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焊接过程动态信息检测

【摘要】:焊接电弧电参数检测所选用的传感器的隔离方式一般为光电隔离、电磁隔离、霍尔效应隔离。图5-3-15 机器视觉系统原理3.电信号与图像信号的同步检测系统硬件部分由焊接试验平台、弧焊电源、电信号采集与小波分析仪、高速摄像机以及激光背光光路系统构成。

1.电信号的检测

由于焊接过程是一个相当复杂的物理化学变化过程,很多因素都能对电弧的各种参数产生影响,特别是对焊接电流电压信号产生相当大的影响,因而正确选用焊接参数检测传感器是非常重要的,一般应遵循如下的选择原则:

1)量程和精度:传感器的量程和精度是传感器的两个非常重要的技术指标。

2)频响特性:必须保证信号在测试范围内不失真。

3)输出能力:传感器要有较强的输出能力,要求输出阻抗低,其带负载和抗干扰能力强,信噪比高。

4)线性范围:任何传感器都有一定的线性范围,选择时应考虑被测物理量的变化范围,使得传感器的线性误差在允许的范围内。

5)隔离和抗干扰能力:焊接参数检测用传感器应具有较高的隔离能力和抗干扰能力,以保证强电与弱电信号无直接的物理连接,避免被检测的强电信号干扰和破坏测试系统。焊接电弧电参数检测所选用的传感器的隔离方式一般为光电隔离、电磁隔离、霍尔效应隔离。

需要采集的信号包括输出电流和电压信号。在满足以上对反馈电路的要求下,采用电流霍尔传感器采集电流信号,图5-3-12所示为电流反馈调理电路。

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图5-3-12 电流反馈调理电路

常用的电流取样方法有两种:一种是分流器,一种是霍尔传感器。

分流器是根据电流流过电阻时在电阻两端产生电压的原理制成的。分流器主要采用锰镍铜合金制成,其额定电流时的压降是60mV,也可用75mV、100mV、120mV、150mV及300mV。它的成本比较低,但信号较弱,一般采用放大器,容易引入干扰信号,信噪比较差。

电流霍尔传感器是应用霍尔效应制成的电流测定元件,具有很好的线性度,并且和被测电流完全隔离。它输出的电压与被测电流产生的磁场有良好的线性关系,输出电压直接反应被测导线中的电流大小。霍尔传感器分为两类:一类是开环(直测式、直检式);另一类是闭环(零磁通式、磁平衡式),相比于分流器,它反馈的信号比较强,一般是100A的电流对应1V的电压信号,所以它的抗干扰能力比较强,而且不需要串联在主电路中,不会对主电路参数产生任何影响。因此在本设计中采用的是开环霍尔传感器(工作电压为±15V)作为电流的取样方式,使得当焊接电流从0~500A变化时,反馈电路处理后的信号变化范围是0~5V。再经过分压、滤波、限压等调整后送给ADC。

图5-3-13所示为电压反馈调理电路。该电路直接对输出端电压进行取样,经过低通滤波去除信号中的高频信号,再经过运放、线性光耦隔离,调理成0~5V的直流电压信号,最后再通过分压和限压送给ADC。

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图5-3-13 电压反馈调理电路

2.图像信号的检测

如图5-3-14所示,基于图像视觉的焊缝跟踪系统,由三个部分组成:视觉传感器、图像处理系统和焊缝跟踪控制。视觉传感器获得焊缝的图像信息,并将数字图像信息传输到计算机,通过图像预处理系统减少图像中的噪声污染,由图像识别算法提取焊缝特征信息,获得焊缝与电弧偏差信息。以此偏差作为焊缝跟踪控制系统的输入信号,依据控制算法获得驱动信号控制焊炬运动,实现焊缝跟踪的实时控制。

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图5-3-14 焊缝图像跟踪控制系统

焊缝视觉图像传感采集的方法有被动光视觉和主动光视觉法,被动视觉法不使用辅助光源,直接用CCD拍摄在弧光或普通光源背景下的焊接区图像。主动光视觉通常使用激光辅助光源,向工件焊缝区投射特种光束、光面或编码图形,然后用CCD拍摄焊缝区图像,获取焊缝图像信息。机器视觉系统原理如图5-3-15所示。

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图5-3-15 机器视觉系统原理

3.电信号与图像信号的同步检测

系统硬件部分由焊接试验平台、弧焊电源、电信号采集与小波分析仪、高速摄像机以及激光背光光路系统构成。测试分析系统的基本结构如图5-3-16所示。

由于焊丝及熔滴均处于极强的电弧光包围之中,直接拍摄得到的画面为电弧的形态变化,看不见电弧中心熔滴的状态和运动行为。因此,采用背光阴影法来拍摄熔滴过渡行为,背光阴影法是使用正逆光拍摄的方法。由图5-3-16可见,在待拍摄的焊接电弧背后,用另一个强光源照射,可以衬托出焊丝和熔滴的形态;同时在摄像机物镜前,用合适的滤光片以及小孔光阑等将焊接电弧的弧光滤掉一部分,从而拍摄到焊丝及熔滴的阴影像。图中各光学元件的中心应严格位于同一条直线上,这样才能保证熔滴的影像画面亮度均匀。

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图5-3-16 测试分析系统的基本结构

氦氖激光器具有连续输出激光的能力,输出光束的相干性及方向性很强,居各类激光器之首。本装置选用氦氖气体激光器(He-Ne)作为背光光源,光束发散角小于0.75mrad,激光器长约1m,输出激光波长为632.8nm,波长的稳定度高达10-10量级,光斑直径为1~3mm,输出功率大于25mW,工作电流为14~18mA。由于激光光源对焊接熔滴过渡过程高速摄像效果有较大影响,所以选择激光器既要考虑激光器的功率大小,也要注意到波长、光束直径和激光器价格等因素。

焊接电弧的辐射主要来自于等离子体电弧、熔池和焊丝电极,从熔化的焊丝和熔池金属表面上发出的辐射含较多的可见光,但这些可见光的强度小于电弧等离子体发出的光的强度,焊接等离子体发出的主要为蓝紫光(波长大约为440nm),为了清晰地拍摄焊丝熔滴过渡,可以通过合理选择滤光片滤除大部分电弧光,因此选择输出波长为632.8nmHe-Ne激光器作为背光光源。

激光器的输出功率由焊接过程电弧及烟尘特性、光路设计、激光波长、高速摄像机性能、信号处理方法等因素决定,焊接电弧的辐射是由一系列不连续的特征波长的峰组成,波长与保护气体的种类关系较大,所选激光器功率至少要比同波长电弧辐射大一个数量级。激光背光强度较大一些,可以有效消除焊接电弧光辉,把电弧中各细小物体如飞溅显示出来,背光强度的控制可以通过调整激光光源的聚焦程度来实现。