Способ определения положения сварного шва и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к сварочному производству, в частности к электродуговой сварке промьшшенными роботами с произвольной конфигурацией шва. Изобретение позволяет повысить точность определения положения сварного шва произвольной конфигурации. Это достигается тем, что зона вблизи места сварки сканируется лучом, при этом измеряется расстояние до поверхности изделия датчиком, вращающимся вокруг горелки. Датчик расстояния представляет собой оптическую систему с импульсным излучателем света, линейным фотоприемником, фильтром, объективом. На фотоприемнике проектируются точки (образы) импульсов излучателя, соответствующих расстоянию до поверхности изделия. При этом получается трехмерное изображение сварной зоны. 2 с.п. ф-лы, 4 ил. с б со 4 00

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ

РЕСОУБЛИН

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

00 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (89) BG 32323/47116/25.03.80 (48) 30.07.82 (21) 777 1726/25-27 (гг) 30.03.81 (46) 30.10.87. Бюл. Ф 40 (71) Институт по техническа кибернетика и роботика (ВС) (,72) Г.Н. Haves, А.С. Ангелов и Б.И. Петков (BG) (53) 621.791.75(088.8) (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ

СВАРНОГО ШВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к сварочному производству, в частности к электродуговой сварке промьппленными роботами с произвольной конфигурацией

„„SU„„1348109 А 1 (1) g В 23 К 9/10 шва. Изобретение позволяет повысить точность определения полокения сварного шва произвольной конфигурации.

Это достигается тем, что зона вблизи места сварки сканируется лучом, при этом измеряется расстояние до поверхности изделия датчиком, вращающимся вокруг горелки ° Датчик расстояния представляет собой оптическую систему с импульсным излучателем света, линейным фотоприемником, фильтром, объективом. На фотоприемнике проектируются точки (образы) импульсов излучателя, соответствующих расстоянию до поверхности изделия. При этом получается трехмерное иэображение сварной эоны. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

1348109

Изобретение относится к сварочному производству, в частности к электродуговой сварке промьипленными роботами и другими автоматами с электрон.) ным управлением, и может быть использовано в системах слежения за сварным швом.

Известен способ слежения за сварным швом (патент ФРГ Ф 2711660, кд. В 23 К 9/12, 1978), при котором зона, расположенная около места сварки,сканируется телевизионной камерой, при этом получается двумерное сечение в зоне сварного шва или вблизи,В нее. После этого известными математи10 ческими методами распознается точка, сквозь которую должна пройти сварочная горелка °

Недостаток данного способа заключается в том, что получаемая информация недостаточна для обеспечения качества сварного шва. Кроме того, используется сложная механическая и электронная аппаратура в зоне дуги, ?6 что снижает надежность сварочного ложсния снарног< шва, при котором осуществляют сканирование точек вокруг горелки датчиком, перемещающимся комплекса.

Известно фотоэлектрическое следящее устройство,c помощью которого осуществляют сканирование поверхности изделия датчиком, жестко закрепленным на горелке (авторское свидетельство СССР М 298443, кл. В 23 К 9/10, 1968) .

Известны также устройства для сле- кения за сварочным швом, реализующее измерение расстояния до близко расположенных свариваемых деталей путем применения индуктивных, емкостных, микроволновых, пневматических датчи- 40 ков.

Известные устройства характеризуются тем, что диапазон измерения ограничен до нескольких миллиметров и их применение при сварке затрудни- 45 тельно из-эа необходимости располагать их в непосредственной близости около дуги, где температура высокая, непрерывно распыляются брызги расплавленного металла, а электромагнитные помехи сильны.

Цель изобретения — повышение точности определения положения шва произвольной конфигурации.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения пов плоскости, перпендикулярной оси горелки, по окружности с центром, расположенным на эт и оси, при сканировании определяют расстояние от точек поверхности снариваемых деталей до датчика, а также тем, что устройство для определения положения сварного шва содержит устройство для измерения расстояния, установленное на горелке с возможностью вращения вокруг нее и включающее линейный фотоприемник,перед которым расположены объектив и светоЬильтр, оптическая ось которых находится под углом к измерительному лучу импульсного излучения, причем линейный фотоприемник расположен на линии, определенной с одной стороны точкой пересечения задней фокальной плоскости 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.

На фиг. 1 изображена горелка, общий вид; на фиг. 2 — расположение оптической системы устройства по отношению к сварочной горелке; на фиг.3 оптическая система, предпочтительный вариант исполнения; на фиг. 4 — графическое изображение получаемого сигнала.

На фиг. 1-4 обозначены сварочная горелка 1, контактное сопло 2, электродная проволока 3, свариваемые детали 4, дуга 5 и образованный сварной шов 6. На горелке 1 на подшипнике 7 расположена подвижная вращающаяся основа 8, связанная с двигателем 9, который прикреплен неподвижно к сварочной горелке 1. На подвижной основе 8 расположено устройство (датчик) для измерения расстояния .10 измерительным лучом 11. Последовательные (текущие) точки 12 поверхности свариваемых деталей 4 образуют кривые

13, В точках 14 кривые 13 пересекают стык между обеими свариваемыми деталями 4. Точка 15 — это точка пересечения измерительного луча 11 и сварного шва 6, а позицией 16 обозначено направление нулевого радиуса-вектора координатной системы горелки 1, кото- рый фиксирован штифтом 17 (или другим соответствующим выступом) на горелке

1, расположенным на расстоянии 10, меньшем минимального расстояния 1,, 13. Р1 на К< т<>рам может быть расположена: а— верх>>ость снарцваемай детали 4.

Па-.чик из;-ерения расстояния 10 включает импульсный Ic тачник света 18

5 (фиг. 2) и оптическую систему 19, а также светофильтр 20, имеющий соответствующую спектральную характеристику, с оптической сист мой 21 и линейным фотоприемником 22, причем о.1— тическая лсь 23 оптической системс> 21 расположена под углом <с по с>т><.пению к измерительному лучу 11, излучен.<ому источником света 18 а ее r:c Ie зрения выбрано таким, что все тачки измерительного луча 11, расположе>3ные между предельными точками 24 и 5 (фиг. 3), ограничивающими диапазон измерения датчика 10, имеют образ на линейном фотоприемнике 2?. Из;epяя

2 > расположение этого образа на ли ейном фотоприемнике, можно опред"д <ть расстояние ",<> текущей точки 12 г,— верхности сварной детали. Поз<1;иями

26 и 27 обозначены образь1 предельных точек 24 2?.

Расстояния до предельных точек 24 и

25 выбраны так, что когда поверхность свариваемых деталеи 4 касательна к горелке 1, то расстояние 1„ должно з17 быть ближе к предельной точке 25„ а предельная точка 24 должна быть ближе расстояния 1, до штифта 17, которым обозначен нулевой радиусвектор 16. Положение поверхности свариваемых деталей 4, когда roper êå касательна к ним, обозначено граничными линиями 28 и 29. Позицией 30 обозначена зона, в которой можно наносить сварной шов 6, т.е. где мажет гореть дуга 5, Позициями 31 и 32 обозначены соответственно передняя и задняя фокальные плоскости объектина 21, а позицией 33 — точка, в которой измерительный луч 11 пересе45 кает переднюю фокальную плоскость 21.

Луч 34 показывает направление образа

35 точки 33, а луч 36 направление бесконечно отдаленной от из>. рительного луча 11 точки, образ 37 которой лежит на задней фокальной плоскости 32 объектива 21. Луч 38 указывает <>браз

35 точки 33, в которой измерительный пуч 11 пересекает переднюю фокальную плоскость 31 объектива 21. Согласно изобретению, чтобы получить оптимальную фокусировку точек, расположенных на протяжении луча 11, линейный фотоприемник 22 должен лежать луче 38. (:<, àз 39 >7K<><-I".;. i 17<с.>г; азата>1>,н>зх т с lс > !;111 х ) т <> ч е 7< i, 1!:1 х а 17 ч !д:х с я м с >«,> > у

7.< кими 24 и 25 т. е . 13 диа:7азоне и 3— ерения р<1сст< ян>г, I,р«:.т, руется однозначно на .инейн и <,>отоприс.мнике

22. Фокусированное расстояние 1, до штифа 17 дает л< гка разгранич71мь771 импу>>ьс 40, соатветстсующий нулевому радиус,-вектору 16. В оптическую систему датчика мсжет вхс дить элемент с уl>ðà1377÷åì<>é снетог>ронин,3емостью 41 (например, затвор Еерра), работающий с импу.<ь<-ным излучателем 18.

Примерная форма сигнала датчика ра стояния 10 (фиг. 4) показывае ", что при дереходс. чс pi > точку !Ie з врзта

t4 кривая резко мсняет -сарактер. При

>pórîé конфигурации свариваемьгс де-. эгей 4 р;lс стояние мождс изменять скачком, а 1 ри лод аде к ксн<цу cE >он» раба,!1 д,>т,>Il=а ра.-стояния 10.

С .>братнс.1 стороне> горелки 1, Где уж» есть сформированный сг;<рной шов

6, форма си г 11>7а может содержать в себе вторую точку возврата 15 или долл.на иметь другую фа му, представляющую соответствую>ци11 образ сварного шва. По ней можно "удить о <1>орме выполненной сварки.

Устроис-.l<î работает следующим образом.

При непрерывном вращении датчика расстояния 10 около сварной горелки

1 его измерительный луч 11 последо7<ательна измеряет расстояния на обеих свариваемых деталях 4. На фиг. 1 измерительный луч 11 описывает цилиндрические пс>верхности, а пересечение образовано от кривых 13. Измерительный луч 11 может описывать и коническую поверхность, что зависит от способа прикрепления датчика расстояния

10 к основе 8.

Так как положение датчика расстояния 10 в координатной системе сварочHoII горелки 1 вссгда известно (для измерения угла поворота можно использовать датчик углового положения, респективно враще.<ие должно осуществляться шаговым электрод73игателем), по информации, полученной при одном повороте датчика расстояния 10 около горелки 1, можно определить взаимное расположение горелки 1 и свариваемых деталей 4.

Способ позволяет измерять расстояния до точек поверхности свариваемых<

5 13481 деталей 4, определять уравнения этих поверхностей и вычислять линию их пересечения.

Направление движения сварочной горелки 1 можно определять путем непо5 средственного определения угла точки возврата 14 по отношению к нулевому радиусу-вектору 16. При сложных кривых положение последовательно определяемых точек возврата 14 следует Ið запомнить в соответствующем блоке, памяти, при этом горелка 1 должна двигаться так, чтобы обходить их последовательно. Так как расстояние до штифта 17 горелки 1 значительно мень- 15 ше расстояния до точек поверхности свариваемых деталей 4, при переходе измерительного луча 11 на штифте 17 получается ясно разграничимый импульс

40. При необходимости этот импульс 20 можно игпользовать для эталониров"-,ния датчика расстояния 10, если он подвержен воздействию температуры, влаги содержащейся в воздухе, и др. Для реализации метода слежения за свар- 25 ным швом можно испольэовать и другие датчики измерения расстояния.

Информацию, которую получают при круговом сканировании расстояний до точек поверхности свариваемых деталей ЗО

4, можно использовать и для определения множества других параметров,кроме отклонения горелки 1 от линии шва 6. Например, по отношению между двумя расстояниями до обеих точек

35 возврата 14 и 15 можно легко определить угол между горелкой 1 и направлением сварного шва 6. По расстояниям до близлежащих точек обеих поверхностей сварных деталей можно оп- 40 ределить отклонение горелки 1 от их биссектрисы. При наличии скашивания свариваемых деталей 4 можно измерять величину этого скоса и соответствующим образом корректируя режим сварки 45 (ток, напряжение дуги и скорость движения по протяжении шва), обеспечивать заполнение шва 6 достаточным количеством металла. Аналогично положение и при изменении расстояния между обеими сварными деталями (появление расширения шва, дополнительных вставок при очень расширенных швах и пр.). Это позволяет испольэовать изобретение в промышленных роботах и сварочных автоматах.

Чтобы измерить расстояние до точки от поверхности свариваемых деталей 4, импульсный излучатель 18 освещает точ09 6 ку 12 от поверхности этих де галей.

Объектив 21 фокусирует эту точку на линейном фотоприемнике 22, благодаря свойствам котор< го идентификация положения светлой точки 39 на его поверхности не представляет проблемы, а при известных угле о4 между измерительным лучом 11 и оптической осью

23 и других характерных линиях геометрии датчика можно определить расстояние до освещенной точки 12. В качестве линейного фотоприемника целесообра. но испольэовать линейные фотоприемники (линейные матрицы) или другие элементы, позволяющие идентифицировать положение освещенной точки 39 на нем. Спектральную чувствительность фотоприемника 22 в комбинации со спектральной характеристикой фильтра

20 и импульсный излучатель 18 следует подбирать такими, чтобы свет сварочной дуги 5 не мешал измерению.Ряд известных элементов, особенно работающих в близксй к инфракрасной области, где излучение дуги силbHQ снижено по отношению к мощности, отвечает этому требованию. С целью дополнительного снижения влияния фонового освещения от сварочной дуги 5 и нагрева деталей 4 в оптической системе фотоприемника ?2 целесообразно использовать элемент с управляемой светопроницаемостью, например затвор Керра, который открывается синхронно с импульсным излучателем 18.

Для оптимальнсго определения размеров оптической системы фотоприемник» 22 необходимо разместить его напрямой 38, определенной точкой 37, которая является образом бесконечно отдаленной точки or измерительного луча 11 точки 36, и бесконечно отдаленной точкой 35, представляющей образ точки 33, в которой измеритель ный луч 11 пересекает переднюю фокальную плоскость 3 1 объектива 2 1.

Сам фотоприемник 22 должен быть расположен между точками 26 и 27, представляющими образы точек 24 и 25 измерительного луча 11, между которыми могут находиться точки 12 поверхности свариваемых деталей 4 °

Если точку 33 примем за нулевую точку при учете расстояния по длине измерительного луча 11, то расстояние между текущей точкой 12 и передней фокальной равниной 31 1 =1 cos ес, где, — уг ол между измерйтельным лучом 11 и оптической осью 23, а 1 7

1 !48 О9 Я монтаж, очистку, отливку, какссскис а и снч.ие покрытий, а также н пзмерител нных маши и:!x . костью расс-;ояние от точки 33 до текущей точки 12. Образ 39 точки 12 лежит прямой 38 на расстоянии от задней фокальной плоскости 32, равном 1 2

5 5 где f — фокуское расстояние

1о объектива. Кроме того, очевиднс, что

В силе равенство 1 5 = 1 сов, Где f угол между прямой 38 и оптической осью 23, а 1 < — расстояние между точкой 37, которая является образом бесконечно отдаленной точки 36 измерительного .".ó÷à !1 и, следовательно, находится на задней фокальной равнине 16

32, и точкой 39, которая является образом текущей точки 12. Путем замещения последовательно определенных величин получают расстояние межлу

f

7oд точкой 37 и то:кой 39 1„—

1 сову ссз

Так как в of. òè÷åñêoé системе углы оС и, Р как и фокусное расстояние f постоянные величины, каждой текущей точке 12 измерительного луча 11 соот- 25 ветстнует точке 39 прямой 38, расположенная под углом по отношению к оптической оси 23 объектива 21. При этом положении каждая точка лежащего на измерительном луче 11 отрезка 2425, который представляет диапазон измерения системы, фокусируется в соответствующей точке на прямой 38, где находится линейный фотоприемник 22, что обеспечивает точность измерения.

Изобретение позволяет сканированием определять расстояния до точек поверхности близко расположенных деталей и может быть использовано при сварке роботами исполняющими и другие 4О технологические операции, например

Ф о р м у л а и з о б р е т е к и я

1. Способ определения положения сварного шва, при котор зм осуществляют сканиронание точек. вокруг горелки датчиком, перемещающимся в глоскости, перпендикулярной оси горелки, ro окру!:;woeòè с центром, расположенкы:.. на этой оси, отличающийся тем, что, с целью повышения точности о гввделения положения сварного шва пр<,изнольной к, нфнгурацш., при сканировании определяют расстсяние or точек поверхности снариваемьи деталей от,датчика.

2. Устройство для определения положения сварного шна, о т л и ч а ю— щ е с я тем„ что оно содсржит устройство пля измерения расстояния 10, установленное ка горелке с возможностью вращения вокруг кее и включающее линейный фотоприемник 22, перед которым расположены объектив и свето.фильтр, огтическая ось которых находится под углом к измерительному лучу

11 импульсного излучения 18, причем линейный фотоприемкик i2 расположен на линии 38, определенной с сд,ой стороны точкой 37 перс=ечения задк и фокальной плоское.ти 32 линией, проходящей через центр объсктчна парал.. ельно измерительному лучу, а с другой стороны — напранле ием, параллельным линии, проходящей через центр o6., ктива и точку пересечения измерительного луча с передкей фокальной плос1348109

13«8109

1348109

Фиг. 4

Составитель В.Грибова

Техред А.Кравчук

Редактор А. Огар

Корректор М. Поко

Заказ 5149/12 Тирах 969

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Подписное

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