CN105478975A - 基于远心视觉传感的端接微束等离子焊接成形控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于远心视觉传感的端接微束等离子焊接成形控制方法，属于焊接质量控制技术领域。本发明针对薄壁端接接头脉冲微束等离子焊接过程中能量参数波动和散热条件变化等状况导致的焊接过程不稳定和焊缝成形不均匀难题，采用单目同轴远心视觉传感***获取清晰的焊接熔池正面瞬态图像，基于熔池正面瞬态图像及焊接过程多电量参数与焊菇成形特征参数的映射关系对主弧电流脉冲调制参数进行实时调节，实现端接微束等离子焊接焊菇成形的精确控制。本发明能够提高焊接产品的质量可靠性与一次焊接合格率，可应用于航空航天制造等领域薄壁金属精密构件的端接微束等离子焊接过程中，尤其适用于超薄壁膜盒和波纹管等弹性元件的精密焊接场合。

Description

基于远心视觉传感的端接微束等离子焊接成形控制方法

技术领域

本发明属于焊接质量控制技术领域。涉及一种基于远心视觉传感的薄壁端接接头脉冲微束等离子焊接成形在线控制方法，可广泛应用于航空航天制造等领域薄壁金属精密构件的脉冲微束等离子焊接过程中。

背景技术

薄壁金属精密构件是航空航天、军用武器、核工业、医疗器械和生物医学等高端装备制造领域中一类不可或缺的重要构件，对焊缝质量和接头机械性能要求严格。脉冲微束等离子焊接方法(P-MPAW，PulsedMicro-plasmaArcWelding)因具有能量密度集中、热影响区窄、电弧稳定性高以及能够实现热输入量的精确控制等优点，是耐热薄钢带、不锈钢薄壁管、金属波纹管和膜盒等薄壁金属精密构件的重要焊接成形制造方法。

焊接成形质量控制是维持焊接过程稳定性、保证焊缝质量和接头性能的关键，也是实现智能化焊接的前提。我国现阶段尚未全面实现薄壁金属精密构件的自动化和机器人化焊接生产，目前仍主要依赖于人工辅助的机械化焊接生产方式，存在着焊接过程不稳定、焊缝成形不均匀、焊接质量稳定性难以保障、产品的一次焊接成功率低等严重问题，尤其在航空航天制造领域中，传统的焊接生产方式正面临严峻挑战：以宇航工业中需求量巨大的焊接波纹管、焊接膜盒等薄壁金属壳体类构件为例，其焊缝数量众多(最多时近一百条)，且焊缝质量均需达到航天工业标准I级要求，同时需保证无一漏点并通过液压、气密、氦质谱检漏及疲劳寿命试验。因此，发展以“高精度焊缝控形”为目标的精密焊接在线成形控制技术，是薄壁金属精密构件制造领域亟需重点突破的关键性内容。

基于熔池背面视觉传感的焊接成形控制技术是焊接质量控制技术领域的重要发展方向之一，但由于薄壁金属精密构件制造中广泛采用端接接头单面焊双面成形焊接工艺，给其焊接过程的成形质量信息传感与控制提出了极大挑战：薄壁金属精密构件焊接具有母材壁薄、焊缝微细和焊接熔池微小等特点，要求焊接过程视觉检测***在具有大倍率和高分辨率的光学特性的同时保证极高的检测精度、实时性和稳定性。传统的视觉检测***依赖于大倍率高分辨率的标准工业镜头检测微型物体，存在着景深小和放大倍率随物距改变而变化的固有光学成像特性，难以直接应用于超薄结构微细焊缝精密焊接的动态熔池视觉检测，尤其是在实际焊接生产中的焊件加工和装配误差、熔池自身振荡现象、焊件受热变形以及外界扰动难以规避，均给微景深视觉***实现熔池清晰成像以及后续的图像处理与特征提取带来困难；此外，在许多焊接生产场合中，由于受焊接条件限制难以直接监测焊缝背面成形状态，如何在焊接过程时滞、多变量耦合且难以建立精确焊接过程模型的条件下对焊缝成形质量实施精确控制，是薄壁金属精密构件焊接制造亟需解决的关键问题。

经对现有技术文献和专利检索发现，专利申请号为200910248029.0的中国发明专利《一种超细不锈钢筛网的精密焊接方法》公开了一种超细不锈钢筛网的精密焊接方法，采用微束等离子焊接方法实现Φ0.15mm～Φ0.25mm丝径不锈钢筛网的对接自动焊；专利申请号为201010101229.6的中国发明专利《一种纯钛箔的微束等离子弧焊焊接方法》公开了一种纯钛箔的微束等离子弧焊焊接方法，通过一套焊接工艺流程实现0.05mm厚钛含量99％以上的纯钛箔的微束等离子弧对接焊。以上技术方案均未涉及微束等离子焊接成形在线控制技术。

综上所述，国内外现有微束等离子焊接技术大多仅涉及装配定位方法及工装夹具设计、焊接工艺参数离线优化、焊道自动跟踪技术以及适用于薄板对接接头或针对特定工件的焊接工艺方法，目前尚未见适用于薄壁端接接头脉冲微束等离子焊接的焊缝成形在线控制方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于远心视觉传感的端接微束等离子焊接成形控制方法，以实现薄壁端接接头脉冲微束等离子焊接过程的焊菇成形在线控制。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种基于远心视觉传感的端接微束等离子焊接成形控制方法，包括以下步骤：

1)采用定位夹具固定待焊工件，调整等离子焊枪空间位置使其位于工件上方，并且以平焊位姿对准薄壁端接接头的焊缝中心，启动脉冲微束等离子电源开始焊接；

2)采用单目同轴远心视觉传感***，从脉冲微束等离子焊接熔池后上方拍摄熔池区域；

3)连续采集脉冲微束等离子焊接熔池正面图像，对熔池图像依次进行图像预处理、图像分割和熔池边缘检测步骤获取熔池视觉特征参数并储存至工业控制计算机，所述熔池视觉特征参数包括熔池长度L_poo和熔池宽度W_poo；分别采用霍尔传感器、气体流量传感器和光电码盘测速传感器采集脉冲微束等离子焊接主弧电流、等离子气流量和焊件旋转速度并输入至数据采集卡进行信号处理与运算，得到供机器识别的焊接过程参数并储存至工业控制计算机，所述焊接过程参数包括主弧峰值电流I_p、电流脉冲宽度P_i、主弧基值电流I_b、等离子气流量Q_pla和焊接速度V；

4)采用步骤3)中所述工业控制计算机根据熔池视觉特征参数和焊接过程参数与焊菇成形尺寸的非线性映射关系进行在线运算，得到焊菇宽度W_cal和焊菇熔深D_cal；

5)采用步骤3)中所述工业控制计算机根据步骤4)所述焊菇宽度W_cal与焊菇宽度期望指标W_set的差值以及焊菇熔深D_cal与焊菇熔深期望指标D_set的差值，采用PID控制算法、模糊控制算法、专家控制算法或无模型自适应控制算法进行计算，分别得到主弧电流脉冲调制参数的调节量包括主弧峰值电流调节量ΔI_p、主弧基值电流调节量ΔI_b和主弧电流脉冲宽度调节量ΔP_i，并作为控制指令输出至步骤1)中所述脉冲微束等离子焊接电源；

6)根据步骤5)中所述ΔI_p执行主弧峰值电流I_p的实时调整，实现焊菇熔深的闭环反馈控制；根据ΔI_b和ΔP_i分别执行主弧基值电流I_b和主弧电流脉冲宽度P_i的实时调节，实现焊菇宽度的闭环反馈控制。

上述技术方案中，步骤2)中所述单目同轴远心视觉传感***包括LED同轴平行远心背光源、复合滤光片组、工业远心镜头和高速CCD摄像机。

上述技术方案中，步骤2)中所述单目同轴远心视觉传感***中的工业远心镜头为光学放大倍数为2至10倍的工业远心镜头，工作距离为110.0±2mm或65.1±2mm。

上述技术方案中，步骤2)中所述单目同轴远心视觉传感***中的复合滤光片组包括808nm±30nm近红外窄带滤光片、中性减光片和吸热镜片。

上述技术方案中，步骤2)中所述单目同轴远心视觉传感***的主光轴穿过熔池中心，该远心视觉传感***的景深d满足d>l·cosθ，其中l为熔池长度，θ为主光轴与熔池平面之间的夹角，

上述技术方案中，当焊接接头为单层金属薄片端接时，步骤5)中所述焊菇宽度期望指标W_set和焊菇熔深期望指标D_set采用下式计算：

D_set＝(0.9～1.4)·W_set＝(2.2～3)×((0.9～1.4)·T)

式中：T为金属薄片厚度；当焊接接头为双层金属薄片端接时，W_set和D_set采用下式计算：

$D_{set}=(0.9~1.4)\·W_{set}=(4.2~5)\×\left(\right(0.9~1.4)\·\stackrel{\‾}{T})$

式中：为金属薄片平均厚度。

上述技术方案中，步骤1)所述脉冲微束等离子焊接电源的主弧峰值电流和主弧基值电流的调节精度均小于等于0.02A，主弧电流脉冲宽度的调节精度小于等于0.1％。

本发明具有以下优点及突出性的技术效果：本发明采用单目同轴远心视觉传感***获取薄壁端接接头脉冲微束等离子焊接的熔池正面瞬态图像，能够克服传统视觉传感***光学成像无法兼顾放大倍率及分辨率与景深的难题，实现焊接过程动态微小熔池的清晰成像；本发明采用熔池正面视觉与焊接过程多参数同步传感，基于熔池正面瞬态图像及焊接过程多电量参数与焊菇成形特征参数的映射关系对主弧电流脉冲调制参数进行实时调节，实现端接微束等离子焊接焊菇成形的精确控制，为解决微束等离子焊接过程中能量参数波动和散热条件变化等状况导致的焊接过程不稳定和焊缝成形不均匀难题提供了有效解决方案；本发明能够提高焊接产品的质量可靠性与一次焊接合格率，可应用于航空航天制造等领域的脉冲微束等离子焊接过程中，尤其适用于超薄壁膜盒和波纹管等弹性元件的精密焊接场合。

附图说明

图1是基于远心视觉传感的端接微束等离子焊接成形控制方法流程框图。

图2是实现本发明所述方法的微束等离子焊接成形控制***结构示意图。

图中：1—单目同轴远心视觉传感***；2—图像采集卡；3—工业控制计算机；4—等离子焊枪；5—脉冲微束等离子焊接电源；6—数据采集卡；7—精密焊接工作台；8—霍尔电流传感器；9—气体流量传感器；10—光电码盘测速传感器；11—单目同轴远心视觉传感***主光轴；12—熔池；13—焊件。

图3是本发明端接微束等离子焊接的熔池正面图像传感示意图。

图中：14—LED同轴平行远心背光源；15—复合滤光片组；16—工业远心镜头；17—高速CCD摄像机；18—X轴转动台；19—可旋转连接机构；20—X-Y-Z三自由度平移台；21—支架底座；22—焊件；23—精密焊接机床；24—焊枪夹持机构；25—等离子焊枪；θ为单目同轴远心视觉传感***的主光轴与熔池平面之间的夹角。

图4是本发明端接微束等离子焊接的焊菇截面示意图。

图中：26—金属薄片；27—定位夹具；28—焊菇宽度；29—焊菇熔深。

图5是基于Hopfield递归神经网络的端接脉冲微束等离子焊接过程***辨识过程。

图中：u(k),u(k-1),u(k-2),u(k-3)分别为k,k-1,k-2,k-3时刻的熔池视觉特征参数和焊接过程参数，包括熔池长度、熔池宽度、主弧峰值电流、电流脉冲宽度、主弧基值电流、等离子气流量和焊接速度；z(k+1),c(k+1),e(k+1)分别为k+1时刻的焊菇宽度和焊菇熔深的实际值、预测值和预测偏差。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明原理和工作过程做进一步详细说明。

图2所示为实现本发明所述方法的微束等离子焊接成形控制***结构示意图，该***包括单目同轴远心视觉传感***1、图像采集卡2、工业控制计算机3、等离子焊枪4、脉冲微束等离子焊接电源5、数据采集卡6、精密焊接工作台7、霍尔电流传感器8、气体流量传感器9、光电码盘测速传感器10；所述等离子焊枪4通过焊接电缆连接所述微束等离子焊接电源5的负极，所述脉冲微束等离子焊接电源5的正极通过焊接电缆经所述霍尔电流传感器8与焊件相连接；所述单目同轴远心视觉传感***1通过信号线连接所述图像采集卡2，所述图像采集卡2通过信号线连接所述工业控制计算机3，所述工业控制计算机3用控制线连接所述脉冲微束等离子焊接电源5；所述数据采集卡6通过信号线连接所述工业控制计算机3，所述数据采集卡6通过信号线经所述气体流量传感器9与所述微束等离子焊接电源5相连接，所述数据采集卡6通过信号线经所述光电码盘测速传感器10与所述精密焊接工作台7相连接。

如图3所示，所述单目同轴远心视觉传感***1包括LED同轴平行远心背光源14、复合滤光片组15、工业远心镜头16和高速CCD摄像机17，所述复合滤光片组包括808nm±30nm近红外窄带滤光片、中性减光片和吸热镜片，所述工业远心镜头为光学放大倍数为4倍、工作距离为110.0±2mm的工业远心镜头，所述单目同轴远心视觉传感***1固定设置在摄像机支架上，所述摄像机支架固定设置在所述精密焊接工作台7的正前方，所述摄像机支架包括X轴转动台18、可旋转连接机构19、X-Y-Z三自由度平移台20和支架底座21，所述X轴转动台18与所述可旋转连接机构19固接，所述可旋转连接机构19滑动镶嵌在所述X-Y-Z三自由度平移台20上，所述X-Y-Z三自由度平移台20固定安装在所述支架底座21上，所述高速CCD摄像机17与所述X轴转动台18的转接板固定相连。

本实施例中，所述脉冲微束等离子焊接电源的主弧峰值电流和主弧基值电流的调节精度均为0.02A，主弧电流脉冲宽度的调节精度为0.1％。

图1所示为本发明的基于远心视觉传感的端接微束等离子焊接成形控制方法流程框图，包括以下几个步骤：

1)采用定位夹具固定待焊工件，并将定位夹具安装在所述精密焊接工作台7上，所述待焊工件为0.012～0.3mm板厚的GH4169镍基合金；调整等离子焊枪4空间位置使其位于工件上方的焊接位置，并且以平焊位姿对准薄壁端接接头的焊缝中心；根据工件材料与板厚设置焊接工艺参数，包括：主弧峰值电流I_p、主弧基值电流I_b、电流脉冲频率f_pul、电流脉冲宽度P_i、焊接电压U、焊接速度V、喷嘴端面与焊件的距离H、等离子气体流量Q_pla和保护气体流量Q_shi，并对焊菇成形期望指标进行设定，包括焊菇宽度期望指标W_set和焊菇熔深期望指标D_set，端接微束等离子焊接的焊菇截面如图4所示，当焊接接头为单层金属薄片端接时，步骤5)中所述焊菇宽度期望指标W_set和焊菇熔深期望指标D_set采用下式计算：

D_set＝(0.9～1.4)·W_set＝(2.2～3)×((0.9～1.4)·T)

式中：T为金属薄片厚度；当焊接接头为双层金属薄片端接时，W_set和D_set采用下式计算：

$D_{set}=(0.9~1.4)\·W_{set}=(4.2~5)\×\left(\right(0.9~1.4)\·\stackrel{\‾}{T})$

式中：为金属薄片平均厚度；

保护气开始送气，采用所述脉冲微束等离子焊接电源5对所述等离子焊枪4进行引弧，当等离子焊枪4的导电嘴喷出稳定连续的等离子维弧弧焰之后，启动电源开关开始焊接，等离子主弧弧焰即从等离子焊枪4的喷嘴吹出至待焊焊缝上，当基本金属熔化并形成熔池之后，启动所述精密焊接工作台7控制焊件旋转或沿焊接方向轴线平移；

2)采用单目同轴远心视觉传感***1，从脉冲微束等离子焊接熔池后上方拍摄熔池区域，所述单目同轴远心视觉传感***1的主光轴穿过熔池中心，该远心视觉传感***的景深d满足d>l·cosθ，其中l为熔池长度，θ为主光轴与熔池平面之间的夹角，

3)连续采集脉冲微束等离子焊接熔池正面图像，对熔池图像依次进行图像预处理、图像分割和熔池边缘检测步骤获取熔池视觉特征参数并储存至工业控制计算机3，所述熔池视觉特征参数包括熔池长度L_poo和熔池宽度W_poo；采用霍尔传感器8、气体流量传感器9和光电码盘测速传感器10分别采集脉冲微束等离子焊接主弧电流、等离子气流量和焊件旋转速度并输入至数据采集卡6进行信号处理与运算，得到供机器识别的焊接过程参数并储存至工业控制计算机3，所述焊接过程参数包括主弧峰值电流I_p、电流脉冲宽度P_i、主弧基值电流I_b、等离子气流量Q_pla和焊接速度V；

4)采用步骤3)中所述工业控制计算机3根据熔池视觉特征参数和焊接过程参数与焊菇成形尺寸的非线性映射关系进行在线运算，得到焊菇宽度W_cal和焊菇熔深D_cal；所述熔池视觉特征参数和焊接过程参数与焊缝熔宽和焊缝熔深的非线性映射关系通过采用***辨识方法获得，本实施例中，采用Hopfield递归神经网络***辨识方法对端接脉冲微束等离子焊接过程进行离线***辨识，得到熔池视觉特征参数和焊接过程参数与焊缝熔宽和焊缝熔深的非线性映射关系，基于Hopfield递归神经网络的端接脉冲微束等离子焊接过程***辨识技术方案如图5所示；

5)采用步骤3)中所述工业控制计算机3根据步骤4)所述焊菇宽度W_cal与焊菇宽度期望指标W_set的差值以及焊菇熔深D_cal与焊菇熔深期望指标D_set的差值，采用PID控制算法、模糊控制算法、专家控制算法或无模型自适应控制算法进行计算，分别得到主弧电流脉冲调制参数的调整量包括主弧峰值电流调整量ΔI_p、主弧基值电流调整量ΔI_b和主弧电流脉冲宽度ΔP_i，并作为控制指令输出至步骤1)中所述脉冲微束等离子焊接电源5；

6)根据步骤5)中所述ΔI_p执行主弧峰值电流I_p的在线调整，实现焊菇熔深的闭环反馈控制；根据ΔI_b和ΔP_i执行主弧基值电流I_b和主弧电流脉冲宽度P_i的实时调节，实现焊菇宽度的闭环反馈控制。

Claims (7)

1.一种基于远心视觉传感的端接微束等离子焊接成形控制方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

1)采用定位夹具固定待焊工件，调整等离子焊枪空间位置使其位于工件上方，并且以平焊位姿对准薄壁端接接头的焊缝中心，启动脉冲微束等离子电源开始焊接；

2)采用单目同轴远心视觉传感***，从脉冲微束等离子焊接熔池后上方拍摄熔池区域；

3)连续采集脉冲微束等离子焊接熔池正面图像，对熔池图像依次进行图像预处理、图像分割和熔池边缘检测步骤获取熔池视觉特征参数并储存至工业控制计算机，所述熔池视觉特征参数包括熔池长度L_poo和熔池宽度W_poo；分别采用霍尔传感器、气体流量传感器和光电码盘测速传感器采集脉冲微束等离子焊接主弧电流、等离子气流量和焊件旋转速度并输入至数据采集卡进行信号处理与运算，得到供机器识别的焊接过程参数并储存至工业控制计算机，所述焊接过程参数包括主弧峰值电流I_p、电流脉冲宽度P_i、主弧基值电流I_b、等离子气流量Q_pla和焊接速度V；

4)采用步骤3)中所述工业控制计算机根据熔池视觉特征参数和焊接过程参数与焊菇成形尺寸的非线性映射关系进行在线运算，得到焊菇宽度W_cal和焊菇熔深D_cal；

5)采用步骤3)中所述工业控制计算机根据步骤4)所述焊菇宽度W_cal与焊菇宽度期望指标W_set的差值以及焊菇熔深D_cal与焊菇熔深期望指标D_set的差值，采用PID控制算法、模糊控制算法、专家控制算法或无模型自适应控制算法进行计算，分别得到主弧电流脉冲调制参数的调节量包括主弧峰值电流调节量ΔI_p、主弧基值电流调节量ΔI_b和主弧电流脉冲宽度调节量ΔP_i，并作为控制指令输出至步骤1)中所述脉冲微束等离子焊接电源；

6)根据步骤5)中所述ΔI_p执行主弧峰值电流I_p的实时调整，实现焊菇熔深的闭环反馈控制；根据ΔI_b和ΔP_i分别执行主弧基值电流I_b和主弧电流脉冲宽度P_i的实时调节，实现焊菇宽度的闭环反馈控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于远心视觉传感的端接微束等离子焊接成形控制方法，其特征在于：步骤2)中所述单目同轴远心视觉传感***包括LED同轴平行远心背光源、复合滤光片组、工业远心镜头和高速CCD摄像机。

3.根据权利要求2所述的一种基于远心视觉传感的端接微束等离子焊接成形控制方法，其特征在于：所述单目同轴远心视觉传感***中的工业远心镜头为光学放大倍数为2至10倍的工业远心镜头，工作距离为110.0±2mm或65.1±2mm。

4.根据权利要求2所述的一种基于远心视觉传感的端接微束等离子焊接成形控制方法，其特征在于：所述单目同轴远心视觉传感***中的复合滤光片组包括808nm±30nm近红外窄带滤光片、中性减光片和吸热镜片。

5.根据权利要求1所述的一种基于远心视觉传感的端接微束等离子焊接成形控制方法，其特征在于：所述单目同轴远心视觉传感***的主光轴穿过熔池中心，该远心视觉传感***的景深d满足d>l·cosθ，其中l为熔池长度，θ为主光轴与熔池平面之间的夹角， $\frac{\mathrm{\π}}{9}\≤\mathrm{\θ}\≤\frac{\mathrm{\π}}{6}.$

6.根据权利要求1所述的一种基于远心视觉传感的端接微束等离子焊接成形控制方法，其特征在于：当焊接接头为单层金属薄片端接时，步骤5)中所述焊菇宽度期望指标W_set和焊菇熔深期望指标D_set采用下式计算：

D_set＝(0.9～1.4)·W_set＝(2.2～3)×((0.9～1.4)·T)

式中：T为金属薄片厚度；当焊接接头为双层金属薄片端接时，W_set和D_set采用下式计算：

D_set＝(0.9～1.4)·W_set＝(4.2～5)×((0.9～1.4)·T)

式中：为金属薄片平均厚度。

7.根据权利要求1所述的一种基于远心视觉传感的端接微束等离子焊接成形控制方法，其特征在于：步骤1)所述脉冲微束等离子焊接电源的主弧峰值电流和主弧基值电流的调节精度均小于等于0.02A，主弧电流脉冲宽度的调节精度小于等于0.1％。