基于熔池背面自热光辐射的TIG焊熔透控制系统设计.doc
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1、基于熔池背面自热光辐射的TIG焊熔透控制系统设计钨级惰性气体保护焊(TIG焊)由于其电弧稳定、无飞溅、焊缝成形美观等优点,在小直径薄壁筒体环缝焊接领域得到日益广泛的应用。对于薄壁TIG焊(单面焊双面成形),衡量焊缝成形质量最主要的指标是焊缝的熔透状态,工程中大量使用的环缝一般要求完全熔透。但该类焊缝在焊接过程中容易受到焊接电流、电压、焊接速度、工件坡口尺寸等众多因素的影响,因此对TIG薄壁筒体焊缝熔透状态的实时控制研究具有极其广泛的工程应用价值。比例-积分-微分(PID)控制器在焊接领域已经得到了广泛的应用,许多学者已经将PID控制器成功地应用于焊接过程的熔透控制中。本文针对薄壁筒体环缝脉冲T
2、IG焊接的特点,采用熔池背面的自热光辐射图像作为熔透状态的实时输入信号,利用一种新的PID参数自适应整定方法,通过背面熔宽信号实时调节焊接速度,从而实现对薄壁筒体环缝熔透状态的闭环控制。结果表明,该控制系统能够很好地实现薄壁简体TIG焊熔透控制的目的,具有较好的稳定性、自适应性和控制精度。1 系统组成设计的某薄壁筒体脉冲TIG自动焊接系统组成如图1所示。熔透自适应控制系统主要包括视觉传感、数据采集与控制平台和执行机构三部分。焊接过程中,视觉传感器对熔池背面的自热光辐射图像进行拍摄,图像采集卡采集CCD传感器的图像信号,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
3、,通过调节焊接速度作用于焊接过程,从而实现闭环控制。2 熔透信息视觉检测计算机视觉以其信息量大、精度高、通用性好、检测范围广等特点,在熔透控制中得到越来越广泛的应用。在薄壁筒体单面焊双面成形脉冲TIG焊条件下,相对于正面熔地图像信号,采用熔池背面的自热光辐射图像的几何信息来监控熔透状态,不存在任何盲区。因为所有工艺参数和工件尺寸的波动都将很快被熔池背面的图像信息直接且准确地反映出来,所以用熔池背面尺寸信息表征薄壁筒体单面焊双面成形条件下的熔透状态更准确且更直接。本研究条件下的脉冲TIG焊熔池的背面图像为一前部宽后部窄的近椭圆形,如图2所示。采用的熔池背面最大长度为Lb,最大宽度为Wb,并作为熔
4、池背面几何特征量来描述熔池的几何特征,如图3所示。根据图像计算熔池特征参量的实际尺寸,对视觉传感系统进行标定,系统标定后,获得图像系X和Y两个方向上的单位像素分别代表实际物体同方向上的宽度W和长度L。标定结果如下:W=0.046 0 mm/pixel,L=0.049 5 mm/pixel为实现熔透状态的控制,还需要从熔池背面图像中提取熔池边缘,获得背面宽度的准确信息。检测熔宽的算法如下:(1)熔池背面图像的灰值化处理。将CCD摄像机及视频采集卡采集到的24 bit真彩位图采用加权平均法转换为256级灰度。(2)利用边缘具有较大响应的33非线性最小值滤波法对图像进行增强处理,突出熔池边缘。(3)
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