CN114654073A - 基于搅拌摩擦焊温度场温度梯度焊缝跟踪装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于搅拌摩擦焊温度场温度梯度焊缝跟踪装置及方法，涉及金属材料的焊接技术领域。本发明包括：搅拌摩擦焊执行器，红外测温装置，搅拌工具，温度数据处理模块，运动控制模块；所述红外测温装置实时传输给所述温度数据处理模块；所述温度数据处理模块与所述运动控制模块连接；所述运动控制模块驱动所述搅拌摩擦焊执行器运动；所述红外测温装置固定于搅拌摩擦焊执行器的支架上，所述搅拌摩擦焊执行器安装有搅拌工具。本发明通过红外温度实时测量，可以获得特征区域的温度场的数据，提高搅拌摩擦焊接过程中的压力控制的实施精度。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料的焊接技术领域，更具体的说是涉及一种基于搅拌摩擦焊温度场温度梯度焊缝跟踪装置及方法。
背景技术
自1991年英国焊接研究所(TWI)发明搅拌摩擦焊以来，该技术因焊接温度低，焊后残余应力小，不产生弧光、烟尘污染，不需要填丝材料等优点受到广泛关注，并很快被应用到航空航天、船舶、轨道列车、电子电力、汽车等生产领域，成为轻质合金特别是铝合金最佳的连接技术。
随着大规模工业应用，搅拌摩擦焊接的自动化成为亟需解决的问题，焊缝的自动跟踪是其中非常重要的问题，目前都是通过激光实现焊缝的跟踪和纠偏，其原理是：激光发射器发射一定波长的一道线激光到焊缝表面，随后接收焊缝表面反射的激光，通过反射回去的激光相对强度和位置的差异，定位焊缝的位置。
激光焊缝跟踪系统的鲁棒性并不理想，首先，容易受试样表面反射率的影响，对于表面光洁的铝合金型材，其焊缝定位较为困难；再次，激光焊缝定位的精度和焊缝的宽度紧密相关，当焊缝宽度较小时(0.1mm)，反射回去的激光不能精确的表征焊缝的位置；同时，现有的激光发射器只发射一条长度和宽度一定的线激光，而工业产品多为二维焊缝，即平面二维焊缝的跟踪时，尤其当拐弯半径较小时，线激光难以精确的判断出二维焊缝的准确位置。
因此，如何解决上述问题，是本领域技术人员亟需解决的。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于搅拌摩擦焊温度场温度梯度焊缝跟踪装置及方法，以解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于搅拌摩擦焊温度场相邻特征点温度梯度焊缝跟踪装置，包括：搅拌摩擦焊执行器，红外测温装置，搅拌工具，温度数据处理模块，运动控制模块；所述红外测温装置实时传输给所述温度数据处理模块；所述温度数据处理模块与所述运动控制模块连接；所述运动控制模块驱动所述搅拌摩擦焊执行器运动；所述红外测温装置固定于搅拌摩擦焊执行器的支架上，所述搅拌摩擦焊执行器安装有搅拌工具。
可选的，所述温度数据处理模块设置有温度处理数据库，用于根据输入参数，推荐最佳温度解析范围以及焊缝的判据；还用于再获得红外成像的温度场数据后，计算每层取样的个数；还用于根据输入参数计算检测的层数。
可选的，所述红外测温装置的几何圆心与所述搅拌工具的轴心同轴。
可选的，所述红外测温装置为环形结构。
一种基于搅拌摩擦焊温度场相邻特征点温度梯度焊缝跟踪方法，包括以下步骤：
根据输入参数判定每层的取样个数、检测层数以及焊缝的判据Gthreshold，所述输入参数包括输入搅拌工具的轴肩直径dshouler/mm以及进给速度υ/mmmin-1；
计算每层的温度值，并将温度值以矩阵的形式表示；
根据温度值获得焊缝在每一层的坐标；
连接每一层的坐标后得到焊缝的位置的二维坐标，所述二维坐标是在检测的时间点获得的；
建立“时间-搅拌工具位置的二维坐标-焊缝的位置的二维坐标”数据关系文件；
将“时间-搅拌工具位置的二维坐标-焊缝的位置的二维坐标”数据关系文件发送至运动控制模块，运动控制模块提取相应的焊缝的位置坐标，对搅拌摩擦焊执行器的运动轨迹进行实时调整，实现焊缝的跟踪。
可选的，根据温度值获得焊缝在每一层的坐标具体步骤如下：对温度值与焊缝的判据Gthreshold进行对比，当相应检测点的数值大于焊缝的判据Gthreshold时，记录检测点所在层的位置，并检索相应的位置坐标数据l，获得检测点绝对位置坐标，即焊缝的坐标。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于搅拌摩擦焊温度场温度梯度焊缝跟踪装置及方法，具有以下有益效果：
(1)本发明通过红外温度实时测量，可以获得特征区域的温度场的数据，提高搅拌摩擦焊接过程中的压力控制的实施精度。
(2)本发明基于tensorflow神经网络训练的tscope和Gthreshold值，通过试验数量数据的增多，tscope和dthreshold值将越来越精确；
(3)本发明提出的方法，是基于绝对值坐标的焊缝位置，在每个焊接点获得的焊缝位置发送到控制模块并记录该位置，形成一个“时间-空间位置”的文件，通过文件的重叠，就可以获得连续的焊缝的位置。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明中搅拌摩擦焊温度场的检测装置示意图；
图2为本发明中基于搅拌摩擦焊温度场相邻特征点温度梯度进行焊缝跟踪方法的流程图；
图3为焊接过程中焊缝的寻踪方法示意图；
图中，1-搅拌摩擦焊接执行器，2-红外测温装置，3-固定支架，4-搅拌工具，5-温度数据处理模块，6-运动控制模块，7-被焊接材料。
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。
如图1-3所示，一种基于搅拌摩擦焊温度场相邻特征点温度梯度进行焊缝跟踪的装置，由搅拌摩擦焊执行器1、红外测温装置2、固定支架3、搅拌工具4、温度数据处理模块5、运动控制模块6和被焊接材料7组成。
搅拌摩擦焊执行器1可以装在机床式搅拌摩擦焊设备、并联或串联的六关节机器人上，搅拌摩擦焊执行器驱动搅拌工具旋转的主轴可以为电主轴，也可以为机械主轴。
红外测温装置2为环形(360°)、半环形(180°)、以及90—360°任意角度的环状结构，可实现测量的温度范围为100-1000℃，优选的，最佳温度检测范围为300-500℃，测量的数据通过数据导线以ethernet协议或者profinet协议实时传输到红外温度数据处理模块5；
固定支架3将红外测温装置2固定到搅拌摩擦焊执行器上，通过调节固定支架的位置可以调整红外测温装置2到被探测试样表面的距离，固定支架3固定红外测温装置2，并确保红外测温装置的轴心和搅拌工具4的轴心同轴。
搅拌工具4可以是常规的搅拌摩擦焊工具，也可以为静止轴肩搅拌摩擦焊工具、双轴肩搅拌摩擦焊工具。
温度数据处理模块5中内置基于python开发的焊接数据库，输入焊接参数，比如搅拌工具4轴肩直径dshoulder/mm，红外测温装置2距离搅拌工具轴心的距离d/mm，、焊接材料、前进侧和后退侧的相对位置、主轴转速ω/rpm，进给速度ν/mmmin-1等参数后，自动给出优选的探测最佳温度范围tscope，以及临界阀值dshreshhold，该数据库通过tensorflow神经网络进行自学习。
运动控制模块6，在接收到温度数据处理模块5发送的关于焊缝的“时间-空间位置”文件后，和自身的“时间”、“空间位置”进行对比，发送相应的调整指令到相应的执行电机，实现搅拌工具和焊缝的相对调整，从而实现焊缝的实时跟踪。
被焊接材料7为铝合金，镁合金，铜合金等轻质合金，也可以为钛合金、钢等高温合金，其焊缝形式为平面一维、二维或空间三维焊缝形式。
如图3所示以dshouler为6mm，υ为1200mm/min为例其具体实施步骤为：
(第一步)根据输入的dshouler数值，按照6mm/0.02mm的数值(取整数)判定每层需要取样的个数位300个；根据输入的进给速度υ，按照1200/120mm的数值(取整数)判定需要检测的层数为10层；
(第二步)进行检测的第1层数据为同一个同心圆，该层数据上的每个点到搅拌工具的轴心的距离为4+0.5mm为4.5mm，第2层数据到搅拌工具(4)的轴心的距离为(4+2*0.5)mm为5mm，依次类推，第10层数据到搅拌工具的轴心的距离为(4+0.5*10)为9mm；
(第三步)第1层的300个温度检测数据，每个数据的间隔为0.02mm(弧长)，标记第1层的温度数据为
第1层300个数据对应的位置为
(第四步)第2层上的300个数据，每个数据的间隔为0.02mm(弧长)，标记第2层的温度数据为
第2层n个数据对应的位置为
(第五步)第10层上的300个数据，每个数据的间隔为0.02mm(弧长)，标记第10层的温度数据为
第10层300个数据对应的位置为
(第六步)对每一层的300个温度测量点的数据除以其同一层上相邻的前一个温度测量点的数据，每一层的第一个温度数据除以自身，以第1层数据为例，处理后新的数据为:
(第七步)对计算后的每层的数值和dthreshold进行对比，当每一层上的两个数值大于该阀值时，记录这两个数值的位置，并和位置数据进行类比，获得这两个数值的位置坐标，即为此层上焊缝的坐标；
(第八步)将每一层的数值均采用上述操作，获得每一层上焊缝的坐标，连接后得到焊缝的位置的二维坐标；
(第九步)将计算获得的焊缝的二维坐标发送到运动控制模块，从而实现焊缝焊接的实时跟踪和纠正。
在另一实施例中，温度数据处理模块自身携带温度处理的数据库，根据预先输入的参数，如距离搅拌工具轴心的距离d/mm，搅拌工具轴肩直径dshoulder/mm、焊接材料、前进侧和后退侧的相对位置、主轴转速ω/rpm，进给速度ν/mmmin-1等，数据库推荐最佳温度解析范围tscope/K，焊缝的判据Gthreshold，在获得红外成像的温度场数据后，dshoulder/0.02mm＝n(取整数)计算每层需要取样的个数n；根据输入的进给速度ν，按照ν/120mm的数值(取整数)计算需要检测的层数m；
以搅拌工具的轴心为圆心，以为半径，扫描前进方向上距搅拌工具的轴心d+0.5mm的圆周上的点的温度值，以0.02mm弧长为间隔，获得第1条弧线上n个检测点的温度，记录为
按照这种方式，以(d+2*0.5)mm为半径重复上述操作，获得第2条弧线上n个检测点的温度值，记录为
依次类推，以(d+m*0.5)mm为半径，获得第m层上n个检测点的温度值，记为
将上述温度值以矩阵的形式表示，该矩阵为m行，n列，记为T。
红外测温装置的几何圆心和和搅拌工具的轴心同轴，且相对位置固定，通过搅拌工具此时的位置能够获得矩阵T内每个检测点对应的绝对坐标值，并组成了一个绝对坐标矩阵，该矩阵也为m行，n列，记为L；
为了降低焊接过程中飞边等对测量结果的影响，如有必要，可先对T采用卷积掩模的领域平均技术进行降噪处理，卷积掩模处理后的温度矩阵以T1表示：
然后，将T1矩阵中每一行进行：相邻的后一个检测点的温度值除以前一个检测点温度值的处理，即：
其中
指的是第j行的第i个检测点的温度值，而
指的是第j行中的第i+1个检测点的温度值，需要指出的是：每一行的第一个数据用自身除以自身即
T1矩阵中的每一个温度值进行上述操作后，获得了T2矩阵；
对于对接搅拌摩擦焊，不管焊前待焊接试板对接布置的多紧密，两个试板的结合处总会有缝隙，这是不可避免的，该缝隙处的热量是通过空气与搅拌工具的对流获得的，这和试板上的热量通过固体(不管是搅拌工具-试板，还是试板内部)的传导不同，不管试板位于前进侧还是后推侧，位于同一侧(前进侧或者后退侧)距离搅拌工具轴心相同的同心圆上的相邻两点的温度变化是线性的、连续的；同理，位于焊缝处的相邻两个温度点的变化也是线性和连续的；然而，试板和焊缝相交处两个点的温度变化是非线性，非连续的，通过对T2中每一行的数据和Gthreshold进行对比，当数值大于dthreshold时，记录这个数值，并和绝对位置数据矩阵l检索对比，获得这个数值的绝对位置坐标，即为对应的焊缝在此层的坐标，需要指出的是，每一层上应该有两个数值符合上述条件，那么这连个数值对应的位置即为该层上焊缝的位置；重复上述操作，对每一层的数值进行处理，最终可以得到每一层焊缝的坐标，连接后得到焊缝在X-Y平面内的二维坐标，记为l焊缝；
根据系统的时间可以获得“时间-搅拌工具位置(二维)-焊缝的位置(二维)”的关系，并建立记录这三者关系的文件，简称为“时间-空间位置”
文件。
将“时间-空间位置”文件发送至运动控制模块，运动控制模块提取相应的焊缝的位置坐标，对搅拌摩擦焊执行器的运动轨迹进行实时调整，实现焊缝的跟踪。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (6)
1.一种基于搅拌摩擦焊温度场相邻特征点温度梯度焊缝跟踪装置，其特征在于，包括：搅拌摩擦焊执行器，红外测温装置，搅拌工具，温度数据处理模块，运动控制模块；所述红外测温装置实时传输给所述温度数据处理模块；所述温度数据处理模块与所述运动控制模块连接；所述运动控制模块驱动所述搅拌摩擦焊执行器运动；所述红外测温装置固定于搅拌摩擦焊执行器的支架上，所述搅拌摩擦焊执行器安装有搅拌工具。
2.根据权利要求1所述的一种基于搅拌摩擦焊温度场相邻特征点温度梯度焊缝跟踪装置，其特征在于，所述温度数据处理模块设置有温度处理数据库，用于根据输入参数，推荐最佳温度解析范围以及焊缝的判据；还用于再获得红外成像的温度场数据后，计算每层取样的个数；还用于根据输入参数计算检测的层数。
3.根据权利要求1所述的一种基于搅拌摩擦焊温度场相邻特征点温度梯度焊缝跟踪装置，其特征在于，所述红外测温装置的几何圆心与所述搅拌工具的轴心同轴。
4.根据权利要求1所述的一种基于搅拌摩擦焊温度场相邻特征点温度梯度焊缝跟踪装置，其特征在于，所述红外测温装置为环形结构。
5.一种基于搅拌摩擦焊温度场相邻特征点温度梯度焊缝跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据输入参数判定每层的取样个数、检测层数以及焊缝的判据Gthreshold，所述输入参数包括输入搅拌工具的轴肩直径dshouler/mm以及进给速度υ/mmmin-1；
计算每层的温度值，并将温度值以矩阵的形式表示；
根据温度值获得焊缝在每一层的坐标；
连接每一层的坐标后得到焊缝的位置的二维坐标，所述二维坐标是在检测的时间点获得的；
建立“时间-搅拌工具位置的二维坐标-焊缝的位置的二维坐标”数据关系文件；
将“时间-搅拌工具位置的二维坐标-焊缝的位置的二维坐标”数据关系文件发送至运动控制模块，运动控制模块提取相应的焊缝的位置坐标，对搅拌摩擦焊执行器的运动轨迹进行实时调整，实现焊缝的跟踪。
6.根据权利要求5所述的一种基于搅拌摩擦焊温度场相邻特征点温度梯度焊缝跟踪方法，其特征在于，根据温度值获得焊缝在每一层的坐标具体步骤如下：对温度值与焊缝的判据Gthreshold进行对比，当相应检测点的数值大于焊缝的判据Gthreshold时，记录检测点所在层的位置，并检索相应的位置坐标数据l，获得检测点绝对位置坐标，即焊缝的坐标。
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