基于视觉传感的激光_MIG复合焊熔透闭环控制
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ISSN 1000-0054CN 11-2223/N 清华大学学报(自然科学版)J T singh ua Un iv (Sci &Tech ),2008年第48卷第11期2008,V o l.48,N o.11w 4http://qhx bw.chinajo 基于视觉传感的激光-MIG 复合焊熔透闭环控制双元卿1, 王康建1, 陈武柱1, 单际国1, 张永强2(1.清华大学机械工程系,先进成形制造教育部重点实验室,北京100084; 2.首钢技术研究院,北京100041)收稿日期:2008-01-02基金项目:国家自然科学基金资助项目(50175061)作者简介:双元卿(1982—),男(汉),江西,博士研究生。
通讯联系人:陈武柱,教授,E -mail :cw z -dme @tsingh ua .edu .cn摘 要:间隙对接焊中,坡口间隙的波动会导致焊接熔透状态的变化,为保证稳定的熔透,需要对焊接熔透状态进行实时检测和控制。
针对CO 2激光-M IG 复合对接焊,建立了基于视觉传感和DSP 的熔透状态实时检测与控制系统,获取了清晰的熔池背面图像,经过适当的处理得到了熔池背面熔宽的信息,并通过调节焊接速度或控制电弧电流,对熔透状态进行了控制。
结果表明:即使在间隙明显波动的情况下也获得了熔透可靠、背面熔宽均匀的焊缝,从而实现了复合对接焊熔透状态的闭环控制。
关键词:激光-M I G 复合焊;熔透状态;视觉检测;闭环控制中图分类号:T G 409文献标识码:A文章编号:1000-0054(2008)11-1715-04Closed -loop control of penetration in laser -MIG hybrid welding based onvision detectionSHUANG Yuanqing 1,WANG Kan gjian 1,CHEN Wuzhu 1,S HAN Jiguo 1,ZH ANG Yon gqiang 2(1.K ey Laboratory for Advanced Materials Proces sing T echnology of Ministry of Education ,Department of Mechanical Engineering ,T s inghua University ,Beij ing 100084,China ;2.Shougang Technical Research Institute ,Beijing 100041,China )Abstract :Real-time detection and control of penetration status is needed to ensur e s teady w eld penetration w ith the penetration s tatus ch angin g w ith the variations of the gap width in bu tt joined w elding.A pen etration status detection an d control s ystem w as developedbased on vis ion s ens or s and digital sign al process ing for CO 2laser-M IG h ybrid w elding w ith gapped butts.Clear backs ide imag es of the molten pool w as ob tained and process ed ,w ith the backs ide w idths of the molten pool then obtained.Th e penetr ation s tatus was controlled by adjus ting the w elding speed or the ar c current.T he results s how that even w ith significant gap w idth variations ,s teady pen etration and w eld s with un iform b ack side w idth s are obtained to guaran tee the clos ed-loop con trol of the penetration statu s in the gapped butt hybrid w elding.Key words :laser-M IG hyb rid w elding;penetration status ;visiondetection;closed -loop control激光-电弧复合焊由于其熔深大、桥接能力强、效率高等优点[1-2],在汽车、造船等领域得到日益广泛的应用[3-4]。
间隙对接焊是复合焊的重要工程应用,衡量焊接成形质量的最重要指标是焊缝的熔透状态。
在实际焊接过程中,由于工件对装间隙和装夹状态不可避免的波动,固定焊接规范(激光功率、焊接电流、焊接速度等)并不能保证熔透稳定,因此,有必要对复合焊的熔透状态进行实时检测和控制。
德国学者通过检测电弧电流和等离子体光强信号仅仅获得坡口间隙变化对复合焊稳定性影响的信息[5],并未达到对熔透状态进行监测和控制。
英国学者在YAG 激光-M AG 对接焊下,检测坡口间隙的宽度,通过调节焊接速度使得熔敷金属体积正好等于填充间隙包含的容积,以满足焊缝成形的要求[6],但这仅仅是开环控制,不能确保实际焊接条件下焊缝根部熔透的均匀稳定。
本文针对CO 2激光-M IG 复合对接焊,建立了基于视觉传感器和DSP 的熔透状态检测与控制系统,获得了清晰的熔池背面图像,通过调节焊接速度或电弧电流成功实现了对接焊熔透状态的闭环控制,在坡口间隙明显波动情况下仍能保证熔透可靠均匀。
1 系统组成复合焊熔透检测与控制系统包括检测机构和控制机构,其中检测机构用于熔透状态的视觉检测,并输出图像信号;控制机构实现图像的采集、处理与控制量输出,并传递给执行机构。
图1是系统组成图,主要包括视觉传感、DSP 处理平台和执行机构3部分。
焊接过程中,视觉传感器对熔池背面进行拍摄,DSP 平台采集摄像机的视频信号,对其进行实时处理,并根据处理结果输出控制信号到执行机构。
执行机构接收控制信号,通过调节焊接速度或者改变电弧电流作用于焊接过程,从而实现复合焊的闭环控制。
其中速度信号通过串口输出到工控机,由工控机来控制机床的运动;电流信号通过数字I /O 口输出,经过D/A 转换后输出到焊机电源中,由电源改变焊接电流。
图1 复合焊熔透检测与控制系统示意图2 熔透视觉检测在激光-M IG 复合对接焊中,熔透情况受到激光功率、电弧电流、焊接速度、激光-电弧作用距离以及坡口间隙等的影响,参数较多,作用规律也比较复杂。
焊缝成形尤其焊缝根部成形状况的好坏,是衡量复合焊熔透状态的重要指标。
因此,为有效检测熔透状态,采用了在工件背面放置CCD 观察的方法,直接检测熔池背面熔宽。
在视觉传感系统中,摄像机置于工件下方,为防止飞溅,将其倾斜放置。
辅助照明光源选用250W 的卤素灯,摄像机镜头中轴线、光源发射轴线以及焊缝纵轴线处在同一个面上。
图2分别是不使用、使用辅助光源、使用不同滤光片时获得的熔池背面图像。
不使用辅助光源时,图像边缘较为模糊,不易确定背面熔宽。
这是由于没有外界光源时主要依靠熔池和母材的热辐射成像,而热辐射成像主要反映了温度场的分布,在固液界面温度场并没有温度的突变,因此图像上固液界面的区分并不明显。
而拍摄时添加辅助光源,照明光束经熔池上不同曲面反射后进入摄像机的强度会有所不同,表面粗糙的母材和表面光滑的熔池对光束的反射情况也有所不同,因此熔池边界可能比较清晰。
不同的滤光片下拍摄的背面熔池清晰度也不一样。
从图中可以看出,使用中心波长为830nm 的窄带滤光片拍到的图像,熔池的辐射光很强,熔池边缘模糊;而使用中心波长为441nm 的滤光片得到的图像,对比度较好,熔池辐射光基本滤除,图像比较清晰。
(激光功率2kW ,电流140A )图2 熔池背面图像因此,采用主动照明的方式,选择合适的滤光片,可以获得清晰的熔池背面图像。
为进行复合焊的熔透状态的控制,还需要从熔池背面图像中提取熔池边缘,获得背面熔宽的信息。
检测熔宽的算法设计如下。
1)设计对边缘具有较大响应的滤波算子对图像进行增强处理,突出熔池边缘。
2)采用边界跟踪的算法,检测出熔池边缘。
3)使用多帧图像熔池边缘最大宽度位置取平均值的方法确定输出熔池宽度的边缘位置,据此提取熔池宽度。
图3 焊缝背面熔宽与检测熔宽如图3所示,为焊缝背面实际熔宽与实时检测1716清华大学学报(自然科学版)2008,48(11)的熔宽的对比图,可以看到,检测熔宽与实际熔宽基本上吻合。
说明该熔宽检测方法是可行的。
3 闭环控制模型在CO 2激光-MIG 复合对接焊中,间隙较小时,通过调节激光功率、电弧电流和焊接速度增加线能量时,都可以增大背面熔宽。
而在间隙较大时,激光功率则对背面熔宽影响不大。
因此在熔透状态控制中,将电弧电流和焊接速度作为被控制量,通过改变电流和焊接速度保证背面熔宽,控制熔透状态。
复合焊是复杂的热作用过程,其信号存在一定的惯性。
信号传输时,图像信号从摄像机传输到DSP ,经DSP 处理后输出速度信号和电流信号。
速度信号通过串口传输到工控机,再由工控机控制机床行走速度;电流信号通过数字I/O 口转换为模拟量送入焊机,由焊机控制电弧电流。
整个过程存在时间上的滞后以及机械惯性。
为测定系统的响应特性,进行了系统的阶跃响应特性测试。
图4是被控对象在焊接电流阶跃时熔池背面宽度的响应过程;图5是被控对象在焊接速度阶跃时熔池背面宽度的响应过程。
(激光功率2kW ,速度11mm/s)图4 被控对象在电流阶跃时的响应(激光功率2kW ,电流80A )图5 被控对象在速度阶跃时的响应 从该响应看出,被控过程模型可以近似为一阶惯性加滞后的对象,由此得到被控对象对电流的传递函数为G I =0.048e-0.246s1+ 2.47s .(1) 被控对象对速度的传递函数为G V =0.65e-0.416s 1+ 1.8s .(2) 闭环控制系统中选用PI 控制的方式,离散情况下电流控制增量式为I (k )=K I [e (k )-e (k -1)]+T 0T Ie (k ).(3)式中:T 0为采样周期,为1/30s;e (k )为第k 个采样的误差;K I 为电流控制的比例增益;T I 为电流控制的积分时间。
