CN114682917A - 一种单道多层埋弧焊激光-磁控电弧复合式焊缝跟踪方法 - Google Patents

Abstract

一种单道多层埋弧焊激光‑磁控电弧复合式焊缝跟踪方法，它主要是解决在单道多层V型坡口埋弧焊中，随着焊道层数的增加，且单一的前置的激光视觉传感器在埋弧焊焊剂和焊渣等非线性因素的干扰下，一定的超前量容易产生前置误差和焊缝实时跟踪精度低的问题。其技术方案的要点是：采用带反馈的分布式双传感器信息融合方法。将上一层激光视觉传感器拟合的焊缝轨迹图像作为在焊层的焊缝偏差预测值，由磁控电弧传感器拟合的焊缝轨迹图像作为在焊层的实测值，通过对两种传感器采样的焊缝偏差信息进行图像的数据融合，根据融合结果提取最优的偏差信息输入执行机构进行单道多层埋弧焊的焊缝实时纠偏，提高单道多层埋弧焊的焊缝跟踪精度。

Description

一种单道多层埋弧焊激光-磁控电弧复合式焊缝跟踪方法

技术领域

本发明属于焊接自动化领域和基于复合式传感器的焊缝跟踪***产业化关键技术研究领域，具体涉及一种单道多层埋弧焊激光-磁控电弧传感器复合式焊缝跟踪方法。

背景技术

1.在现代制造业的生产加工环节中，埋弧焊作为一种常用且特殊的焊接方法，广泛应用于石油管道、机械装备、船舱主架及风电塔筒等各行各业中。大部分制造厂的埋弧焊应用，主要以半自动化和人工的生产方式为主。导致焊接工人工作强度大，生产效率提升难等问题。对于厚板V型坡口单道多层埋弧焊在焊接过程中因焊接热变形引起焊丝对中位置变化，单纯的增大电流无法保证完全填充坡口，且焊接质量无法保证，通过磁控与激光视觉传感器相结合的方式，提高单道多层埋弧焊的稳定性并且保证焊接质量。

2.在目前埋弧焊常用的焊缝跟踪传感器中，一种是：探针式焊缝跟踪装置，传感器的探头直接和焊丝在同一个焊缝内，传感器的探头直接和焊缝坡口接触，直接对偏差进行检测，这种传感器还存在的问题是：对坡口的加工要求高，高速焊接情况下，易影响跟踪精度；探头寿命比较短。另一种是：前置的激光视觉传感器应用最多，对于单道单层易识别的埋弧焊缝而言，焊缝跟踪效果好，识别精度准确。但是对于坡口较深的多层埋弧焊焊缝而言，随着焊道层数的增加，激光传感器的识别精度就会降低，且因为埋弧焊焊剂的覆盖，使得激光视觉传感器存在一定的前置误差，实时性有着一定的进步空间。磁控电弧传感器作为一种实时的传感器件，与其他类型的传感器相比，具有成本低和响应快等特点。在埋弧焊焊接时，尽管电弧被埋在焊剂中，焊接电弧仍可以通过检测电弧的电流和电压变化获取焊缝对中的偏移量。其跟踪信号由电弧本身取出，实时性能比较好。因此，对于单道多层埋弧焊焊缝，提出一种激光视觉-磁控电弧传感器复合的方式进行焊缝跟踪，通过两种传感器采集到的偏差信息进行决策级融合，提高焊缝跟踪的精度和焊接质量。

3.国内外研究现状：在焊缝跟踪领域中，单个传感器难以解决复杂的工况，都会采用多传感器信息融合技术提高焊缝跟踪精度。

专利《一种旋转超声波-电弧复合式焊缝跟踪方法》，专利号201911188520.9，提出一种旋转超声波-电弧复合式焊缝跟踪的方法，对两个传感器的采样数据分别采用温度补偿算法对数据进行补正和最小二乘法进行拟合并得出两种焊缝偏差信息，通过双变量自适应系数加权进行信息融合，得到最优焊缝偏差e，最终实现焊缝的精确跟踪，提高焊缝跟踪质量。

专利《一种基于磁控电弧与激光视觉传感的焊缝自动跟踪控制方法及***》，专利号201310297612.7，提出一种基于磁控和激光视觉的焊缝的自动跟踪，主要实现于空间复杂轨迹焊缝的自动跟踪，如弯曲成都较大的焊缝轨迹以及折线焊缝折角处的焊缝跟踪。采用双传感预估检验校准的融合方法进行信息处理，将融合后的信息作为执行机构的焊缝偏差调节量，完成焊缝自动跟踪。

目前，多传感器融合技术在焊接领域有了一定发展，但在埋弧焊和多层焊焊缝跟踪领域研究较少。

发明内容

本发明的目的是提供一种针对于单道多层埋弧焊激光-磁控电弧复合式焊缝跟踪方法。

为了实现上述目的，提出一种单道多层埋弧焊激光-磁控电弧复合式焊缝的精确跟踪方法，提高焊缝质量和焊缝跟踪的精度。并采取以下技术方案：

1)因单道多层埋弧焊焊接工艺中，每层焊接的起始点都在同一个位置，且焊道起始点距离V型坡口中点的高度距离每层的增量固定，故传感器采集到的焊枪对中点的空间坐标Y轴和Z轴上的坐标设定等于0。

2)焊接速度V不变，故每层焊道的焊接时间T不变，即

其中S为每层焊道长度；V为焊接速度

3)所述的一种激光-磁控电弧复合式焊缝跟踪方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：打底层的焊接开始前，倾斜线性激光传感器和垂直视觉传感器固定夹角θ位于焊枪运行的前方。采集焊缝的高度和左右偏差的相机二维图像的焊缝中点像素坐标之后，通过小孔成像原理计算得到打底层初始对中点A的预设空间坐标A(α₁，0，0)，拟合时间段T内采样的空间坐标A_(1～n)(α_(1～n)，0，0)集合的曲线，获得焊缝轨迹在焊接周期T时间段内的近似线性函数图像(2.1)。同时完成打底层的焊接。

步骤2：紧接着在焊接填充层的过程中励磁电源对励磁线圈施加交变电流，产生平行交变磁场作用于电弧，进而扫描坡口，霍尔传感器将检测到的焊接电流信号经过滤波电路信号处理，提取有效的偏差电流信号I之后，利用积分差值法得到电流信号I和实时坐标B(β_1＝ΔX，0，0)函数关系(1)。

其中：I₀表示同一周期内左半周期的电流值；I₁表示同一周期内右半周期的电流值；ΔX表示焊枪横向坐标变化量(I₀-I₁＞0表示左半周期电弧弧长比右半周期电弧弧长大，故焊枪相对于焊缝中心往右偏移，I₀-I₁＜0表示左半周期电弧弧长比右半周期电弧弧长小，焊枪相对于焊缝中心像左偏移)；k表示常数；N表示周期T内的采样个数。拟合实测坐标B_(1～n)(β_(1～n)，0，0)得到实测焊缝轨迹图像(2.2)，单道多层焊种每层焊接时间一致，将预测轨迹图像(2.1)和实测轨迹图像(2.2)融合，可得融合图像(2.3)，由(2.3)可知相同时间节点内焊缝横向偏差坐标变化量ΔX_n＝α_n-β_n。

4)根据融合图像(2.3)轨迹预测结果，分以下情况进行数据融合，融合准则如下：

①当在时间节点T₁时，T₁∈(0，T)，若α₁＞β₁，且ΔX₁＝α₁-β₁＞β₁时，可知焊枪对中横向偏差量远大于焊枪中心位置，因此采用单一的传感机构跟踪焊缝的精度较低，故采用加权融合准测对双传感器观测值进行处理，加权值输入焊枪执行机构，进行焊缝的实时纠偏。

②当在时间节点T₁时，T₁∈(0，T)，若α₁＞β₁，且ΔX₁＝α₁-β₁＜β₁时，可知焊枪对中横向偏差量的实测值和预测值相近，故直接将激光视觉传感器采集的焊缝偏差信息输入至焊枪执行机构，进行焊缝的实时纠偏。

③当在时间节点T₁时，T₁∈(0，T)，若α₁＜β₁，且ΔX₁＝β₁-α₁＞α₁时，可知焊枪对中横向偏差量的实测值远大于预测值，因此采用单一的传感机构跟踪焊缝的精度较低，故采用加权融合准测对双传感器观测值进行处理，加权值输入焊枪执行机构，进行焊缝的实时纠偏。

④当在时间节点T₁时，T₁∈(0，T)，若α₁＜β₁，且ΔX₁＝β₁-α₁＜α₁时，可知焊枪对中横向偏差量的实测值和预测值相近，故直接将磁控电弧传感器采集的焊缝偏差信息输入至焊枪执行机构，进行焊缝的实时纠偏。

本发明是一种针对于单道多层埋弧焊的一种焊缝跟踪方法，对于埋弧焊而言现今使用最广泛的是前置激光视觉传感器。因埋弧焊的电弧在焊接的过程中，被埋在了焊剂底下，激光视觉传感器在一定的超前量下容易产生前置误差。对于多层埋弧焊，焊接质量易受埋弧焊剂及前置误差等非线性干扰的影响，故磁控电弧传感器实时采样能力有很大的优势，该方法通过对两种传感器采样的焊缝偏差信息进行图像的融合，在相互验证的方式下，对实时焊缝跟踪的纠偏进行最优的偏差信息结果进行提取。对单道多层埋弧焊的焊缝成型和提高焊缝跟踪的精度有着一定的优势。跟踪效果明显优于应用广泛的单一前置激光视觉传感器，且将电弧传感器的实时性能很好的发挥在埋弧焊中，稳定性更强。

附图说明

图1是本发明的工作流程示意图

图2双传感器拟合焊缝轨迹融合示意图

图3是本发明的工作原理图

图4是单道多层埋弧焊坡口横截面示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明采用多传感器数据融合技术，在多层单道埋弧焊中，焊接质量易受热变形和实际焊接环境中非线性干扰的影响，导致焊缝跟踪精度不高，且单一的前置激光视觉传感器存在一定的超前误差，性能很不稳定。针对此问题，提出一种双传感器焊缝偏差信息图像融合的方法，此方法的要点在于：由前置的激光视觉传感器对焊缝中心位置进行初步的预校准，采集的焊缝中心坐标位置信息之后，拟合在焊完一层所需时间T内的焊缝轨迹预测图像，做为下一层焊道横向偏差的预估值，在埋弧焊焊剂的覆盖下，前置的激光视觉传感器将上一层的采样结果和下一层的实时偏差采样结果进行融合校准，一定程度上可以消除在多层焊中，激光视觉传感器每一层的焊缝偏差信息的累积误差。

下一层焊接开始，在焊接填充层的过程中励磁电源对励磁线圈施加交变电流，产生平行交变磁场作用于埋在焊剂下的电弧，进而扫描坡口，霍尔传感器将检测到的焊接电流信号经过滤波电路信号处理，提取有效的偏差电流信号I，利用积分差值法得到电流信号I和焊枪实时坐标位置的函数关系，根据电流信号I提取焊枪相对焊缝中心位置的相对横向偏差量，作为实测偏差量。并拟合出时间T内焊缝轨迹实测图像，融合两图像，进行预处理后，通过已设定偏差允许误差阈值，对处理后的偏差信息进行有效检验。

所述的一种单道多层埋弧焊激光-磁控电弧复合式焊缝跟踪方法，其步骤1所述的打底层轨迹规划的主要特征是：通过如图(1)所示前置激光视觉传感器将激光倾斜角度θ投射在焊缝坡口，获得初始对中点A的坐标同时，执行机构调整位姿，通过加大焊接电流的方式填满打底层，完成打底层的焊接。

所述的一种单道多层埋弧焊激光-磁控电弧复合式焊缝跟踪方法，其步骤2所述的填充层焊接轨迹规划的主要特征是：在打底层焊接完成之后，焊枪回到打底层的起弧点，按初始设定的每层高度向上偏移至第二层的起弧点，开始填充层的焊接。在焊接填充层的过程中，励磁电源对励磁线圈施加的交变磁场作用于电弧，扫面焊接坡口，霍尔传感器将检测到的焊接电流信号经过滤波电路信号的处理，通过积分插值法获得电流信号I和实时坐标B的函数关系，拟合相同时间段T内采样的实时坐标B的集合曲线，获得焊缝轨迹在T时间段内近似函数表达式的图像(2.2)。将上一层预测的焊缝轨迹图像(2.1)和实时焊缝轨迹图像(2.2)进行拟合。根据融合图像(2.3)轨迹预测结果，分以下情况进行数据融合，融合准则如下：

①当在时间节点T₁时，T₁∈(0，T)，若α₁＞β₁，且ΔX₁＝α₁-β₁＞β₁时，可知焊枪对中横向偏差量远大于焊枪中心位置，因此采用单一的传感机构跟踪焊缝的精度较低，故采用加权融合准测对双传感器观测值进行处理，加权值输入焊枪执行机构，进行焊缝的实时纠偏。

②当在时间节点T₁时，T₁∈(0，T)，若α₁＞β₁，且ΔX₁＝α₁-β₁＜β₁时，可知焊枪对中横向偏差量的实测值和预测值相近，故直接将激光视觉传感器采集的焊缝偏差信息输入至焊枪执行机构，进行焊缝的实时纠偏。

③当在时间节点T₁时，T₁∈(0，T)，若α₁＜β₁，且ΔX₁＝β₁-α₁＞α₁时，可知焊枪对中横向偏差量的实测值远大于预测值，因此采用单一的传感机构跟踪焊缝的精度较低，故采用加权融合准测对双传感器观测值进行处理，加权值输入焊枪执行机构，进行焊缝的实时纠偏。

④当在时间节点T₁时，T₁∈(0，T)，若α₁＜β₁，且ΔX₁＝β₁-α₁＜α₁时，可知焊枪对中横向偏差量的实测值和预测值相近，故直接将磁控电弧传感器采集的焊缝偏差信息输入至焊枪执行机构，进行焊缝的实时纠偏。

埋弧焊弧光被埋于焊剂中，激光视觉传感器由于存在一定的前置误差，且在多道焊中优势不明显，本发明旨在将实时性能好，不受焊剂覆盖的影响抗干扰能力优越的磁控电弧传感器与激光视觉传感器进行结合，通过上述实例将焊缝偏差信息进行数据融合，得到更精确的焊缝偏差信息，对于单道多层埋弧焊而言，提高了焊缝跟踪精度和盖面层的焊缝成型质量。

Claims (1)

1.一种单道多层埋弧焊激光-磁控电弧复合式焊缝跟踪方法，其主要特征是：通过前置的激光视觉传感器将上一层的预测偏差采样信息和下一层的磁控电弧传感器实时偏差采样信息进行融合校准，在打底焊开始时，用激光视觉传感器扫描V型坡口对中点A(α₁，0，0)，拟合焊接单位时间T内的焊缝轨迹预测图像，在填充层开始时，激光视觉传感器采集第二层的预测偏差采样信息，拟合第二填充层的轨迹图像用作下一层的焊缝轨迹偏差预测图像，同时磁控电弧传感器通过积分差值法获得单位时间T内电流信号I和焊缝横向偏差坐标B(β₁，0，0)之间的函数关系，拟合单位时间T内焊缝实时偏差轨迹图像，将两种焊缝轨迹图像信息一并输入至中央控制器进行图像融合，通过判断ΔX_n＝α_n-β_n并结合焊接工艺的偏差阈值进行比对校准，根据融合结果提取最优的偏差信息输入执行机构进行单道多层埋弧焊的焊缝实时纠偏，提高焊缝跟踪精度，双传感器信息融合的主要融合准则为：

1)当在时间节点T₁时，T₁∈(0，T)，若α₁＞β₁，且ΔX₁＝α₁-β₁＞β₁时，可知焊枪对中横向偏差量远大于焊枪中心位置，因此采用单一的传感机构跟踪焊缝的精度较低，故采用加权融合准测对双传感器观测值进行处理，加权值输入焊枪执行机构，进行焊缝的实时纠偏。

2)当在时间节点T₁时，T₁∈(0，T)，若α₁＞β₁，且ΔX₁＝α₁-β₁＜β₁时，可知焊枪对中横向偏差量的实测值和预测值相近，故直接将激光视觉传感器采集的焊缝偏差信息输入至焊枪执行机构，进行焊缝的实时纠偏。

3)当在时间节点T₁时，T₁∈(0，T)，若α₁＜β₁，且ΔX₁＝β₁-α₁＞α₁时，可知焊枪对中横向偏差量的实测值远大于预测值，因此采用单一的传感机构跟踪焊缝的精度较低，故采用加权融合准测对双传感器观测值进行处理，加权值输入焊枪执行机构，进行焊缝的实时纠偏。

4)当在时间节点T₁时，T₁∈(0，T)，若α₁＜β₁，且ΔX₁＝β₁-α₁＜α₁时，可知焊枪对中横向偏差量的实测值和预测值相近，故直接将磁控电弧传感器采集的焊缝偏差信息输入至焊枪执行机构，进行焊缝的实时纠偏。

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