一种焊缝自动跟踪方法及焊接装置

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种焊缝自动跟踪方法及焊接装置。

背景技术

焊接有着“工业裁缝”之称，在制造业中占据非常重要的地位，焊接技术广泛应用在工业生产的各行各业中；随着科技的发展和人们生活水平的提高，人们对产品的质量和工作环境的要求也越来越高，这就对焊接技术提出了更高的要求；传统的手工焊接质量差、效率低、工人的工作环境恶劣，己经无法满足当今人们对于产品质量、工作效率以及工作环境的要求，实现焊接的自动化已经成为焊接技术发展的必然趋势。电弧焊和激光焊是焊接工业中较常用的焊接工艺方法，以电弧和激光束作为被控对象实现焊接自动控制是焊接自动化的一个重要手段。其中，精确的焊缝自动跟踪是保证焊接质量的前提，即在整个焊接过程中必须控制激光束或电弧使其始终与焊缝对中，否则就会造成废品。为此，需精确地自动检测出焊缝的位置并实现自动跟踪。

由于焊接是一门复杂的热加工工艺技术，工件在焊接过程中要产生热变形，并且在焊接过程中会出现强烈的辐射、弧光、烟尘、飞溅等干扰，使得在焊接过程中实现焊缝位置的精确检测相当困难。同时，焊接装置机构误差、夹具装配误差和焊接过程焊件热变形等因素造成的焊缝路径实际上是三维曲线焊缝，涉及到较为复杂的三维曲线跟踪问题。并且焊缝间隙小且没有坡口、坐标不在同一平面，自动识别和测量难度极大。

目前国内外对于焊缝位置信息的获取方法主要有结构光视觉传感方法、结构光视觉传感方法、直接图像传感方法、电涡流方法、超声波传感方法等。其中红外传感方法多用于电弧焊或焊件背面传感激光焊的焊缝识别，焊池及周围形成一定的温度场并伴随红外辐射，使用红外摄像机直接拍摄焊池获取红外热像，对采集到的弧焊区红外热像进行定量分析，可以获得电弧偏离焊缝的量化信息。由于剧烈的焊池和温度变化使得很难获得层次分明的红外图像，再加上红外传感器易受环境干扰，所以该方法存在精度不高的问题。

发明内容

本发明提供了一种焊缝自动跟踪方法及焊接装置，用于解决现有技术中基于温度信息实现焊缝自动跟踪的方法因难以获得层次分明的红外图像导致焊缝自动跟踪精度低的技术问题。

本发明第一方面提供的一种焊缝自动跟踪方法，包括：

获取焊接区的温度场图A，该焊接区包括焊池、加热区和与加热区对应的待焊缝隙；

根据该温度场图A确定第一待焊区域，该第一待焊区域的温度小于温度阈值，该温度阈值大于待焊缝隙的最高温度且小于加热区的最低温度；

改变该第一待焊区域的空气流场；

获取该第一待焊区域的温度场图B；

将该温度场图B与该温度场图A中的对应区域进行比较，得到该第一待焊区域的温度变化图，该温度变化图反映该温度场图B与该温度场图A的温差；

根据该温度变化图确定第二待焊区域，该第二待焊区域的该温差大于温差阈值；

以该第二待焊区域作为待焊缝隙调整焊接工具的位置。

在第一方面的第一种可能实现的焊缝自动跟踪方法中，改变该第一待焊区域的空气流场包括：

向该第一待焊区域输送气体，该气体的温度小于或等于常温，或该气体的温度大于待焊缝隙的最高温度。

结合第一方面的第一种可能实现的焊缝自动跟踪方法，在第一方面的第二种可能实现的焊缝自动跟踪方法中，向该第一待焊区域输送气体包括：

沿待焊缝隙的深度方向向该第一待焊区域输送气体。

结合第一方面的第二种可能实现的焊缝自动跟踪方法，在第一方面的第三种可能实现的焊缝自动跟踪方法中，该气体的输送时长为预设时长。

在第一方面的第四种可能实现的焊缝自动跟踪方法中，改变该第一待焊区域的空气流场包括：

吸走该第一待焊区域的空气，吸走时长为预设时长。

在第一方面的第五种可能实现的焊缝自动跟踪方法中，获取焊接区的温度场图包括：

通过红外热成像方法获取焊接区的三维的温度场图A；

获取该第一待焊区域的温度场图B包括：

通过红外热成像方法获取该第一待焊区域的温度场图B。

在第一方面的第六种可能实现的焊缝自动跟踪方法中，根据该温度场图A确定第一待焊区域包括：

通过定点测温方法确定该待焊缝隙的最高温度和加热区的最低温度；

将该温度场图中的温度与温度阈值比较，将温度小于该温度阈值所对应的区域定义为第一待焊区域。

在第一方面的第七种可能实现的焊缝自动跟踪方法中，将该温度场图B与该温度场图A中的对应区域进行比较，得到该第一待焊区域的温度变化图包括：

将该温度场图B与该温度场图A同一位置的温度作差，得到温差值；

以该温差值替换该温度场图B中对应位置的温度值，得到该第一待焊区域的温度变化图。

在第一方面的第八种可能实现的焊缝自动跟踪方法中，根据该温度变化图确定第二待焊区域包括：

将该温度变化图中的温差值与温差阈值比较；

将温差值小于该温差阈值的区域定义为第二待焊区域。

本发明第二方面提供的一种焊接装置，包括：

采用第一方面提供的任一种可能实现的焊缝自动跟踪方法控制焊接。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本申请提供的焊缝自动跟踪方法先获取焊接区的温度场图A，焊接区包括焊池、加热区和与加热区对应的待焊缝隙；根据温度场图A确定第一待焊区域，第一待焊区域的温度小于温度阈值，温度阈值大于待焊缝隙的最高温度且小于靠近待焊缝隙的母体的最低温度；改变第一待焊区域的空气流场；获取第一待焊区域的温度场图B；将温度场图B与温度场图A中的对应区域进行比较，得到第一待焊区域的温度变化图，温度变化图反映温度场图B与温度场图A的温差；根据温度变化图确定第二待焊区域，第二待焊区域的温差大于温差阈值；以第二待焊区域作为待焊缝隙调整焊接工具的位置。通过获取焊接区的温度场图A，然后根据温度分布情况粗略确定待焊缝隙的大体位置—第一待焊区域，然后改变第一待焊区域的空气流场，使待焊缝隙中的空气发生明显流动，在空气明显流动的情况下待焊缝隙相较于加热区会产生更明显的温降或温升，所以通过将空气流场改变后的温度场图B与温度场图A进行对应比较，即可确定温度变化最明显的区域—第二待焊区域，然后以第二待焊区域作为待焊缝隙调整焊接工具的位置。通过控制第一待焊区域的空气流场，主动使待焊缝隙产生明显的温度变化，根据温度变化情况即可确定待焊缝隙的准确位置，进而提高焊缝自动跟踪的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种焊缝自动跟踪方法的流程示意图。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

请参阅图1，本发明实施例提供的一种焊缝自动跟踪方法包括：

10、获取焊接区的温度场图A，焊接区包括焊池、加热区和与加热区对应的待焊缝隙；

温度场图A呈现焊接区各个位置的温度情况，或者说温度场图A呈现焊接区的温度分布情况。

焊池(weldpool)是在焊接过程中形成的熔化金属的液态区域。当焊接发生时，焊接热源(如电弧、激光、电子束等)产生的热量使得焊接材料和母材局部熔化，形成一个或多个液态金属池。这个液态金属池就是焊池。

加热区指代焊池前侧受到一定热量影响的母材区域。这个区域的温度随着热源的接近而升高，但还没有达到材料的熔点。这个区域位于焊池前方，是焊接热源即将经过的区域，当热源移动到这个区域，并且温度达到一定程度时，这部分母材就会进入热影响区(HAZ)，其微观结构和性能可能会因为高温而发生变化。加热会被待焊缝隙分割成两部分。

待焊缝隙，也称为焊接接头(weldjoint)，是指将被焊接在一起的两个或多个工件之间的预定接触面。在焊接操作之前，工件在这个接触面上的形状、尺寸和相对位置都是经过设计和准备的，以确保焊接过程能够有效地进行。与加热区对应的待焊缝隙即位于两个加热区之间的待焊缝隙。

具体的，先获取焊接区及焊接区附近区域的整体温度场图，焊池和加热区的温度区间通过试验测定的，所以通过将不同位置的温度与测定的温度区间进行比较即可在整体温度场图中确定焊池和加热区所处位置，进而通过加热区的位置确定与加热区对应的待焊缝隙所处位置，加热区、焊池和与加热区对应的待焊缝隙构成焊接区，如此从整体温度场图中抠出焊接区的温度场图A。需要说明的是，只要确保加热区的温度区间的最大值可将加热区与焊池区分开即可，精度要求低，加热区的温度区间的最小值决定了选用的加热区的面积的大小，进而决定温度场图A中待焊缝隙的长度，最小值越小，则选用的加热区的面积越大，待焊缝隙的长度越长，相应的计算量更大，精度更高，最小值越大，则选用的加热区的面积越小，待焊缝隙的长度越短，相应的，计算量更少，精度更低，所以最小值可根据实际所需进行设定。

文中通过试验测定的温度均是指，在知道焊池、加热区和与加热区对应的待焊缝隙的位置信息的情况下进行焊接试验，从而测量具体位置的温度。

20、根据温度场图A确定第一待焊区域，第一待焊区域的温度小于温度阈值，温度阈值大于待焊缝隙的最高温度且小于加热区的最低温度；

待焊缝隙的最高温度X即待焊缝隙中最靠近焊池的空气的温度，该温度通过试验测定；加热区的最低温度Y即步骤10中用于确定加热区的面积的温度区间的最小值。即温度阈值可以为区间[X,Y]中的任一取值，如此取值，则可确保通过温度比较确定与加热区对应的待焊缝隙的大概位置。当然，也也将温度阈值的取值区间的最大值设置成稍大于与Y，即将一部分的加热区囊括进第一待焊区域，如此，可以确保与加热区对应的待焊缝隙均会被囊括在第一待焊区域中。

具体的，在该步骤中，将温度场图A中各个位置的温度与温度阈值比较，然后将温度小于温度阈值所对应的位置的集合定义为第一待焊区域，第一待焊区域即与加热区对应的待焊缝隙的大概位置。

30、改变第一待焊区域的空气流场；

在该步骤中，通过改变第一待焊区域空气流场，以使待焊缝隙中的空气发生明显流动。理论上，任一种可将第一待焊区域的空气加速的方法均可用于实现该步骤，但是需确保该方法不能影响焊缝的性能。

40、获取第一待焊区域的温度场图B；

因步骤30中改变了第一待焊区域的空气流场，待焊缝隙的温度因空气的明显流动而发生了明显温升或温降，所以在该步骤中获取第一待焊区域的温度场图B，以获知待焊缝隙经历温度明显变化后的具体温度情况。

具体的，可先获取焊接区及焊接区附近区域的整体温度场图，然后根据步骤20中所获得的第一待焊区域的位置信息从整体温度场图中抠出温度场图B，也可以根据步骤20中所获得的第一待焊区域的位置信息进行定域温度采集，进而构建温度场图B。

50、将温度场图B与温度场图A中的对应区域进行比较，得到第一待焊区域的温度变化图，温度变化图反映温度场图B与温度场图A的温差；

具体的，将温度场图B中各个位置的温度值与温度场图A中对应位置的温度值进行作差得到同一位置的温度在空气流场改变前后的变化量，然后将该变化量与对应的位置进行关联绑定，得到可以反映第一待焊区域因空气流场改变的温度变化情况，即空气流场改变对第一待焊区域所造成的温差。

60、根据温度变化图确定第二待焊区域，第二待焊区域的温差大于温差阈值；

温差阈值反映的是第一待焊区域中待焊缝隙的温度受流场改变的影响程度，而待焊缝隙的温度变化受到空气流场改变方法和待焊缝隙的形状大小等因素的影响，如，空气流场的变化速度越快，则待焊缝隙的温度变化越大，待焊缝隙的间隙越大，更有利于空气的流动，所以待焊缝隙的温度变化越大。温差阈值通过试验测定。

具体的，在确定了空气流场的改变方法后，进行焊接试验，在焊接过程中多次改变焊池前侧的空气流场，测量并记录每次流场改变前后靠近焊池的待焊缝隙中不同位置的空气的温度(不同位置的选定原则：位置均匀分布在与加热区对应的待焊缝隙中)，从而计算出每次流场改变使待焊缝隙中的空气产生的变化情况，以焊池的中心位置作为基准，将多次测量中与基准的距离相等的位置定义为相同位置，然后计算相同位置的由多次流场改变的多个温差值的平均值，多个不同位置的温差值的平均值构成一个温差值集合，以该集合的最大值和最小值作为区间边界构成一个温差区间，以该温差区间的最小值作为温差阈值。另一种确定温差阈值的方法：因加热区的温度受流场改变的影响程度比带焊缝隙小，所以可以通过测定加热区受流场改变而产生的最大温差值，以该最大温差值作为温差阈值。将温度变化图中各个位置的温差值与温差阈值进行比较，得到温差值大于温差阈值的位置集合，即第二待焊区域。

70、以第二待焊区域作为待焊缝隙调整焊接工具的位置。

经步骤10和20确定的第一待焊区域可能仅是待焊缝隙，但大概率时是待焊缝隙和加热区的组合，所以需要从组合中剔除加热区，而加热区为固体，待焊缝隙中填充的气体，所以当空气流场发生改变，待焊缝隙的温度受流场改变的影响程度明显大于加热区，所以待焊缝隙的温度变化量明显大于加热区的温度待焊缝隙的温度变化变化量，所以经步骤60筛选出来的第二待焊区域即待焊缝隙，所以第二待焊区域的位置信息调整焊接工具的位置，即可确保焊接工具与待焊缝隙对中。

本实施例的有益效果包括：

通过获取焊接区的温度场图A，然后根据温度分布情况粗略确定待焊缝隙的大体位置—第一待焊区域，然后改变第一待焊区域的空气流场，使待焊缝隙中的空气发生明显流动，在空气明显流动的情况下待焊缝隙相较于其附近的母体会产生更明显的温降或温升，所以通过将空气流场改变后的温度场图B与温度场图A进行对应比较，即可确定温度变化最明显的区域—第二待焊区域，然后以第二待焊区域作为待焊缝隙调整焊接工具的位置。通过控制第一待焊区域的空气流场，主动使待焊缝隙产生明显的温度变化，根据温度变化情况即可确定待焊缝隙的准确位置，进而提高焊缝自动跟踪的精度。

对步骤30的优化：向第一待焊区域输送气体，气体的温度小于或等于常温，或气体的温度大于待焊缝隙的最高温度。因与加热区对应的待焊缝隙中的空气经焊接的热源加热后，温度已明显高于常温，所以可以通过向第一待焊区域输送常温气体或低温气体，新输入的常温气体或低温气体会将待焊缝隙中的原高温气体驱走，并停留在待焊缝隙，如此待焊缝隙就会发生明显的温降，此过程中，加热区的温度虽然也会发生降低，但是因其是固体，常温气体或低温气体所能带走的热量有限，所以温降小；也可以通过向第一待焊区域输送温度明显高于待焊缝隙可达到的最高理论温度(或测定温度)的高温气体，如此，在新输入的高温气体替代原高温气体将待焊缝隙填充后，待焊缝隙会发生明显的温升。需要说明的是，若没有做特别的防护措施，输送的气体会不可避免地流向焊池，所以需要确保输送的气体不会影响焊缝的性能。也可以设置防护措施限定气体的流动方向。

进一步优化的：沿待焊缝隙的深度方向向第一待焊区域输送气体。为了使待焊缝隙中的空气快速响应，进行气体的定向输送—气体的流动方向与待焊缝隙的深度方向平行且与对准第一待焊区域，如此，气体就可将待焊缝隙中的原空气快速从待焊缝隙中推出，实现空气流场的快速改变。

更进一步优化：气体的输送时长为预设时长。通过控制气体的输送时长控制气体的输送量，气体的温度和输送速度和预设时长通过试验测定，确保待焊缝隙的温度变化明显区别于加热区即可。

对步骤30的另一种优化：吸走第一待焊区域的空气，吸走时长为预设时长。通过吸走第一待焊区域中的空气，待焊缝隙中的原高温空气就会被吸走，附近的更高温空气或更低温空气就会流入待焊缝隙，从而使待焊缝隙发生明显的温升或温降。

对步骤10的优化：通过红外热成像方法获取焊接区的三维的温度场图A。需要说明的是，虽然红外热成像方法无法直接测量待焊缝隙中的空气的温度，而是以间接的方式进行测量，存在较大的误差，但是，只要试验过程同样采用红外热成像方法对焊接区进行测温，误差在试验和应用中同时存在，则可忽略误差的影响。

相似的，对步骤40的优化：通过红外热成像方法获取第一待焊区域的温度场图B。

对步骤20的优化：通过定点测温方法确定待焊缝隙的最高温度和加热区的最低温度；将温度场图中的温度与温度阈值比较，将温度小于温度阈值所对应的区域定义为第一待焊区域。

对步骤50的优化：将温度场图B与温度场图A同一位置的温度作差，得到温差值；以温差值替换温度场图B中对应位置的温度值，得到第一待焊区域的温度变化图。

以上是基于焊接圆形管材的情况进行解析说明。

实施例二

本发明实施例中提供的一种焊接装置，包括：

采用如实施例一提供的任一种焊缝自动跟踪方法控制焊接。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的其它工作过程，可以参考前述实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。