CN215238450U - 一种多信息焊接监控及控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种多信息焊接监控及控制系统，包括传感器模块、数据采集卡模块、PLC模块、工控机、焊接机器人和送丝机，传感器模块包括电流电压传感器、声音传感器、视觉传感器和光谱传感器，用于采集焊接过程中的电流电压数据、声音数据、熔池焊缝图像数据和强弧光数据；PLC模块分别与工控机、焊接机器人和送丝机连接，将工控机传输的电流控制信号、送丝速度控制信号传输至焊接机器人、送丝机。与现有技术相比，本实用新型通过电流电压传感器、声音传感器、视觉传感器和光谱传感器采集焊接过程中的状态信息，能全面反映焊接状态，进而根据状态信息调节焊接电流和送丝速度，提高了焊接质量。
Description
技术领域
本实用新型涉及焊接控制领域，尤其是涉及一种多信息焊接监控及控制系统。
背景技术
焊接的质量控制，是焊接技术的关键。要实现焊接过程质量的精确控制，首先需要获得描述焊接状态的准确信息，再根据焊接状态信息向焊接机器人发送控制命令，从而提高焊接质量。但是，焊接过程是一个多变量、非线性、时变的强耦合过程，焊接过程中伴随着强烈的声、光、电、强电磁等强干扰因素，使用一种传感器来获取并反映焊接信息显然存在不足之处，获得的都是描述焊接过程状态的某一方面的信息，难以全面的、有效的反映焊接过程状态的信息，不能全面准确的对焊接过程状态进行描述。
实用新型内容
本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多信息焊接监控及控制系统，通过电流电压传感器、声音传感器、视觉传感器和光谱传感器采集焊接过程中的状态信息，能全面反映焊接状态，进而根据状态信息调节焊接电流和送丝速度，提高了焊接质量。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种多信息焊接监控及控制系统，包括传感器模块、数据采集卡模块、PLC模块、工控机、焊接机器人和送丝机，焊接过程中传感器模块自动采集数据并上传到工控机，工控机实时处理得到焊接诊断数据和控制调节量，通过PLC模块控制焊接电流、送丝速度，得到较好焊接质量的焊缝；
所述传感器模块包括电流电压传感器、声音传感器、视觉传感器和光谱传感器，用于采集焊接过程中的电流电压数据、声音数据、熔池焊缝图像数据和强弧光数据；
所述数据采集卡模块包括第一数据采集卡和第二数据采集卡，所述第一数据采集卡用于采集电流电压传感器的数据并将其传输至工控机，所述第二数据采集卡用于采集声音传感器的数据并将其传输至工控机；
所述工控机与视觉传感器和光谱传感器连接，用于接收视觉传感器采集的熔池焊缝图像数据和光谱传感器采集的强弧光数据；
所述PLC模块分别与工控机、焊接机器人和送丝机连接，用于接收工控机传输的电流控制信号并将其传输至焊接机器人、用于接收工控机传输的送丝速度控制信号并将其传输至送丝机；PLC模块输出模拟量信号，以实现电流和送丝速度的控制；
所述工控机还与焊接机器人连接，用于控制焊接机器人的位姿、焊枪的运动速度。
进一步的，所述声音传感器包括自动增益控制AGC、低噪声前置放大器、可变增益放大器VGA、输出放大器、麦克风偏压发生器；低噪声前置放大器、可变增益放大器VGA和输出放大器级联，放大比例为40dB-60dB。
进一步的，所述视觉传感器包括激光器、第一CCD、第二CCD、减光滤光抽屉、相机夹具；所述激光器用于发射激光条纹，所述第一CCD用于采集熔池图像，所述第二CCD用于采集焊缝图像，所述减光滤光抽屉用于减弱和过滤光线，所述相机夹具用于将视觉传感器活动安装在焊枪上；相机夹具负责随时调整视觉传感器在焊枪上的位置以获得较好的图片。
进一步的，所述光谱传感器包括光束采集系统、减光系统、准直聚焦系统、信号转换系统；所述光束采集系统用于采集焊接过程中的强弧光，所述减光系统用于减弱强弧光的强度，所述准直聚焦系统用于准直和聚焦强弧光，所述信号转换系统用于将强弧光转换为电信号。
具体的，光束采集系统通过激光光纤将焊接过程产生的强弧光从SM905光纤适配器以固定角度引入光谱传感器内部的光学平台；光束采集系统采集到的电弧光强度太大，需要经过内部的减光系统减弱强度，同时通过50um宽度的狭缝以提高分辨率；经过减光系统处理的焊接电弧光强度适中，但呈散乱分布，需要通过准直凹面镜将弧光准直为平行光，准直凹面镜出射的平行光投射在平面反射光栅上进行分光，使得入射光按照波长大小均匀排列，分光后的弧光出射到聚焦凹面镜上聚焦；信号转换系统即光电转换传感器，弧光成像投射到光电转换传感器的感光条上，根据感光条上光的强弱将光信号转换为对应的电信号。
进一步的，所述第一数据采集卡和第二数据采集卡通过USB接口与工控机连接。
进一步的，所述第一数据采集卡的采样速率为200Hz，所述第二数据采集卡的采样速率为40000Hz。
进一步的，所述视觉传感器和光谱传感器通过USB接口与工控机连接。
进一步的，所述工控机与PLC模块无线通信连接。
进一步的，所述工控机与焊接机器人无线通信连接。
进一步的，所述多信息焊接监控及控制系统还包括隔离模块，所述隔离模块设于PLC模块与焊接机器人之间，用于隔离PLC模块与焊接机器人；所述隔离模块还设于PLC模块与送丝机之间，用于隔离PLC模块与送丝机。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
(1)通过电流电压传感器、声音传感器、视觉传感器和光谱传感器采集焊接过程中的状态信息，能全面反映焊接状态，进而根据状态信息调节焊接电流和送丝速度，提高了焊接质量。
(2)视觉传感器包括第一CCD和第二CCD，能更全面的采集焊接过程中的熔池图像和焊缝图像，还设置了减光滤光抽屉，既提高了采集的图像的准确率，也保护了CCD。
(3)增设了光谱传感器采集弧光的强度信息，能更加准确的反映焊接过程中电弧光的变化，通过结合声音数据和电弧光数据进行焊接控制，也为后续焊接时电弧的调节提供了依据。
(4)工控机与PLC模块、焊接机器人无线通信连接，在复杂的焊接环境下，降低了线路复杂性，通信方式更加简洁，一定程度上提高了安全性。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为实施例中声音传感器的电路示意图；
附图标记：11、电流电压传感器，12、声音传感器，13、视觉传感器，14、光谱传感器，21、第一数据采集卡，22、第二数据采集卡，3、PLC模块，4、工控机，5、焊接机器人，6、送丝机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
一种多信息焊接监控及控制系统，如图1所示，包括传感器模块、数据采集卡模块、PLC模块3、工控机4、焊接机器人5和送丝机6，焊接过程中传感器模块自动采集数据并上传到工控机4，工控机4实时处理得到焊接诊断数据和控制调节量，通过PLC模块3控制焊接电流、送丝速度，得到较好焊接质量的焊缝；
传感器模块包括电流电压传感器11、声音传感器12、视觉传感器13和光谱传感器14，用于采集焊接过程中的电流电压数据、声音数据、熔池焊缝图像数据和强弧光数据；
数据采集卡模块包括第一数据采集卡21和第二数据采集卡22，第一数据采集卡21用于采集电流电压传感器11的数据并将其传输至工控机4，第二数据采集卡22用于采集声音传感器12的数据并将其传输至工控机4；
工控机4与视觉传感器13和光谱传感器14连接，用于接收视觉传感器13采集的熔池焊缝图像数据和光谱传感器14采集的强弧光数据；
PLC模块3分别与工控机4、焊接机器人5和送丝机6连接，用于接收工控机4传输的电流控制信号并将其传输至焊接机器人5、用于接收工控机4传输的送丝速度控制信号并将其传输至送丝机6；PLC模块3输出模拟量信号，实现电流和送丝速度的控制；
工控机4还与焊接机器人5连接，用于控制焊接机器人5的位姿、焊枪的运动速度。
工控机4与PLC模块3无线通信连接；工控机4与焊接机器人5无线通信连接。本实施例中，工控机4通过Modbus TCP协议将电流控制信号和送丝速度控制信号传递给PLC模块3，工控机4与焊接机器人5通过Robot Interface通讯；在其他实施方式中，也可以使用蓝牙通信等方式连接。
第一数据采集卡21和第二数据采集卡22通过USB接口与工控机4连接。第一数据采集卡21的采样速率为200Hz，第二数据采集卡22的采样速率为40000Hz。
视觉传感器13和光谱传感器14通过USB接口与工控机4连接。
如图2所示，声音传感器12包括自动增益控制AGC、低噪声前置放大器、可变增益放大器VGA、输出放大器、麦克风偏压发生器，这些器件级联起来对电弧声信号进行简单地去噪和放大。本实施例中，低噪声前置放大器、可变增益放大器VGA和输出放大器级联，声音放大为40dB-60dB。
视觉传感器13包括激光器、第一CCD、第二CCD、减光滤光抽屉、相机夹具；激光器用于发射激光条纹，第一CCD用于采集熔池图像，第二CCD用于采集焊缝图像，减光滤光抽屉用于减弱和过滤焊接弧光，相机夹具用于将视觉传感器13活动安装在焊枪上。
具体的，激光器内置于第一CCD，减光滤光抽屉包括减光滤光片与挡板，减光滤光片分别内置于第一CCD和第二CCD的前方，可以减少强光对CCD的损耗，挡板可以减少焊接时的飞溅物对CCD的损坏，相机夹具负责随时调整视觉传感器13在焊枪上的位置以获得较好的图片。
光谱传感器14包括光束采集系统、减光系统、准直聚焦系统、信号转换系统；光束采集系统用于采集焊接过程中的强弧光，减光系统用于减弱强弧光的强度，准直聚焦系统用于准直和聚焦强弧光，信号转换系统用于将强弧光转换为电信号。
具体的，激光光纤一端通过SMA905光纤适配器与光谱传感器14连接，另一端通过柔性夹具固定在焊枪上；光束采集系统通过激光光纤将焊接过程产生的强弧光从SM905光纤适配器以固定角度引入光谱传感器14内部的光学平台；光束采集系统采集到的电弧光强度太大，需要经过内部的减光系统减弱强度，同时通过50um宽度的狭缝以提高分辨率，经过减光系统处理的焊接电弧光强度适中，但呈散乱分布；准直聚焦系统包括准直凹面镜、聚焦凹面镜，通过准直凹面镜将弧光准直为平行光，准直凹面镜出射的平行光投射在平面反射光栅上进行分光，使得入射光按照波长大小均匀排列，分光后的弧光出射到聚焦凹面镜上聚焦；信号转换系统为光电转换传感器，弧光成像投射到光电转换传感器的感光条上，根据感光条上光的强弱将光信号转换为对应的电信号。SMA905光纤适配器、狭缝、准直聚焦系统、平面反射光栅、光电转换传感器的中心保持在同一水平高度。
多信息焊接监控及控制系统还包括隔离模块，隔离模块设于PLC模块3与焊接机器人5之间，用于隔离PLC模块3与焊接机器人5；隔离模块还设于PLC模块3与送丝机6之间，用于隔离PLC模块3与送丝机6。
焊接时，起弧方式为非接触式起弧，刚起弧时会伴随高频高压，可以设置延时继电器来保护电路，延时继电器会在起弧时2s内断开，保护部分电路不受高频的干扰，待高频阶段结束后闭合，电路导通。
以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种多信息焊接监控及控制系统，包括传感器模块、数据采集卡模块、PLC模块(3)、工控机(4)、焊接机器人(5)和送丝机(6)，其特征在于：
所述传感器模块包括电流电压传感器(11)、声音传感器(12)、视觉传感器(13)和光谱传感器(14)，用于采集焊接过程中的电流电压数据、声音数据、熔池焊缝图像数据和强弧光数据；
所述数据采集卡模块包括第一数据采集卡(21)和第二数据采集卡(22)，所述第一数据采集卡(21)用于采集电流电压传感器(11)的数据并将其传输至工控机(4)，所述第二数据采集卡(22)用于采集声音传感器(12)的数据并将其传输至工控机(4)；
所述工控机(4)与视觉传感器(13)和光谱传感器(14)连接，用于接收视觉传感器(13)采集的熔池焊缝图像数据和光谱传感器(14)采集的强弧光数据；
所述PLC模块(3)分别与工控机(4)、焊接机器人(5)和送丝机(6)连接，用于接收工控机(4)传输的电流控制信号并将其传输至焊接机器人(5)、用于接收工控机(4)传输的送丝速度控制信号并将其传输至送丝机(6)；
所述工控机(4)还与焊接机器人(5)连接，用于控制焊接机器人(5)的位姿、焊枪的运动速度。
2.根据权利要求1所述的一种多信息焊接监控及控制系统，其特征在于，所述声音传感器(12)包括自动增益控制AGC、低噪声前置放大器、可变增益放大器VGA、输出放大器、麦克风偏压发生器。
3.根据权利要求1所述的一种多信息焊接监控及控制系统，其特征在于，所述视觉传感器(13)包括激光器、第一CCD、第二CCD、减光滤光抽屉、相机夹具；所述激光器用于发射激光条纹，所述第一CCD用于采集熔池图像，所述第二CCD用于采集焊缝图像，所述减光滤光抽屉用于减弱和过滤光线，所述相机夹具用于将视觉传感器(13)活动安装在焊枪上。
4.根据权利要求1所述的一种多信息焊接监控及控制系统，其特征在于，所述光谱传感器(14)包括光束采集系统、减光系统、准直聚焦系统、信号转换系统；所述光束采集系统用于采集焊接过程中的强弧光，所述减光系统用于减弱强弧光的强度，所述准直聚焦系统用于准直和聚焦强弧光，所述信号转换系统用于将强弧光转换为电信号。
5.根据权利要求1所述的一种多信息焊接监控及控制系统，其特征在于，所述第一数据采集卡(21)和第二数据采集卡(22)通过USB接口与工控机(4)连接。
6.根据权利要求1所述的一种多信息焊接监控及控制系统，其特征在于，所述第一数据采集卡(21)的采样速率为200Hz，所述第二数据采集卡(22)的采样速率为40000Hz。
7.根据权利要求1所述的一种多信息焊接监控及控制系统，其特征在于，所述视觉传感器(13)和光谱传感器(14)通过USB接口与工控机(4)连接。
8.根据权利要求1所述的一种多信息焊接监控及控制系统，其特征在于，所述工控机(4)与PLC模块(3)无线通信连接。
9.根据权利要求1所述的一种多信息焊接监控及控制系统，其特征在于，所述工控机(4)与焊接机器人(5)无线通信连接。
10.根据权利要求1所述的一种多信息焊接监控及控制系统，其特征在于，所述多信息焊接监控及控制系统还包括隔离模块，所述隔离模块设于PLC模块(3)与焊接机器人(5)之间，用于隔离PLC模块(3)与焊接机器人(5)；所述隔离模块还设于PLC模块(3)与送丝机(6)之间，用于隔离PLC模块(3)与送丝机(6)。
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