技术领域
[0001] 本
发明涉及光电测量技术领域，具体地涉及一种搅拌头压下量的在线检测装置与检测方法。
背景技术
[0002] 搅拌摩擦焊作为一种轻
合金材料连接的优选
焊接技术，使得国内外对搅拌摩擦焊技术的研究非常重视，研究也逐渐深入。研究的内容主要集中在焊机工艺、焊接材料和焊接设备等方面，研究热点包括搅拌头与
工件摩擦产热模型、搅拌
摩擦焊接过程模拟及预测、
焊缝形成与热塑金属的迁移、搅拌摩擦焊作用
力影响、焊缝中
缺陷形成的机制和搅拌摩擦焊引发的残余
应力与
变形等方面，从研究热点可以看出焊接过程中压力和产热引起的
温度变化，以及由温度变化引起的高温塑性区域和热
辐射区域大小
对焊接性能有着非常重要的影响。
[0003] 国内外很多机构开展了相关研究，在国外，美国的爱迪生焊接研究所与英国焊接研究所对FSW焊接工艺开展了大量研究；美国的洛克希德*
马丁航空航天公司、马歇尔航天飞行中心、美国海军研究所、南卡罗里纳大学、德国的Stuttgart大学、澳大利亚的Adelaide大学、澳大利亚焊接研究所等都从不同的
角度对搅拌摩擦焊进行了专
门研究。在国内，北京赛福斯特技术有限公司、哈尔滨工业大学、上海交通大学、南京航空航天大学、兰州理工大学和西北工业大学等对搅拌摩擦焊也进行了大量的研究。但是国内外大部分研究都集中在焊机工艺和焊接材料上，对搅拌摩擦焊过程中温度场、作用力和热塑性区方面的研究主要也是集中在有限元仿真方面，对焊接热性能的在线检测研究特别少。
[0004] 焊接过程中作用力对
焊接性能的影响，国内外也开展了相关研究，C.D.Sorensen等研究了搅拌针纵向力的分布情况，结果表明了搅拌针上受力的大小与该点到轴肩的距离成正比的关系；张昭等研究了搅拌摩擦焊中下压力对焊接过程的影响，研究表明下压力的大小影响焊接温度的峰值，焊接温度越高搅拌头受力越小，进而影响焊接
质量；王希靖等对搅拌摩擦焊下压力进行了测试,得出转速、下压量和下压速度是影响下压力的主要因素，也研究了不同轴肩下压量下焊接材料的应力场及变形量影响；邢丽等研究了轴肩下压量对接头界面迁移和搭接接头力学性能的影响。结果表明控制轴肩下压量，当轴肩下压量合适时，焊缝两侧的界面仅发生较小的迁移。
[0005] 通过研究发现焊接压力会影响搅拌摩擦生热，并对搅拌后的塑性金属起到压紧作用，焊接压力过大过小都将对焊接产生不利影响，而焊接压力与搅拌头的压下量直接相关，所以实现对焊接过程中搅拌头压下量的在线测量可以有效提高焊接的质量。
发明内容
[0006] 为了克服
现有技术的缺陷，本发明提供一种搅拌头压下量的在线检测装置与检测方法，其利用三角激光测距技术对在焊接过程中搅拌头压下量进行在线测量的检测系统，通过对搅拌头压下量的实时检测可以了解到焊接压力的变化情况，从而进一步实现对焊接压力的有效控制，提高焊接的质量。
[0007] 具体地，本发明提供一种搅拌头压下量的在线检测装置，其包括温控箱、距离测量装置、工控机以及
温度控制装置，所述距离测量装置以及温度控制装置与所述工控机双向通讯连接，
[0008] 所述距离测量装置包括第一激光测距仪以及第二激光测距仪，所述温度控制装置设置有两组，第一组温度控制装置包括第一温度
传感器以及第一温度调节模
块，第二组温度控制装置包括第二温度传感器以及第二温度调节模块，第一温度调节模块以及第二温度调节模块均包括
半导体制冷片、微
控制器以及外围
电路，所述
微处理器与所述工控机通讯连接并受控于所述工控机，
[0009] 第一激光测距仪以及第二激光测距仪设置在所述温控箱内，第一温度调节模块和第二温度调节模块在所述温控箱的内壁上相对设置，所述第一温度传感器和第二温度传感器分别安装在所述温控箱的上内壁或下内壁，所述第一温度传感器和第二温度传感器在设定的时间间隔内检测温控箱的温度信息，并将温度信息上传至工控机，所述工控机内部设置有温度
阈值，所述工控机对接收到的温度信息与温度阈值进行比较，当温度信息超出温度阈值范围时向
微控制器发送温度调控
信号，所述微控制器根据接收到的温度调控信号控制半导体制冷片对温控箱的温度进行调节，
[0010] 在焊接过程中，第一激光测距仪以及第二激光测距仪发射出的激光透过通光口分别照射到搅拌
支架与焊接
母材的表面，反射光线再次通过通光口返回至第一激光测距仪以及第二激光测距仪的接收端。
[0011] 优选地，还包括显示装置，所述显示装置连接所述工控机的输出端。
[0012] 优选地，所述温控箱内壁设置有隔
热层。
[0013] 优选地，第一激光测距仪以及第二激光测距仪分别通过金属支架固定于温控箱内的中间
位置，搅拌支架的搅拌针深入到焊接母材的焊缝中。
[0014] 优选地，温度阈值范围为18℃-22℃。
[0015] 优选地，本发明还提供一种搅拌头压下量的在线检测方法，其包括以下步骤：
[0016] S1、开启距离测量之前对温控箱内的温度进行调节，采用人工调节方式，将制冷片的工作模式置于大功率工作模式下，在一分钟之内将温控箱内的温度调节至20℃，之后将调节方式设为
自动调节方式，温度控制装置将温控箱内的温度控制在温度阈值内；
[0017] S2、将测量装置移动至靠近焊接装备旁，使用工控机上的
软件打开两激光测距仪，调节第一激光测距仪和第二激光测距仪，使它们分别照射到搅拌支架与焊接母材的表面，搅拌针首次进入焊缝时，将两台激光测距仪测量的距离值传至工控机，两组数据经过数据预处理后，分别计算出两组数据的平均值，并求得两个平均值的差值，将此差值设定为标定值；
[0018] S3、搅拌针在焊缝中的深度保持不变，此时焊接母材处于不断移动当中，两台激光测距仪开始进行实时测量，并将距离数据传至工控机，对距离数据分别进行卡尔曼滤波及剔除野点，将处理后的距离数据与标定值进行比较，所得差值即为压下量的变化值，最后将压下量的变化曲线于工控机的显示屏上进行实时显示，根据压下量的变化情况可以对搅拌头的高度做出调整，从而保证焊接质量。
[0019] 优选地，步骤S1中温度阈值范围为18℃-22℃。
[0020] 优选地，步骤S3中采用卡尔曼滤波方法对数据进行平滑滤波并剔除异常值，利用测量距离的估计值与实际测值进行最优化估计，将估计误差与测量误差以白噪声替代；
[0021] S31、确定
状态空间表达式，在实际测量过程中，压下量只会在极小范围内变化，针对于离散测量数据，采用公式(1)表示两个状态变量间的关系，即前一测量点的最优估计值与当前点距离估计值的关系：
[0022] Xk|k-1＝Xk-1|k-1 (1)
[0023] 其中Xk|k-1表示第k点的估计值，Xk-1|k-1表示第k-1点的最优估计值，上述表达式隐含了随机估计误差，随机估计误差及测量误差均看作是白噪声，其中将观测误差的方差记为R，将估计误差的方差记为Q，确定Q与R的值后进行步骤3的
迭代运算；
[0024] S32、观测误差的方差R由公式(2)确定，而估计误差的方差则由多次
数据处理实验来确定，由数值S的大小判断滤波效果，S由公式(3)确定，其中N为测量数据的总数，当S的值处于0.01～0.03之间时，说明此时滤波结果较好，从而确定Q与R的关系式为公式(4)，[0025]
[0026]
[0027]
[0028] 观测误差的方差随着当前点的移动而不断更新，公式(2)中，Zk-i表示所有第k点之前的测量值，Xk-i|k-i表示所有第k点之前的最优估计值，以公式(2)计算第k点的测量方差；通过所有实际测量值与最优估计值的比较，从而得到判断滤波效果的标准，根据此标准确定观测误差方差与估计误差方差之间的关系，并由公式(4)确定，其中a、b、c参数的确定与搅拌针的长度与焊接母材的厚度有关，确定好上述参数后即进行以下的迭代计算过程；
[0029] S33、迭代计算过程按照公式(5)～(8)进行，在对每个数据点的滤波过程中伴随着对异常值的剔除操作，依照公式(9)依次判断测量值Zk是否为异常值，
[0030] pk|k-1＝pk|k-1+Q (5)
[0031]
[0032] Xk|k＝Xk|k-1+Kgk·(Zk-Xk|k-1) (7)
[0033] pk|k＝(1-Kgk)·pk|k-1 (8)
[0034]
[0035] 式(5)～(8)中pk|k-1是对应于第k点的误差估计协方差，pk-1|k-1是对应于第k-1点的误差估计协方差，通过计算第k点的卡尔曼增益Kgk，得到第k点的最优估计值Xk|k，继而再求出Xk|k所对应的误差估计协方差pk|k，式(9)中Rk-1表示第k-1点的观测方差，利用下述初始化方式对迭代运算过程进行初始化，即可完成对所有测量点的滤波；
[0036] S34、取前三个测量值的平均值为第一个测量点的最优估计值X1|1，所对应的误差估计协方差p1设置为Z1与X1|1差值的平方，即公式(10)：
[0037] p1＝(Z1-X1|1)2 (10)
[0038] S35、初始化参数后，通过循环迭代过程不断更新pk|k与Xk|k，由于前两个测量值不进行滤波操作，所以整个迭代过程将进行N-3次。
[0039] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0040] (1)本发明的压下量检测装置测量
精度高，测量误差可控制在0.01mm以内；
[0041] (2)本发明的测量
频率高，利用测量频率达2.5kHz的激光测距仪，从而实现在焊接过程中对压下量的实时测量，并大大减小了目标物体在位移过程中带来的距离测量误差；
[0042] (3)本发明的激光测量装置置于温度几乎恒定的温控箱内，保证了激光测量的
稳定性与精准度；
[0043] (4)本发明采用卡尔曼滤波、异常数据剔除
算法对数据进行处理，进一步减小了测量误差，从而得到更为精确的压下量变化情况；
[0044] (5)本发明的测量过程依靠软件控制，实现焊接过程中压下量的自动测量及结果分析。
附图说明
[0045] 图1是压下量检测系统示意图；
[0046] 图2是温度控制与检测装置示意图；
[0047] 图3是压下量与控制装置示意图；
[0048] 图4是压下量检测实验数据处理结果；
[0049] 图5是实验压下量变化曲线图。
具体实施方式
[0050] 以下将参考附图详细说明本发明的示例性
实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
[0051] 本发明所述搅拌头压下量的检测系统如图1所示，其包括距离测量装置与温度控制装置，距离检测装置主要由第一激光测距仪5、第二激光测距仪13以及工控机1组成，两台激光测距仪与工控机之间进行双向通讯，温度控制装置主要第一组温度调节模块2、第二组温度调节模块6、第一温度传感器4以及第二温度传感器7组成，温度调节模块包括半导体制冷片及控制其工作的独立微处理器及外围必要电器组成，微处理器需从工控机得到控制指令，然后以微处理器当中存储的程序对制冷器进行控制，工控机会监控微处理器的运行情况，并以人工操作的方式进行调整。
[0052] 本发明所述温度控制与检测装置如图2所示，并结合图1所述，第一激光测距仪5与第二激光测距仪13置于温控箱1内，温控箱内壁设有
隔热层3，第一组温度调节模块2和第二组温度调节模块6分别安装在温控箱1的两个相对的内壁上，实现温控箱内部降温操作，第一温度传感器4以及第二温度传感器7分别安装在温控箱的上下内壁，每隔0.5s检测一次温控箱内部的温度，并将温度数据上传至工控机14，进行焊接操作之前即温度控
制模块即开始工作，将温控箱内的温度调至20℃，在进行焊接操作时，由温度的变化速率自动调节温度
控制模块的功率，将温控箱内的温度控制在18℃-22℃之间，温控箱内的实时温度变化曲线可由工控机的
显示面板上查看。
[0053] 所述压下量检测与控制装置如图3所示，并结合图1所述，第一激光测距仪5、第二激光测距仪13分别通过金属支架11、12固定于温控箱内的中间位置，搅拌针深入到焊接母材的焊缝15中，在焊接过程中，第一激光测距仪5、第二激光测距仪13发射出的激光透过粘有
石英镜片的通光口8分别照射到搅拌支架10与焊接母材9的表面，反射光线再次通过通光口8返回至激光测距仪的接收端，从而实现测距的目的，所测距离上传至工控机14。
[0054] 本发明所使用激光测距仪的主要参数如表1所示，此款距离传感器适用于快速测量炙热发红金属被测物的距离，蓝光激光可以减少工作环境带来的不良影响，并使激光更少的投射进入被测物体表面，从而实现更加精准的测量。
[0055] 表1
[0056]
[0057] 压下量检测过程：
[0058] (1)在开启距离测量之前对温控箱内的温度进行调节，由于温控箱的初始温度较为恒定，所以采用人工调节方式，将制冷片的工作模式置于大功率工作模式下，在一分钟之内将温控箱内的温度调节至20℃，此时将调节方式设为自动调节方式，温控模块将依据温控箱内的实时温度变化情况，并结合温度变化速率改变制冷功率，将温控箱内的温度控制在18℃-22℃之间；
[0059] (2)将测量装置移动至靠近焊接装备旁，使用工控机上的软件打开两激光测距仪，调节激光测距仪5和激光测距仪13，使它们分别照射到搅拌支架10与焊接母材9的表面，搅拌针首次进入焊缝时，将两台激光测距仪测量的距离值传至工控机，两组数据经过数据预处理后，分别计算出两组数据的平均值，并求得两个平均值的差值，将此差值设定为标定值；
[0060] (3)搅拌针在焊缝中的深度保持不变，此时焊接母材处于不断移动当中，两台激光测距仪开始进行实时测量，并将距离数据传至工控机，对距离数据分别进行卡尔曼滤波及剔除野点，将处理后的距离数据与标定值进行比较，所得差值即为压下量的变化值，最后将压下量的变化曲线于工控机的显示屏上进行实时显示。
[0061] 本发明的数据处理方法：
[0062] 采用卡尔曼滤波方法对数据进行平滑滤波并剔除异常值，利用测量距离的估计值与实际测值进行最优化估计，将估计误差与测量误差以白噪声替代；
[0063] (1)、确定状态空间表达式，在实际测量过程中，压下量只会在极小范围内变化，针对于离散测量数据，采用公式(1)表示两个状态变量间的关系，即前一测量点的最优估计值与当前点距离估计值的关系：
[0064] Xk|k-1＝Xk-1|k-1 (1)
[0065] 其中Xk|k-1表示第k点的估计值，Xk-1|k-1表示第k-1点的最优估计值，上述表达式隐含了随机估计误差，随机估计误差及测量误差均看作是白噪声，其中将观测误差的方差记为R，将估计误差的方差记为Q，确定Q与R的值后进行步骤3的迭代运算；
[0066] (2)、观测误差的方差R由公式(2)确定，而估计误差的方差则由多次数据处理实验来确定，由数值S的大小判断滤波效果，S由公式(3)确定，其中N为测量数据的总数，当S的值处于0.01～0.03之间时，说明此时滤波结果较好，从而确定Q与R的关系式为公式(4)，[0067]
[0068]
[0069]
[0070] 观测误差的方差随着当前点的移动而不断更新，公式(2)中，Zk-i表示所有第k点之前的测量值，Xk-i|k-i表示所有第k点之前的最优估计值，以公式(2)计算第k点的测量方差；通过所有实际测量值与最优估计值的比较，从而得到判断滤波效果的标准，根据此标准确定观测误差方差与估计误差方差之间的关系，并由公式(4)确定，其中a、b、c参数的确定与搅拌针的长度与焊接母材的厚度有关，确定好上述参数后即进行以下的迭代计算过程；
[0071] (3)、迭代计算过程按照公式(5)～(8)进行，在对每个数据点的滤波过程中伴随着对异常值的剔除操作，依照公式(9)依次判断测量值Zk是否为异常值，
[0072] pk|k-1＝pk|k-1+Q (5)
[0073]
[0074] Xk|k＝Xk|k-1+Kgk·(Zk-Xk|k-1) (7)
[0075] pk|k＝(1-Kgk)·pk|k-1 (8)
[0076]
[0077] 式(5)～(8)中pk|k-1是对应于第k点的误差估计协方差，pk-1|k-1是对应于第k-1点的误差估计协方差，通过计算第k点的卡尔曼增益Kgk，得到第k点的最优估计值Xk|k，继而再求出Xk|k所对应的误差估计协方差pk|k，式(9)中Rk-1表示第k-1点的观测方差，利用下述初始化方式对迭代运算过程进行初始化，即可完成对所有测量点的滤波；
[0078] (4)、取前三个测量值的平均值为第一个测量点的最优估计值X1|1，所对应的误差估计协方差p1设置为Z1与X1|1差值的平方，即公式(10)：
[0079] p1＝(Z1-X1|1)2 (10)
[0080] 初始化参数后，通过循环迭代过程不断更新pk|k与Xk|k，由于前两个测量值不进行滤波操作，所以整个迭代过程将进行N-3次。
[0081] 利用上述检测装置及数据处理方法进行焊接过程中压下量的检测实验，实验中所使用的焊接母材为2195
铝合金材料，板材尺寸为300mm*100mm*3mm，采用的搅拌针为右
螺纹圆柱搅拌针，搅拌针直径为5mm，搅拌针长度为3mm，搅拌头轴肩直径为13mm。实验时，按照所述检测过程(1)，将温控箱内温度快速调节至设定温度，之后保持温控箱内的温度基本恒定，然后按照检测过程(2)，搅拌针插入焊缝适合深度后停留5～10s，在此期间，两激光测距仪分别对焊接母材表面及焊接支架表面进行测量，两组数据经滤波后，取两平均值的差值作为定标数据，本次实验中，定标结果为50.75mm，之后搅拌针在焊缝中不断行进以完成焊接，其中搅拌针的转速为750r/min，行进速度为60mm/min，两激光测距仪在搅拌针行进过程中连续对搅拌支架及焊接母材的表面进行实时距离测量，数据处理程序对采集到的距离数据进行滤波处理，两组经滤波后的数据曲线如图4所示，在搅拌针行进过程中，两组距离值会在极小的范围内上下
波动，这表示搅拌头与焊接母材的相对位置在不断的变化当中，为显示变化曲线的细节，图中所展示的仅为部分数据曲线，依照标定值，得到压下量的变化曲线如图5所示，下压变化量表征了搅拌头与焊接母材之间相对位置的具体变化情况，实时的距离变化情况是描述焊接压力变化的重要依据之一。
[0082] 最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于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：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，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范围。
