CN114505560B - 一种面向电弧穿孔焊的磁偏吹矫正方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向电弧穿孔焊磁偏吹的矫正方法及装置，装置包括焊接机器人、计算机处理系统及机器视觉面阵相机组；机器视觉面阵相机组包括至少两台用于采集不同平面上工作电弧的图像的相机；计算机处理系统用于处理相机采集的工作电弧的图像信息算得此时工作电弧在不同平面下的偏转角，并根据其与许可偏转角的关系确定焊接机器人的控制方案；焊接机器人包括焊枪，焊枪设有焊枪角度调整装置，焊枪角度调整装置与计算机处理系统信号连接，其根据焊接机器人的控制方案实时调整焊枪角度。本发明的方法，可实时检测焊接过程中电弧状态，对其进行实时矫正，操作简便；装置的结构简单、适用性好、成本低廉，极具应用前景。

Description

一种面向电弧穿孔焊的磁偏吹矫正方法及装置

技术领域

本发明涉及电弧穿孔焊技术领域，涉及一种面向电弧穿孔焊的磁偏吹矫正方法及装置，特别涉及一种能够实时检测并自动矫正电弧穿孔焊磁偏吹的方法及装置。

背景技术

电弧穿孔焊是一种利用高能量电弧实现穿孔焊接的焊接方法。穿孔焊接主要分为等离子弧焊和穿孔TIG焊两类。由于焊缝质量高、焊接速度快、单面焊双面成形等优点，电弧穿孔焊广泛应用于储罐、管道、化工、不锈钢等设备的焊接。

但与其他电弧焊方法(如熔化极气体保护焊)一样，电弧穿孔焊在焊接过程中容易出现磁偏吹现象。当电弧空间中的磁场沿电弧轴线方向对称分布时，电弧保持轴对称形态，但是当周围环境或条件破坏磁场对称性时，电弧会因为受力不均而偏向电磁力较弱的一边，这种情况称为磁偏吹。

磁偏吹产生常见的原因有：一、导线在工件单侧接线；二、电弧附近有铁磁性物质；三、焊件存在剩磁；四、周围场地有磁场干扰；五、高温加热使铁磁性焊件局部消磁。对于电弧穿孔焊，磁偏吹的存在会使电弧穿孔能力减弱、匙孔稳定性降低、焊缝成形质量下降，因此在焊接中应对磁偏吹予以矫正。

为解决电弧穿孔焊存在的磁偏吹问题，CN 201922031579.9提供了一种磁偏吹矫正焊接装置，其具体是在电流方向一侧加设连接到焊枪的矫正板，保证其能够和焊枪一起移动，由于矫正板为金属材质，其磁导率远高于周围材质，改善电弧周围的磁力线分布(即矫正导线布置产生的干扰磁场)，从而起到矫正电弧的目的，虽然其整体装置结构简单，操作简单，但在焊接过程中矫正板不能随意变动，难以实现对电弧形态实时调整，矫正板利用定性的磁力线分布规律改善磁场分布，难以实现精确的定量调节，矫正板对电弧形态的矫正能力与其材质、大小、形状有关，作用效果存在上限，同时由于该方法在矫正磁偏吹的过程中会使电弧周围的磁感线变得稀疏，导致电弧无法高度集中，降低了电弧的穿孔能力，因此不适用于电弧穿孔焊中磁偏吹的矫正；CN 201410566213.0公开了一种用于氩弧焊机的磁偏吹消除装置，其针对电弧磁偏吹，设计了一种改进材料结构矫正磁偏吹的装置，其通过将现有的全铜反射电极板改进为铁件材料和铜件材料的组合结构，使其在电弧下方形成磁场，该磁场会将电弧往下拉，使电弧保持较强的挺度，从而矫正磁偏吹，铜条保证焊缝熔深平稳过度，确保了焊接质量，其不足之处是：由于反射电极板的尺寸越大，其消除磁偏吹的效果越好，因此矫正电弧磁偏吹不彻底；如要获得较佳磁偏吹矫正效果，使电弧保持足够的挺度，就必须增大反射电极板的尺寸，使矫正装置的结构趋于复杂，耗费材料。

在电弧穿孔焊中，引起电弧周围磁场分布不均匀的原因复杂多变，由此产生的电弧磁偏吹严重影响焊接质量和效率。如何矫正电弧磁偏吹，避免因磁偏吹产生的焊接电弧偏斜、匙孔稳定性不良、焊缝成形质量下降、及焊不透等不利影响，需要焊接领域科研人员不断完善方法、改进装置。纵观国内外焊接领域的相关研究，在电弧穿孔焊中，有许多关于矫正电弧磁偏吹的理论和方法，但大多只针对单个影响产生电弧磁偏吹的原因进行分析、处理，难以满足复杂焊接环境，矫正因多种影响因素产生的电弧磁偏吹。同时，大多方法和装置难以对焊接过程中的电弧形态进行实时检测，确保磁偏吹矫正的精度。

因此，开发一种能够实时检测、精确矫正电弧穿孔焊过程中的电弧形态以彻底消除磁偏吹对焊接的不利影响的方法极具现实意义。

发明内容

由于现有技术存在上述缺陷，本发明提供了一种能够实时检测、精确矫正电弧穿孔焊过程中的电弧形态以彻底消除磁偏吹对焊接的不利影响的方法，以解决现有电弧穿孔焊磁偏吹技术适用范围窄、难以实时检测电弧形态、无法精确并彻底地矫正电弧磁偏吹等的缺陷，本发明的面向电弧穿孔焊的磁偏吹矫正方法及装置，具体是通过闭环控制实时检测并精确矫正磁偏吹，能够增强匙孔稳定性，提高穿孔效率和焊缝成形质量，从而提高焊接质量、效率。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种面向电弧穿孔焊的磁偏吹矫正装置，包括焊接机器人、计算机处理系统及机器视觉面阵相机组，所述机器视觉面阵相机组、计算机处理系统及焊接机器人依次信号连接；

所述机器视觉面阵相机组包括至少两台用于采集不同平面上工作电弧的图像的相机，所述相机用于实时采集不同平面上工作电弧的图像后将获取的信息发送至计算机处理系统；

所述计算机处理系统用于处理相机采集的工作电弧的图像信息算得此时工作电弧在不同平面下的偏转角，并根据其与许可偏转角的关系确定焊接机器人的控制方案；

所述焊接机器人包括焊枪，焊枪设有焊枪角度调整装置，所述焊枪角度调整装置与计算机处理系统信号连接，其根据焊接机器人的控制方案实时调整焊枪角度。

本发明的面向电弧穿孔焊的磁偏吹矫正装置是配合电弧穿孔焊接设备(即上述焊接机器人)使用的，当然电弧穿孔焊接设备一般还包括依次连接的保护气瓶、焊接电源和焊枪，焊接电源负极连接焊枪，正极连接工件。

本发明的面向电弧穿孔焊的磁偏吹矫正装置，整体设计合理，利用机器视觉面阵相机组能够采集到电弧穿孔焊过程中工作电弧不同平面的图像信息，即可获取工作电弧的简易三维信息，同时利用计算机处理系统对图像信息进行处理获取工作电弧不同平面下的偏转角，基于偏转角确认是否需要矫正及矫正方案，以实现对电弧穿孔焊的磁偏吹的实时矫正，其能够矫正多种混合因素引起的磁偏吹现象，整体结构简单、适用性好、成本低廉，极具应用前景。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种面向电弧穿孔焊的磁偏吹矫正装置，所述机器视觉面阵相机组包括一台用于实时采集焊枪作业平面的相机A和一台用于采集与焊枪作业平面相互垂直的平面的相机B，所述焊枪作业平面垂直于工件且焊枪焊接方向所在直线位于所述焊枪作业平面。即相机A与相机B采集到的相互垂直平面的图像信息以方便后续获取焊接电弧的偏转角。

如上所述的一种面向电弧穿孔焊的磁偏吹矫正装置，所述相机A和相机B为面阵CCD相机，兼顾了采集速度和抗干扰能力。

如上所述的一种面向电弧穿孔焊的磁偏吹矫正装置，所述计算机处理系统包括依次连接的图像采集卡、电弧偏转角度计算模块及焊枪角度计算模块，所述图像采集卡通过视屏线与机器视觉面阵相机组信号连接，所述焊枪角度计算模块与焊枪角度调整装置信号连接，通过焊枪角度调整装置调整焊枪角度以完成磁偏吹矫正。

此外，本发明还提供一种运用如上所述的一种面向电弧穿孔焊的磁偏吹矫正装置矫正电弧穿孔焊磁偏吹的方法，包括如下步骤：

(1)根据焊接工艺设定电弧许用偏转角[θ]；

(2)电弧穿孔焊开始，焊枪以焊接速度向前方移动，相机A、B实时采集焊接电弧的图像信息并将采集到的信息发送至计算机处理系统；

(3)计算机处理系统处理焊接电弧的图像信息，获得焊接电弧在不同平面的偏转角θ、θ’；

(4)根据θ、θ’与[θ]的关系判断是否产生电弧磁偏吹，如|θ|≤[θ]且|θ’|≤[θ]则未产生电弧磁偏吹进行步骤(6)，反之则进行步骤(5)；

(5)根据θ、θ’反向调整焊枪角度矫正磁偏吹，返回步骤(2)；

(6)判断焊接过程是否完成，如否则返回步骤(2)，反之关闭磁偏吹矫正装置。

作为优选的技术方案：

如上所述的矫正电弧穿孔焊磁偏吹的方法，步骤(3)中所述的获得焊接电弧在不同平面的偏转角θ、θ’的具体操作如下：针对采集到的某一平面的焊接电弧的图像，将横、纵坐标分别记作X轴、Z轴，对钨极高度进行5等分，在第1和第4等分线处截取平行于焊件平面的电弧图像，获取上述等分线对应的纵坐标值Z1和Z2；采集上述两处对应的灰度值数据；拟合得到关于坐标X和第1等分线处对应的灰度值的二维函数图像，选取合适且灰度值急剧变化的灰度值的左右两区域作为电弧外部轮廓的左右边界，分别对两个区域所有点进行平均值计算后得x1和x2，再取x1和x2的均值X1，即得第1等分线处电弧中点的X轴坐标值；同理获取第4等分线处电弧中点的X轴坐标值X2；连接A(X1,Z1)、B(X2,Z2)两点后AB直线与Z轴的夹角即为焊接电弧在该平面下的偏转角。

如上所述的矫正电弧穿孔焊磁偏吹的方法，步骤(5)中所述的根据θ、θ’反向调整焊枪角度矫正磁偏吹的具体操作如下：

设定电弧向左偏时，偏转角为正值，电弧向右偏移时，偏转角为负值，焊枪顺时针转动为正方向，逆时针转动为负方向，焊枪在XOZ平面和YOZ平面的旋转角度分别为β、β’，β、β’的单位为°，β＝-(|θ|×1/θ)、β’＝-(|θ’|×1/θ’)，即反向旋转焊枪角度1°来矫正磁偏吹，且在焊枪转动过程中，钨极尖端与工件表面始终保持固定距离。

上述发明具有如下优点或者有益效果：

(1)本发明的面向电弧穿孔焊的磁偏吹矫正装置，整体设计合理，利用机器视觉面阵相机组能够采集到电弧穿孔焊过程中工作电弧不同平面的图像信息，即可获取工作电弧的简易三维信息，同时利用计算机处理系统对图像信息进行处理获取工作电弧不同平面下的偏转角，基于偏转角确认是否需要矫正及矫正方案，以实现对电弧穿孔焊的磁偏吹的实时矫正，其能够矫正多种混合因素引起的磁偏吹现象，整体结构简单、适用性好、成本低廉；

(2)本发明的面向电弧穿孔焊的磁偏吹矫正方法，基于视觉分析，可以实时检测焊接过程中电弧是否产生了磁偏吹，一旦系统判断产生了电弧磁偏吹，电脑将通过闭环控制操作焊接机器人反向调整焊枪角度来矫正磁偏吹，因为是多次微调，可以彻底、精确矫正磁偏吹；

(3)本发明的面向电弧穿孔焊的磁偏吹矫正方法，可以实时检测焊接电弧形态，矫正磁偏吹快速、有效，因此在焊接过程中能够增强匙孔稳定性，提高焊缝成形质量，大大提高焊接质量和效率；

(4)本发明的面向电弧穿孔焊的磁偏吹矫正方法，不需要对引起电弧产生磁偏吹的原因进行具体分析，省略了分析计算过程，同时节省了时间、降低了成本，能够满足复杂焊接环境中自动化焊接的工艺需求，极具应用前景。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未可以按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明的面向电弧穿孔焊的磁偏吹矫正装置的结构示意图；

图2为面向电弧穿孔焊的磁偏吹矫正方法的作业流程图；

图3为等分线处电弧采集图；

图4为电弧图像处理图；

图5为电弧磁偏吹的偏转角计算图；

图6为调整焊枪角度矫正磁偏吹的电弧形态图；

其中，1-焊接电源，2-保护气瓶，3-电脑，4-焊接机器人，5-焊枪，6-焊件，7-相机B，8-相机A，9-电弧。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明中的结构作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。

实施例1

图1为本发明的实验装置图，装置包括焊接机器人4、计算机处理系统3、机器视觉面阵相机组(包括相机B 7、相机A8)。两台摄像机分别对两个平面上的电弧形态进行拍摄，将采集的图像传输至计算机处理系统3，计算机处理系统3包括依次连接的图像采集卡3-1、电弧偏转角度计算模块3-2、焊枪角度计算模块3-3，图像采集卡3-1通过视屏线与摄像机相连；焊接电源1一端与焊枪5连接，一端与焊件6相连，焊枪角度计算模块3-3通过电脑与焊接机器人4连接在一起，焊接机器人4包括焊枪5，焊枪设有焊枪角度调整装置，焊枪角度调整装置与焊枪角度计算模块3-3信号连接，其根据焊接机器人的控制方案实时调整焊枪角度。

应用上述面向电弧穿孔焊的磁偏吹矫正装置矫正电弧穿孔焊磁偏吹的方法，其如图2所示包括如下步骤：

(1)根据焊接工艺设定电弧许用偏转角[θ]，具体为根据焊接工艺需求，使用STIG焊对两块Q345低碳钢平板进行对接焊接，两平板尺寸一致，板厚8mm，板长1000mm，板宽200mm，焊接电流为480A，焊接保护气为99.999％高纯氩，气体流量为25L/min，焊速为300mm/min，钨极材质为铈钨，钨极直径为2.4mm，钨极尖角为30°，钨极距离平板的距离为3mm，许用偏移角α＝0.5°，需要说明的是STIG焊机设为直流模式；

(2)电弧穿孔焊开始，焊枪以焊接速度向前方移动，相机A、B实时采集焊接电弧的图像信息并将采集到的信息发送至计算机处理系统；

(3)计算机处理系统处理焊接电弧的图像信息，获得焊接电弧在不同平面的偏转角θ、θ’，此处以相机B 7采集到的XOZ平面的焊接电弧的偏转角计算为例，电弧偏转角计算模块对图像中的钨极高度(钨极底端距板材的距离)进行五等分(如图3)，选取第一等分线处截取电弧的相素数值来做电弧边界判定，由此可知截取等分线处的Z值，分别记为Z1，对截取的上述两份数据分别进行提取，拟合成两个关于X-灰度值B的二维函数图像(如图4)，在拟合的二维图像中选取灰度值为180作为电弧边界的灰度值，在图4中计算左右两处选择点中X坐标的平均值，得到电弧左右边界的坐标(x1,Z1)、(x2,Z1)，得其中点坐标A(X1,Z1)，即在第一等分线上电弧的中点坐标为A点(X1,Z1)。同理得第四等分线上电弧的中点坐标为B点(X2,Z2)，连接直线AB，其与坐标轴Z轴夹角即为XOZ平面的电弧偏转角θ＝10°(如图5)，同理可得YOZ平面的电弧偏转角θ’＝-7°；

(4)根据θ、θ’与[θ]的关系判断是否产生电弧磁偏吹，如|θ|≤[θ]且|θ’|≤[θ]则未产生电弧磁偏吹进行步骤(6)，反之则进行步骤(5)，此时|θ|＞[θ]且|θ’|＞[θ]，即发生电弧磁偏吹，进入步骤(5)；

(5)根据θ、θ’反向调整焊枪角度矫正磁偏吹，焊枪角度调整模块，在已知电弧偏转角θ、θ’的情况下，反向矫正磁偏吹；设定电弧向左偏时，偏转角为正值，电弧向右偏转时，偏转角为负值；同时设定焊枪顺时针转动为正方向，逆时针转动为负方向，再设焊枪分别在XOZ平面和YOZ平面的调整角度为β、β’，令β＝-(|θ|×1/θ)＝-1°、β’＝-(|θ’|×1/θ’)＝1°，即保证焊枪下部的钨极端点不动，在XOZ平面焊枪逆时针转动一度、在YOZ平面焊枪顺时针转动一度对焊枪角度进行微调，返回步骤(2)；

(6)判断焊接过程是否完成，如否则返回步骤(2)，反之关闭磁偏吹矫正装置。通过闭环控制、循环检测、多次微调，直到满足电弧偏转角小于或等于许用偏转角(如图6)，即矫正了电弧磁偏吹。

与相关技术相比，本发明可以做到实时检测工作中电弧形态，并进行快速、精确矫正电弧磁偏吹，减少其对焊接过程的不利影响，增加匙孔稳定性，提高焊缝成形质量，满足自动化焊接领域的工艺需求。

需要注意的是，发明中所引用的如“左”、“右”、“之间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种面向电弧穿孔焊的磁偏吹的矫正方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据焊接工艺设定电弧许用偏转角[θ]；

(2)电弧穿孔焊开始，焊枪以焊接速度向前方移动，相机A、B实时采集焊接电弧的图像信息并将采集到的信息发送至计算机处理系统；

(3)计算机处理系统处理焊接电弧的图像信息，获得焊接电弧在不同平面的偏转角θ、θ’；

(4)根据θ、θ’与[θ]的关系判断是否产生电弧磁偏吹，如|θ|≤[θ]且|θ’|≤[θ]则未产生电弧磁偏吹进行步骤(6)，反之则进行步骤(5)；

(5)根据θ、θ’反向调整焊枪角度矫正磁偏吹，返回步骤(2)；

(6)判断焊接过程是否完成，如否则返回步骤(2)，反之关闭磁偏吹矫正装置；

步骤(3)中所述的获得焊接电弧在不同平面的偏转角θ、θ’的具体操作如下：针对采集到的某一平面的焊接电弧的图像，将横、纵坐标分别记作X轴、Z轴，对钨极高度进行5等分，在第1和第4等分线处截取平行于焊件平面的电弧图像，获取上述等分线对应的纵坐标值Z1和Z2；采集上述两处对应的灰度值数据；拟合得到关于坐标X和第1等分线处对应的灰度值的二维函数图像，选取合适且灰度值急剧变化的灰度值的左右两区域作为电弧外部轮廓的左右边界，分别对两个区域所有点进行平均值计算后得x1和x2，再取x1和x2的均值X1，即得第1等分线处电弧中点的X轴坐标值；同理获取第4等分线处电弧中点的X轴坐标值X2；连接A(X1,Z1)、B(X2,Z2)两点后AB直线与Z轴的夹角即为焊接电弧在该平面下的偏转角。

2.根据权利要求1所述的矫正方法，其特征在于，步骤(5)中所述的根据θ、θ’反向调整焊枪角度矫正磁偏吹的具体操作如下：

设定电弧向左偏时，偏转角为正值，电弧向右偏移时，偏转角为负值，焊枪顺时针转动为正方向，逆时针转动为负方向，焊枪在XOZ平面和YOZ平面的旋转角度分别为β、β’，β、β’的单位为°，β＝-(|θ|×1/θ)、β’＝-(|θ’|×1/θ’)，即反向旋转焊枪角度1°来矫正磁偏吹，且在焊枪转动过程中，钨极尖端与工件表面始终保持固定距离。

3.应用如权利要求1～2任一项所述的矫正方法的一种面向电弧穿孔焊的磁偏吹矫正装置，其特征在于：包括焊接机器人、计算机处理系统及机器视觉面阵相机组，所述机器视觉面阵相机组、计算机处理系统及焊接机器人依次信号连接；

所述机器视觉面阵相机组包括至少两台用于采集不同平面上工作电弧的图像的相机，所述相机用于实时采集不同平面上工作电弧的图像后将获取的信息发送至计算机处理系统；

所述计算机处理系统用于处理相机采集的工作电弧的图像信息算得此时工作电弧在不同平面下的偏转角，并根据其与许可偏转角的关系确定焊接机器人的控制方案；

所述焊接机器人包括焊枪，焊枪设有焊枪角度调整装置，所述焊枪角度调整装置与计算机处理系统信号连接，其根据焊接机器人的控制方案实时调整焊枪角度。

4.根据权利要求3所述的一种面向电弧穿孔焊的磁偏吹矫正装置，其特征在于，所述机器视觉面阵相机组包括一台用于实时采集焊枪作业平面的相机A和一台用于采集与焊枪作业平面相互垂直的平面的相机B，所述焊枪作业平面垂直于工件且焊枪焊接方向所在直线位于所述焊枪作业平面。

5.根据权利要求4所述的一种面向电弧穿孔焊的磁偏吹矫正装置，其特征在于，所述相机A和相机B为面阵CCD相机。

6.根据权利要求3所述的一种面向电弧穿孔焊的磁偏吹矫正装置，其特征在于，所述计算机处理系统包括依次连接的图像采集卡、电弧偏转角度计算模块及焊枪角度计算模块，所述图像采集卡通过视频线与机器视觉面阵相机组信号连接，所述焊枪角度计算模块与焊枪角度调整装置信号连接。