專利名稱：超微間隙對接焊縫磁光成像自動檢測及跟蹤裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及激光焊接或電弧焊接過程中焊縫的自動檢測及跟蹤裝置，具體涉及超微間隙對接焊縫磁光成像自動檢測及跟蹤裝置。
背景技術(shù)：
焊接是制造業(yè)領(lǐng)域重要的加工技術(shù)，具有工作條件惡劣、工作量大及質(zhì)量要求高等諸多特點。電弧焊和激光焊是焊接工業(yè)中較常用的焊接工藝方法，以電弧和激光束作為被控對象實現(xiàn)焊接自動控制是焊接自動化的一個重要手段。其中，精確的焊縫跟蹤是保證焊接質(zhì)量的前提，即在整個焊接過程中必須控制激光束或電弧使其始終與焊縫對中。為此，需精確地自動檢測出焊縫的位置。隨著精密工件焊接的需求及減少成本的考慮，無坡口、緊密對接的超微間隙焊縫的焊接問題日益突出。焊接超微間隙對接焊縫時可不用填絲，能獲得更小的焊接變形和更加均勻的焊縫接頭，并能減少接頭焊后缺陷檢測和修復(fù)的工作量，從而可顯著提高焊接效率和經(jīng)濟效益。因此超微間隙對接焊縫的自動檢測和跟蹤技術(shù)十分重要。由于焊接是一門復(fù)雜的熱加工工藝技術(shù)，工件在焊接過程中要產(chǎn)生熱變形，并且在焊接過程中會出現(xiàn)強烈的輻射、弧光、煙塵、飛濺等干擾，使得在焊接過程中實現(xiàn)焊縫位置的精確檢測相當(dāng)困難。特別是對于激光焊接，其激光束功率密度高，光斑直徑小，所允許的焊縫路徑偏差非常小，通常當(dāng)激光束與焊縫之間的偏差超過0.2mm時即可導(dǎo)致工件報廢。而激光焊接過程中的對接焊縫往往為不開坡口的超微間隙焊縫，肉眼難以分辨，采用一般傳感方法難以實現(xiàn)該類焊縫的識別。目前國內(nèi)外對于焊縫的檢測基本上都是局限于較寬間隙或帶有坡口的可見焊縫。獲取焊縫位置信息主要集中在以下幾種方法:(I)結(jié)構(gòu)光視覺傳感方法。將一可見光譜段的激光束轉(zhuǎn)換為條形結(jié)構(gòu)光橫跨熔池前端焊縫上，當(dāng)焊縫有一定間隙或形變時，條形光將隨之變形。利用與結(jié)構(gòu)光波長相匹配的攝像機獲取變形的條形光，通過三角測量原理和圖像處理技術(shù)得到焊縫位置信息。由于結(jié)構(gòu)光照射位置在焊接區(qū)前方且攝像機主要采集特定波長段的結(jié)構(gòu)光，因而具有較高的信噪比。目前工業(yè)上應(yīng)用的焊縫跟蹤器的工作原理大多數(shù)是結(jié)構(gòu)光視覺傳感方法。但該方法有其難以克服的缺陷:對于等厚平板對接焊，一般只能有效檢測間隙大于0.15mm的焊縫。對于間隙小于0.15_的焊縫，焊接前通常需要在對接焊縫表面處開微坡口，以使結(jié)構(gòu)光在此處變形。但這無疑增加了加工成本、降低了焊接生產(chǎn)效率。而對于緊密對接、無坡口的超微間隙焊縫，結(jié)構(gòu)光幾乎不產(chǎn)生變形，所以無法識別。(2)紅外傳感方法。該方法多用于電弧焊或焊件背面?zhèn)鞲屑す夂傅暮缚p識別，焊接熔池及周圍形成一定的溫度場并伴隨紅外輻射，使用紅外攝像機直接拍攝熔池獲取紅外熱像，對采集到的弧焊區(qū)紅外熱像進行定量分析，可以獲得電弧偏離焊縫的量化信息。由于劇烈的熔池和溫度變化使得很難獲得層次分明的紅外圖像，再加上紅外傳感器易受環(huán)境干擾并存在精度不高等問題，所以該方法還無法實現(xiàn)超微間隙對接焊縫的檢測。(3)直接圖像傳感方法。該方法利用攝像機直接拍攝熔池，通過圖像處理分析灰度分布，推測焊縫中心偏差信息。由于該方法直接獲取熔池圖像，很大程度上消除了導(dǎo)前誤差。但由于熔池變化劇烈且熔池處的焊縫已經(jīng)熔化，焊縫信息基本湮沒，因此難以從根本上獲取焊縫偏差的特征和規(guī)律。目前僅限于檢測間隙較寬的焊縫。(4)其它方法。如利用差動變壓器作為檢測垂直和水平方向偏差的傳感器；根據(jù)焊縫間隙對聲發(fā)射波傳播有影響的現(xiàn)象，利用聲發(fā)射-微處理器控制的焊縫檢測系統(tǒng)；應(yīng)用電弧傳感器實現(xiàn)帶有坡口的V形焊縫檢測；利用電渦流方法檢測焊縫，但不能準(zhǔn)確判斷焊縫左右偏差位置；超聲波傳感方法需要超聲變換器與被焊板材的緊密接觸，極大地限制了超聲波傳感器在檢測焊縫方面的應(yīng)用。以上方法均不能準(zhǔn)確檢測超微間隙對接焊縫的位置。綜上分析可知，目前對于等厚對接的超微間隙焊縫，尚無有效的檢測方法。事實上，當(dāng)前國內(nèi)外在焊接超微間隙(< 0.1mm)對接焊縫方面還不具備可靠的焊縫檢測和跟蹤方法，在焊接前需要對焊縫表面加工微坡口(采用結(jié)構(gòu)光跟蹤焊縫時)，或花費相當(dāng)多的時間用于工件的裝配、夾持及精確調(diào)整，激光束或電弧大多按預(yù)先設(shè)定的路徑運動，而由于在加工過程中，工件的熱變形、裝配誤差等往往使得焊縫偏離預(yù)先設(shè)定的路徑，這種預(yù)先設(shè)定焊接軌跡的方法時常無法避免焊縫出現(xiàn)較大的偏差，難以滿足現(xiàn)實工業(yè)焊接要求。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的主要目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種檢測和跟蹤精度高、運行可靠的超微間隙對接焊縫磁光成像自動檢測及跟蹤裝置。為達上述目的，本實用新型采用如下的技術(shù)方案:一種超微間隙對接焊縫磁光成像自動檢測及跟蹤裝置，包括一維運動工作臺和安裝于其下的傳感器底板。其特征在于，裝置還包括焊縫檢測部件與焊縫跟蹤運動部件，焊縫檢測部件裝設(shè)于傳感器底板下，焊縫跟蹤運動部件裝設(shè)于一維運動工作臺內(nèi)。上述一維運動工作臺設(shè)有上頂板及導(dǎo)軌，運動滑塊裝設(shè)于導(dǎo)軌的滑道上，伺服電動機通過伺服電動機固定板裝設(shè)于上頂板下。上述一維運動工作臺裝設(shè)有軸承座，滾珠絲杠和聯(lián)軸器通過軸承固定于軸承座內(nèi)。上述焊縫檢測部件包括磁場發(fā)生器和磁光成像傳感器。上述焊縫跟蹤運動部件包括導(dǎo)軌、滑塊、伺服電動機、伺服電機固定板、軸承座，滾珠絲杠、聯(lián)軸器和軸承。上述滑塊下裝設(shè)有用于固定磁場發(fā)生器、磁光成像傳感器、夾具的傳感器底板，傳感器底板通過內(nèi)六角螺栓裝設(shè)于滑塊下。上述傳感器底板裝設(shè)有磁場發(fā)生器、磁光成像傳感器和夾具，磁場發(fā)生器、磁光成像傳感器和夾具通過內(nèi)六角螺栓裝設(shè)于傳感器底板下。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有的有益效果是:本實用新型采用磁光成像傳感技術(shù)，在超微間隙對接焊縫焊接過程中，被測焊縫由磁場發(fā)生器產(chǎn)生交變磁場，并由磁光成像傳感器生成焊縫圖像，實現(xiàn)焊縫圖像識別和焊縫位置坐標(biāo)計算，伺服電動機驅(qū)動系統(tǒng)完成焊縫軌跡跟蹤。該裝置可實現(xiàn)超微間隙對接焊縫位置的非接觸自動測量和跟蹤，不僅測量和跟蹤精度高，而且運行可靠。由于磁光成像傳感器、計算機控制器和伺服驅(qū)動器的靈活配合，使得計算機控制器能夠?qū)崟r控制伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電動機實現(xiàn)焊縫的實時糾偏，自動化程度高，跟蹤速度快。

圖1是本實用新型實施例的總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實用新型實施例的一維運動工作臺的翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實用新型實施例的焊縫檢測部分的翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本實用新型實施例的總體結(jié)構(gòu)裝配示意圖；圖5是本實用新型超微間隙對接焊縫磁光成像自動檢測及跟蹤裝置工作示意圖。圖中各編號含義:1_一維運動工作臺，2-傳感器底板，3-磁場發(fā)生器，4-磁光成像傳感器，5-夾具，1-1-上頂板，1-2-軸承座，1-3-導(dǎo)軌，1-4-軸承，1-5-滾珠絲杠，1-6-滑塊，1-7-伺服電動機,1-8-聯(lián)軸器,1-9-伺服電動機固定板。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例及附圖對本實用新型作進一步詳細描述，但本實用新型的實施方式不限于此。如圖1至圖2所示，本實用新型為一種超微間隙對接焊縫磁光成像自動檢測及跟蹤裝置，包括一維運動工作臺I和安裝于其下的傳感器底板2，裝置還包括焊縫檢測部件與焊縫跟蹤運動部件，焊縫檢測部件裝設(shè)于傳感器底板2下，焊縫跟蹤運動部件裝設(shè)于一維運動工作臺I內(nèi)。焊縫檢測部件包括磁場發(fā)生器3和磁光成像傳感器4。焊縫跟蹤運動部件包括導(dǎo)軌1-3、滑塊1-6、伺服電動機1-7、伺服電動機固定板1-9、軸承座1-2、滾珠絲杠1-5、聯(lián)軸器1-8和軸承1-4。所述一維運動工作臺I設(shè)有上頂板1-1及導(dǎo)軌1-3，導(dǎo)軌1_3與上頂板1-1通過螺栓緊密連接，運動滑塊1-6裝設(shè)于導(dǎo)軌1-3的滑道上，伺服電動機1-7通過伺服電動機固定板1-9裝設(shè)于上頂板1-1下，滾珠絲杠1-5和聯(lián)軸器1-8通過軸承1-4固定于軸承座1-2內(nèi)，軸承座1-2通過螺栓與上頂板1-1固結(jié)。上頂板1-1、導(dǎo)軌1-3和軸承座1-2緊密連接而成為一體。其中，所述焊縫檢測和跟蹤裝置通過上頂板1-1的螺孔連接到外部焊接機構(gòu)上，容易實現(xiàn)整個裝置與外部焊接機構(gòu)的裝夾與拆卸，實用方便，實施性強。所述滑塊1-6在伺服電動機1-7帶動下通過聯(lián)軸器1-8和滾珠絲杠1-5而沿著滑道滑行。如圖3至圖4所示，所述滑塊1-6下裝設(shè)有用于固定磁場發(fā)生器3、磁光成像傳感器4和夾具5的傳感器底板2，傳感器底板2通過內(nèi)六角螺栓裝設(shè)于滑塊下。傳感器底板2裝設(shè)有磁場發(fā)生器3、磁光成像傳感器4和夾具5，磁場發(fā)生器3、磁光傳感器4和夾具5通過內(nèi)六角螺栓裝設(shè)于傳感器底板下。其中通過計算機控制器發(fā)出指令啟動磁場發(fā)生器3工作，控制磁場發(fā)生器3在焊縫處產(chǎn)生交變磁場。所述磁光成像傳感器3主要部分包括激光光源、起偏器、CMOS傳感器、檢偏器和磁光晶片。磁光成像傳感器屬于非接觸測量方式，可靠性好、測量精度高、功耗低并且信息傳輸速率高。磁光成像傳感器工作時在焊件表面的焊縫上方，通過精確控制磁場發(fā)生器使得焊件的焊縫附近產(chǎn)生感應(yīng)磁場，由于焊縫存在，感應(yīng)磁場在焊縫附近具有其特殊變化。當(dāng)偏振光平行通過感應(yīng)磁場反射后旋轉(zhuǎn)一定的角度，再通過檢偏器可以針對性地實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)后的偏振光的通過或截止，最后由CMOS攝像機獲取并成像，所得的圖像即包含了焊縫信息的磁光圖像。所述夾具5為可更換的不同規(guī)格的夾具，可實現(xiàn)不同尺寸的激光頭或焊炬的夾持。整個焊縫檢測和焊縫跟蹤運動裝置的工作均由計算機控制器系統(tǒng)進行控制，圖5是本實用新型超微間隙對接焊縫磁光成像自動檢測及跟蹤裝置工作示意圖。首先計算機控制磁場發(fā)生器產(chǎn)生交變磁場，同時發(fā)出指令啟動磁光成像傳感器工作，同步協(xié)調(diào)磁光成像傳感器連續(xù)采集焊縫磁光圖像，并將獲得的磁光圖像輸入到計算機控制器。然后由相應(yīng)的控制算法計算出焊縫糾偏量，通過伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電動機運動從而控制夾具的移動，實現(xiàn)超微間隙對接焊縫的位置跟蹤。計算機控制器還具有自檢能力，顯著提高了系統(tǒng)的實時性和測控技術(shù)的自動化程度。所采用的控制系統(tǒng)能自動修正測量誤差，提高焊縫位置測量和跟蹤精度。工作原理:磁光成像傳感器、磁場發(fā)生器和伺服驅(qū)動器分別與計算機控制器連接，使用本裝置測量焊縫時，將本裝置通過一維運動工作臺上的螺孔連接到焊接機構(gòu)上，同時將焊件放在焊接工作臺上。起焊前通過計算機控制器控制伺服驅(qū)動器并驅(qū)動伺服電動機使得磁光成像傳感器晶片對正焊縫中心?？刂破骺刂拼艌霭l(fā)生器產(chǎn)生交變磁場，同步協(xié)調(diào)磁光成像傳感器連續(xù)采集磁光圖像，將磁光圖像傳遞到計算機控制器，由計算機控制器實現(xiàn)焊縫的圖像處理和焊縫位置計算。由于磁光成像傳感器與安裝有焊炬或激光頭的夾具有固定的坐標(biāo)關(guān)系，所以計算機控制器經(jīng)過圖像處理和分析計算出焊縫的實時位置后便由計算機控制器計算出運動機構(gòu)的焊縫糾偏量，通過伺服驅(qū)動器對伺服電動機進行驅(qū)動，伺服電動機通過聯(lián)軸器和滾珠絲杠控制焊炬或激光頭運動，實現(xiàn)對焊縫的實時和精確跟蹤。
權(quán)利要求1.一種超微間隙對接焊縫磁光成像自動檢測及跟蹤裝置，包括一維運動工作臺(I)和安裝于其下的傳感器底板(2)，其特征在于:裝置還包括焊縫檢測部件與焊縫跟蹤運動部件，焊縫檢測部件裝設(shè)于傳感器底板(2)下，焊縫跟蹤運動部件裝設(shè)于一維運動工作臺(I)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:所述一維運動工作臺(I)設(shè)有上頂板(1-1)及導(dǎo)軌(1-3)，滑塊(1-6)裝設(shè)于導(dǎo)軌(1-3)上，伺服電動機(1-7)通過伺服電動機固定板(1-9)裝設(shè)于上頂板下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:所述一維運動工作臺(I)裝設(shè)有軸承座(1-2)，滾珠絲杠(1-5)和聯(lián)軸器(1-8)通過軸承(1-4)固定于軸承座(1-2)內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:所述焊縫檢測部件包括磁場發(fā)生器(3)和磁光成像傳感器(4)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:所述焊縫跟蹤部件包括導(dǎo)軌(1-3)、滑塊(1-6)、伺服電動機(1-7)、伺服電動機固定板(1-9)、軸承座(1-2)，滾珠絲杠(1-5)、聯(lián)軸器(1-8)和軸承(1-4)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于:所述滑塊(1-6)下裝設(shè)有用于固定磁場發(fā)生器(3)、磁光成像傳感器(4)、夾具(5)的傳感器底板(2)，傳感器底板(2)通過內(nèi)六角螺栓裝設(shè)于滑塊下。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于:所述的傳感器底板(2)裝設(shè)有磁場發(fā)生器(3)、磁光成像傳感器(4)、夾具(5)，磁場發(fā)生器(3)、磁光成像傳感器(4)和夾具(5)通過內(nèi)六角螺栓裝設(shè)于傳感器 底板下。
專利摘要本實用新型公開了一種超微間隙對接焊縫磁光成像自動檢測及跟蹤裝置，包括一維運動工作臺和安裝于其下的傳感器底板，裝置還包括焊縫檢測部件與焊縫跟蹤運動部件，焊縫檢測部件裝設(shè)于傳感器底板下，焊縫跟蹤運動部件裝設(shè)于一維運動工作臺內(nèi)，傳感器底板裝設(shè)有磁場發(fā)生器、磁光成像傳感器和夾具；本實用新型采用磁光成像技術(shù)，在焊接過程中，被測焊縫由磁場發(fā)生器產(chǎn)生交變磁場，并由磁光成像傳感器生成焊縫圖像，計算機控制器實現(xiàn)焊縫圖像識別和焊縫位置坐標(biāo)計算，伺服電動機驅(qū)動系統(tǒng)完成焊縫軌跡跟蹤；該裝置可實現(xiàn)超微間隙對接焊縫位置的非接觸自動測量和跟蹤，不僅測量和跟蹤精度高，而目運行可靠。
文檔編號B23K26/20GK203156204SQ201320196158
公開日2013年8月28日 申請日期2013年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月8日
發(fā)明者高向東 申請人:廣東工業(yè)大學(xué)