焊接过程中监测工件坡口和装配状况的光电传感方法

专利名称:焊接过程中监测工件坡口和装配状况的光电传感方法
本发明属于焊接自动化。
在金属构件的自动焊接过程中，如何准确地识别待焊接头，保证焊接电弧与焊缝的自动对中，是提高焊接产品质量与焊接自动化水平的关键问题之一。随着各种新型光源和光电灵敏器件的发展，越来越多地采用光电传感方法来获取焊缝位置和坡口形状等信号。光电传感方法的主要优点是传感灵敏度高，传感器不与工件接触，不象电磁传感器那样易受外界电磁场及工件错边等因素的影响。随着光传输技术的发展，进一步使光电传感器趋于小型化、实用化。但是，对各种类型的光电传感系统来说，共同的问题是如何有效地克服背景幅射光(尤其是气体保护焊中的强烈电弧光)的干扰。迄今为止，采用较多的方法有机械屏蔽、滤光片匹配以及信号处理中的补偿等，如西德阿亨工业大学焊接研究所P.Drews教授等在《弧焊中采用光学方法进行焊缝自动跟踪》(《Automatic seam tracking in arc welding by an optical method》。原载《Advanced welding technology》1975)所述。但是，在强烈的电弧光背景下，机械屏蔽很难有效地防止光电器件接收干扰光;而且，由于电弧光频谱宽，滤光片也只能对干扰光成分起一定的衰减作用，在许多场合下仍然免不了使信号电压被背景光产生的强干扰电压所淹没。如果不能有效地克服干扰光对传感系统的影响，轻则会影响系统的工作精度，严重时则会使整个系统失控而无法使用。
本发明的目的是研制一种能克服干扰光对信号电压影响的光电传感方法。
本发明的构成是，通过采用光电调制方法，直接对各种信号光源(如He-Ne气体激光器、半导体激光器、半导体红外发光器等)进行调制处理;同时采用“自适应干扰信号消除法”进一步克服“调制型”干扰光的影响(“调制型”干扰光见下面说明)。
为便于说明本发明的具体内容，将附图首先说明如下图1，为光电传感监测焊件坡口及装配状况示意图。
其中，图(a)为光源信号发射与接收的传感示意图;
图(b)为传感器横向扫瞄时的工作状态图;
图(c)为传感器横向扫瞄时信号电压波形图;
图(d)为传感器监测工件高低位置变化的工作状态图;
图(e)为焊接工件位置高低与输出信号电压的关系。
S为传感器，1为光源，2为聚焦镜筒，3为光电管组，4为被测工件。
G1、G2、G3分别为光电管组中的光电管。
H1、H2、H3分别表示工件高低不同的三种位置状况。
U表示输出电压座标，H为工件高度的座标，X为传感器与工件在水平方向上相对位置关系的横座标。
+Um，-Um分别为光电管G2、G3的输出信号经处理后的电压值。
O1、O2、O3分别为入射光在工件表面的光点位置。
图2为光电传感系统的工作原理图。
13为对光源进行调制的激励源;
14为光源;3为光电管组;
4为被测工件;5为反相器;
6为模拟电子开关;7为采样保持及调节器;
8为加法器;9为选频滤波器;
10为解调器;11为阈值处理器;
12为带动传感器的执行机构。
K1、K2、K3分别为模拟电子开关〔6〕的三个输入-输出端口;1N1，1N2、1N3分别是对应于K1、K2、K3的三个电平控制端。
图3是光电管组〔3〕接收光信号后输出的电压信号波形图，图中Ug为接收背景干扰光所产生的输出信号值UG1]]>为只接收信号调制光所产生的输出信号幅值U′G1]]>为同时接收信号调制光和背景干扰光时输出信号幅值。
T为时间座标，U为电压座标。
图4为控制工件高低的工作原理图。
Uy为解调器〔10〕的输出电压座标;
U′为阈值处理器〔11〕输出的电压座标;
UyH、UyL分别为给定的高、低阈值。
本发明的具体工作过程如下光源〔1〕、聚焦镜筒〔2〕和光电管G1、G2、G3(参见图1)的中心线都在同一个入射与反射平面上。光电管G1用于接收对工件坡口作横向扫瞄的信号，光电管G2、G3用于监测工件在高低方向上的位置变化。当传感器S作横向扫瞄时，如图1(b)光电管G1接收的信号反射光反映了工件的表面状况和坡口所在位置。实验表明，在信号光源的发射功率足够大的情况下，即使工件表面有氧化皮，光电管G1接收的信号光强度也是大于它在进入坡口上面后接收的信号光强度。当光电管G1随着传感器〔S〕由工件表面进入坡口时，它所接收的信号光强度逐渐减弱，直至在坡口上的某一位置衰减为“零”(如在坡口中心)，而当它从坡口中心进入另一侧工件的过程中，其接收的信号光强度又由“零”逐渐增大。光电管G1对坡口横向扫瞄所接收的信号光经光-电转换和信号处理，可得到如图1(C)所示的电压信号曲线，横座标X代表传感器中的光电管G1与工件相对位置关系，U代表光电管G1所接收的信号光经处理后的电压幅值。这种电压幅值的变化能够准确地确定工件坡口的两条棱边的位置，从而可以做为导引焊炬对焊缝实行自动跟踪的信号。
传感器对工件位置高低变化的监测原理见图1(d)。当工件〔4〕的原始位置在H1时，O1为入射光的光点位置，经工件反射后由光电管G1接收信号光。当工件位置升高到H2时，入射光点从O1移到O2，因而反射信号光只能被光电管G2接收;反之，当工件位置下降到H3时，入射光点移到O3，其反射光只被光电管G3所接收。光电管G2、G3所接收的信号光经光电转换和信号处理后，可得如图1(e)所示曲线。+Um-Um分别为光电管G2、G3所接收的信号经处理后输出的电压值，这两种电压信号可以导引焊炬调整其上、下位置，从而保持焊炬与工件在高低方向上有相对稳定的距离。
本发明中对信号光的调制及“自适应干扰信号消除法”的工作过程如下如图2，激励源〔13〕产生一定频率(可采用1000赫兹/秒)的方波脉冲，对光源〔14〕进行调制，使其发出同频率、同相位的脉冲光并入射到被测工件〔4〕上，在无背景干扰光的情况下，光电管组〔3〕接收到的工件反射信号光经光电转换后产生与激励源同频率同相位的脉冲信号电压，如图3中的实线方波所示，其最大幅度值为UG1]]>;在背景干扰光存在的情况下(如电弧光)光电管组〔3〕接收到的光信号经光电转换后所产生的电压波形如图3虚线所示。当信号光源停止发射信号光的时间区间内(如T0时间区间)光电管组只接收背景干扰光的信号，经光电转换，其输出电压幅值为Ug。在信号光源发出信号光的时间区间(如T1时间区间)光电管组接收的是信号光和背景干扰光共同作用的信号，其最大幅值为U′G1]]>。在T0，T1两个时间区间内，由于光谱范围不同，光电管的积分灵敏阈发生变化，因而在光电管的光电特性线性区存在着以下关系U′G1]]>-Ug＞UG1]]>实验表明，在有背景幅射光的情况下，即使用滤波电路直接处理光电管接收的光电转换信号，滤去由背景光产生的电压分量Ug，仍存在(U′G1]]>-Ug)与UG1]]>的差值。即U′G1]]>-Ug-UG1]]>＝△U△U就是由于背景干扰光的存在对信号电压幅值所造成的影响。由于它与激励源的频率相同，选频滤波电路无法消除这一部分影响。这一现象好象是背景光“调制”了信号电压幅值，故称之为“调制型”干扰。这种干扰如不克服，就会影响整个系统对工件坡口状况监测的精确度。
本发明采用的线路可克服这种“调制型”干扰，其工作过程如下图2中模拟电子开关〔6〕的三个电平控制端1N1、1N2、1N3分别控制三个模拟输入一输出端口K1、K2、K3。1N2、1N3与激励源〔13〕相接，同步工作。1N1经反相器〔5〕与激励源相接，这就决定了加在1N1上的电平仅在激励源的脉冲间歇期间为高电平，即1N1的控制电平始终和1N2、1N3的控制电平相反。在激励源的脉冲间歇期间(如T0时间区间内)光电管只接收背景光的信号，产生Ug电压，此时1N2 1N3为低电平，K2、K3打开，而1N1为高电平，K1闭合，因此采样保持和调节器〔7〕对背景干扰光产生的电压分量进行采样并改变其极性，调节其幅值使之成为-K·Ug(K为系数可调)，并一直保持到图3中的T1时间区间。在T1时间区间内光电管接收信号光及背景干扰光的共同作用下的信号，输出电压幅值为U′G1]]>。此时，1N2，1N3为高电平，控制K2、K3闭合，而1N1为低电平，K1打开。因此，在采样保持调节器中所保持的电压信号-KUg以及在T1时间区间内所产生的电压信号U′G1]]>被同时送到加法器〔8〕中进行运算。实验证明，只要适当调整系数K值，能有效地消除背景干扰光对信号电压幅值所造成的扰动△U。
即△U＝U′G1]]>-KUg-UG≈0所以加法器的输出为U′G1]]>-KUg≈UGUg就是光电管在没有背景干扰光情况下所输出的信号电压。该信号电压送至滤波器〔9〕，经选频滤波处理后的信号电压变成与激励源同频率的正弦波，再送到解调器〔10〕，获得直流电压，该电压与阈值处理器〔11〕中设定的阈值进行比较。该阈值是为了判别工件表面和坡口的交界，即焊缝棱边位置，以及控制传感器与工件表面相对高度的稳定而设置的。
以监测工件高低位置为例，如图4所示，当解调后的电压值为UJ时，如果UJ＞UyH，表明此时传感器与工件距离偏低，阈值比较器输出+Um，使执行机构〔12〕向上运动，反之，如果UJ＜UyL，则阈值比较器输出-Um，使执行机构向下运动。当UyL＜UJ＜UyH时，表明传感器与工件的相对距离处于被设定的允许范围内，此时，阈值比较器的输出为“零”，执行机构不动作，这样，就可使传感器与工件的距离保持在允许的距离范围内，从而控制焊炬与焊缝在高低方向上有比较稳定的距离。
本发明与现有的光电传感系统比较，有如下优点1.采用的信号光源可以是中功率的半导体激光器或半导体红外光源，最突出的优点是便于直接对信号光源进行调制。
2.利用同一个光电管组，通过分时采样，从同一个背景干扰光中获得消除背景干扰光的参考信号，故能自动适应背景干扰光强度变化，有效地克服背景干扰光的干扰。
因此，本发明的光电传感系统既可适用于埋弧焊，也可适用于气体保护焊。
权利要求
1.一种采用信号光源、光电管组、放大器、比较器和机械扫瞄机构、执行机构组成的系统，用于在焊接过程中监测工件坡口和装配状况的光电传感方法，其特征在于对信号光源采用了调制处理。
2.按权项1所说的光电传感方法，其特征是信号光源可以是半导体红外光源。
3.按权项1所说的光电传感方法，其特征在于调制信号的处理电路中，采用了利用同一光电管接收到的背景干扰光所产生的电压信号，作为克服背景干扰光干扰的参考电压的方法。
专利摘要
用于焊接过程中监测工件坡口和装配状况的光电传感方法，采用半导体红外光源，利用激励电路对该光源进行调制，发出一定频率的脉冲信号光，用于对焊缝区进行扫瞄。在信号接收和处理电路中，采用滤波电路选频，并利用模拟电子开关进行分时采样工作，用同一个光电管获取来自同一个背景干扰光的参考电压信号，可以有效地消除背景干扰光产生的干扰电压。本发明的光电传感方法既可适用于埋弧自动焊，亦可适用于气体保护焊条件下实现焊炬在水平及高低两个方向对焊缝的可靠对中。
文档编号G02F1/29GK85100074SQ85100074
公开日1986年7月16日 申请日期1985年4月1日
发明者潘际銮, 吴敏生, 陈武柱, 高力生 申请人:清华大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan