[發明專利]基于溫度梯度傳感的焊接溫度場檢測裝置與質量控制方法

無效

• 申請號: 201110409845.2
• 申請日: 2011-12-09
• 公開（公告）號: CN102513746A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 陳樹君;蔣凡;盧振洋;于洋
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: B23K37/00
• 分類號: B23K37/00;G01J5/00;G05B19/19
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

技術領域

本發明涉及一種焊接檢測與控制的裝置與方法，尤其是一種基于溫度梯度傳感的焊接溫度場檢測裝置與質量控制方法，屬于焊接檢測和質量控制領域。

背景技術

隨著焊接技術在當今的工業生產尤其是我國汽車甚至以及航天企業中的影響越來越大，焊接效率以及焊接質量的要求也越來越高，焊接設備的自動化也迫在眉睫。對焊接質量的控制有兩種：一是恒定參數焊接或者預置變參數焊接，以分別完成恒定截面或者變截面工件的焊接；二是閉環反饋實時控制，以適應變焊接條件下工件的焊接。

在早期的工程應用中以及在固定環境的簡單焊縫下，多采用恒定參數開環控制進行焊接。其最主要的思路是通過先期的焊接工藝試驗獲取關于焊接過程或者焊縫成形的一系列信號，并根據這些信號與試驗中所采用的焊接參數相對應，在后續的焊接過程中選取能得到良好焊縫成形的恒定參數或預置變化規律的焊接參數，最終實現穩定的焊接過程、獲得良好的焊縫成形，屬于開環控制。

采用實時檢測閉環控制以適應變焊接條件情況下工件的焊接，是焊接領域內的發展趨勢。對焊接質量進行控制的關鍵是提取到能反映穿孔熔池行為的特征信號，這是實現焊接過程模型化和焊接過程自動控制的最重要部分。從特征信號的類型來看，主要有以下幾個方面：弧光信號、聲信號、弧壓信號、電弧等離子體信號和熔池圖像等。弧光信號主要利用光電器件接收源自于焊接電弧的輻射信息中獲取可以表征小孔行為特征的信號，該方法受到等離子體反翹的影響，且對接收探頭與等離子弧角度、干涉濾光鏡片、等離子弧的光譜輻射亮度、弧光傳輸系統的通過率都有要求；聲信號就是通過采集熔池在焊接時產生的劇烈的低頻振動來獲取熔池狀態的信息，但是在實際生產應用中，無法避免的機器噪音和人為的干擾使聲音傳感檢測出來的聲音信號發生擾動，因此這種方法對環境的要求相對較高，需要避開環境噪音的干擾；弧壓信號主要提取電弧電壓波動來反映熔池狀態，該方法對焊接電源要求較高，而且往往不能和電網的波動完全區分開，不能準確、可靠地檢測到熔池變化；電弧等離子體信號主要應用在等離子弧焊中，利用金屬探針或金屬檢測板檢測電弧的等離子焰，由于等離子焰溫度極高，該方法對金屬探針或金屬檢測板都有很高的要求，容易燒損檢測設備；通過圖像采集監控焊接質量是研究的最多的一種方法，圖像傳感方法具有傳感信息豐富、直觀、不受電磁干擾等優點，如何正確有效的提取熔池邊緣，如何解決強烈的弧光干擾，一直是該方法研究的重點，同時，高精度的CCD攝像和快速的圖象處理技術還很難適應工業現場應用。

焊縫跟蹤是提高焊接生產自動化程度和焊接質量控制的關鍵內容之一。目前常規的自動化焊接生產一般采用預設軌跡、機器人示教或離線編程的方式進行焊縫規劃，焊接過程中只是簡單的重復預先設定的動作。當實際的焊接條件發生變化時，例如焊接過程中的工件在加工、裝配過程中的尺寸誤差和位置偏差以及工件加熱變形等因素的變化會使接頭位置偏移預定路徑，這樣會導致焊接質量下降甚至失敗。因此，精確的焊縫跟蹤是保證焊接質量的關鍵。在現有的焊縫跟蹤實現方案中，一般采用機械、電磁、視覺等傳感器提供焊縫信息，由系統進行處理，實現焊槍位置控制。但是這樣的焊縫跟蹤系統一般是封閉的，是針對特定系統開發的傳感器及處理算法，缺少通用、靈活和獨立的實時焊縫跟蹤系統。而且在焊接過程中，并不是沿著焊縫走，嚴格對中就是好的控制，而是應該要適應焊接過程的變化，適應焊接過程中的散熱、間隙、熔池流動等影響造成的錯邊、間隙變化、截面變化等情況，選擇最合適的熱源位置進行焊接。

發明內容

本發明為了改進現有方法的不足，實現快速、準確、便捷的檢測與質量控制，特提出一種基于溫度梯度傳感的焊接溫度場檢測裝置與質量控制方法，該裝置和方法通過直接檢測焊縫周圍的溫度梯度得出熔池的溫度場分布，并以溫度梯度為特征量控制焊槍的運動，在焊接過程中實現實時的非破壞性的焊接質量檢測和控制。該方法具有響應速度快、正確反應熔池信息、系統結構簡單穩定、抗干擾能力強、精度高等優點，且適用于多種焊接工藝和焊縫類型。

為了實現上述目的，本發明采用了如下的技術方案：

一種基于溫度梯度傳感的焊接溫度場檢測裝置，其特征在于：包括紅外測溫傳感單元、上層控制單元、運動控制單元以及運動執行機構；

所述紅外測溫傳感單元由多個非接觸式紅外測溫傳感器構成，分為兩組垂直于焊接方向分布在焊槍兩側，所述紅外測溫傳感單元和上層控制單元連接，用于將紅外測溫傳感單元內每個非接觸式紅外測溫傳感器測量的溫度及非接觸式紅外測溫傳感器的位置參數提供給上層控制單元；