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一种搅拌摩擦焊瞬态 温度在线控制系统及方法

阅读：1034发布：2020-05-16

专利汇可以提供一种搅拌摩擦焊瞬态温度在线控制系统及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种搅拌摩擦焊瞬态温度在线控制系统及方法，控制系统包括高精度相机、白平衡光源、颜色传感器、控制计算机以及液晶显示器，所述高精度相机与颜色传感器安装在焊机主轴支架上待焊接材料的两侧，并通过信号线分别与控制计算机相连，所述白平衡光源安装在颜色传感器同侧，包括白色高亮 LED灯和按键控制面板，白色高亮LED灯设有避光灯罩，通过螺栓固定在搅拌摩擦焊接主轴支架上，随搅拌头同步运动，LED灯发出白光照到搅拌头上，搅拌头将自身颜色的光反射给颜色传感器。本发明中的控制方法能够在线监测搅拌摩擦过程中的实时温度，对轴肩下压量做出调整，提高焊缝的稳定性，提高接头的使用寿命。，下面是一种搅拌摩擦焊瞬态温度在线控制系统及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种搅拌摩擦焊瞬态温度在线控制系统，其特征在于：包括高精度相机、白平衡光源、颜色传感器、控制计算机以及液晶显示器，所述高精度相机与颜色传感器安装在焊机主轴支架上待焊接材料的两侧，并通过信号线分别与控制计算机相连，所述白平衡光源安装在颜色传感器同侧，包括白色高亮 LED灯和按键控制面板，白色高亮LED灯设有避光灯罩，通过螺栓固定在搅拌摩擦焊接主轴支架上，随搅拌头同步运动，LED灯发出白光照到搅拌头上，搅拌头将自身颜色的光反射给颜色传感器。
2.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦焊瞬态温度在线控制系统，其特征在于：所述白色高亮LED灯正向电压为3.0～7.2V，发光强度为1500-2000MCD，正向电流为20mA，色温为
2700～25000K，可通过LED灯自身旋转装置控制灯头角度。
3.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦焊瞬态温度在线控制系统，其特征在于：所述按键控制面板包括LCD显示模组和电源电压设定按键，按键控制面板内部采用可充电锂电池搭配5V稳压模块为LED灯供电，LCD显示模组用于实时显示电压数值。
4.权利要求1所述的一种搅拌摩擦焊瞬态温度在线控制系统的控制方法，其特征在于：
具体包括以下步骤：
步骤1：对控制系统的高精度相机、控制计算机内部的串口、定时器、寄存器进行初始化；
步骤2：对颜色传感器进行白平衡调整，调整后颜色传感器将采集到的搅拌头颜色信息进行线性化处理：依次选通传感器三颜色的滤波器，然后对输出脉冲进行计数，当计数到
255时停止计数，分别计算每个通道所用的时间，在这段时间所测得的脉冲数就是所对应的R、G、B值，为后续建立模型提供颜色参数；
步骤3：通过前期热电偶测量法得到多组焊缝周围的温度数据，得到焊接区域最理想状态时下压量对应的温度值并输入控制计算机，控制计算机采用OpenCV视觉库函数根据高精度相机采集的图像进行实时颜色识别，结合颜色传感器线性化处理之后的R、G、B值建立搅拌摩擦焊接搅拌头瞬态温度与轴肩下压量线性关系模型，同时根据预先设定的理想下压量对应的温度值，计算出轴肩下压量修正参数，实现搅拌摩擦焊接过程中下压量的实时调整；
步骤4：当搅拌头瞬态温度等于预先设定的理想下压量对应的温度值，维持当前轴肩下压量参数不变；当温度数值超过这一阈值，根据预先设定的工艺规范，减小轴肩下压量；当搅拌头温度数据低于阈值时，增加轴肩下压量；控制计算机将下压量的调整反馈到焊接设备的数控系统中，形成循环控制以达到连续稳态焊接。
5.根据权利要求4所述的基于高精度图像识别的搅拌摩擦焊瞬态温度在线控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤2中的白平衡调整方法如下：
通过白平衡光源控制，将白色高亮LED灯置于颜色传感器上方，将白色光照射到搅拌头上，进而颜色传感器接收光源，根据白平衡调整的差值公式：差值＝|R待测-R标准|+|G待测-G标准|+|B待测-B标准|，依次分别测得红、绿、蓝三色的RGB差值，该差值将为颜色传感器线性化处理提供校正参数。
6.根据权利要求4所述的基于高精度图像识别的搅拌摩擦焊瞬态温度在线控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤3中的颜色识别的方法如下：
当搅拌头高速旋转焊接材料时，高精度相机进行图像采集并缩小为原尺寸的0.3倍，计算机采用OpenCV提供的改进分水岭算法对图像进行分割，采集到搅拌头图像部分；根据OpenCV中计算图像直方图的接口函数原型，将搅拌头图像的R、G、B三个颜色通道分离。
7.根据权利要求4所述的基于高精度图像识别的搅拌摩擦焊瞬态温度在线控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤3中的搅拌摩擦焊接搅拌头瞬态温度与轴肩下压量线性关系模型的方法具体如下：
根据学习理论提出的一种有监督的机器学习分离器，使用支持向量机即SVM算法，将颜色识别过程中颜色通道分离的R、G、B值与颜色传感器经线性化处理后得到的R、G、B值结合，通过控制计算机进行颜色直方图计算，然后初始化SVM参数，调用SVM训练函数进行训练，生成搅拌摩擦焊接搅拌头瞬态温度与轴肩下压量线性关系模型，计算机将模型数据传送到液晶显示器上显示出搅拌头温度分布图像，实时监测搅拌头温度变化。

说明书全文

一种搅拌摩擦焊瞬态温度在线控制系统及方法

技术领域

[0001] 本发明属于焊接工艺参数在线调控技术领域，尤其涉及一种搅拌摩擦焊瞬态温度在线控制系统及方法。

背景技术

[0002] 近年来，随着航空航天工业的不断发展，以钛合金为代表的高熔点材料逐渐得到广泛的应用。针对高熔点金属的焊接，目前有诸如电弧焊、电子束焊、激光焊等传统焊接工艺，而目前针对钛合金焊接的新型固相焊接技术——搅拌摩擦焊接已成为研究的热点。搅拌摩擦焊接技术主要通过带有搅拌针和轴肩的搅拌头与待焊接工件摩擦产生大量的摩擦热从而使得焊缝材料软化，达到热塑性状态，焊缝区材料在搅拌头的旋转作用与轴肩的锻压作用下产生塑性流动与混合，最终实现材料的固相连接。

[0003] 搅拌摩擦焊作为一种固相焊接技术，由摩擦所引起的焊接温度变化是搅拌摩擦焊接过程的一个重要指标，它直接影响到焊缝接头的质量。过低的温度会导致材料软化不充分，其塑性流动性不足，焊缝区易出现孔洞等缺陷，但过高的温度也将产生组织长大、热影响区变宽等不利于焊缝性能的结果。这就要求在焊接过程中有效地检测温度变化。常见的关于搅拌头温度场检测的装置，均采用红外辐射测温或热电偶有线测温，但对于不同类型的热电偶具有不同的最佳测量温度范围，不在测量范围时，则测量误差明显增大或者是根本就无法进行测量；而红外测温比较容易受到外界因素影响。

[0004] 针对钛合金这种高熔点材料的搅拌摩擦焊接，其搅拌头材质通常选用较为昂贵的钨铼(W-Re)合金和多晶立方氮化硼(PCBN)等耐高温、耐磨损材料，在钛合金的焊接过程中搅拌头会因摩擦产生的高温而出现变红现象。在实际焊接过程中，焊接人员会根据经验判断搅拌头变红的程度微调轴肩下压量等参数，从而保证焊缝质量的均匀性。但这种操作受人为因素影响过大，由此带来的焊接质量的提高程度也无法确定。因此，根据钛合金这种高熔点材料的搅拌摩擦焊接特点，实现焊接温度的实时检测与控制，对于保证焊缝的工艺稳定性和提高搅拌头的使用寿命具有重要意义。

发明内容

[0005] 针对现有技术存在的不足，本发明提供一种搅拌摩擦焊瞬态温度在线控制系统及方法，测量精度高。能够对搅拌摩擦焊过程中钛合金这种高熔点材料的温度变化进行动态采集并实时监测，根据温度变化实时调节下压量大小。

[0006] 本发明采用以下的技术方案：

[0007] 一种搅拌摩擦焊瞬态温度在线控制系统，包括高精度相机、白平衡光源、颜色传感器、控制计算机以及液晶显示器，所述高精度相机与颜色传感器安装在焊机主轴支架上待焊接材料的两侧，并通过信号线分别与控制计算机相连，所述白平衡光源安装在颜色传感器同侧，包括白色高亮 LED灯和按键控制面板，白色高亮LED灯设有避光灯罩，通过螺栓固定在搅拌摩擦焊接主轴支架上，随搅拌头同步运动，LED灯发出白光照到搅拌头上，搅拌头将自身颜色的光反射给颜色传感器。

[0008] 所述白色高亮LED灯正向电压为3.0～7.2V，发光强度为1500-2000MCD，正向电流为20mA，色温为2700～25000K，可通过LED灯自身旋转装置控制灯头角度。

[0009] 所述按键控制面板包括LCD显示模组和电源电压设定按键，按键控制面板内部采用可充电锂电池搭配5V稳压模块为LED灯供电，LCD显示模组用于实时显示电压数值。

[0010] 前述的一种搅拌摩擦焊瞬态温度在线控制系统的控制方法，具体包括以下步骤：

[0011] 步骤1：对控制系统的高精度相机、控制计算机内部的串口、定时器、寄存器进行初始化；

[0012] 步骤2：对颜色传感器进行白平衡调整，调整后颜色传感器将采集到的搅拌头颜色信息进行线性化处理：依次选通传感器三颜色的滤波器，然后对输出脉冲进行计数，当计数到255时停止计数，分别计算每个通道所用的时间，在这段时间所测得的脉冲数就是所对应的R、G、B值，为后续建立模型提供颜色参数；

[0013] 步骤3：通过前期热电偶测量法得到多组焊缝周围的温度数据，得到焊接区域最理想状态时下压量对应的温度值并输入控制计算机，控制计算机采用OpenCV视觉库函数根据高精度相机采集的图像进行实时颜色识别，结合颜色传感器线性化处理之后的R、G、B值建立搅拌摩擦焊接搅拌头瞬态温度与轴肩下压量线性关系模型，同时根据预先设定的理想下压量对应的温度值，计算出轴肩下压量修正参数，实现搅拌摩擦焊接过程中下压量的实时调整；

[0014] 步骤4：当搅拌头瞬态温度等于预先设定的理想下压量对应的温度值，维持当前轴肩下压量参数不变；当温度数值超过这一阈值，根据预先设定的工艺规范，减小轴肩下压量；当搅拌头温度数据低于阈值时，增加轴肩下压量；控制计算机将下压量的调整反馈到焊接设备的数控系统中，形成循环控制以达到连续稳态焊接。

[0015] 所述步骤2中的白平衡调整方法如下：

[0017] 所述步骤3中的颜色识别的方法如下：

[0018] 当搅拌头高速旋转焊接材料时，高精度相机进行图像采集并缩小为原尺寸的0.3倍，计算机采用OpenCV提供的改进分水岭算法对图像进行分割，采集到搅拌头图像部分；根据OpenCV中计算图像直方图的接口函数原型，将搅拌头图像的R、G、B三个颜色通道分离。

[0019] 所述步骤3中的搅拌摩擦焊接搅拌头瞬态温度与轴肩下压量线性关系模型的方法具体如下：

[0020] 根据学习理论提出的一种有监督的机器学习分离器，使用支持向量机即SVM算法，将颜色识别过程中颜色通道分离的R、G、B值与颜色传感器经线性化处理后得到的R、G、B值结合，通过控制计算机进行颜色直方图计算，然后初始化SVM参数，调用SVM训练函数进行训练，生成搅拌摩擦焊接搅拌头瞬态温度与轴肩下压量线性关系模型，计算机将模型数据传送到液晶显示器上显示出搅拌头温度分布图像，实时监测搅拌头温度变化。

[0021] 本发明的有益效果是：

[0022] (1)这是一种新型的搅拌摩擦焊温度监测系统，根据焊接钛合金这种高熔点材料的搅拌头温度变化自动调节焊接工艺参数，保证焊缝在焊接过程中的温度峰值的一致性，提高了焊缝质量的稳定性，也能在一定程度上避免搅拌头的损伤，提高其使用寿命。

[0023] (2)基于机器学习理论建立搅拌头瞬态温度与轴肩下压量线性关系模型，并将相机图像颜色识别与颜色传感器识别算法融合矫正，使温度检测更具实时性、区域真实性，能够提高搅拌摩擦焊过程温度峰值的测量精度。

[0024] (3)本发明可以通过高精度相机与颜色传感器的协同工作，记录大量的高熔点材料焊接过程中搅拌头温度变化信息，进而可计算出焊缝区域的温度变化，有利于搅拌摩擦焊接焊缝区域的温度研究。附图说明

[0025] 图1是本发明的控制系统连接图；

[0026] 图2是本发明的控制系统工作原理图；

[0027] 图3是实施例中采用的高精度相机示意图；

[0028] 图4是本发明的白平衡光源结构示意图；

[0029] 其中，

[0030] 01-白平衡光源，02-颜色传感器，03-高精度相机，04-液晶显示器，05-控制计算机，06-轴肩，07-搅拌头，08-焊接材料，21-电源电压设定按键，22-LCD显示模组，23-主轴支架，24-避光灯罩，25-白色高亮LED灯，26-旋转装置，27-螺栓，31-嵌入式计算机硬件系统，32-信号输出接口，33-供电模块，34-数字信号处理模块，35-高分辨率CCD成像模块，36-数字图像存储，37-相机机身，38-商业光学镜头。

具体实施方式

[0031] 为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明的技术方案和效果作详细描述。

[0032] 如图1-2所示，一种搅拌摩擦焊瞬态温度在线控制系统，包括高精度相机03、白平衡光源01、颜色传感器02、控制计算机05以及液晶显示器04，所述高精度相机03与颜色传感器02安装在焊机主轴支架23上待焊接材料08的两侧，并通过信号线分别与控制计算机05相连。本实施中采用TCS230传感器。

[0033] 所述白平衡光源01安装在颜色传感器02同侧，如图4所示，包括白色高亮LED灯25和按键控制面板，白色高亮LED灯25设有避光灯罩24，通过螺栓27固定在搅拌摩擦焊接主轴支架23上，随搅拌头07同步运动，白色高亮LED灯25发出白光照到搅拌头07上，搅拌头07将自身颜色的光反射给颜色传感器02。所述白色高亮LED灯25正向电压为3.0～7.2V，本实施例中通过电源电压设定按键21将电压控制在5V，以保证发光强度稳定在1600MCD，正向电流为20mA，根据搅拌头07长度及下压量大小，通过LED灯自身旋转装置26控制灯头角度，使光线对准搅拌头07。

[0034] 所述按键控制面板包括LCD显示模组22和电源电压设定按键21，按键控制面板内部采用可充电锂电池搭配5V稳压模块为白色高亮LED灯25供电，LCD显示模组22用于实时显示电压数值。

[0035] 如图3所示，所述高精度相机03包括商业光学镜头38、相机机身37、高分辨率CCD成像模块35、嵌入式计算机硬件系统31、数字信号处理模块34、数字图像存储36、供电模块33和信号输出接口32组成，完成对搅拌头07的成像并转化成电子信号，并将信号传递给控制计算机05。所述商业光学镜头38主要参数是焦距f，焦距f和视场角θ以及成像面宽度L的关系如下：tg(θ/2)＝(L/2)/f，根据搅拌头07位置及焊接设备要求，本实施例中高精度相机03视场角设定为45°。

[0036] 所述控制计算机05用于和高精度相机03及颜色传感器TCS230 02之间的通信，实现工艺参数在线调控。

[0037] 一种搅拌摩擦焊瞬态温度在线控制方法，具体包括以下步骤：

[0038] 步骤1：对控制系统的高精度相机03、对控制计算机05内部的串口、定时器、寄存器进行初始化；

[0040] 白平衡调整后颜色传感器02将采集到的搅拌头07颜色信息进行线性化处理：依次选通传感器三颜色的滤波器，然后对输出脉冲进行计数，当计数到255时停止计数，分别计算每个通道所用的时间，在这段时间所测得的脉冲数就是所对应的R、G、B值，为后续建立模型提供颜色参数；

[0041] 步骤3：通过前期热电偶测量法得到多组焊缝周围的温度数据，得到焊接区域最理想状态时下压量对应的温度值并输入控制计算机05，采用基于OpenCV视觉库函数的控制计算机05根据高精度相机03采集的图像进行实时颜色识别，根据校正后的颜色建立搅拌摩擦焊接搅拌头07瞬态温度与轴肩06的轴肩下压量线性关系模型，同时根据预先设定的理想下压量对应的温度值，计算出轴肩下压量修正参数，实现搅拌摩擦焊接过程中下压量的实时调整；

[0042] 所述颜色识别的方法，具体如下：

[0043] 当搅拌头07高速旋转焊接材料08时，高精度相机03以20FPS 帧数进行图像采集，控制计算机05将采集到的搅拌头07图像尺寸缩小为原尺寸的0.3倍(1555px X 1037px)，计算机采用OpenCV提供的改进分水岭算法对图像进行分割，采集到搅拌头07图像部分；根据OpenCV中计算图像直方图的接口函数原型，将搅拌头07图像的R、G、B三个颜色通道分离。

[0044] 所述搅拌摩擦焊接搅拌头07瞬态温度与轴肩下压量线性关系模型的方法具体如下：

[0045] 根据学习理论提出的一种有监督的机器学习分离器，使用其支持向量机即SVM算法，将颜色识别过程中颜色通道分离的R、G、B值与颜色传感器02经线性化处理后得到的R、G、B值结合，通过控制计算机05进行颜色直方图计算，然后初始化SVM参数，调用SVM训练函数进行训练，生成搅拌摩擦焊接搅拌头07瞬态温度与轴肩下压量线性关系模型，计算机将模型数据传送到液晶显示器04上显示出搅拌头温度分布图像，实时监测搅拌头07温度变化。

[0046] 步骤4：当搅拌头07瞬态温度等于预先设定的理想下压量对应的温度值，维持当前轴肩下压量参数不变；当温度数值超过这一阈值，根据预先设定的工艺规范，减小轴肩下压量；当搅拌头07温度数据低于阈值时，增加轴肩下压量；控制计算机05将下压量的调整反馈到焊接设备的数控系统中，形成循环控制以达到连续稳态焊接。

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