CN204603581U - 智能化焊接装备及工艺评价系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供智能化焊接装备及工艺评价系统，包括机器人系统、运动控制系统、焊接电信号高速采集系统、高速摄像系统、激光光路系统、同步采集系统及信息处理系统，机器人系统与运动控制系统电连接，信息处理系统分别电连接运动控制系统、焊接电信号高速采集系统、高速摄像系统、激光光路系统、运动控制系统、同步采集系统，同步采集系统分别电连接焊接电信号高速采集系统和对应地朝向机器人系统焊接工作部位的高速摄像系统，信息处理系统包括信息处理装置和显示装置。通过焊接过程中采集相应的焊接电信号、采集焊接部位被观察对象的图像并进行分析，可用于焊接电源设备的评估、焊接材料工艺性对比分析和不同焊接规范下的工艺稳定性分析等等。

Description

智能化焊接装备及工艺评价系统

技术领域

本实用新型涉及一种焊接装备及评价系统，尤其是一种智能化焊接装备及工艺评价系统，属于焊接分析评价装置领域。

背景技术

在焊接新技术、焊接新工艺的研发过程中，对焊接质量、焊接过程的分析是保证焊接新技术、新工艺成熟的一个重要手段。由于现代焊机参数设置越来越专家化、智能化、封闭化，仅观察焊机试验中的电流、电压，人工主观感受评判对比焊机性能优略，过于粗略和不科学，焊机性能评价缺乏科学严谨细致的科学试验评价规则。

传统的检测分析系统包含了较多人为因素，需要人工反复操作使用多台测量仪器和手动记录数据，随着测试过程的日趋复杂化，利用电压表、电流表、示波器等传统仪器进行测试很难实现检测过程的自动化和焊机信号的处理及自动判断分析。目前国内外的高速摄像与电信号采集多采用软件的方式实现，程序的指令执行有延时，会造成同步偏差，软件中控制脉冲产生命令也会占用CPU时间，导致设定的脉冲频率和实际发出的脉冲频率差别，因此越来越需要精度高、性能稳定、操作方便、快速安全的检测系统来对焊接过程进行自动检测并对焊接工艺进行分析评价。

有鉴于此特提出本实用新型。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种智能化焊接装备及工艺评价系统，能够对焊接过程中的焊接电信号及焊接部位的被观察对象图像进行采集，并通过对上述采集信息分析进行焊接工艺的评价。

为解决上述技术问题，本实用新型采用技术方案的基本构思是：

智能化焊接装备及工艺评价系统，包括机器人系统、运动控制系统、焊接电信号高速采集系统、高速摄像系统、激光光路系统、同步采集系统及信息处理系统。机器人系统与运动控制系统电连接，信息处理系统分别电连接运动控制系统、焊接电信号高速采集系统、高速摄像系统、激光光路系统、运动控制系统、同步采集系统，同步采集系统分别电连接焊接电信号高速采集系统和高速摄像系统，高速摄像系统的高速相机朝向机器人系统的焊接工作部位，激光光路系统的光束朝向机器人系统的焊接工作部位，且激光光路系统的光束方向与高速摄像系统的高速相机相对；高速摄像系统、激光光路系统、焊接电信号高速采集系统、同步采集系统及运动控制系统的硬件集成在中央控制平台上，信息处理系统包括信息处理装置和显示装置，两者电连接。

进一步的，焊接电信号高速采集系统包括电压传感器、电流传感器和AD采集卡，电流传感器、电压传感器分别与AD采集卡电连接；高速摄像系统还包括图像采集卡，高速相机与图像采集卡电连接；同步采集系统包括同步控制器和TTL触发板，同步控制器分别与AD采集卡、TTL触发板电连接，TTL触发板与图像采集卡电连接；信息处理装置分别电连接AD采集卡、图像采集卡、TTL触发板及同步控制器。

进一步的，激光光路系统包括激光发生器、光纤、扩束镜及滤光片和减光片，光纤一端连接激光发生器，另一端连接扩束镜，在扩束镜出光一侧的光路上设有减光片和滤光片。

进一步的，滤光片采用可通过光波长与激光光路系统发射的激光波长之差在-100nm～100nm内的滤光片。

进一步的，激光发生器为可连续调节功率的激光发生器。

进一步的，焊接电信号包括焊接电流及焊接电压；被观察对象包括熔滴、电弧及熔池。

进一步的，在熔滴作为被观察对象时，在扩束镜出光的一侧沿激光光束延伸方向设有减光片和滤光片，且减光片与扩束镜之间存在可放置形成熔滴的焊接物的间距，扩束镜、熔滴、减光片、滤光片与高速相机镜头在同一直线上，激光从扩束镜射出后经熔滴、减光片、滤光片直射入高速摄像系统的高速相机镜头中。

采用上述技术方案后，本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果。

本实用新型智能化焊接工艺评价系统，通过对焊接过程中采集相应的焊接电信号、采集焊接部位被观察对象的图像，根据观察需要采集如熔滴、电弧或熔池等的图像。根据需要对采集的焊接电信号进行数学统计分析，并根据需要将分析结果在信息处理系统的显示装置上显示，或者将焊接电信号与时间形成的波形图在显示装置上显示，通过信息处理装置控制在显示装置上同步回放焊接电信号的某种处理分析结果与相对应的被观察对象的图像，从而实现利用分析焊接过程中焊接电信号和被观察对象图像对焊接工艺进行评价，本实用新型智能化焊接装备及工艺评价系统，可用于焊接电源设备的评估、焊接材料工艺性对比分析和不同焊接规范下的工艺稳定性分析等等。

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

图1是本实用新型智能化焊接装备及工艺评价系统的连接示意图。

图2是激光光路系统、高速摄像系统及被观察对象的位置示意图。

图3为脉冲MIG熔滴过渡过程拍摄的图像。

图4为CMT熔滴过渡过程拍摄的图像。

1、信息处理系统 2、同步控制器 3、TTL触发板 4、图像采集卡 5、高速相机6、AD采集卡 7、电流传感器 8、电压传感器 12、滤光片 13、激光光束 14、焊丝 15、熔滴 16、扩束镜 17、光纤 18、激光发生器。

具体实施方式

如图1所示，智能化焊接装备及工艺评价系统，包括机器人系统、运动控制系统、焊接电信号高速采集系统、高速摄像系统、激光光路系统、同步采集系统及信息处理系统。

机器人系统与运动控制系统电连接，运动控制系统控制机器人系统的动作进而对需焊接工件进行焊接。

信息处理系统分别电连接运动控制系统、焊接电信号高速采集系统、高速摄像系统、激光光路系统、运动控制系统、同步采集系统，同步采集系统分别电连接焊接电信号高速采集系统和高速摄像系统。高速摄像系统、激光光路系统、焊接电信号高速采集系统、同步采集系统及运动控制系统的硬件集成在中央控制平台上。高速摄像系统的高速相机朝向机器人系统的焊接工作部位，激光光路系统的光束朝向机器人系统的焊接工作部位，且激光光路系统的光束方向与高速摄像系统的高速相机相对。

焊接电信号高速采集系统包括电压传感器、电流传感器、AD采集卡，电流传感器、电压传感器分别与AD采集卡电连接。高速摄像系统包括高速相机、图像采集卡，高速相机与图像采集卡电连接。同步采集系统包括同步控制器和TTL触发板，同步控制器分别与AD采集卡、TTL触发板电连接，TTL触发板与图像采集卡电连接。信息处理系统包括信息处理装置和显示装置，信息处理装置分别电连接显示装置、AD采集卡、图像采集卡、TTL触发板及同步控制器。

运动控制系统控制机器人系统进行焊接，利用激光光路系统对焊接部位的被观察对象进行照射，利用焊接电信号高速采集系统、高速摄像系统对焊接电信号及被观察对象的图像进行信息采集。

在信息采集时，通过信息处理系统发送信号至同步采集系统使其工作，利用同步采集系统控制焊接电信号高速采集系统、高速摄像系统同步采集相应的焊接电信号及目标部位被观察对象的图像并传输至信息处理系统，对采集到的焊接电信号及目标部位被观察对象的图像同步回放，通过对采集的焊接电信号及被观察对象的图像的分析进行焊接工艺评价。

利用信息处理系统对采集的焊接电信号进行相应的数学处理，进行焊接电信号概率密度、功率概率密度分布、过渡周期频数的定量数学统计分析，根据被观察对象的图像及对焊接电信号相关参数的定量数学统计分析结果进行相关焊接工艺的优劣性评价。

焊接电信号包括焊接电流及焊接电压；被观察对象包括熔滴、电弧及熔池。

本实用新型采用硬件方式实现焊接电信号和被观察对象的图像的同步采集，同步信号由独立的同步控制器产生。在开始采集时，同步控制器向AD采集卡给出启动脉冲，进而控制电流传感器、电压传感器对焊接电信号开始采集，同步控制器向TTL触发板给出启动脉冲进而控制图像采集卡工作进而触发高速相机拍摄，高速相机拍摄每一幅图像都由同步控制器发出的外部触发脉冲控制，能够精确控制时间。每帧图像采集和焊接电信号每个数据点采集都由同步控制器发出的脉冲信号精确控制，实现了采集的准确同步。

在采集被观察对象图像时，通过激光光路系统发射的激光对被观察对象进行照射，激光光路系统包括激光发生器、光纤、扩束镜及滤光片和减光片，激光发生器采用产生单一波长激光的激光发生器，且为可连续调节功率的激光发生器。可根据成像要求及成像状况对激光功率连续可调。光纤一端连接激光发生器，另一端连接扩束镜，在扩束镜出光的一侧沿激光光束延伸方向设有减光片和滤光片。

通过设置相匹配的滤光片仅允许激光波长附近小范围内光线通过滤光片进入高速摄像系统的高速相机从而实现目标部位的被观察对象清晰成像。滤光片采用可通过光波长与激光光路系统发射的激光波长之差在-100nm～100nm内的滤光片，滤光片可使此波长范围之外的单色光不能通过。

高速摄像系统的高速相机对被观察对象进行拍摄，通过图像采集卡将拍摄到的图像信息回传至信息处理系统。

因为焊丝熔化形成熔滴的过程都在电弧内部发生，无法直接观察，为了实现熔滴过渡过程的观察，需要背光。

在熔滴作为被观察对象时，在扩束镜出光的一侧沿激光光束延伸方向设有减光片和滤光片，且减光片与扩束镜之间存在可放置形成熔滴的焊接物的间距，扩束镜、熔滴、减光片、滤光片与高速相机镜头在同一直线上，激光光束从扩束镜射出后经熔滴、减光片、滤光片直射入高速摄像系统的高速相机镜头中。通过激光光路系统发射的激光作为背光对目标部位进行照射。使用背光照射目标部位，利用熔滴的不透光而电弧透光的特性成像。即使激光功率不足10W，也可以有效抑制弧光，从而可清晰地观测熔滴过渡。

如图2所示，通过激光光路系统中的激光发生器产生激光并经光纤传送再经扩束镜后，激光光束照射焊接部位，利用激光作为背光从而使熔滴成像更好。

在本实施例中，在帧频为2500帧每秒的拍摄速率下，观察铝合金脉冲MIG和CMT焊接熔滴过渡过程，激光波长为980nm。选用的激光发生器最大功率为10W，由于其功率连续可调，在本实施例中设定其功率为1W。采用滤光片中心波长为980nm，可使波长为980±50nm范围内的单色光通过，减光片衰减率为30％。

电弧的电压传感器可测范围-100V～100V，焊接电流传感器的可测范围-900A～900A。电压或电流单参数采集时最大采样率不小于1MHz，电流、电压双通道信号采集时，单通道采样率最高可达500KHz。

高速摄像系统每秒拍摄图像不低于3000帧。实现图像和电流、电压信号的同步采集和同步回放，分析熔滴、电弧随电流、电压的瞬时变化。

脉冲MIG和CMT熔滴过渡试验拍摄结果分别如图3和图4所示。

图3为脉冲MIG(熔化极惰性气体保护焊)熔滴过渡过程拍摄的图像。从图3中可以看到，所采用的激光背光光源较好的抑制了脉冲熔化极气体保护焊中弧光的干扰，即使是在电流的峰值期间，如图3中第1-3幅图所示，焊丝末端熔滴的形成过程也较清楚；在脉冲电流基值期间，如图3中第4-8幅图所示，图像上基本没有弧光的干扰，熔滴缩颈的形成过程，熔滴脱落过程等都可以清晰看到。

图4为CMT(冷金属过渡焊接技术)熔滴过渡过程拍摄的图像。通过采取激光作为背光光源进行照射，从图4中所显示的CMT熔滴过渡过程的图像序列中也基本看不到电弧弧光的干扰，比图3对应的脉冲焊中抑制效果更好。这是因为CMT焊接为短路过渡模式，其电流电压比脉冲峰值要低得多，不会出现强烈的电弧，再加上激光背光光源照射，进一步抑制了弧光的干涉。从拍摄的图像序列中还可以清晰的看到焊丝的回抽运动，显示出了CMT熔滴过渡的特点。

由同步控制器发出信号，对焊接电信号进行采集，通过电流传感器、电压传感器采集电流、电压信息并通过AD采集卡将电流、电压信号进行模数转换后传送至信息处理系统的信息处理装置进行处理。根据焊接工艺评价的需要对焊接电信号进行焊接电信号概率密度、功率概率密度分布或过渡周期频数的定量数学统计分析，并根据需要将分析结果在信息处理系统的显示装置上显示，或者将焊接电信号与时间形成的波形图在显示装置上显示，通过信息处理装置控制在显示装置上同步回放焊接电信号的某种处理分析结果与相对应的被观察对象的图像，从而实现利用分析焊接过程中焊接电信号和被观察对象图像对焊接工艺进行评价。

上述实施例中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施例仅仅是对本实用新型的优选实施例进行描述，并非对本实用新型的构思和范围进行限定，在不脱离本实用新型设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.智能化焊接装备及工艺评价系统，其特征在于：包括机器人系统、运动控制系统、焊接电信号高速采集系统、高速摄像系统、激光光路系统、同步采集系统及信息处理系统，

机器人系统与运动控制系统电连接，信息处理系统分别电连接运动控制系统、焊接电信号高速采集系统、高速摄像系统、激光光路系统、运动控制系统、同步采集系统，同步采集系统分别电连接焊接电信号高速采集系统和高速摄像系统，

高速摄像系统的高速相机朝向机器人系统的焊接工作部位，激光光路系统的光束朝向机器人系统的焊接工作部位，且激光光路系统的光束方向与高速摄像系统的高速相机相对；

高速摄像系统、激光光路系统、焊接电信号高速采集系统、同步采集系统及运动控制系统集成在中央控制平台上，信息处理系统包括信息处理装置和显示装置，两者电连接。

2.根据权利要求1所述的智能化焊接装备及工艺评价系统，其特征在于：焊接电信号高速采集系统包括电压传感器、电流传感器和AD采集卡，电流传感器、电压传感器分别与AD采集卡电连接；

高速摄像系统还包括图像采集卡，高速相机与图像采集卡电连接；

同步采集系统包括同步控制器和TTL触发板，同步控制器分别与AD采集卡、TTL触发板电连接，TTL触发板与图像采集卡电连接；

信息处理装置分别电连接AD采集卡、图像采集卡、TTL触发板及同步控制器。

3.根据权利要求1或2所述的智能化焊接装备及工艺评价系统，其特征在于：激光光路系统包括激光发生器、光纤、扩束镜及滤光片和减光片，光纤一端连接激光发生器，另一端连接扩束镜，在扩束镜出光一侧的光路上设有减光片和滤光片。

4.根据权利要求3所述的智能化焊接装备及工艺评价系统，其特征在于：滤光片采用可通过光波长与激光光路系统发射的激光波长之差在-100nm～100nm内的滤光片。

5.根据权利要求3所述的智能化焊接装备及工艺评价系统，其特征在于：激光发生器为可连续调节功率的激光发生器。

6.根据权利要求3所述的智能化焊接装备及工艺评价系统，其特征在于：焊接电信号包括焊接电流及焊接电压；被观察对象包括熔滴、电弧及熔池。

7.根据权利要求6所述的智能化焊接装备及工艺评价系统，其特征在于：在熔滴作为被观察对象时，在扩束镜出光的一侧沿激光光束延伸方向设有减光片和滤光片，且减光片与扩束镜之间存在可放置形成熔滴的焊接物的间距，扩束镜、熔滴、减光片、滤光片与高速相机镜头在同一直线上，激光从扩束镜射出后经熔滴、减光片、滤光片直射入高速摄像系统的高速相机镜头中。