SU1348109A1 - Способ определени положени сварного шва и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к сварочному производству, в частности к электродуговой сварке промьшшенными роботами с произвольной конфигурацией шва. Изобретение позвол ет повысить точность определени  положени  сварного шва произвольной конфигурации. Это достигаетс  тем, что зона вблизи места сварки сканируетс  лучом, при этом измер етс  рассто ние до поверхности издели  датчиком, вращающимс  вокруг горелки. Датчик рассто ни  представл ет собой оптическую систему с импульсным излучателем света, линейным фотоприемником, фильтром, объективом. На фотоприемнике проектируютс  точки (образы) импульсов излучател , соответствующих рассто нию до поверхности издели . При этом получаетс  трехмерное изображение сварной зоны. 2 с.п. ф-лы, 4 ил. с б со 4 00

Description

11

Изобретение относитс  к сварочному производству, в частности к электродуговой сварке промышленными роботами и другими автоматами с электрон ным управлением, и может быть использовано в системах слежени  за сварным швом.

Известен способ слежени  за сварным швом (патент ФРГ № 2711660, кд, В 23 К 9/12, 1978), при котором зона, расположенна  около места сварки , сканируетс  телевизионной камерой при этом получаетс  дву 1ерное сечение в зоне сварного шва или вблизи нее. После этого известными математическими методами распознаетс  точка, с квозь которую должна пройти сварочна  горелка.

Недостаток данного способа заклю- чаетс  Е том, что получаема  информаци  недостаточна дл  обеспечени  качества сварного шва. Кроме того, используетс  сложна  механическа  и электронна  аппаратура в зоне дуги что снижает надежность сварочного комплекса.

Известно фотоэлектрическое след - шее устройство,с помощью которого осществл ют сканирование поверхности издели  датчиком, жестко закрепленным на горелке (авторское свидетельство СССР № 2984ДЗ, кл, В 23 К 9/10, 1968).

Известны также устройства дл  еле жени  за сварочным швом, реализующее измерение рассто ни  до близко расположенных свариваемьпх деталей путем применени  индуктивных, емкостных, микроволновых, пневматических датчи- ков.

Известные устройства характеризуютс  тем, что диапазон измерени  ограничен до нескольких миллиметров и их применение при сварке затрудни- тельно из-за необходимости располагать их в непосредственной близости около дуги, где температура высока , непрерывно распыл ютс  брызги расплавленного металла, а электромаг- нитные помехи сильны.

Цель изобретени  - повьпиение точности определени  положени  шва произвольной конфигурации.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что согласно способу определени  положени  сварного шва, при котором осуществл ют сканирование точек вокруг горелки датчиком, перемещающимс 

092

в плоскости, перпендикул рной оси горелки , по окружности с центром, расположенным на этой оси, при сканировании определ ют рассто ние от точек поверхности свариваемых деталей до датчика, а также тем, что устройство дл  определени  положени  сварного шва содержит устройство дл  измерени рассто ни , установленное на горелке с возможностью вращени  вокруг нее и включающее ли.нейный фотоприемник,перед которым расположены объектив и светойильтр, оптическа  ось которы находитс  под углом к измерительному лучу импульсного излучени , причем линейный фотоприемник расположен на линии, определенной с одной стороны точкой пересечени  задней фокальной плоскости линией, проход щей через центр объектива параллельно измерительному лучу, ,1 с другой стороны - направлением, параллельным линии, проход щей через центр объектива и точку пересечени  измерительного луча с пepeд eй фокальной плоскостью

На фиг. 1 изображена горелка, общий вид; на фиг. 2 - расположение оптической системы устройства по от ношению к сварочной горелке; на фиг.3 оптическа  система, предпочтительный вариант исполнени ; на фиг. 4 - графическое изображение получаемого сигнала .

На фиг. 1-А обозначены сварочна  горелка 1, контактное сопло 2, электродна  проволока 3, свариваемые детали 4, дуга 5 и образованный сварной шов 6. На горелке 1 на подшипнике 7 расположена подвижна  вращающа с  основа 8, св занна  с двигателем 9, который прикреплен неподвижно к сварочной горелке 1. На подвижной основе 8 расположено устройство (датчик ) дл  измерени  рассто ни  .10 измерительным лучом 11. Последовательные (текущие) точки 12 поверхности свариваемых деталей 4 образуют кривые 13. В точках 14 кривые 13 пересекают стык между обеи№1 свариваемыми детал ми 4. Точка 15 - это точка пересечени  измерительного луча 11 и сварного шва 6, а позицией 16 обозначено направление нулевого радиуса-вектора координатной системы горелки 1, который фиксирован штифтом 17 (или другим соответствующим выступом) на горелке 1, расположенным на рассто нии IQ, меньшем минимального рассто ни  1, ,

на KdTopoM может быть расположена :io- нерхиость спариваемой fleTiinvt 4.

Датчик 1П:-1ерен1   рассто ннл 10 включает импульсный источник света 18 (фиг, 2) и оптическую систему 19, а также светофильтр 20, имеющий соответствующую спектральную характеристику , с оптической системой 21 и линейным фотоприемником 22, причем оптическа  ось 23 оптической систе г1.: 21 расположена под углом ci- по оП оашнию к измерительному лучу 11, излучен.ю- му иcтoчн п oм света 18 а ее nc:ie зрени  выбрано таким, что все точки измерительного луча 11, расположенные между предельньП ;и точками 24 и 25 (фиг. 3), ограничивающими диапазон измерени  датчика 10, имеют образ на линейном фотоприемнике 22. Изг-;ер   расположение этого образа на лш ей- ном фотоприемнике, можно опредегл ть рассто ние до текущей точки 12 го- перхности сварной детали. Пози1;и ми 26 и 27 обозначены обрлзы предельных точек 24 и 25 на фотоприемнике 22. Рассто ни  до предельных точек 24 и 25 выбраны так, что когда поверхность свариваемых деталей 4 касательна к горелке 1, то рассто ние 1, должно быть ближе к предельной точке 25, а предельна  точка 24 должна быть ближе рассто ни  1 до штифта 17, которым обозначен нулевой радиус- вектор 16. Положение поверхности свариваемых деталей 4, когда горелке касательна к ним, обозначено граничными лини ми 28 и 29. Позицией 30 обозначена зона, в которой можно наносить сварной шов 6, т.е. где мсжет гореть дуга 5. Пoзип  ми 31 и 32 обозначены соответственно передн   и задн   фокальные плоскости объектива 21, а позицией 33 - точка, в которой измерительный луч 11 пересекает переднюю фокальную плоскость 21. Луч 34 показывает направление образа 35 точки 33, а луч 36 направление бес конечно отдаленной от измерительного луча 11 точки, образ 37 которой лежит на задней фокальной плоскости .32 объектива 21. Луч 38 указывает образ 35 точки 33, в которой измерительный пуч 11 пересекает переднюю фокальную плоскость 31 объектива 21. Согласно изобретению, чтобы получить оптимальную фокусировку точек, расположенных на прот жении луча 11, линейный фотоприемник 22 должен лежать луче 38.

Р1рс,4

( 39 чк Оп : : 1;ос. -; о атсл J.HMX () тпчек 12 наход  цихс  меж,му Т(чк;и-ги 24 и 25, т.е. п диапазоне измерени  рассто } и , Г1ро ::.-;т,1руотс  однозначно на тинейн-.м фотоприемнике 22. Фокусированное рассто ние 1, до штифа 17 дает легко разграничимьй импульс 40, соответствующий нулевому

Q радиусу-вектору 16. В оптическую систему датчика может входить элемент с управл емой светопроницаемостью 41 (например, затвор Керра), работающий с импульсным излучате. гем 18.

5 Примерна  форма сигнала датчика рассто ни  10 (фиг. 4) показывает, что при переходе черд-) точку нгэврата 14 крива  резко мен ет характер. При другой конфигурации сваривгемьп детаJ леи 4 рассто ние можно измен ть скачком , а при подходе к концу свариглх /:.еталей 4 можно выйти да пределы работы дат1 ,ика рассто ни  10. С 1братнсл CTOpoHbi горелки 1 , Где

5 уже есть сйормированный сварной шов 6, форма сигнала может содержать п себе вторую точку возврата 15 или доли;1;а иметь другую форму, представл ющую соответствующий образ сварио0 I o шва. Г1о ней можно судить о форме выполненной сварки.

Устройст1Ю работает следующим образом .

При непрерывном вращении датчика

5 рассто ни  10 около сварной горелки 1 его измерительный луч 11 последовательно измер ет рассто ни  на обеих свариваемых детал х 4. На фиг. 1 измерительный луч 1i описывает цилинд0 рические поверхности, а пересечение образовано от кривых 13. Измерительный луч 11 может описывать и коническую поверхность, что зависит от способа прикреплени  датч1 ка рассто ни 

5 10 к основе 8.

Так как положение датчика рассто ни  10 в координатной системе сварочной горелки 1 всегда известно (дл  измерени  угла поворота можно исполь0 зовать датчик углового положени ,

респективно вращение должно осуществл тьс  шаговым электродвигателем), по информации, полученной при одном повороте датчика рассто ни  10 около

55 горелки 1, можно определить взаимное расположение горелки 1 и свариваемых деталей 4.

Способ позвол ет измер ть рассто ни  до точек поверхности свариваемых

513

деталей 4, олрсдал ть урапмени  этих поверхностей и вычисл ть линию их пересечени .

Направление движени  сиарочной горелки 1 можно определ ть путем непо- средственного определени  угла точки возврата 14 по отношению к нулевому радиусу-вектору 16. При сложных кривых положение последовательно определ емых точек возврата 14 следует запомнить в соответствующем блоке, пам ти, при этом горелка 1 должна двигатьс  так, чтобы обходить их последовательно . Так как рассто ние до штифта 17 горелки 1 значительно мень- ше рассто ни  до точек поверхности свариваемых деталей 4, при переходе измерительного луча 11 на штифте 17 получаетс   сно разграничиг-лгй импульс 40. При необходимости этот импульс можно использовать дл  эталонировани  датчика рассто ни  10, если он подвержен воздействию температуры, влаги содержащейс  в воздухе, и др. Дл  реализации метода слежени  за свар- ным швом можно использовать и другие датчики измерени  рассто ни .

Информацию, которую получают при круговом сканировании рассто ний до точек поверхности свариваемых деталей 4, можно использовать и дл  определени  множества других параметров,кроме отклонени  горелки 1 от линии шва 6. Например, по отношению между двум  рассто ни ми до обеих точек возврата 14 и 15 можно легко определить угол между горелкой 1 и направлением сварного шва 6. По рассто ни м до близлежащих точек обеих поверхностей сварных деталей можно оп- ределить отклонение горелки 1 от их биссектрисы. При наличии скашивани  свариваемых деталей 4 можно измер ть величину этого скоса и соответствующим образом корректиру  режим сварки (ток, напр жение дуги и скорость движени  по прот жении шва), обеспечивать заполнение шва 6 достаточным количеством металла. Аналогично положение и при изменении рассто ни  между обеими сварными детал ми (по вление расширени  шва, дополнительных вставок при очень расширенных швах и пр.). Это позвол ет использовать изобретение в промышленных роботах и сварочных автоматах.

Чтобы измерить рассто ние до точки от поверхности свариваемых деталей 4, импульсный излучатель 18 освещает точ96

ку 12 от поверхности этих деталей. Объектив 21 фокусирует эту точку на линейном фотоприемнике 22, благодар  свойствам которого идентификаци  положени  светлой точки 39 на его поверхности не представл ет проблемы, а при известных угле oi между измерительным лучом 11 и оптической осью 23 и других характерных лини х геометрии датчика можно определить рассто ние до освещенной точки 12. В качестве линейного фотоприемника целесообразно использовать линейные фотоприемники (линейные матрии},1) или другие элементы, позвол юп;ие идентифицировать положение освещенной точки 39 на нем. Спектральную чувствительность фотоприемника 22 в комбинации со спектральной характеристикой фильтра 20 и импульсный излучатель 18 следует гкэдбирать такими, чтобы свет сварочной дуги 5 не мешал измерению.Р д известных элементов, особенно работающих в близкой к инфракрасной области , где излучение дуги сильно снижено по отиоше нию к мощности, отвечает этому требованию. С целью дополнительного снижени  вли ни  фонового освещени  от сварочной дуги 5 и нагрева деталей 4 в оптической системе фотоприемника 22 целесообразно использовать элемент с управл емой .светопроницаемостью , например затвор Керра, который открываетс  синхронно с импульсным излучателем 18.

Дл  оптимального определени  размеров оптической системы фотоприемника 22 необходимо разместить его на- пр мой 38, определенной точкой 37, котора   вл етс  образом бесконечно отдаленной точки or измерительного луча 11 точки 36, и бесконечно отдаленной точкой 35, представл ющей образ точки 33, в которой измерител ный луч 11 пересекает переднюю фокальную плоскость 31 объектива 21. Сам фотоприемник 22 должен быть расположен между точками 26 и 27, представл ющими образы точек 24 и 25 измерительного луча 11, между которыми могут находитьс  точки 12 поверхности свариваемых деталей 4.

Если точку 33 примем за нулевую точку при учете рассто ни  по длине измерительного луча 11, то рассто ние между текущей точкой 12 и передней фокальной равниной 31 .jCOSo, , где, С1 - угол между измерительным лучом 11 и оптической осью 23, а Ij;

1

рассто ние от точки 33 до текущей точки 12, Образ 39 точки 12 лежит на пр мой 38 на рассто нии от задней фокальной 32, равном 1,

f

-:- , где f - фокусное расстокние

объектива. Кроме того, счевидис.что в силе равенство 1у , где/3 угол между пр мой 38 и оптической осью 23, а Т - рассто ние меткду точкой 37, котора   вл етс  образом бесконечно отдаленной точки 36 измерительного луча 11 и, следовательно, находитс  на задней фокальной равиич 32, и точкой 39, котора   вл етс  образом текущей точки 12. Путем замещени  последовательно определенных величин получают рассто ние между

If 2

точкой 37 и точкой 39 I, -г

l,cosy. сос/ Так как в оптической системе углы оГ и. |3, как и фокусное рассто ние f - посто нные величины, каждой текущей точке 12 измерительного луча 11 соот- ветствует точке 39 пр мой 38, расположенна  под углом р по отношению к оптической оси 23 объектива 21. При этом положении кажда  точка лежащего на измерительном луче 11 отрезка 24- 25, которьгй представл ет диапазон измерени  системы, фокусируетс  в соответствующей точке на пр мой 38, где находитс  линейный фотоприемник 22 что обеспечивает точность измерени .

Изобретение позвол ет сканированием определ ть рассто ни  до точек поверхности близко расположенных деталей и может быть использовано при сварке роботами исполн ющими и другие технологические операции, например

В

5

5

098

монтаж, очистку, сттливку, Т1аносскнс и сн тие покрыти, а в измери- TtJjibUHx маши .чх.

Формула и 3 о б р е т е )i и  

1 . Способ определени  положени  сварного шаа, при котором осуществл ют сканирование точек вокруг горелки датчиком, перемещающимс  в глогкости, перпендикул рной оси горелки, по ок- РУ5;;нос И с центром, распуложенныг-. на этой оси, отличающийс  тем, что, с целью повышени , точности определени  положени  сварного шва лр -извольной конфкгурлци ;, при сканировании определ ют рассто ние от точек поверхности свариваемых деталей от датчика.

2. Устройство дл  определен1т  положени  сварного щва, отличаю- ; И е с   тем, что оно содержит устройство лл  измерени  рассто ни  10, установленное на горелке с возможностью вращени  вокруг нее и включающее линейный фотоприемник 22, перед которым расположены объектив и свето-- фильтр, оптическа  ось которых находитс  под углом к измерительному лучу 11 импульсного излучени  18, причем линейный фотоприемник 22 ргсположен на линии 38, определенной с сдчой стороны точкой 37 пересечени  задней фокальной плоскости 32 линией, проход щей через центр объсктчгза парал.пель- но измерительному лучу, а с другой стороны - направлвгшем, П1 раллельиьгм линии, проход щей через центр об1,г.к- тива и точку пересечени  измерительного луча с передней фокальной плоскостью .

9иг.2

Фиг.З

Редактор А. Огар

Составитель В.Грибова Техред А.Кравчук

Заказ 5149/12Тираж 969Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушска  наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предпри тие, г. Ужгород, ул. Проектна , 4

(Риг. 4

Корректор М. Пожо

Claims (2)

1. Формула изобретения

   1. Способ определения положения сварного шва, при котором осуществляют сканирование точек вокруг горелки датчиком, перемещающимся в плоскости, перпендикулярной оси горелки, по окружности с центром, расположенный, на этой оси, отличающийся тем, что, с целью повышения· точности определения положения сварного шва произвольной конфигурации, при сканировании определяют расстояние от точек поверхности свариваемых деталей от датчика.
2. 2. Устройство для определения положения сварного шва, отличаю>ц е е с я тем, что оно содержит устройство для измерения расстояния 10, установленное на горелке с возможностью вращения вокруг нее и включающее линейный фотоприемник 22, перед которым расположены объектив и светофильтр, оптическая ось которых находится под углом г. измерительному лучу 11 импульсного излучения 18, причем линейный фотоприемник 22 расположен на линии 38, определенной с сдчоп стороны точкой 37 пересечения задней фокальной плоскости 32 линией, проходящей через центр объектива параллельно измерительному лучу, а с другой стороны - направлением, параллельным линии, проходящей через центр объектива и точку пересечения измерительного луча с передней фокальной плоскостью .

   Фиг.З

   Составитель В.Грибова Редактор А. Огар Техред А.Кравчук Корректор М. Пожо

   Заказ 5149/12 Тираж 969 Подписное

   ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

   113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

   Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4