CN114633023A - 一种用于激光焊接的送丝控制方法、系统及激光焊接装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于激光焊接的送丝控制方法、系统及激光焊接装置，属于激光焊接领域，方法包括：S01获取焊丝与焊接工件之间的电阻信息；S02确定焊丝与焊接工件之间的距离值；S03判断距离值是否大于预设距离，是则进入S04，否则进入S1；S04生成用于使送丝机以预设速度进行送丝的第二控制指令，且送丝长度等于上述距离值；S1在激光焊接过程中采集焊接点的图像信息；S2对图像信息进行处理，获得等离子体气团的形状；S3对等离子体气团的形状进行分类处理，获得分类结果；S4生成用于调整送丝状态的第一控制指令；S5循环执行上述步骤直至焊接结束。本发明提供了新的焊丝距离检测方案，并结合计算机视觉技术使送丝状态根据焊接过程进行智能化调节。
Description
技术领域
本发明涉及，特别涉及一种用于激光焊接的送丝控制方法、系统及激光焊接装置。
背景技术
在激光焊接应用中，由于焊接件的间隙过大，或者焊缝凹凸不平，或者需要焊接的两种材料种类不同的原因，必须使用焊丝来填充焊缝以及改善焊接质量。然而，在大多数激光焊接设备中，其送丝机构一般继承于电焊、氩弧焊、CO2气体保护焊等常规焊接中的送丝技术，并没有为激光焊接应用的特殊性开发新的送丝装置。相比于其他焊接技术，激光焊接具备精度高、成型焊缝小、热影响区小等特点，因此，要求送丝速度、送丝长度和送丝力度更精准和稳定，对于焊接过程中的工件变形或者位移偏差要具备智能化的补偿能力。尤其是对于智能化激光焊接应用，送丝速度和送丝长度需要根据工件的材料、加工误差等，能够进行智能化的调整。
现有的送丝机构或装置采用了基本相似的机械结构，例如激光送丝机(公告号为CN209206719U的中国实用新型)、一种卡簧机的送丝机构(公告号为CN212216924U的中国实用新型)、一种送丝机构(公告号为CN208825228U的中国实用新型)、送丝机(公告号为CN203173603U的中国实用新型)等，大致包含送丝轮、导向轮、传动电机、矫直器等。这些专利文献主要关注送丝机构的稳定性和可靠性，通常不具备智能化的特征，比如无法根据实际焊丝的状态调整送丝速度和力度，也无法根据焊接过程中参数的变化智能调整送丝的运动状态等，因此，难以适应智能化制造的基本要求。
实现智能化送丝的功能需要包含两个前提技术。第一个前提技术是焊丝状态的监测技术，在弧焊或者电阻焊接机器人系统中，通过测量焊接中驱动电流或者焊丝与工件之间的感应电感可以对焊丝的状态进行监测(参见：林尚扬，《焊接机器人及其应用》，机械工业出版社，ISBN 7-111-013335-2，2000)。但此类方法在激光焊接中不易被采用，一个原因是激光焊接中不需要通过焊丝来传导电流；另一个原因是电焊或者弧焊都属于热传导焊，没有大量的等离子体气团，不会对其中的电感信号或电流信号产生较大的干扰，而在激光焊接中，这些干扰不可避免。第二个前提技术是激光焊接状态的监控，因为在激光焊接过程中，开始阶段、中间焊接阶段和结尾阶段对送丝的要求并不相同，并且在焊接过程中，当发生材料受热变形或者装配移位等时，需要及时调整送丝的参数(参见：A.Popescu,Controlof Porosity and Spatter in Laser Welding of Thick AlMg5 Parts Using High-Speed Imaging and Optical Microscopy,Metals,2017,7,452)等，如此才可以获得高品质的焊接效果，发挥激光焊接的优势。针对这个问题，目前出现了一些向智能化方向改进的技术(例如，一种智能送丝机，公开号为CN102465292A的中国发明专利；自动激光焊接机的自动送丝系统，公开号为CN103567635A的中国发明专利，其在原有送丝系统上增加了控制芯片，提供了一定程度的自动化水平，但并没有涉及针对激光焊接全过程的送丝智能控制和实时反馈，因此不能较好地解决激光焊接应用中的送丝智能化问题。
总体而言，为发挥激光焊接的高精度、高品质的优势，对应的送丝装置需要具备智能化和精确化的特质，以便于对激光焊接的全过程进行合理和精准地送丝，并能应对激光焊接中的状态参数的实时变化。
发明内容
针对现有技术存在的送丝装置无法在激光焊接过程中提供准确的送丝速度和长度的问题，本发明的目的在于提供一种用于激光焊接的送丝控制方法、系统及激光焊接装置。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
第一方面，本发明提供一种用于激光焊接的送丝控制方法，包括以下步骤：
S1、在激光焊接过程中，采集焊接点的图像信息；
S2、对所述图像信息进行处理，获得等离子体气团的形状；
S3、对所述等离子体气团的形状进行分类处理，获得分类结果；
S4、根据所述分类结果生成用于调整送丝状态的第一控制指令；
S5、循环执行S1-S4的步骤，直至焊接结束。
优选的，S3中，所述分类结果包括细长状、悬空状和飞溅状，则S4中的所述第一控制指令包括：
当所述分类结果为细长状时，所述第一控制指令为不调整送丝状态；
当所述分类结果为悬空状时，所述第一控制指令为以第一送丝速度增加第一送丝长度，以使焊丝重新接触工件；
当所述分类结果为飞溅状时，所述第一控制指令为以第二送丝速度增加第二送丝长度，以补充焊丝；
其中，所述第二送丝速度大于所述第一送丝速度，所述第二送丝长度大于所述第一送丝长度。
进一步的，在进行激光焊接之前，还包括以下步骤：
S01、获取焊丝与焊接工件之间的电阻信息；
S02、根据所述电阻信息确定焊丝与焊接工件之间的距离值；
S03、判断所述距离值是否大于预设距离，是则进入S04，否则进入S1；
S04、生成第二控制指令，所述第二控制指令用于使送丝机以预设速度送丝，且送丝长度等于所述距离值。
进一步的，在S04之后，还包括以下步骤：
S05、在送丝完成后，再次检测焊丝与焊接工件之间的电阻信息，并根据所述电阻信息确定焊丝与焊接工件之间的距离值A；
S06、判断所述距离值A是否低于或等于所述预设距离，是则启动激光焊接，否则进入S07；
S07、退丝，并对S04中的预设速度进行调整后，再重新执行S04的步骤，直至S06中的距离值A低于或等于所述预设距离。
优选的，在S07中，所述对S04中的预设速度进行调整的步骤包括：
以预设的幅度对所述预设速度进行降低，从而获得新的预设速度，以新生成的预设速度生成所述第二控制指令。
第二方面，本发明还提供一种用于激光焊接的送丝控制系统，所述系统包括处理器以及与所述处理器电性连接的焊丝状态检测组件和计算机视觉组件；所述焊丝状态检测组件用于检测焊丝与焊接工件之间的电阻值；所述计算机视觉组件用于在焊接过程中采集焊接点的图像信息；所述处理器用于根据所述电阻值确定焊丝与焊接工件之间的距离值，并在所述距离值大于预设距离时生成第二控制指令，所述第二控制指令用于控制送丝机以预设速度送丝，并且送丝长度与所述距离值相同；所述处理器还用于在所述距离值不超过所述预设距离时，根据对所述图像信息的分类处理结果生成第一控制指令，所述第一控制指令用于调整送丝机的送丝状态。
优选的，所述焊丝状态检测组件包括电阻采样电路，所述计算机视觉组件包括CCD相机，所述处理器还连接有外围电路，所述外围电路包括连接所述电阻采样电路的模数转换器和电阻电桥芯片以及连接所述CCD相机的数据采集卡。
优选的，所述电阻采样电路为电阻电桥电路，所述电阻电桥电路其中的一个桥臂的两端分别连接工件和焊丝。
第三方面，本发明还提供一种激光焊接装置，包括送丝机、激光器、机械臂以及如上所述的送丝控制系统；其中，所述机械臂的输出末端安装有焊接头，所述焊接头通过光纤与所述激光器相连接；所述送丝机包括送丝嘴，所述送丝嘴固定在所述焊接头或所述机械臂的输出末端。
进一步的，所述送丝机还包括用于收储焊丝的送丝盘、用于输送焊丝的送丝机构以及用于驱动焊丝的伺服机构；所述送丝机构以及所述伺服机构安装在所述机械臂的输出末端上。
采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：一方面通过对等离子体气团的形状进行分析和归类从而得到相应的焊接状态，进而能够依此进行更加精准和智能化的送丝状态调整；另一方面通过测量工件与焊丝之间的电阻值来判断焊丝与工件之间的相对距离位置，相对于传统技术能够实现更精确地送丝长度控制。
附图说明
图1为本发明实施例一的方法流程图；
图2为本发明实施例一中对等离子体气团形状的分类结果示意图；
图3为本发明实施例二中的方法流程图；
图4为本发明实施例二中焊丝与工件之间的电阻变化规律示意图；
图5为本发明实施例四中送丝控制系统的结构示意图；
图6为本发明实施例五中激光焊接装置的结构示意图；
图7为本发明实施例五中激光焊接装置的电气原理图；
图8为本发明实施例五中送丝机构的结构示意图；
图9为本发明实施例六中激光焊接装置的结构示意图。
图中:1-处理器、2-焊丝状态检测组件、3-计算机视觉系统、4-送丝机、41-送丝盘、42-送丝机构、421-导向轮、422-主动轮、423-从动轮、424-从动驱动轮、425-主动驱动轮、43-伺服机构、44-送丝嘴、5-激光器、6-机械臂。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示对本发明结构的说明，仅是为了便于描述本发明的简便，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。
对于本技术方案中的“第一”和“第二”，仅为对相同或相似结构，或者起相似功能的对应结构的称谓区分，不是对这些结构重要性的排列，也没有排序、或比较大小、或其他含义。
另外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”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，可以是两个结构内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据本发明的总体思路，联系本方案上下文具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
一种用于激光焊接的送丝控制方法，该方法应用于具有计算功能的处理设备，如图1所示，该方法具体包括以下步骤：
S1、在激光焊接过程中，采集焊接点的图像信息；
S2、对图像信息进行处理，获得等离子体气团的形状；
S3、对等离子体气团的形状进行分类处理，获得分类结果；
S4、根据分类结果生成用于调整送丝状态的第一控制指令；
S5、循环执行S1-S4的步骤，直至焊接结束。
在S1中，通常通过CCD相机采集焊接点的图像信息，并通过数据采集卡传输给处理设备。在S2中，处理设备通常会对其接收到的图像信息进行锐化、分割等图像处理，从而得到等离子体气团的形状。在S3中，处理设备内通常还搭载有预先训练得到的分类模型，通过分类模型对等离子体气团的形状进行分离，其中分类模型包括但不限于基于神经网络算法搭建的模型。
在S3中，上述的分类结果包括细长状、悬空状和飞溅状，如图2所示，则S4中的第一控制指令对应地包括：
当分类结果为细长状时，第一控制指令为不调整送丝状态，即焊接状态正常，送丝机以设定的送丝速度进行送丝即可。
当分类结果为悬空状(焊丝与工件之间具有一定间隙)时，第一控制指令为以第一送丝速度增加第一送丝长度，以使焊丝重新接触工件，即，送丝机以更好的第一送丝速度进行送丝以弥补焊丝与工件之间的间隙，而上述的第一送丝长度即为该间隙，第一送丝速度和第一送丝长度事先预设好即可。
当分类结果为飞溅状时，则表示焊丝与工件之间具有较大间距，该间距可能是断丝导致的，也可能是焊丝供应不及导致的，此时第一控制指令为以第二送丝速度增加第二送丝长度，以补充焊丝。可以理解的是，在焊丝与工件之间具有较大间距时，此时的第二送丝速度需大于第一送丝速度，第二送丝长度也需大于第一送丝长度，通常第二送丝速度和第二送丝长度事先预设好即可。
实施例二
实施例一公开了在焊接过程进行中，如何通过焊接点的图像进行进行焊丝状态的调整，但是在焊接进行之前，焊接点还没有形成，则上述方案无法执行，基于此，如图3所示，本实施例进一步提出，在进行激光焊接之前该方法还包括以下步骤：
S01、获取焊丝与焊接工件之间的电阻信息；
S02、根据电阻信息确定焊丝与焊接工件之间的距离值；
S03、判断距离值是否大于预设距离，是则进入S04，否则进入S1；
S04、生成第二控制指令，第二控制指令用于使送丝机以预设速度送丝，且送丝长度等于距离值；
其中，在S01中，焊丝与焊接工件之间的电阻信息通常由电阻采样电路检测得到，根据焊丝与焊接工件之间的距离变化，焊丝与焊接工件之间的电阻也相应的发生变化，因此根据电阻的数值以及其变化趋势即可反推焊丝与焊接工件之间的距离。如图4所示，通常而言，在焊丝与工件之间的位置关系包括四个阶段：①靠近阶段、②相接触阶段、③焊接持续阶段、④远离阶段。在接触送丝开始前，焊丝与工件不接触，电阻接近无穷大，即阶段①；送丝到位后，焊丝与工件紧密接触，电阻值处于最小值，即阶段②，具体的电阻值由处理设备通过扫描法获得，即处理设备记录送丝过程中的电阻值，直到不再下降为止；焊接开始后，焊丝融化形成金属液滴，此时电阻值略有上升，并且由于等离子体电离效应的影响，电阻值存在起伏，即阶段③；焊接完成后，送丝机开始退丝远离，此时的电阻值随着液滴被拉长然后被拉断呈现逐渐升高的趋势，即阶段④。从图4中可以看出，虽然焊丝与工件在不同的接触条件下，其电阻值会有一定的波动范围，但用在焊接之前的判断(即阶段①到阶段②)以足够，即在S02中，可根据对应的电阻值获得相应的距离值。
因此在S03中，预设的距离值通常为0。在S04中，第二控制指令中包含的预设速度通常指的是工件的运动速度(即焊接移动系统的移动速度)，该数据事先存入即可。
实施例三
在实施例二中，考虑到上述焊接移动系统的移动速度是由终端用户根据现场焊接工件的特性而设置的，因此执行本发明方法的处理设备存在着无法及时获取的问题，因此在本实施例中，还需要对上述S04中用于送丝的预设速度进行智能化调整，在S04之后，本方法还包括以下步骤：
S05、在送丝完成后，再次检测焊丝与焊接工件之间的电阻信息，并根据电阻信息确定焊丝与焊接工件之间的距离值A；
S06、判断该距离值A是否低于或等于上述的预设距离，是则启动激光焊接，否则进入S07；
S07、退丝，并对S04中的预设速度进行调整后，再重新执行S04的步骤，直至S06中的距离值A低于或等于预设距离。
可以理解的是，由于在执行S04的时候并不清楚焊接移动系统的移动速度，因此S04中所称的预设速度通常是随机选择的，并且也不清楚该预设速度是高于还是低于焊接移动系统的移动速度，高于时则存在焊丝到位而工件未到位的情况，低于时则存在工件到位而焊丝未到位的情况，这两种情况的后续处理方式又各不相同。通常，S04的预设速度直接配置为最大送丝速度，再以预设的幅度对其进行降低处理，从而获得新的预设速度，并以新生成的预设速度生成上述的第二控制指令。
实施例四
一种用于激光焊接的送丝控制系统，如图5所示，该系统包括处理器(MCU)1以及与处理器1电性连接的焊丝状态检测组件2和计算机视觉组件3。
其中，焊丝状态检测组件2用于检测焊丝与焊接工件之间的电阻值；计算机视觉组件3用于在焊接过程中采集焊接点的图像信息；处理器1用于根据电阻值确定焊丝与焊接工件之间的距离值，并在距离值大于预设距离时生成第二控制指令，第二控制指令用于控制送丝机以预设速度送丝，并且送丝长度与上述的距离值相同；处理器1还用于在距离值不超过预设距离时，对上述的图像信息进行处理而获得分类结果，并根据分类结果生成第一控制指令，该第一控制指令用于调整送丝机的送丝状态。
本实施例中，配置焊丝状态检测组件2包括电阻采样电路，例如电阻电桥电路，该电阻电桥电路其中的一个桥臂的两端分别连接工件和焊丝，其他的桥臂配置电阻。计算机视觉组件3包括CCD相机，例如电荷耦合数字相机。而处理器1则还连接有外围电路，该外围电路包括用于连接电阻采样电路的模数转换器以及连接在该模数转换器与处理器之间的电阻电桥芯片，另外，外围电路还包括用于连接CCD相机的数据采集卡。
实施例五
一种激光焊接装置，如图6及图7所示，包括送丝机4、激光器(LASER)5、机械臂6以及如实施例四公开的送丝控制系统。
其中，送丝机4作为现有技术，其包括用于收储焊丝的送丝盘41、用于输送焊丝的送丝机构42、用于驱动焊丝的伺服机构43以及用于吐出焊丝的送丝嘴44。如图8所示，本实施例中，送丝机构42包括一对相互配合使用的导向轮421以及相互配合使用的主动轮422和从动轮423，其中，主动轮423上同轴安装有从动驱动轮424，送丝机构42还包括有用于带动从动驱动轮424转动的主动驱动轮425。使用时，在伺服机构43集成在送丝机构42上，其包括由伺服驱动控制的伺服电机，伺服电机工作时带动主动驱动轮425转动，通过从动驱动轮424带动主动轮422转动，在主动轮422与从动轮423的相互配合下，焊丝被带动进行送丝和退丝操作。在上述的送丝控制系统中，用于构成焊丝状态检测组件2的电阻电桥电路，其中的一个桥臂的两端则分别连接工件和导向轮的轴心。
激光器5则用于产生焊接用激光，例如3000W光纤激光器，其配置有用于将激光导向工件的焊接头。本实施例中，焊接头采用自带摆动光斑、紫外光照明和CCD相机集成的一体式焊接头。
机械臂6配置为六轴机械臂，其固定安装在底盘上，送丝盘41也固定安装在该底盘上，送丝嘴41则固定安装在机械臂6的输出末端，送丝机构42和伺服机构则安装在机械臂6的最后一轴运动臂的尾部，从而避免机械臂6运动过程中可能对焊丝造成的扭曲。本实施例中，配置焊接头与送丝嘴44紧密固定在一起，并一同固定安装在机械臂6的输出末端。
在送丝控制系统中，配置处理器(DSP)由TMS230F2812芯片组构成，外围电路(PHA)由TI 8318套件和AD公司的电阻电桥芯片(SAM)组成，数字采集卡(DIG)采用philphs公司的MV-D1024。
使用时，机械臂6将焊接头移动到工件位置，发出启动信号给送丝控制系统，该送丝控制系统开始检测焊丝状态，并结合计算机视觉影像的信息，给出送丝的速度和长度，同时打开激光器5，进行焊接。完成激光焊接后，送丝控制系统进行退丝、关激光操作，并通知机械臂6进入下一个动作循环。
实施例六
如图9所示，其与实施例五的区别在于：本实施例中，配置机械臂6为二维或三维移动平台，并将送丝机4中的送丝盘41、送丝机构42、伺服机构以及送丝嘴44均安装在该机械臂6的输出末端上，焊接头也安装在该机械臂6的输出末端上。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于激光焊接的送丝控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、在激光焊接过程中，采集焊接点的图像信息；
S2、对所述图像信息进行处理，获得等离子体气团的形状；
S3、对所述等离子体气团的形状进行分类处理，获得分类结果；
S4、根据所述分类结果生成用于调整送丝状态的第一控制指令；
S5、循环执行S1-S4的步骤，直至焊接结束。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：S3中，所述分类结果包括细长状、悬空状和飞溅状，则S4中的所述第一控制指令包括：
当所述分类结果为细长状时，所述第一控制指令为不调整送丝状态；
当所述分类结果为悬空状时，所述第一控制指令为以第一送丝速度增加第一送丝长度，以使焊丝重新接触工件；
当所述分类结果为飞溅状时，所述第一控制指令为以第二送丝速度增加第二送丝长度，以补充焊丝；
其中，所述第二送丝速度大于所述第一送丝速度，所述第二送丝长度大于所述第一送丝长度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在进行激光焊接之前，还包括以下步骤：
S01、获取焊丝与焊接工件之间的电阻信息；
S02、根据所述电阻信息确定焊丝与焊接工件之间的距离值；
S03、判断所述距离值是否大于预设距离，是则进入S04，否则进入S1；
S04、生成第二控制指令，所述第二控制指令用于使送丝机以预设速度送丝，且送丝长度等于所述距离值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：在S04之后，还包括以下步骤：
S05、在送丝完成后，再次检测焊丝与焊接工件之间的电阻信息，并根据所述电阻信息确定焊丝与焊接工件之间的距离值A；
S06、判断所述距离值A是否低于或等于所述预设距离，是则启动激光焊接，否则进入S07；
S07、退丝，并对S04中的预设速度进行调整后，再重新执行S04的步骤，直至S06中的距离值A低于或等于所述预设距离。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：在S07中，所述对S04中的预设速度进行调整的步骤包括：
以预设的幅度对所述预设速度进行降低，从而获得新的预设速度，以新生成的预设速度生成所述第二控制指令。
6.一种用于激光焊接的送丝控制系统，其特征在于：所述系统包括处理器以及与所述处理器电性连接的焊丝状态检测组件和计算机视觉组件；所述焊丝状态检测组件用于检测焊丝与焊接工件之间的电阻值；所述计算机视觉组件用于在焊接过程中采集焊接点的图像信息；所述处理器用于根据所述电阻值确定焊丝与焊接工件之间的距离值，并在所述距离值大于预设距离时生成第二控制指令，所述第二控制指令用于控制送丝机以预设速度送丝，并且送丝长度与所述距离值相同；所述处理器还用于在所述距离值不超过所述预设距离时，根据对所述图像信息的分类处理结果生成第一控制指令，所述第一控制指令用于调整送丝机的送丝状态。
7.根据权利要求6所述的送丝控制系统，其特征在于：所述焊丝状态检测组件包括电阻采样电路，所述计算机视觉组件包括CCD相机，所述处理器还连接有外围电路，所述外围电路包括连接所述电阻采样电路的模数转换器和电阻电桥芯片以及连接所述CCD相机的数据采集卡。
8.根据权利要求7所述的送丝控制系统，其特征在于：所述电阻采样电路为电阻电桥电路，所述电阻电桥电路其中的一个桥臂的两端分别连接工件和焊丝。
9.一种激光焊接装置，其特征在于：包括送丝机、激光器、机械臂以及如权利要求6-8任一项所述的送丝控制系统；其中，所述机械臂的输出末端安装有焊接头，所述焊接头通过光纤与所述激光器相连接；所述送丝机包括送丝嘴，所述送丝嘴固定在所述焊接头或所述机械臂的输出末端。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：所述送丝机还包括用于收储焊丝的送丝盘、用于输送焊丝的送丝机构以及用于驱动焊丝的伺服机构；所述送丝机构以及所述伺服机构安装在所述机械臂的输出末端上。
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