CN117259915A - 机器人电弧增材制造过程多传感信号同步采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机器人电弧增材制造过程多传感信号同步采集系统，包括：机器人、控制柜、电源、图像信号采集单元、多信号采集单元交换机和主控计算机。该系统对机器人电弧焊增材制造过程中的熔池图像、电弧增材声音、电流及电压信号进行同步采集，实现了增材制造过程中多信号的同步采集；本发明适用于熔化极气体保护焊、钨气体保护焊等类型电弧焊增材制造过程的多源信号的同步采集。本发明通过图像信号采集单元、声音信号采集单元、电流电压信号采集单元实现了对增材制造过程多源信息的同步采集，对于实现增材制造过程的实时监测，进而提高增材质量以及推动电弧增材车间迈向智能化具有重要进步意义。
Description
技术领域
本发明涉及机器人电弧增材领域，具体涉及一种机器人电弧增材制造过程多传感信号同步采集系统。
背景技术
电弧增材制造采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件，其成形零件由全焊缝构成，化学成分均匀、致密度高。相比激光、电子束增材制造，电弧増材可实现多种材料的混合制造，大尺寸复杂构件的低成本、高效快速近净成形，在成形过程中可实现局部保护无需密封仓保护(部分金属除外)，同时材料利用率高，节省成本。然而，电弧增材是一个复杂的物理化学过程，有电弧增材材料、结构、工艺和环境等方面的因素影响电弧增材质量以及缺陷的形成。随着现代传感技术的发展，多种传感器被用于电弧增材过程的在线质量监测中。但是，单一的传感器不能实现对电弧增材过程信息的全面可靠的采集。同步获取电弧增材过程中的图像、光、电等多源的信息，充分利用不同传感信息的特性，则可以实现对电弧增材过程更可靠、更全面的描述与监测。现有的电弧增材多传感信号的信号采集系统中传感类型少，应用于电弧增材过程时采集的信号不全面，且难以保证各类型信号的同步采集，而所采集的信号是否同步且全面对电弧增材过程质量的监测起决定性作用。因此，设计一种多信息源融合的电弧增材过程多传感信号同步采集系统对于提高电弧增材过程的可描述性，实现电弧增材制造过程的缺陷实时监测具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种机器人电弧增材制造过程多传感信号同步采集系统，通过多种传感器实时采集电弧增材过程多信息，为基于多信息源融合的电弧增材质量在线监测提供了硬件基础。
为了达到上述目的，本发明提供技术方案：
机器人电弧增材制造过程多传感信号同步采集系统，包括，用于进行电弧增材的机器人控制的控制单元以及两个用于采集电弧增材制造过程中熔池图像的图像信号采集单元和用于采集电弧增材制造过程中电流电压信号和声音信号的多信号采集单元，电弧增材电源向机器人提供能量，控制柜控制机器人的电弧增材路径和电弧增材参数的配置以及电弧增材过程中电弧增材电源提供能量的大小，当电弧增材开始时，多信号采集单元开始采集电流、电压和声音信号，然后采集卡检测电流信号是否处于基值时刻，当电流信号处于基值时刻时采集卡向图像信号采集单元发送信号开始进行同步采集，多信号采集单元的数据经过数据采集卡处理后发送至主控计算机；两个图像信号采集单元通过交换机与计算机进行连接，将采集的基值电流时刻的熔池图像发送至主控计算机。
控制单元包括电弧增材电源和控制柜。控制柜进行电弧增材参数的配置和能量的控制，电弧增材电源负责提供能量。
图像信号采集单元包括减光片、滤光片和工业相机，减光片和滤光片装于工业相机镜头前，工业相机连接交换机。
减光片的透光率为5％，滤光片的中心波长为665nm且半高宽为10nm。
减光片与滤光片的直径为30mm。
图像采集单元中两台工业相机通过网线连接交换机的WAN接口，主控计算机通过网线连接交换机的LAN接口。
多信号采集单元包括声音信号采集单和电流电压信号采集单元。
声音信号采集单元包括声音传感器，声音传感器连接滤波器，滤波器连接采集卡。
声音信号采集单元中滤波器的截止频率为5kHz。
电流电压信号采集单元包括电流电压传感器，电流电压传感器连接滤波器，滤波器连接采集卡
一种机器人增材制造过程多传感信号同步采集系统的控制方法，该方法包括以下步骤：
通过控制柜配置增材制造过程的电弧增材参数；
控制柜分别同时向电弧增材电源和机器人发送信号，机器人起弧，电弧增材电源提供能量，多信号采集单元开始采集信号；
采集卡检测到基值电流，同时向图像信号采集单元发送开始采集的信号，图像信号采集单元采集基值电流时刻的熔池图像；
采集到的电流电压信号与声音信号经过滤波后发送至采集卡，并与图像信号一同存储到主控计算机中；
机器人完成预定电弧增材，控制柜分别同时向电弧增材电源和机器人发送信号，机器人熄弧完成电弧增材。
与现有技术相比，本发明包括机器人控制单元，图像信号采集单元和多信号采集单元，可以在电流基值时刻同步采集熔池记的正面和侧面图像以及电流电压和声信号，实现了电弧增材过程的实时且全面的监测，更有利于电弧增材过程缺陷的发现。控制柜和机器人以及电弧增材电源共同组成了控制单元，控制单元于信号采集系统相连接，可以实现电弧增材过程的控制。两个视觉相机的组合可以对熔池图像的正面以及侧面进行同步采集，能够更加全面的描述电弧增材过程中熔池的变化。本发明为实现基于多信息源融合的电弧增材质量在线监测提供了硬件基础，可用于熔化极气体保护焊、钨气体保护焊等类型电弧增材制造过程的多传感信号的同步采集，对于提高电弧增材过程的在线质量监测，实现工业电弧增材制造过程智能化具有重要意义。
本发明的方法能够实现机器人电弧增材制造过程多传感信号同步采集，多个传感器采集的信号能更加全面的描述电弧增材制造过程的实时变化，多个信号同步进行采集，更有利于信号的融合和分析；本发明对电弧增材制造过程的正面与侧面熔池图像，声音信号、电流电压信号进行全面的采集，对电弧增材制造过程进行全面监测，为实现基于多信息源融合的电弧增材质量在线监测提供了硬件基础，推动机器人电弧增材制造过程智能化的发展。
附图说明
图1为本发明的系统框图。
图2为本发明的工作流程图。
图3为本发明所采集到的电弧增材过程信号：其中(a)为电流信号，(b)为基值电流时熔池图像，(c)为非电流基值时刻熔池图像。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明
如图1所示本发明中的多传感信号同步采集系统包括机器人控制单元、图像信号采集单元和多信号采集单元组成，可以实现增材制造过程正面和侧面熔池图像、声音信号及电流电压信号的多传感信号同步采集，其中同步采集是在采集卡检测到基值电流时同一时间开始。控制单元由控制柜和电弧增材电源组成，可以实现对电弧增材制过程的控制，包括堆积速度的大小，机器人的起弧、熄弧以及堆积过程电流的控制。
多传感信号同步采集系统中图像信号采集单元、声音信号采集单元、电流电压信号采集单元组成如下：
图像采集单元由滤光片、减光片、相机安装架、千兆交换机、两台工业相机及镜头组成，两台工业相机通过相机安装架固定在焊枪上，分别采集熔池正面和熔池侧面的图像信号。其中减光片的透光率为5％，滤光片的中心波长为665nm且半高宽为10nm，且直径均为30mm，两台工业相机两台工业相机通过网线连接交换机的WAN接口，主控计算机通过网线连接交换机的LAN接口。工业相机为德国Basler公司生产的acA640-300gm工业数字摄像机，最高采样频率为340帧/秒，镜头为德国Basler公司生产的C23-0816-2M-S f8mm镜头。千兆交换机型号为普联技术有限公司生产的TL-SG2105P全千兆云管理PoE交换机。
声音信号采集单元由声音传感器和滤波器组成，采集电弧增材制造过程中的电弧声音信号，其中声音传感器与电弧的距离为22cm，滤波器的截止频率为5kHz。
电流电压采集单元由电流电压传感器和滤波器组成，电流电压传感器的信号接入端与电弧增材电源的正负极并联，电流电压的采样频率均为50Khz采集到的电流电压信号经过滤波器中的模拟滤波电路后输入信号采集卡。
电弧声音信号，电流电压信号通过采集卡同步记录并存储到主控计算机中，而图像信号经过相机采集后直接存储到主控计算机中。本发明所使用的采集卡为研华公司生产的USB-4716，最高采样速率为200Ks/s。采用单端采集的方式，通过输入端分别采集电流、电压和声音信号，采样的频率均为50Khz。相机采用外部触发采集模式，当接收到触发信号后开始采集，采样频率为20帧/秒。
如图1所示，整体机器人电弧增材制造过程多传感信号同步采集系统的建立是通过主控计算机及多传感信息机构，是基于多源信息的电弧增材制造过程同步采集系统，通过网线将多种传感器采集得到数据汇总并存储至主控计算机，可实现多传感信息的同步采集，为多信息源融合的电弧增材制造质量在线评价提供了硬件基础。系统进行多传感信息采集时，首先通过控制柜配置电弧增材参数后向机器人发送起弧信号，同时电弧增材电源提供能量给机器人，机器人起弧时，多信号采集单元采集电流电压和声音信号，当采集卡检测到基值电流时，向图像采集单元发送信号，二者开始同步采集信号。电流电压采集单元与声音采集单元采集到的信号首先经过滤波器的滤波，后由采集卡转换为数字信号并储存至主控计算机中，图像采集单元由两个工业相机组成，通过交换机与主控计算机连接，相机采集到熔池图像直接存储至计算机。图3(a)为多信号采集系统采集的电流信号,电流信号的幅值最低时为基值电流，图3(b)和图3(c)分别为基值电流时刻与非基值电流时刻采集的熔池图像。在基值电流时刻无弧光干扰，可以清晰的观察到熔池状态，而在非基值电流时刻强烈弧光干扰影响了对与熔池状态的观察。当电弧增材预设路径完成后，系统停止采集。
Claims (10)
1.一种机器人电弧增材制造过程多传感信号同步采集系统，其特征在于，包括，用于进行电弧增材的机器人控制的控制单元以及两个用于采集电弧增材制造过程中熔池图像的图像信号采集单元和用于采集电弧增材制造过程中电流电压信号和声音信号的多信号采集单元，电弧增材电源向机器人提供能量，控制柜控制机器人的电弧增材路径和电弧增材参数的配置以及电弧增材过程中电弧增材电源提供能量的大小；当电弧增材开始时，多信号采集单元开始采集电流、电压和声音信号，然后采集卡检测电流信号是否处于基值时刻，当电流信号处于基值时刻时采集卡向图像信号采集单元发送信号开始进行同步采集，多信号采集单元的数据经过数据采集卡处理后发送至主控计算机；两个图像信号采集单元通过交换机与计算机进行连接，将采集的基值电流时刻的熔池图像发送至主控计算机。
2.根据权利要求1所述的一种机器人增材制造过程多传感信号同步采集系统，其特征在于，控制单元包括电弧增材电源和控制柜；控制柜在电弧增材开始前进行电弧增材参数的配置并负责电弧增材过程中能量的控制，电弧增材电源负责提供能量。
3.根据权利要求1所述的一种机器人增材制造过程多传感信号同步采集系统，其特征在于，图像信号采集单元包括减光片、滤光片和工业相机，减光片装于工业相机靠进熔池的一侧，滤光片装于工业相机镜头和减光片之间，两台工业相机通过交换机连接于一台计算机。
4.根据权利要求1所述的一种机器人增材制造过程多传感信号同步采集系统，其特征在于，图像信号采集单元中减光片的透光率为5％，滤光片的中心波长为665nm且半高宽为10nm。
5.根据权利要求1所述的一种机器人增材制造过程多传感信号同步采集系统，其特征在于，图像信号采集单元中减光片与滤光片的直径为30mm。
6.根据权利要求1所述的一种机器人增材制造过程多传感信号同步采集系统，其特征在于，图像采集单元中两台工业相机通过网线连接交换机的WAN接口，主控计算机通过网线连接交换机的LAN接口。
7.根据权利要求1所述的一种机器人增材制造过程多传感信号同步采集系统，其特征在于，多信号采集单元包括声音传感器，声音传感器连接滤波器，滤波器连接采集卡。
8.根据权利要求1所述的一种机器人增材制造过程多传感信号同步采集系统，其特征在于，声音信号采集单元中滤波器的截止频率为5kHz。
9.根据权利要求1所述的一种机器人增材制造过程多传感信号同步采集系统，其特征在于，多信号采集单元包括电流电压传感器，电流电压传感器连接滤波器，滤波器连接采集卡。
10.基于权利要求1-9任一项所述的一种机器人增材制造过程多传感信号同步采集系统的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：通过控制柜配置增材制造过程的电弧增材参数；
步骤二：控制柜分别同时向电弧增材电源和机器人发送信号，机器人起弧，电弧增材电源提供能量，多信号采集单元开始采集信号；
步骤三：采集卡检测到基值电流，同时向图像信号采集单元发送开始采集的信号，图像信号采集单元采集基值电流时刻的熔池图像；
步骤四：采集到的电流电压信号与声音信号经过滤波后发送至采集卡，并与图像信号一同存储到主控计算机中；
步骤五：机器人完成预定电弧增材路径，控制柜分别同时向电弧增材电源和机器人发送信号，机器人熄弧完成电弧增材。
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