基于遠(yuǎn)心視覺傳感的端接微束等離子焊接成形控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于焊接質(zhì)量控制技術(shù)領(lǐng)域。涉及一種基于遠(yuǎn)心視覺傳感的薄壁端接接頭 脈沖微束等離子焊接成形在線控制方法，可廣泛應(yīng)用于航空航天制造等領(lǐng)域薄壁金屬精密 構(gòu)件的脈沖微束等離子焊接過程中。
【背景技術(shù)】
[0002] 薄壁金屬精密構(gòu)件是航空航天、軍用武器、核工業(yè)、醫(yī)療器械和生物醫(yī)學(xué)等高端裝 備制造領(lǐng)域中一類不可或缺的重要構(gòu)件，對焊縫質(zhì)量和接頭機(jī)械性能要求嚴(yán)格。脈沖微束 等離子焊接方法(P-MPAW，Pulsed Micro-plasma Arc Welding)因具有能量密度集中、熱影 響區(qū)窄、電弧穩(wěn)定性高以及能夠?qū)崿F(xiàn)熱輸入量的精確控制等優(yōu)點(diǎn)，是耐熱薄鋼帶、不銹鋼薄 壁管、金屬波紋管和膜盒等薄壁金屬精密構(gòu)件的重要焊接成形制造方法。
[0003] 焊接成形質(zhì)量控制是維持焊接過程穩(wěn)定性、保證焊縫質(zhì)量和接頭性能的關(guān)鍵，也 是實(shí)現(xiàn)智能化焊接的前提。我國現(xiàn)階段尚未全面實(shí)現(xiàn)薄壁金屬精密構(gòu)件的自動化和機(jī)器人 化焊接生產(chǎn)，目前仍主要依賴于人工輔助的機(jī)械化焊接生產(chǎn)方式，存在著焊接過程不穩(wěn)定、 焊縫成形不均勻、焊接質(zhì)量穩(wěn)定性難以保障、產(chǎn)品的一次焊接成功率低等嚴(yán)重問題，尤其在 航空航天制造領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的焊接生產(chǎn)方式正面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：以宇航工業(yè)中需求量巨大的 焊接波紋管、焊接膜盒等薄壁金屬殼體類構(gòu)件為例，其焊縫數(shù)量眾多(最多時近一百條），且 焊縫質(zhì)量均需達(dá)到航天工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)I級要求，同時需保證無一漏點(diǎn)并通過液壓、氣密、氦質(zhì)譜 檢漏及疲勞壽命試驗(yàn)。因此，發(fā)展以"高精度焊縫控形"為目標(biāo)的精密焊接在線成形控制技 術(shù)，是薄壁金屬精密構(gòu)件制造領(lǐng)域亟需重點(diǎn)突破的關(guān)鍵性內(nèi)容。
[0004] 基于熔池背面視覺傳感的焊接成形控制技術(shù)是焊接質(zhì)量控制技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā) 展方向之一，但由于薄壁金屬精密構(gòu)件制造中廣泛采用端接接頭單面焊雙面成形焊接工 藝，給其焊接過程的成形質(zhì)量信息傳感與控制提出了極大挑戰(zhàn)：薄壁金屬精密構(gòu)件焊接具 有母材壁薄、焊縫微細(xì)和焊接熔池微小等特點(diǎn)，要求焊接過程視覺檢測系統(tǒng)在具有大倍率 和高分辨率的光學(xué)特性的同時保證極高的檢測精度、實(shí)時性和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的視覺檢測系 統(tǒng)依賴于大倍率高分辨率的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)鏡頭檢測微型物體，存在著景深小和放大倍率隨物距 改變而變化的固有光學(xué)成像特性，難以直接應(yīng)用于超薄結(jié)構(gòu)微細(xì)焊縫精密焊接的動態(tài)熔池 視覺檢測，尤其是在實(shí)際焊接生產(chǎn)中的焊件加工和裝配誤差、熔池自身振蕩現(xiàn)象、焊件受熱 變形以及外界擾動難以規(guī)避，均給微景深視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)熔池清晰成像以及后續(xù)的圖像處理 與特征提取帶來困難;此外，在許多焊接生產(chǎn)場合中，由于受焊接條件限制難以直接監(jiān)測焊 縫背面成形狀態(tài)，如何在焊接過程時滯、多變量耦合且難以建立精確焊接過程模型的條件 下對焊縫成形質(zhì)量實(shí)施精確控制，是薄壁金屬精密構(gòu)件焊接制造亟需解決的關(guān)鍵問題。
[0005] 經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)和專利檢索發(fā)現(xiàn)，專利申請?zhí)枮?00910248029.0的中國發(fā)明專 利《一種超細(xì)不銹鋼篩網(wǎng)的精密焊接方法》公開了一種超細(xì)不銹鋼篩網(wǎng)的精密焊接方法，采 用微束等離子焊接方法實(shí)現(xiàn)Φ 〇. 15mm~Φ 0.25mm絲徑不銹鋼篩網(wǎng)的對接自動焊;專利申請 號為201010101229.6的中國發(fā)明專利《一種純鈦箱的微束等離子弧焊焊接方法》公開了一 種純鈦箱的微束等離子弧焊焊接方法，通過一套焊接工藝流程實(shí)現(xiàn)0.05mm厚鈦含量99 %以 上的純鈦箱的微束等離子弧對接焊。以上技術(shù)方案均未涉及微束等離子焊接成形在線控制 技術(shù)。
[0006] 綜上所述，國內(nèi)外現(xiàn)有微束等離子焊接技術(shù)大多僅涉及裝配定位方法及工裝夾具 設(shè)計(jì)、焊接工藝參數(shù)離線優(yōu)化、焊道自動跟蹤技術(shù)以及適用于薄板對接接頭或針對特定工 件的焊接工藝方法，目前尚未見適用于薄壁端接接頭脈沖微束等離子焊接的焊縫成形在線 控制方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于遠(yuǎn)心視覺傳感的端接微束 等離子焊接成形控制方法，以實(shí)現(xiàn)薄壁端接接頭脈沖微束等離子焊接過程的焊菇成形在線 控制。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：
[0009] -種基于遠(yuǎn)心視覺傳感的端接微束等離子焊接成形控制方法，包括以下步驟： [0010] 1)采用定位夾具固定待焊工件，調(diào)整等離子焊槍空間位置使其位于工件上方，并 且以平焊位姿對準(zhǔn)薄壁端接接頭的焊縫中心，啟動脈沖微束等離子電源開始焊接；
[0011] 2)采用單目同軸遠(yuǎn)心視覺傳感系統(tǒng)，從脈沖微束等離子焊接熔池后上方拍攝熔池 區(qū)域；
[0012] 3)連續(xù)采集脈沖微束等離子焊接熔池正面圖像，對熔池圖像依次進(jìn)行圖像預(yù)處 理、圖像分割和熔池邊緣檢測步驟獲取熔池視覺特征參數(shù)并儲存至工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，所述 熔池視覺特征參數(shù)包括熔池長度L P。。和熔池寬度WP。。;分別采用霍爾傳感器、氣體流量傳感 器和光電碼盤測速傳感器采集脈沖微束等離子焊接主弧電流、等離子氣流量和焊件旋轉(zhuǎn)速 度并輸入至數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行信號處理與運(yùn)算，得到供機(jī)器識別的焊接過程參數(shù)并儲存至工 業(yè)控制計(jì)算機(jī)，所述焊接過程參數(shù)包括主弧峰值電流I p、電流脈沖寬度?:、主弧基值電流lb、 等離子氣流量QPia和焊接速度V;
[0013] 4)采用步驟3)中所述工業(yè)控制計(jì)算機(jī)根據(jù)熔池視覺特征參數(shù)和焊接過程參數(shù)與 焊菇成形尺寸的非線性映射關(guān)系進(jìn)行在線運(yùn)算，得到焊菇寬度W ral和焊菇熔深Dral;
[0014] 5)采用步驟3)中所述工業(yè)控制計(jì)算機(jī)根據(jù)步驟4)所述焊菇寬度Wral與焊菇寬度期 望指標(biāo)W set的差值以及焊菇熔深Dcal與焊菇熔深期望指標(biāo)Dset的差值，采用PID控制算法、模 糊控制算法、專家控制算法或無模型自適應(yīng)控制算法進(jìn)行計(jì)算，分別得到主弧電流脈沖調(diào) 制參數(shù)的調(diào)節(jié)量包括主弧峰值電流調(diào)節(jié)量△ Ip、主弧基值電流調(diào)節(jié)量△ Ib和主弧電流脈沖 寬度調(diào)節(jié)量AP1，并作為控制指令輸出至步驟1)中所述脈沖微束等離子焊接電源；
[0015] 6)根據(jù)步驟5)中所述AIp執(zhí)行主弧峰值電流Ip的實(shí)時調(diào)整，實(shí)現(xiàn)焊菇熔深的閉環(huán) 反饋控制;根據(jù)A Ib和Δ Pi*別執(zhí)行主弧基值電流Ib和主弧電流脈沖寬度Pi的實(shí)時調(diào)節(jié)，實(shí) 現(xiàn)焊菇寬度的閉環(huán)反饋控制。
[0016] 上述技術(shù)方案中，步驟2)中所述單目同軸遠(yuǎn)心視覺傳感系統(tǒng)包括LED同軸平行遠(yuǎn) 心背光源、復(fù)合濾光片組、工業(yè)遠(yuǎn)心鏡頭和高速C⑶攝像機(jī)。
[0017] 上述技術(shù)方案中，步驟2)中所述單目同軸遠(yuǎn)心視覺傳感系統(tǒng)中的工業(yè)遠(yuǎn)心鏡頭為 光學(xué)放大倍數(shù)為2至10倍的工業(yè)遠(yuǎn)心鏡頭，工作距離為110.0 ± 2mm或65.1 ± 2mm。
[0018] 上述技術(shù)方案中，步驟2)中所述單目同軸遠(yuǎn)心視覺傳感系統(tǒng)中的復(fù)合濾光片組包 括808nm ± 30nm近紅外窄帶濾光片、中性減光片和吸熱鏡片。
[0019] 上述技術(shù)方案中，步驟2)中所述單目同軸遠(yuǎn)心視覺傳感系統(tǒng)的主光軸穿過熔池中 心，該遠(yuǎn)心視覺傳感系統(tǒng)的景深d滿足d>l · cos9,其中1為熔池長度，Θ為主光軸與熔池平面 之間的夾角，
[0020] 上述技術(shù)方案中，當(dāng)焊接接頭為單層金屬薄片端接時，步驟5)中所述焊菇寬度期 望指標(biāo)Wse3t和焊菇熔深期望指標(biāo)D se3t采用下式計(jì)算：
[0021] Dset=(