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1、(10)申请公布号 CN 104197886 A (43)申请公布日 2014.12.10 C N 1 0 4 1 9 7 8 8 6 A (21)申请号 201410407882.3 (22)申请日 2014.08.18 G01B 21/18(2006.01) B23K 9/095(2006.01) (71)申请人江苏科技大学 地址 212003 江苏省镇江市京口区梦溪路2 号 (72)发明人黎文航 高凯 王加友 杨峰 朱杰 (74)专利代理机构南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 代理人楼高潮 (54) 发明名称 电弧焊熔深信息与焊接数据采集信息同步的 装置及方法 (57) 摘要 一。
2、种电弧焊熔深信息与焊接数据采集信息同 步的装置及方法，所述装置由焊炬、划线器、电磁 阀、气泵、控制器和划线板构成；所述划线器自上 而下依次由气缸、划线针夹具和划线针连接而成； 所述气缸固定连接在焊矩上，气泵、电磁阀、气缸 通过气管连成气路；所述方法是控制器的控制信 号输入至电磁阀控制端，实现其气路切换，改变划 线针的运动方向，控制其在划线板上的划痕；焊 后通过划线板上的标记确定工件在开始和结束数 据采集位置，并沿着焊接方向在最大熔深位置处 对工件切割，打磨，腐蚀，识别熔合线并拟合，从 而生成与采集数据同步的熔深信息。本发明用于 离线快速测量焊缝熔深信息，并与焊接数据采集 信息同步,可方便进行关。
3、于熔深的建模和控制研 究。 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书4页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104197886 A CN 104197886 A 1/2页 2 1.一种电弧焊熔深信息与焊接数据采集信息同步的装置，其特征在于：由焊炬、划线 器、电磁阀、气泵、控制器和划线板构成；所述划线器自上而下依次由气缸、划线针夹具和划 线针连接而成；所述气缸固定连接在所述焊矩上；所述气泵、电磁阀、气缸通过气管相连组 成气路，所述控制器的控制信号输入至所述电磁阀控制端，实现其气路切换，所述划。
4、线板垂 直于焊炬方向放置，与工件所在平面平行。 2.根据权利要求1所述的电弧焊熔深信息与焊接数据采集信息同步的装置，其特征在 于，所述电磁阀为二位五通气路电磁阀。 3.根据权利要求1所述的电弧焊熔深信息与焊接数据采集信息同步的装置，其特征在 于，所述划线器在安装时，划线针尖端与焊接电弧中心在焊接方向上的投影位置相同。 4.一种根据权利要求1所述的电弧焊接熔深信息与焊接数据采集信息同步的方法，其 特征在于包括以下步骤： (1)开通气泵，控制器输出控制信号电压使电磁阀复位，气路换向使得气缸活塞向远离 划线板方向移动，划线针与划线板分离； (2)焊接过程中开始数据采集的同时，改变控制器的控制信号电压。
5、，电磁阀置位使得流 过气缸气流反向，气缸活塞向靠近划线板方向运动，划线针与划线板接触，并在整个数据采 集过程中都划线标记； (3)数据采集结束的同时，改变控制器的控制信号电压，电磁阀复位，气路换向使得气 缸活塞向远离划线板方向运动，划线针与划线板分离；划线板上划线部分的开始和结束位 置即表示开始数据采集和结束数据采集的部分； (4)根据划线板上划线部分的开始和结束位置，在所焊工件上标定数据采集开始和结 束的位置； (5)沿着所焊工件上标定的数据采集开始和结束位置在垂直于焊缝方向切割工件，并 进行打磨，腐蚀，获取工件最大熔深位置； (6)沿着焊接方向在工件最大熔深位置处对工件进行切割，并进行打磨。
6、，腐蚀，获取熔 合线位置及其图像； (7)在PC机上采用人机交互方式对图像进行熔合线边缘检测，提取从划线开始到划线 结束部分的熔深，并进行拟合，获得拟合函数； (8)根据在线采集的焊接测试信号数目，利用拟合函数插值获得相同数目的熔深信号， 实现同步。 5.根据权利要求4所述的电弧焊接熔深信息与焊接数据采集信息同步的方法，其特征 在于，步骤(7)所述的采用人机交互方式对图像进行熔合线边缘检测，提取从划线开始到 划线结束部分的熔深，并进行拟合，获得拟合函数的方法，包括以下步骤： (a)在PC机上对步骤(6)获得的图像，利用鼠标先点击熔合线上多个能反映熔合线变 化趋势的点位置，并保存这些点的坐标，其。
7、集合记为集合A；然后点击熔深基准线上多个多 个能反映熔深基准线变化趋势的点位置，并记录这些点的坐标，其集合记为集合B； (b)利用集合A采用曲线拟合获得拟合函数F1；利用集合B采用曲线拟合获得拟合函 数F2；F1和F2在垂直焊接方向上的距离函数即为熔深的拟合函数F3，F3熔深为用像素点 数表示的熔深； (c)根据图像距离与实际距离的比例，将F3转换为熔深拟合函数F4，F4的熔深为实际 权 利 要 求 书CN 104197886 A 2/2页 3 熔深，F4为步骤(7)的输出。 6.根据权利要求5所述的电弧焊接熔深信息与焊接数据采集信息同步的方法，其特征 在于，步骤(a)所述多个能反映熔合线变化。
8、趋势的点位置和所述多个能反映熔深基准线变 化趋势的点位置的坐标变化趋势的点位置个数为线段弯曲处至少取5个点、线段直线处至 少取2个点。 权 利 要 求 书CN 104197886 A 1/4页 4 电弧焊熔深信息与焊接数据采集信息同步的装置及方法 技术领域 0001 本发明涉及一种电弧焊熔深信息与焊接数据采集信息同步的装置及方法，可用于 离线快速测量焊缝熔深信息，并与焊接数据采集信息诸如焊接电流、电压信号同步，属于焊 接自动化领域。 背景技术 0002 弧焊过程中，熔深是反映焊接质量的一个重要参数，熔深不足或未焊透是造成焊 接结构失效的最危险因素，因此，熔深通常是电弧焊控制技术所要关注的最终目。
9、标。除了一 些场合可以观测到背面熔宽，并用背面熔宽来替代熔深外，熔深都是难以观测到的。因此， 这也给熔深建模和控制研究带来困难。目前本领域一般采用垂直焊接方向的截面切割工件 的方法，从而观测熔深及焊缝成形。但在电参数变化时，就难以用有限的截面获取时刻变化 的熔深信息，且此时的熔深信息也难以与电参数等影响熔深测量变量对应。因此，研发一种 既可以离线快速测量焊缝熔深信息，又能使熔深信息与其他诸如电弧电压，电流等信息同 步的电弧焊熔深信息与焊接数据采集信息同步的装置及方法，已成为本领域的当务之急， 其意义和作用十分重大。 发明内容 0003 本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的技术问题，满足技术。
10、需求，针对本 领域焊后通过切割工件获得的熔深难以与其他诸如焊接电流、电压等观测信息同步的问 题，提供一种既可以离线快速测量焊缝熔深信息，又能使熔深信息与其他诸如电弧电压，电 流等信息同步的电弧焊熔深信息与焊接数据采集信息同步的装置及方法。 0004 为了达到上述目的，本发明解决技术问题所采取的技术方案是： 0005 一种电弧焊熔深信息与焊接数据采集信息同步的装置由焊炬、划线器、电磁阀、气 泵、控制信号、划线板构成；所述划线器自上而下依次由气缸、划线针夹具和划线针连接而 成；所述气缸固定连接在所述焊矩上；所述气泵、电磁阀、气缸通过气管相连组成气路，所 述控制器的控制信号输入至所述电磁阀控制端，实。
11、现其气路切换，所述划线板垂直于焊炬 方向放置，与工件所在平面平行。 0006 上述所述电磁阀为二位五通气路电磁阀。 0007 上述所述划线器在安装时，划线针尖端与焊接电弧中心在焊接方向上的投影位置 相同。 0008 为了达到上述目的，本发明解决技术问题所采取的另一个技术方案是： 0009 一种电弧焊熔深信息与焊接数据采集信息同步的方法，包括以下步骤： 0010 (1)开通气泵，控制器的控制信号电压使电磁阀复位，气路换向使得气缸活塞向远 离划线板方向移动，划线针与划线板分离； 0011 (2)焊接过程中开始数据采集的同时，改变控制器的控制信号电压，电磁阀置位使 得流过气缸气流反向，气缸活塞向靠近。
12、划线板方向运动，划线针与划线板接触，并在整个数 说 明 书CN 104197886 A 2/4页 5 据采集过程中都划线标记； 0012 (3)数据采集结束的同时，改变控制器的控制信号电压，电磁阀复位，气路换向使 得气缸活塞向远离划线板方向运动，划线针与划线板分离；划线板上划线部分的开始和结 束位置即表示开始数据采集和结束数据采集的部分； 0013 (4)根据划线板上划线部分的开始和结束位置，在所焊工件上标定数据采集开始 和结束的位置； 0014 (5)沿着所焊工件上标定的数据采集开始和结束位置在垂直于焊缝方向切割工 件，并进行打磨，腐蚀，获取工件最大熔深位置； 0015 (6)沿着焊接方向在。
13、工件最大熔深位置处对工件进行切割，并进行打磨，腐蚀，获 取熔合线位置及其图像； 0016 (7)在PC机上采用人机交互方式对图像进行熔合线边缘检测，提取从划线开始到 划线结束部分的熔深，并进行拟合，获得拟合函数；其方法是： 0017 1)在PC机上对步骤(6)获得的图像，利用鼠标先点击熔合线上多个能反映熔合线 变化趋势的点位置，并保存这些点的坐标，其集合记为集合A；然后点击熔深基准线上多个 能反映熔深基准线变化趋势的点位置，并记录这些点的坐标，其集合记为集合B；为获取能 够反映熔合线和熔深基准线变化趋势的点位置坐标的个数为线段弯曲处至少取5个点、线 段直线处至少取2个点； 0018 2)利用集。
14、合A采用曲线拟合获得拟合函数F1；利用集合B采用曲线拟合获得拟合 函数F2；F1和F2在垂直焊接方向上的距离函数即为熔深的拟合函数F3，F3熔深为用像素 点数表示的熔深； 0019 3)根据图像距离与实际距离的比例，将F3转换为熔深拟合函数F4，F4的熔深为 实际熔深，F4为步骤(7)的输出； 0020 (8)根据在线采集的焊接测试信号数目，利用拟合函数插值获得相同数目的熔深 信号，实现同步。 0021 本发明的一种电弧焊熔深信息与焊接数据采集信息同步的装置及方法的优点和 有益效果： 0022 1、本发明解决了现有技术问题，满足了技术需求，既可用于离线快速测量焊缝熔 深信息，又能使熔深信息与其。
15、他诸如电弧电压，电流等信息同步，还可方便进行关于熔深的 建模和控制研究。 0023 2、本发明的装置结构简单，易于实现，成本低。 0024 3、本发明的方法方便易行，快捷精确，适用广。 附图说明 0025 图1为本发明的电弧焊熔深信息与焊接数据采集信息同步装置的构造框图； 0026 图2为垂直于焊缝方向切割腐蚀工件后的最大熔深位置示意照片图； 0027 图3为沿着焊接方向切割腐蚀后工件照片图像； 0028 图4为窄间隙侧壁熔深拟合前后的对比照片图，其中(a)为拟合前，(b)为拟合 后； 0029 图中：1.焊炬，2.划线器，2-1.气缸，2-2.划线针夹具，2-3.划线针，3.电磁阀， 说 明。
16、 书CN 104197886 A 3/4页 6 4.气泵，5.控制器，6.划线板。 具体实施方式 0030 为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本发明的具体实施作进一步的详细叙 述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。该实施例仅用 于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。 0031 如图1所示，为本发明的一种电弧焊熔深信息与焊接数据采集信息同步的装置， 包括电弧焊炬1、划线器2、二位五通气路电磁阀3、气泵4、控制器5、划线板6。划线器2由 迷你气缸2-1、划线针夹具2-2、划线针2-3连接而成。划线针2-3被划线针夹具2-2夹紧， 划线针夹具2-2与迷你气缸。
17、2-1的活塞杆固连。划线器2固连在焊炬1上。安装时，划线针 2-3与焊接电弧中心位置在焊接方向上的投影位置相同。划线板6垂直于焊炬1的方向放 置，与工件所在平面平行。气泵4、二位五通气路电磁阀3、气缸2-1气孔通过气管相连组成 气路，控制器5的电压施加在二位五通气路电磁阀3的控制端，实现其气路切换，进而改变 流经气缸2-1的气路方向，最终改变划线针2-3的运动方向，控制其在划线板6上的划痕。 0032 本发明的一种电弧焊熔深信息与焊接数据采集信息同步的方法，包括以下步骤： 0033 (1)数据采集前，开通气泵4，控制器5发出控制信号，其电压使二位五通电磁阀3 复位，气路换向使得迷你气缸2-1中。
18、的活塞向远离划线板6的方向移动，划线针2-3与划线 板6分离。 0034 (2)焊接过程中开始数据采集的同时，改变控制器5的控制信号的电压，二位五通 电磁阀3置位使得流过迷你气缸2-1的气流反向，气缸2-1的活塞向靠近划线板6的方向 运动，划线针2-3与划线板6接触，并在整个数据采集过程中都划线标记。 0035 (3)数据采集结束的同时，改变控制器5控制信号的电压，二位五通电磁阀3复位， 气路换向使得迷你气缸2-1的活塞向远离划线板6的方向运动，划线针2-3与划线板6分 离。划线板6上划线部分的开始和结束位置即表示开始数据采集和结束数据采集的部分。 0036 (4)根据划线板6上划线部分的开始。
19、和结束位置，在所焊工件上标定数据采集开 始和结束的位置。 0037 (5)沿着所焊工件上标定的数据采集开始和结束位置在垂直于焊缝方向切割工 件，并进行打磨，腐蚀，获取工件最大熔深位置。 0038 如图2为开始数据采集位置，垂直于焊缝方向切割工件，并进行打磨，4硝酸酒 精溶液腐蚀后，获取开始数据采集位置的最大熔深位置d 1 ；同理，在结束数据采集位置，通 过对工件进行垂直于焊缝方向切割，打磨，腐蚀后获取结束数据采集位置的最大熔深位置 d 2 。工件最大熔深位置如下式计算所得，最终确定工件的最大熔深位置。 0039 0040 (6)沿着焊接方向在最大熔深位置d处对工件进行切割，并进行打磨，腐蚀，获。
20、取 熔合线位置及其图像P,如图3所示； 0041 (7)采用人机交互方式对图像P进行熔合线边缘检测，提取从划线开始到划线结 束部分的熔深，并进行拟合，获得拟合函数； 0042 1)在任意一台计算机上对获得的图像P，利用鼠标先点击熔合线上5个能反映熔 说 明 书CN 104197886 A 4/4页 7 合线变化趋势的点位置，并保存这些点的坐标，其集合记为集合A；然后再利用鼠标点击熔 深基准线上2个能反映熔深基准线变化趋势的点位置，并记录这些点的坐标，其集合记为 集合B；熔合线和熔深基准线如图4(a)所示； 0043 2)利用集合A采用曲线拟合获得拟合函数F1；利用集合B采用曲线拟合获得拟合 函。
21、数F2；F1和F2在垂直焊接方向上的距离函数即为熔深的拟合函数F3，F3熔深为用像素 点数表示的熔深；图4(b)为将熔合线拟合曲线F1重绘回图像的结果，可见拟合曲线较光 滑、与原熔合线有很好的对应性； 0044 3)根据图像距离与实际距离的比例，将F3转换为熔深拟合函数F4，F4的熔深为 实际熔深，F4为步骤(7)的输出； 0045 (8)根据在线采集的焊机测试信号(此处为焊接电流)的数目，利用拟合函数F4 生成与之同步的熔深信号。本实例中根据焊接电流信号的分布，对拟合函数进行插值实现 了窄间隙焊接实际侧壁熔深信息与焊接电流信息的同步。 0046 以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对 本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明 构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的 技术方案，均落在本发明的保护范围之内。 说 明 书CN 104197886 A 1/2页 8 图1 图2 图3 说 明 书 附 图CN 104197886 A 2/2页 9 图4 说 明 书 附 图CN 104197886 A 。