WO2017067241A1 - 焊接温度场控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种焊接温度场控制系统，大林控制器的输出端连接焊机系统的焊接电源，熔池温度测量单元将检测到的熔池数据送至大林控制器的采集信号输入端；一种焊接温度场控制方法，将焊缝及热影响区分成高温、中温、低温三个焊接区域，熔池温度测量单元通过CCD相机在焊接区域背面获得两个波段的热辐射场的图像，对采集到的热辐射场的图像进行滤波处理，得到灰度值与温度的对应关系，利用上述对应关系得到整个焊接温度场的分布，计算等温线宽度，由大林控制器输出控制值至焊机系统的焊接电源。该焊接温度场控制系统和方法实现焊缝及热影响区背面等温线宽度的闭环控制，消除自动焊接对象中的余差，提高生产效率、节约成本，实现了快速、准确、便捷的检测与质量控制。
Description
本发明涉及一种焊接质量控制技术领域，具体的说是一种焊接温度场控制系统及方法。
焊接过程的研究己从宏观过程控制深入到焊接微观质量控制中，同焊接宏观质量控制一样，微观质量控制的主要困难是获得表征这些微观质量的传感技术。焊接温度场的分布，决定了焊接的热循环，从而也决定了焊接微观组织及其变化，决定了焊缝及其热影响区的宏观性能，因此焊接温度场的实时检测及热循环参数的提取对实现焊接微观质量控制具有重要的意义。
焊接温度场是焊接热过程的基本表征，它的分布直接影响了焊缝的熔深及熔宽，因此可以说焊接温度场与焊接质量密切相关。通过对焊接温度场的实时检测及控制，进而控制焊缝的成型，提高焊接质量是当前焊接过程自动化的重要研究内容。
焊接过程的自动化控制是保证焊接质量的一个关键因素。实际焊接过程中，由于工件的形状尺寸、装配间隙、焊缝的几何形状、焊接位置的随机影响，仅依靠焊接规范的稳定性来保证焊缝熔透的一致性是非常困难的。因此，实施焊缝熔透的自适应控制，是保证焊接质量的关键，是焊接技术领域非常关注的课题。
发明内容
针对现有技术中焊接过程仅依靠焊接规范的稳定性来保证焊缝熔透的一致性非常困难等不足，本发明要解决的技术问题是提供一种响应速度快，能够对焊接温度场和焊接质量进行实时检测和控制的焊接温度场控制系统及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明焊接温度场控制系统，包括焊机系统、熔池温度测量单元以及大林控制器，其中大林控制器的输出端连接焊机系统的焊接电源，熔池温度测量单元将检测到的熔池数据送至大林控制器的采集信号输入端。
所述熔池温度测量单元包括CCD相机、数据采集卡以及分析显示装置，其中CCD相机安装在焊接背面正下方拍摄焊接熔池图像输入至分析显示装置，数据采集卡将采集到的数据送至分析显示装置。
本发明焊接温度场控制方法包括以下步骤：
首先将焊缝及热影响区分成高温、中温、低温三个焊接区域，对应不同的采样曝光时间；
熔池温度测量单元通过CCD相机在焊接区域背面获得两个波段的热辐射场的图像；
对采集到的热辐射场的图像进行滤波处理，将同一位置处的灰度进行处理后进行比值处理，得到灰度值与温度的对应关系；
利用灰度值与温度之间的对应关系，得到整个焊接温度场的分布；
计算等温线宽度，通过大林算法计算调整量，并由大林控制器输出控制值至焊机系统的焊接电源。
将同一位置处的灰度进行处理步骤为：
将采集到的图像用3个字节表示，每个字节对应R、G、B分量的亮度，转换后的黑白图像的一个像素用一个字节表示该点的灰度值，转换关系如下：
Gray(i，j)＝0.11R(i，j)+0.59G(i，j)+0.3B(i，j)
其中Gray(i，j)为转换后的黑白图像在(i，j)点处的灰度值。
将焊缝及热影响区分成高温、中温、低温三个区域，分别为：
假设待焊的金属熔点为A℃，则检测温度范围(A-200)℃～(A+200)℃之间，低温区：(A-200)℃～(A-50)℃，中温区：(A-50)℃～(A+50)℃，高温区：(A+50)℃～(A+200)℃。
高温、中温以及低温三个区域的曝光时间分别为：1.5±0.3ms、300±60ms、50±10ms。
计算等温线宽度包括以下步骤：
首先设定温度值对应的灰度值为T0；
搜索等温线边缘点，从图像的左上角开始，按从左至右、从上而下的顺序逐点比较，即可搜索到上边缘；
从图像的右下角开始，按自右至左、自下而上的顺序逐点比较，即可搜索等温线下边缘；
当搜索到某点灰度值第一次大于T0时，该点即为等温线的边缘点。
搜索等温线边缘点包括以下步骤：
将整幅图像分成一定大小的网格，隔行隔列对网格进行隔点比较，得到最初的边缘点；
然后在后一幅温度场图像上，从前一副图像的等温线边缘点出发，如果等温线边缘点向内移动，则向内搜索，直至找到第一个满足要求的点为止，该点就是新的边缘点。
如果等温线边缘点没有向内移动，则反过来向外搜索，直至第一个不满足要求的点的位置，检索到的最后一个满足要求的点就是新边缘点。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明针对焊接过程中焊接温度场的实时检测获得焊接热循环参数，实现焊缝及热影响区背面等温线宽度的闭环控制；针对焊接过程是滞后系统的情况，基于大林算法选择熔点或者接近熔点温度的等温线宽度进行控制以达到对熔透进行控制的目的。
2.本发明采用大林算法控制焊接电源，消除自动焊接对象中的余差，并对焊接对象进行滞后补偿，响应速度快，能够对焊接温度场和焊接质量进行实时检测和控制，提高了工作效率和质量。
3.本发明方法从实时检测的熔池温度场中获得焊接区域某处的热循环参数，为焊接质量控制提供了基础；针对焊接过程是滞后系统的情况，基于大林算法对其进行控制，提高生产效率、节约成本，实现了快速、准确、便捷的检测与质量控制。
图1为本发明等温线宽度控制系统流程图；
图2为本发明焊接温度场测量单元框图；
图3为一阶延时单回路惯性系统框图；
图4为本发明系统控制对象的响应曲线；
图5为本发明无扰动阶跃响应仿真曲线比较图；
图6为本发明有扰动阶跃响应仿真曲线比较图；
图7为控制器运算程序方框图。
下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。
如图1所示，本发明一种焊接温度场控制系统，包括焊机系统、熔池温度测量单元以及大林控制器，其中大林控制器的输出端连接焊机系统的焊接电源，熔池温度测量单元将检测到的熔池数据送至大林控制器的采集信号输入端。
如图2所示，熔池温度测量单元包括CCD相机、数据采集卡以及分析显示装置，其中CCD相机安装在焊接背面正下方拍摄焊接熔池图像输入至分析显示装置，数据采集卡将采集到的数据送至分析显示装置。
本发明中，焊机系统包括焊枪、焊接电源与送丝机；熔池温度测量系统包括CCD相机，数据采集卡以及分析显示系统；大林控制器输出端连接焊接电源，调节其焊接电流。本发明采用大林算法控制焊接电源，消除自动焊接对象中的余差，并对焊接对象进行滞后补偿。
本发明一种焊接温度场控制方法包括以下步骤：
首先将焊缝及热影响区分成高温、中温、低温三个焊接区域，对应不同的采样曝光时间；
熔池温度测量单元通过CCD相机在焊接区域背面获得两个波段的热辐射场的图像；
对采集到的热辐射场的图像进行滤波处理，将同一位置处的灰度进行处理后进行比值处理，得到灰度值与温度的对应关系；
利用灰度值与温度之间的对应关系，得到整个焊接温度场的分布；
计算等温线宽度，通过大林算法计算调整量，并由大林控制器输出控制值至焊机系统的焊接电源。
本实施例中，将焊缝及热影响区分成高温、中温、低温三个区域，分别为：假设待焊的金属熔点为A℃，则检测温度范围(A-200)℃～(A+200)℃之间，低温区：(A-200)℃～(A-50)℃，中温区：(A-50)℃～(A+50)℃，高温区：(A+50)℃～(A+200)℃；高温、中温以及低温三个区域的曝光时间分别为：1.5±0.3ms、300±60ms、50±10ms。
将采集到的图像进行滤波处理，因为不同的灰度值与温度有对应关系，将相同位置的灰度进行比值处理，利用灰度值与温度之间的对应关系，就可以得到整个焊接温度场的分布。
本发明焊接温度场控制方法，将同一位置处的灰度进行处理步骤为：
将采集到的图像用3个字节表示，每个字节对应R、G、B分量的亮度，转换后的黑白图像的一个像素用一个字节表示该点的灰度值，转换关系如下：
Gray(i，j)＝0.11R(i，j)+0.59G(i，j)+0.3B(i，j)
其中Gray(i，j)为转换后的黑白图像在(i，j)点处的灰度值。
计算等温线宽度包括以下步骤：
首先设定温度值对应的灰度值为T0；
搜索等温线边缘点，从图像的左上角开始，按从左至右、从上而下的顺序逐点比较，即可搜索到上边缘；
从图像的右下角开始，按自右至左、自下而上的顺序逐点比较，即可搜索等温线下边缘；
当搜索到某点灰度值第一次大于T0时，该点即为等温线的边缘点。
搜索等温线边缘点包括以下步骤：
将整幅图像分成一定大小的网格，隔行隔列对网格进行隔点比较，得到最初的边缘点；
然后在后一幅温度场图像上，从前一副图像的等温线边缘点出发，先判断等温线边缘点是否向内移动；如果等温线边缘点向内移动，则向内搜索，直至找到第一个满足要求的点为止，该点就是新的边缘点。
如果等温线边缘点没有向内移动，则反过来向外搜索，直至第一个不满足要求的点的位置，检索到的最后一个满足要求的点就是新边缘点。
本发明将控制对象的输入量选择为焊接电流，输出量为焊接温度场。将对象近似为一阶延时单回路惯性系统，如图3所示：
GC(s)＝Ke-τs/(TDs+1) (1)
式中s为拉普拉斯算子；τ为纯滞后时间常数，K为比例系数；TD为被控对象惯性时间常数，GC(s)为被控对象传递函数；
闭环系统传递函数Φ(Z)可用式(2)表示：
GP(Z)为被控对象传递函数的Z变换，GC(Z)为数字控制器，Y(Z)为输出信号，R(Z)为输入信号。
从(2)中可以解出数字控制器
以75mm×200mm×1mm低碳钢为例，采用等离子焊接方法，系统对象的响应曲线如图4所示，图4中的焊接电流在10s处由分析显示系统控制焊接电流由60A阶跃变化到70A，焊接电流在20s处又变回到60A，图4中为温度场1200℃等温线宽度随着电流时间的响应变化。
导出传递函数：一阶惯性延时系统的阶跃响应为延时的指数上升曲线，可用下式表示：
Y(t)＝A·(1-exp(-α(t-t0)))·U(t-t0) (4)
其中A为幅值，α为指数系数，t0为延时常数，t时间，U为输入信号；对其进行拉氏变换：
Y(t)＝A·α·exp(-t0·S)/(S·(S+α)) (5)
其传递函数则为：
H(S)＝Y(S)·S＝A·exp(-t0·S)/(tr·S+1) (6)
其中，tr＝1/α，为上升时间常数，α为指数系数，S为拉普拉斯变换的算子。
结合图4和式(4)、(5)、(6)，按照自动控制理论中推导传递函数的方法即可推导出被控对象传递函数(式(1))，在此不在赘述，本实施例中：
GC(s)＝0.2e-0.22s/(0.8s+1) (7)
根据大林算法，期望的闭环控制系统传递函数为：
式中TC为期望的闭环控制系统惯性时间常数。按照经验，一般情况下T约等于0.9τ，TC约等于0.3τ～0.5TD之间，本实施例中T＝0.2s，TC＝0.233。
将Φ(s)、GC(s)转换成对应的Z函数：Φ(Z)、GC(Z)，然后就可以求出数字控制器GP(Z)。
图5和图6分别是无扰动时系统阶跃响应和有扰动时系统阶跃响应传统PID算法和大林算法的仿真比较图，从图中可以看出大林算法动态响应和传统PID算法比稍快，系统稳定前大林算法无超调，加入扰动时大林算法超调量比传统PID算法小。
控制器编程：
U(Z)＝GC(Z)·E(Z)＝(num(Z)/den(Z))·E(Z) (12)
其中num(Z)是GC(Z)分子系数，den(Z)是GC(Z)分母系数，即：
U(Z)·ΣarZ-r＝E(Z)·ΣbrZ-r(r＝0，1，2，...，7) (13)
其中ar、br分别是GC(Z)分子、分母各项按照幂次升幂排列的各项系数，求逆变换得：
Σar·u(k-r)＝Σbr·e(k-r) (14)
解出，其中k为采样次数。
解出u(k)后，如图7控制器运算流程图所示进行程序运算，首先初始化存储单元及系数，然后开始采集图像信息并处理，大林算法计算输出并由控制器输出给焊接电源，最后重复这个过程。
Claims (9)
- 一种焊接温度场控制系统，其特征在于：包括焊机系统、熔池温度测量单元以及大林控制器，其中大林控制器的输出端连接焊机系统的焊接电源，熔池温度测量单元将检测到的熔池数据送至大林控制器的采集信号输入端。
- 按权利要求1所述的焊接温度场控制系统，其特征在于：所述熔池温度测量单元包括CCD相机、数据采集卡以及分析显示装置，其中CCD相机安装在焊接背面正下方拍摄焊接熔池图像输入至分析显示装置，数据采集卡将采集到的数据送至分析显示装置。
- 一种焊接温度场控制方法，其特征在于包括以下步骤：首先将焊缝及热影响区分成高温、中温、低温三个焊接区域，对应不同的采样曝光时间；熔池温度测量单元通过CCD相机在焊接区域背面获得两个波段的热辐射场的图像；对采集到的热辐射场的图像进行滤波处理，将同一位置处的灰度进行处理后进行比值处理，得到灰度值与温度的对应关系；利用灰度值与温度之间的对应关系，得到整个焊接温度场的分布；计算等温线宽度，通过大林算法计算调整量，并由大林控制器输出控制值至焊机系统的焊接电源。
- 按权利要求3所述的焊接温度场控制方法，其特征在于：将同一位置处的灰度进行处理步骤为：将采集到的图像用3个字节表示，每个字节对应R、G、B分量的亮度，转换后的黑白图像的一个像素用一个字节表示该点的灰度值，转换关系如下：Gray(i，j)＝0.11R(i，j)+0.59G(i，j)+0.3B(i，j)其中Gray(i，j)为转换后的黑白图像在(i，j)点处的灰度值。
- 按权利要求3所述的焊接温度场控制方法，其特征在于：将焊缝及热影响区分成高温、中温、低温三个区域，分别为：假设待焊的金属熔点为A℃，则检测温度范围(A-200)℃～(A+200)℃之间，低温区：(A-200)℃～(A-50)℃，中温区：(A-50)℃～(A+50)℃，高温区：(A+50)℃～(A+200)℃。
- 按权利要求3所述的焊接温度场控制方法，其特征在于：高温、中温以及低温三个区域的曝光时间分别为：1.5±0.3ms、300±60ms、50±10ms。
- 按权利要求3述的焊接温度场控制方法，其特征在于：计算等温线宽度包括以下步骤：首先设定温度值对应的灰度值为T0；搜索等温线边缘点，从图像的左上角开始，按从左至右、从上而下的顺序逐点比较，即可搜索到上边缘；从图像的右下角开始，按自右至左、自下而上的顺序逐点比较，即可搜索等温线下边缘；当搜索到某点灰度值第一次大于T0时，该点即为等温线的边缘点。
- 按权利要求7所述的焊接温度场控制方法，其特征在于：搜索等温线边缘点包括以下步骤：将整幅图像分成一定大小的网格，隔行隔列对网格进行隔点比较，得到最初的边缘点；然后在后一幅温度场图像上，从前一副图像的等温线边缘点出发，如果等温线边缘点向内移动，则向内搜索，直至找到第一个满足要求的点为止，该点就是新的边缘点。
- 按权利要求8所述的焊接温度场控制方法，其特征在于：如果等温线边缘点没有向内移动，则反过来向外搜索，直至第一个不满足要求的点的位置，检索到的最后一个满足要求的点就是新边缘点。
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