线满足第一单片机102所设定的条件即开路时，第一单片机102把信号传输给计算机5，计算机5根据设定的焊接速度和标记点位，在某一时间，向第一单片机102传输轨迹信号，这时旋转支架203上的两个舵机同时运行，当舵机202运行，其上的旋转支架203带动第二夹具2062上的J型热电偶，精准插入三维定位仪602标定的熔池3的位置；

在焊接过程中，三维定位仪602会监测每个热电偶的顶部测温位置的运行轨迹，待热电偶与熔池3凝固在一起冷却后，看计算机5上指示灯是否亮起，如未亮起，则代表每个热电偶测温端部都精准插入对应测温位置，如亮起，则至少有一个热电偶端部由于环境等因素，未到达指定测温位置，测温数据无效；

每个J型热电偶测得的温度信号，都会转化为电动势信号，通过信号线传输给第二单片机401上的信号转换模块402，该信号转换模块402采用的型为MAX31855，此信号转换模块402专门针对K型热电偶输出的电动势信号，转化为数字信号并进行温度补偿，使测量数据更精确，再把处理后的数字信号传输给第二单片机401，通过第二单片机401上的无线串口传输模块403发送给计算机5输出端的无线串口传输模块404，无线串口传输模块404对所传输的数据进行接收，计算机5对接收到的数据进行识别，并同时做出四根温度变化的曲线；

测温结束，熔池3冷却后，热电偶与焊接熔池3粘连在一起，把热电偶从测温装置的第二夹具2062拆下后，点击计算机5上装置归位按钮，测温装置回到测温前状态；

也可调取运行另一I/O口指令，在控制柜的另一端口输出结束信号，继电器101输出另一触点闭合开路，第一单片机102可根据继电器101的不同触点闭合条件，对舵机202发送反向运行信号，即测温装置回到运行前的初始位置，重新装夹热电偶后，可进行下一次测温试验；

使用图6中的第三夹具2063，装夹五个热电偶进行电子束焊接熔池测温为例，可通过以下步骤实现：

在电子束焊接纯铝金属板的实验中，设定焊接速度为85cm/min，电子束焊接起点到焊接终点的距离为70mm，热电偶测量的熔池位置，距焊接起始点 25mm左右，五个J型热电偶测量的位置呈五边形排放；

首先在焊接程序中添加I/O口命令，把测温装置安装在焊接平面，调整热电偶夹具角度，用M7螺丝和螺母固定在双头螺柱205顶端，使用T型热电偶，把五个热电偶分别用M7螺丝，固定在第三夹具2063的五个孔中，并使用磁控把旋转支架203固定在焊接位置附近；

调整五个热电偶测温端的距离，根据三维定位仪602的坐标数据，在计算机5上三维定位仪界面，打开红外照明开关和连接设备按钮，选择点位标记，根据三维定位仪602的坐标数据，标定焊接起弧起始点(x,y,z)与五个热电偶测温熔池位置(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)、 (x5,y5,z5)，选定每个热电偶顶部测温端(x1’,y1’,z1’)、(x2’,y2’,z2’)、 (x3’,y3’,z3’)、(x4’,y4’,z4’)、(x5’,y5’,z5’)，点击定位跟踪按钮，在焊接时，监测每个热电偶顶部位置的运行轨迹，在实验参数窗口输入焊接参数即焊接速度为85cm/min，在舵机控制板块选择两个舵机202的旋转方向，默认顺时针旋转，点击装置启动按钮，通过观察指示灯是否亮起，判断每个热电偶是否能够精准插入对应的标定位置，点击归位按钮，测温装置调试完毕；

当焊接开始，控制柜7在指定端口用信号线输出一个波动信号即I/O口命令，继电器101输入触点接收到信号后，输出触点上连接的导线实现开路，当导线满足第一单片机102所设定的条件即开路时，第一单片机102把信号传输给计算机5，计算机5根据设定的焊接速度和标记点位，在某一时间，向第一单片机102传输轨迹信号，这时旋转支架203上的两个舵机同时运行，当舵机202运行，其上的旋转支架203带动第二夹具2062上的T型热电偶，精准插入三维定位仪602标定的熔池3的位置；

在焊接过程中，三维定位仪602会监测每个热电偶的顶部测温位置的运行轨迹，待热电偶与熔池3凝固在一起冷却后，看计算机5上指示灯是否亮起，如未亮起，则代表每个热电偶测温端部都精准插入对应测温位置，如亮起，则至少有一个热电偶端部由于环境等因素，未到达指定测温位置，测温数据无效；

每个T型热电偶测得的温度信号，都会转化为电动势信号，通过信号线传输给第二单片机401上的信号转换模块402，该信号转换模块402采用的型为MAX31855，此信号转换模块402专门针对K型热电偶输出的电动势信号，转化为数字信号并进行温度补偿，使测量数据更精确，再把处理后的数字信号传输给第二单片机401，通过第二单片机401上的无线串口传输模块403发送给计算机5输出端的无线串口传输模块404，无线串口传输模块404对所传输的数据进行接收，计算机5对接收到的数据进行识别，并同时做出五根温度变化的曲线；

测温结束，熔池3冷却后，热电偶与焊接熔池3粘连在一起，把热电偶从测温装置的夹具拆下，点击插件中的装置归位按钮，测温装置回到测温前状态；

也可调取运行另一I/O口指令，在控制柜的另一端口输出结束信号，继电器101输出另一触点闭合开路，单片机可根据继电器101不同触点闭合条件，对舵机发送反向运行信号，即测温装置回到运行前的初始位置，重新装夹热电偶后，可进行下一次测温试验；

需要进行说明的是：由于第四夹具2064结构简单，故此不再对其使用方法进行赘述；

最后需要进行说明的是：本发明适用于各种熔化焊接工艺，包括但不限于以下焊接方式，如手工电弧焊、MIG/MAG电弧焊、钨极氩弧焊、CMT电弧焊、激光焊或激光-电弧复合焊接等方法；

本发明可以不限于焊接，也可以运用在车床铣床等数控加工机床的测温。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种在线接触式测量焊接熔池温度的装置，其特征在于，包括：

控制柜（7）；

控制机构（1），其输入端与控制柜（7）的输出端连接，用以输出指令；

测温机构（2），其输入端与控制机构（1）的输出端连接，所述测温机构（2）基于控制机构（1）的输出指令活动，其中：所述测温机构（2）包括安装部件、拱形安装支架（201）、舵机（202）、机械臂机构、夹具机构（206）和测温部件（207），所述舵机（202）设有两个，两个所述舵机（202）均设于安装部件上，所述机械臂机构活动设于舵机（202）上，所述夹具机构（206）设于机械臂机构上，所述测温部件（207）可拆卸设于夹具机构（206）上；

熔池（3），所述测温部件（207）的测温端插入熔池（3）内以检测温度；

信号传输机构（4），其输入端与测温部件（207）的输出端连接，所述测温部件（207）输出电动势信号至信号传输机构（4）上，所述信号传输机构（4）将电动势信号转换为数字信号并进行信号传输；

计算机（5），其输入端与信号传输机构（4）的输出端连接，用以接收信号传输机构（4）传输的数字信号；以及

三维定位仪（602），设于安装部件上，其输出端与计算机（5）的输入端连接，所述三维定位仪（602）监测与标定测温部件（207）的位置并将数据反馈至计算机（5）上，所述计算机（5）的输出端还与测温机构（2）的输入端连接，所述计算机（5）输送运动轨迹信号至控制机构（1）上。

2.根据权利要求1所述的一种在线接触式测量焊接熔池温度的装置，其特征在于，所述控制机构（1）包括继电器（101）和第一单片机（102），所述控制柜（7）的输出端与继电器（101）的输入端连接，所述继电器（101）的输出端与第一单片机（102）的输入端连接，所述计算机（5）的输出端与第一单片机（102）的输入端连接。

3.根据权利要求2所述的一种在线接触式测量焊接熔池温度的装置，其特征在于，所述安装部件包括拱形安装支架（201），所述舵机（202）设于拱形安装支架（201）上，所述第一单片机（102）的输出端与舵机（202）的输入端连接，所述拱形安装支架（201）安装有手动磁控以固定测温机构（2）；

所述机械臂机构包括旋转支架（203）、螺母（204）和双头螺柱（205），所述旋转支架（203）转动设于舵机（202）上，所述双头螺柱（205）与旋转支架（203）之间螺纹配合，所述螺母（204）与双头螺柱（205）之间螺纹配合。

4.根据权利要求3所述的一种在线接触式测量焊接熔池温度的装置，其特征在于，所述测温部件（207）采用热电偶，所述热电偶为K型热电偶或者其他型号热电偶或测温元件。

5.根据权利要求4所述的一种在线接触式测量焊接熔池温度的装置，其特征在于，所述夹具机构（206）可安装多个测温部件（207），所述测温部件（207）通过螺栓连接件可拆卸设于夹具机构（206）上。

6.根据权利要求5所述的一种在线接触式测量焊接熔池温度的装置，其特征在于，所述信号传输机构（4）包括第二单片机（401）、信号转换模块（402）、无线串口传输模块（403）和无线串口传输模块（404），所述信号转换模块（402）和无线串口传输模块（403）均设于第二单片机（401）上，所述测温部件（207）的输出端与信号转换模块（402）的输入端连接，所述信号转换模块（402）的输出端与第二单片机（401）的输入端连接，所述第二单片机（401）的输出端与无线串口传输模块（403）的输入端连接，所述无线串口传输模块（403）与无线串口传输模块（404）之间信号连接，所述无线串口传输模块（404）的输出端与计算机（5）的输入端连接。

7.根据权利要求6所述的一种在线接触式测量焊接熔池温度的装置，其特征在于，所述计算机（5）上设有：

电脑插件，用以控制测温机构（2）以及实现时间自动补偿，所述电脑插件可由LABVIEW软件制作，或其他电脑软件制作；

温度时间图窗口，实时更新所测量温度曲线；

舵机控制板块，控制舵机（202）的旋转方向；

三维坐标仪的窗口弹出按钮，对标记点进行设置；

实验参数控制窗口，控制焊接速度、启动归位按钮，自动计算运行时间，并进行时间补偿；以及

指示灯，根据三维定位仪（602）传输的数据，由计算机（5）对测温结果进行判定，若在焊接过程中受环境影响，测温部件（207）的测温端标记点的轨迹终点未与熔池（3）标记点重合，则表示测温部件（207）并未到达指定位置测温，指示灯亮起，通过指示灯判断测量结果是否有效。

8.根据权利要求7所述的一种在线接触式测量焊接熔池温度的装置，其特征在于，所述三维定位仪（602）包括图像采集模块、系统检测模块、信息显示模块、外部通信模块和控制模块，所述三维定位仪（602）采用Zynq作为核心处理器，两个近红外相机能够组成一个双目视觉系统，针对某一标记点区域可采用灰度加权平均算法精准计算标记点的亚像素坐标，算法公式如下：

公式（1）

其中q为此标记点区域的中心坐标，n为该区域中的像素点个数，

和

分别为每个像素点的坐标及灰度值，通过设定灰度阈值及判断像素坐标是否连续，可以确定像素点是否属于同一标记点所形成的亮点区域，同时遍历所有像素点确定所有标记点的连通域。

9.根据权利要求8所述的一种在线接触式测量焊接熔池温度的装置，其特征在于，所述三维定位仪（602）通过舵机支架（601）安装于拱形安装支架（201）上。

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