CN114384536B - 一种基于激光位移传感器的数字化实时焊接角变形测量仪及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于激光位移传感器的数字化实时焊接角变形测量仪及其操作方法，涉及焊接角变形测量技术领域。本发明的目的是为了解决传统的依靠人为测量工业焊接角变形存在误差过大、测量耗时以及不具备角变形的实时测量的问题。方法：利用两个激光位移传感器在焊件待测面测量得到两点距离，同时将该位移量转换成对应的电压模拟量，并将电压模拟量传送到PLC里面，PLC基于三角函数原理，根据系统里写入的d值对应的电压与h2‑h1位移差对应的a‑b电压差得出焊接角变形的角度，最终传输并显示在tpc7062ti显示屏上。本发明可获得一种基于激光位移传感器的数字化实时焊接角变形测量仪及其操作方法。
Description
技术领域
本发明涉及焊接角变形测量技术领域，具体涉及一种基于激光位移传感器的数字化实时焊接角变形测量仪及其操作方法。
背景技术
焊接是一种局部加热的快速成型方式，焊缝区域瞬间被熔化，形成一定形状的熔池，在冷却过程中压缩塑性变形区在中性面上不对称分布时，就会产生角变形。角变形是一种焊接缺陷，对焊接结构的静态和动态力学性能均产生不利影响，因此行业内长期致力于焊接角变形的控制。简单的对接试板的角变形测试可采用钢板尺、刀口角尺和CAD扫描分析等获得，需进一步通过几何公式计算得出，不仅测试精度难以保障，而且难以应用于随焊过程的实时角变形测试。
现如今工业中，对焊接角变形测量的方法层出不穷，比如有限元分析、手动描边余弦定理计算以及电子扫描后用绘图软件描边测量，这些测试方法虽然具有可操作性，但是比较耗时，并且精度不高，小规模实验数据采集游刃有余，但大规模实验分析却捉襟见肘。同时，现在市面上没有直接用于测量焊接角变形的工具，因此亟需设计相关测量工具用于填补该项测试的市场空白。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统的依靠人为测量工业焊接角变形存在误差过大、测量耗时以及不具备角变形的实时测量的问题，而提供一种基于激光位移传感器的数字化实时焊接角变形测量仪及其操作方法。
一种基于激光位移传感器的数字化实时焊接角变形测量仪，包括型材、丝杆a、激光位移传感器a、光轴a、激光位移传感器b、电机a、电机b、焊件、丝杆b、光轴b、PLC和显示屏；
所述的型材的底部边框上水平设置有平板，平板上设置有焊件，焊件上设置有压块；型材的顶部边框的一侧为A边，型材的顶部边框的另一侧为B边，所述的A边上设置有固定支座，丝杆a的一端与固定支座转动连接，丝杆a的另一端通过传动轴与电机b连接，所述的丝杆a上设置有螺母座，螺母座设有内螺纹，螺母座与丝杆a螺纹连接；所述的B边上设置有光轴b，光轴b的两端通过连接件与B边连接，光轴b上设置有光轴套，螺母座和光轴套的顶部均设置有光轴支座，螺母座上的光轴支座的上部设有一个通孔，下部设有一个螺纹孔；光轴套上的光轴支座的上下部各设有一个通孔，光轴套的顶部还设置有电机a；
丝杆b的一端与A边上光轴支座的螺纹孔螺纹连接，丝杆b的另一端穿过B边上光轴支座下部的通孔，且通过传动轴与电机a连接；光轴a的一端与A边上光轴支座的通孔连接，光轴a的另一端与B边上光轴支座上部的通孔连接，且光轴a和丝杆b平行设置，丝杆b和丝杆a垂直设置，丝杆a和光轴b平行设置，连接板的上部设有通孔，下部设有螺纹孔，连接板的通孔套装在光轴a上，连接板通过螺纹孔与丝杆b螺纹连接；连接板的两端面上对称设置有激光位移传感器a和激光位移传感器b；激光位移传感器a和激光位移传感器b均通过信号输出端与PLC的模拟量输入端连接，PLC的数据输出端与显示屏的数据输入端连接。
上述一种基于激光位移传感器的数字化实时焊接角变形测量仪的操作方法，按以下步骤进行：
一、先将平板放置在型材的底部边框上，并保证平板与水平面保持相对水平状态，在平板上画一道平行于丝杆b的直线，同时在焊件上画一道垂直于焊件的焊缝的直线，然后将焊件放置在平板上并使焊件上的直线与平板上的直线重合，同时保证焊件的焊缝与丝杆b保持垂直，再将压块放置在焊件一侧的表面上；
二、插上电源，启动电机b，通过丝杆a的转动使激光位移传感器a和激光位移传感器b移动到焊件的上方，然后关闭电机b；再启动电机a，通过丝杆b转动使激光位移传感器a和激光位移传感器b移动到焊件上未放置压块的一侧的正上方，关闭电机a；
三、先确认激光位移传感器a和激光位移传感器b与水平面保持相对水平状态，然后打开激光位移传感器a和激光位移传感器b，清零，再分别测量出激光位移传感器a和激光位移传感器b到待测焊件所在面之间的直线距离，最后将测量的位移差对应的电压模拟量传送到PLC，通过PLC进行数据量的转换，并将最终转换得到的焊接角变形的角度传输到显示屏上。
本发明的有益效果：
(1)本发明一种基于激光位移传感器的数字化实时焊接角变形测量仪及其操作方法，利用两个激光位移传感器在焊件待测面测量得到两点距离，同时将该位移量转换成对应的电压模拟量，并将电压模拟量传送到PLC里面，PLC基于三角函数原理，根据系统里写入的d值对应的电压与h2-h1位移差对应的a-b电压差得出焊接角变形的角度，最终传输并显示在tpc7062ti显示屏上。
(2)本发明的数字化实时焊接角变形测量仪可用于焊接结构在随焊或者焊后的任意时刻焊接角变形测试，是一种非接触式的测量系统，可搭载在焊接机器人系统中，不干扰焊接过程的进行，同时直接给出角变形测试结果，设备便携，精度高，适用性广。
(3)本发明测量精度高，可实现实时测量，操作过程简单，测量耗时短，利于大规模测量，可用于实验室实验测量，也可以用于工业测量。本发明的数字化实时焊接角变形测量仪目前市面上尚未有应用，潜在应用领域为焊接生产线或者大型焊接构件的随焊/焊后角变形测试中，为辅助优化焊接工艺的数字化测试系统。
本发明可获得一种基于激光位移传感器的数字化实时焊接角变形测量仪及其操作方法。
附图说明
图1为实施例1一种基于激光位移传感器的数字化实时焊接角变形测量仪的结构示意图，1为型材，2为固定支座，3为丝杆a，4为螺母座，5为光轴支座，6为激光位移传感器a，7为连接板，8为光轴a，9为激光位移传感器b，10为电机a，11为电机b，12为平板，13为压块，14为焊件，15为丝杆b，16为光轴b，17为A边，18为B边，19为光轴套。
图2为实施例2中模型简化模拟图，A代表激光位移传感器b，B代表激光位移传感器a，d代表激光位移传感器a与激光位移传感器b之间的直线距离，h1代表激光位移传感器b到焊件之间的直线距离，h2代表激光位移传感器a到焊件之间的直线距离，θ代表焊接角变形与水平面之间的夹角。
图3为实施例2中Panasonic品牌HG-C1000系列激光位移传感器的产品说明书中关于测量距离与电压的线性关系图，■代表电压。
图4为实施例2中的42BYGH60电机。
图5为实施例2中的STP-59D1059电机。
图6为实施例2中Panasonic品牌下HG-C1000系列激光位移传感器。
图7为实施例2中的224xpcp PLC。
图8为实施例2中的tpc7062ti显示屏。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种基于激光位移传感器的数字化实时焊接角变形测量仪，包括型材1、丝杆a 3、激光位移传感器a 6、光轴a 8、激光位移传感器b 9、电机a10、电机b 11、焊件14、丝杆b 15、光轴b 16、PLC和显示屏；
所述的型材1的底部边框上水平设置有平板12，平板12上设置有焊件14，焊件14上设置有压块13；型材1的顶部边框的一侧为A边17，型材1的顶部边框的另一侧为B边18，所述的A边17上设置有固定支座2，丝杆a 3的一端与固定支座2转动连接，丝杆a 3的另一端通过传动轴与电机b 11连接，所述的丝杆a 3上设置有螺母座4，螺母座4设有内螺纹，螺母座4与丝杆a 3螺纹连接；所述的B边18上设置有光轴b 16，光轴b16的两端通过连接件与B边18连接，光轴b 16上设置有光轴套19，螺母座4和光轴套19的顶部均设置有光轴支座5，螺母座4上的光轴支座5的上部设有一个通孔，下部设有一个螺纹孔；光轴套19上的光轴支座5的上下部各设有一个通孔，光轴套19的顶部还设置有电机a 10；
丝杆b 15的一端与A边17上光轴支座5的螺纹孔螺纹连接，丝杆b 15的另一端穿过B边18上光轴支座5下部的通孔，且通过传动轴与电机a 10连接；光轴a 8的一端与A边17上光轴支座5的通孔连接，光轴a 8的另一端与B边18上光轴支座5上部的通孔连接，且光轴a 8和丝杆b 15平行设置，丝杆b 15和丝杆a 3垂直设置，丝杆a 3和光轴b 16平行设置，连接板7的上部设有通孔，下部设有螺纹孔，连接板7的通孔套装在光轴a 8上，连接板7通过螺纹孔与丝杆b 15螺纹连接；连接板7的两端面上对称设置有激光位移传感器a 6和激光位移传感器b 9；激光位移传感器a 6和激光位移传感器b 9均通过信号输出端与PLC的模拟量输入端连接，PLC的数据输出端与显示屏的数据输入端连接。
光轴a 8和丝杆b 15平行设置，形成对激光位移传感器a 6和激光位移传感器b 9垂直于滑移方向的约束；同时，丝杆b 15与丝杆a 3和光轴b 16垂直设置，保证螺母座4和光轴套19尽可能保持水平。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：所述的激光位移传感器a 6的型号为HG-C1000。
其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同点是：所述的激光位移传感器b 9的型号为HG-C1000。
其他步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：所述的PLC的型号为224xpcp。
其他步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：所述的显示屏的型号为tpc7062ti。
其他步骤与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式一种基于激光位移传感器的数字化实时焊接角变形测量仪的操作方法，按以下步骤进行：
一、先将平板12放置在型材1的底部边框上，并保证平板12与水平面保持相对水平状态，在平板12上画一道平行于丝杆b 15的直线，同时在焊件14上画一道垂直于焊件14的焊缝的直线，然后将焊件14放置在平板12上并使焊件14上的直线与平板12上的直线重合，同时保证焊件14的焊缝与丝杆b 15保持垂直，再将压块13放置在焊件14一侧的表面上；
二、插上电源，启动电机b 11，通过丝杆a 3的转动使激光位移传感器a 6和激光位移传感器b 9移动到焊件14的上方，然后关闭电机b 11；再启动电机a 10，通过丝杆b 15转动使激光位移传感器a 6和激光位移传感器b 9移动到焊件14上未放置压块13的一侧的正上方，关闭电机a 10；
三、先确认激光位移传感器a 6和激光位移传感器b 9与水平面保持相对水平状态，然后打开激光位移传感器a 6和激光位移传感器b 9，清零，再分别测量出激光位移传感器a 6和激光位移传感器b 9到待测焊件14所在面之间的直线距离，最后激光位移传感器a6和激光位移传感器b 9将测量的位移转换成对应的电压模拟量传送到PLC，PLC转换得到待测焊件14所在面与水平面之间的夹角，并将该夹角传送并显示在显示屏上。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同点是：所述的激光位移传感器a 6的型号为HG-C1000。
其他步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七不同点是：所述的激光位移传感器b 9的型号为HG-C1000。
其他步骤与具体实施方式六或七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同点是：所述的PLC的型号为224xpcp。
其他步骤与具体实施方式六至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六至九之一不同点是：所述的显示屏的型号为tpc7062ti。
其他步骤与具体实施方式六至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：如图1所示，一种基于激光位移传感器的数字化实时焊接角变形测量仪，包括型材1、丝杆a 3、激光位移传感器a 6、光轴a 8、激光位移传感器b 9、电机a 10、电机b11、焊件14、丝杆b 15、光轴b 16、PLC和显示屏；
所述的型材1的底部边框上水平设置有平板12，平板12上设置有焊件14，焊件14上设置有压块13；型材1的顶部边框的一侧为A边17，型材1的顶部边框的另一侧为B边18，所述的A边17上设置有固定支座2，丝杆a 3的一端与固定支座2转动连接，丝杆a 3的另一端通过传动轴与电机b 11连接，所述的丝杆a 3上设置有螺母座4，螺母座4设有内螺纹，螺母座4与丝杆a 3螺纹连接；所述的B边18上设置有光轴b 16，光轴b 16的两端通过连接件与B边18连接，光轴b 16上设置有光轴套19，螺母座4和光轴套19的顶部均设置有光轴支座5，螺母座4上的光轴支座5的上部设有一个通孔，下部设有一个螺纹孔；光轴套19上的光轴支座5的上下部各设有一个通孔，光轴套19的顶部还设置有电机a 10；
丝杆b 15的一端与A边17上光轴支座5的螺纹孔螺纹连接，丝杆b 15的另一端穿过B边18上光轴支座5下部的通孔，且通过传动轴与电机a 10连接；光轴a 8的一端与A边17上光轴支座5的通孔连接，光轴a 8的另一端与B边18上光轴支座5上部的通孔连接，且光轴a 8和丝杆b 15平行设置，丝杆b 15和丝杆a 3垂直设置，丝杆a 3和B边18平行设置，连接板7的上部设有通孔，下部设有螺纹孔，连接板7的通孔套装在光轴a 8上，连接板7通过螺纹孔与丝杆b 15螺纹连接；连接板7的两端面上对称设置有激光位移传感器a 6和激光位移传感器b 9；激光位移传感器a 6和激光位移传感器b 9均通过信号输出端与PLC的模拟量输入端连接，PLC的数据输出端与显示屏的数据输入端连接。
激光位移传感器a 6和激光位移传感器b 9的型号均为Panasonic品牌下HG-C1000系列，其量程是400mm，范围是400±200mm，200mm～400mm的精度是0.3mm，400mm～600mm范围内精度是0.8mm；PLC的型号为西门子224xpcp，显示屏的型号为tpc7062ti；电机a 10的型号为步进电机42BYGH60，驱动型号为TB6600；电机b 11的型号为步进电机STP-59D1059，驱动型号为ULN2003。
型材1的截面尺寸为40mm*40mm，丝杆a 3和丝杆b 15的长度为400mm，光轴a 8和光轴b 16的长度为50mm。
实施例2：一种基于激光位移传感器的数字化实时焊接角变形测量仪的操作方法，按以下步骤进行：
一、先将型材1置于水平地面上，将平板12放置在型材1的底部边框上，将万向水平仪放在平板12上，使万向水平仪水滴移动到中间十字交叉线上，保证平板12与水平面保持相对水平状态，在平板12上画一道平行于丝杆b 15的直线，同时在焊件14上画一道垂直于焊件14的焊缝的直线，然后将焊件14放置在平板12上并使焊件14上的直线与平板12上的直线重合，同时保证焊件14的焊缝与丝杆b 15保持垂直，再将压块13放置在焊件14一侧的表面上，使焊件14该测完全与平板12紧密贴合，以便更好地测量另一测的位移差。
二、插上电源，启动电机b 11，通过丝杆a 3的转动使激光位移传感器a 6和激光位移传感器b 9移动到焊件14的上方，然后关闭电机b 11；再启动电机a 10，通过丝杆b 15转动使激光位移传感器a 6和激光位移传感器b 9移动到焊件14上未放置压块13的一侧的正上方，关闭电机a 10。
三、先确认激光位移传感器a 6和激光位移传感器b 9与水平面保持相对水平状态，然后打开激光位移传感器a 6和激光位移传感器b 9，清零，再分别测量出激光位移传感器a 6和激光位移传感器b 9到待测焊件14所在面之间的直线距离，最后激光位移传感器a6和激光位移传感器b 9将测量的位移转换成对应的电压模拟量传送到PLC，PLC转换得到待测焊件14所在面与水平面之间的夹角，并将该夹角传送并显示在显示屏上。
如果要继续对其他焊件进行测量，可重复以上步骤一至三，即可完成对焊件的焊接角变形的角度的测量和转换。
激光位移传感器a 6和激光位移传感器b 9的型号均为Panasonic品牌下HG-C1000系列，其量程是400mm，范围是400±200mm，200mm～400mm的精度是0.3mm，400mm～600mm范围内精度是0.8mm；PLC的型号为西门子224xpcp，显示屏的型号为tpc7062ti；电机a 10的型号为步进电机42BYGH60，驱动型号为TB6600；电机b 11的型号为步进电机STP-59D1059，驱动型号为ULN2003。
四、计算原理；
测量的理想状态即两个激光位移传感器的位置连线与水平面保持平行，如图2所示；
由图中的三角关系可以得出：
由于游标卡尺的精度高于激光传感器的精度，所以基于三角函数理论就水平d的测量选用精度为0.01mm的游标卡尺在安装后的装置上进行测量，得出的d值为46.50mm，由于激光传感器的宽度为20.00mm，则两点的距离为26.50mm。基于两个位移传感器测出的距离要转化成电压值来进行计算，最大值为600mm，最小值为200mm，最大值对应0V，最小值对应5V，范围内的其他值均呈线性关系，具体如图3所示。
两个传感器测出的距离分别对应h1和h2，则图2中竖向的直角边距离为h2-h1，传感器输出的模拟量只能是电压值，所以h1对应电压值为a，h2对应的电压值为b，h2-h1可以对应为a-b，相同的道理，由于d的实测距离在该范围之外，无法对应电压值，因此按照传感器在A与B点测h1和h2的对应电压一样，假想有两个水平传感器对两个位移传感器进行测量，可以在200～600mm的范围内取出两点为h3和h4，他们的距离差为26.50mm对应的电压值为e和f，因为距离差和电压差是线性关系，所以取出的两点的距离差h4-h3可以和这两点的位移差对应，因为都是在一个坐标系下的关系，所以成立，这样就得到d值对应的电压值。
按照三角函数原理对224xpcp PLC进行电路梯形图设计，将编好的程序保存到该PLC上，编程时将d值对应的电压值作为常量写进去(由于两个传感器之间的距离是固定的，因此电压恒定不变)。然后在测量时，两个传感器将各自测量到的位移量转换成对应的电压模拟量，再将电压模拟量传送到PLC中，PLC按照程序进行数据量的转换，并将最终转换得到的焊接角变形的角度传输到tpc7062ti显示屏上。
Claims (5)
1.一种基于激光位移传感器的数字化实时焊接角变形测量仪的操作方法，其特征在于所述的数字化实时焊接角变形测量仪包括型材（1）、丝杆a（3）、激光位移传感器a（6）、光轴a（8）、激光位移传感器b（9）、电机a（10）、电机b（11）、焊件（14）、丝杆b（15）、光轴b（16）、PLC和显示屏；
所述的型材（1）为“U”形结构件，型材（1）的底部边框上水平设置有平板（12），平板（12）上设置有焊件（14），焊件（14）上设置有压块（13）；型材（1）的顶部边框的一侧为A边（17），型材（1）的顶部边框的另一侧为B边（18），所述的A边（17）上设置有固定支座（2），丝杆a（3）的一端穿过固定支座（2）的通孔，丝杆a（3）的另一端通过传动轴与电机b（11）连接，所述的丝杆a（3）上设置有螺母座（4），螺母座（4）设有内螺纹，螺母座（4）的内螺纹与丝杆a（3）的外螺纹螺纹连接；所述的B边（18）上设置有光轴b（16），光轴b（16）的两端通过连接件与B边（18）连接，光轴b（16）上设置有光轴套（19），螺母座（4）和光轴套（19）的顶部均设置有光轴支座（5），螺母座（4）上的光轴支座（5）的上部设有一个通孔，下部设有一个螺纹孔；光轴套（19）上的光轴支座（5）的上下部各设有一个通孔，光轴套（19）的顶部还设置有电机a（10）；
丝杆b（15）的一端与A边（17）上光轴支座（5）的螺纹孔螺纹连接，丝杆b（15）的另一端穿过B边（18）上光轴支座（5）下部的通孔，且通过传动轴与电机a（10）连接；光轴a（8）的一端穿过A边（17）上光轴支座（5）的通孔，光轴a（8）的另一端穿过B边（18）上光轴支座（5）上部的通孔，且光轴a（8）和丝杆b（15）平行设置，丝杆b（15）和丝杆a（3）垂直设置，丝杆a（3）和光轴b（16）平行设置，连接板（7）的上部设有通孔，下部设有螺纹孔，连接板（7）的通孔套装在光轴a（8）上，连接板（7）通过螺纹孔与丝杆b（15）螺纹连接；连接板（7）的两端面上对称设置有激光位移传感器a（6）和激光位移传感器b（9）；激光位移传感器a（6）和激光位移传感器b（9）均通过信号输出端与PLC的模拟量输入端连接，PLC的数据输出端与显示屏的数据输入端连接；
所述的数字化实时焊接角变形测量仪的操作方法按以下步骤进行：
一、先将平板（12）放置在型材（1）的底部边框上，并保证平板（12）与水平面保持相对水平状态，在平板（12）上画一道平行于丝杆b（15）的直线，同时在焊件（14）上画一道垂直于焊件（14）的焊缝的直线，然后将焊件（14）放置在平板（12）上并使焊件（14）上的直线与平板（12）上的直线重合，同时保证焊件（14）的焊缝与丝杆b（15）保持垂直，再将压块（13）放置在焊件（14）一侧的表面上；
二、插上电源，启动电机b（11），通过丝杆a（3）的转动使激光位移传感器a（6）和激光位移传感器b（9）移动到焊件（14）的上方，然后关闭电机b（11）；再启动电机a（10），通过丝杆b（15）转动使激光位移传感器a（6）和激光位移传感器b（9）移动到焊件（14）上未放置压块（13）的一侧的正上方，关闭电机a（10）；
三、先确认激光位移传感器a（6）和激光位移传感器b（9）与水平面保持相对水平状态，然后打开激光位移传感器a（6）和激光位移传感器b（9），清零，再分别测量出激光位移传感器a（6）和激光位移传感器b（9）到待测焊件（14）所在面之间的直线距离，最后激光位移传感器a（6）和激光位移传感器b（9）将测量的位移转换成对应的电压模拟量传送到PLC，PLC转换得到待测焊件（14）所在面与水平面之间的夹角，并将该夹角传送并显示在显示屏上。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光位移传感器的数字化实时焊接角变形测量仪的操作方法，其特征在于所述的激光位移传感器a（6）的型号为HG-C1000。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光位移传感器的数字化实时焊接角变形测量仪的操作方法，其特征在于所述的激光位移传感器b（9）的型号为HG-C1000。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光位移传感器的数字化实时焊接角变形测量仪的操作方法，其特征在于所述的PLC的型号为224xpcp。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光位移传感器的数字化实时焊接角变形测量仪的操作方法，其特征在于所述的显示屏的型号为tpc7062ti。
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