Способ определения положения сварного шва и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 80134810 В 23 К 9/ ГОСУДАРСПО ДЕЛ ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ неро Кными цией ВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ(71) Институт по техническа кибтика и роботика (ВС)(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕСВАРНОГО ШВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к свному производству, в частностиэлектродуговой сварке промьпплероботами с произвольной конфигу шва. Изобретение позволяет повыситьточность определения полокения сварного шва произвольной конфигурации,Это достигается тем, что зона вблизиместа сварки сканируется лучом, приэтом измеряется расстояние до поверхности изделия датчиком, вращающимсявокруг горелкиДатчик расстоянияпредставляет собой оптическую систему с импульсным излучателем света,линейным фотоприемником, фильтром,объективом. На фотоприемнике проектируются точки (образы) импульсовизлучателя, соответствующих расстоянию до поверхности изделия. При этомполучается трехмерное иэображениесварной эоны. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.Изобретение относится к сварочному производству, в частности к электродуговой сварке промьипленными роботами и другими автоматами с электронз ным управлением, и может быть использовано в системах слежения за сварным швом,Известен способ слежения за сварным швом (патент ФРГ У 2711660,кд. В 23 К 9/12, 1978), при которомзона, расположенная около места сварки,сканируется телевизионной камерой,при этом получается двумерное сечение в зоне сварного шва или вблизи 16нее, После этого известными математи 10 комплекса.Известно фотоэлектрическое следящее устройство,с помощью которого осуществляют сканирование поверхностиизделия датчиком, жестко закрепленным на горелке (авторское свидетельство СССР В 298443, кл. В 23 К 9/10,1968).Известны также устройства для слекения за сварочным швом, реализующееизмерение расстояния до близко расположенных свариваемых деталей путемприменения индуктивных, емкостных,микроволновых, пневматических датчиков.Известные устройства характеризуются тем, что диапазон измерения ограничен до нескольких миллиметров иих применение при сварке затруднительно из-эа необходимости располагать их в непосредственной близостиоколо 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 положсния сварного шва, при которомосуществляют сканирование точек вокруг горелки датчиком, перемещающимся ческими методами распознается точка, сквозь которую должна пройти сварочная горелкаНедостаток 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, 5 что снижает надежность сварочного в плоскости, перпендикулярной оси горелки, по окружности с центром, расположенным на этой 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 1ца к трам может бьть расположена; а - верх;ость сцзрцвземай ЛеталиПзтчик из;ерения расстояния О включает импульсный источник света 185 (фиг. 2) и оптическую систему 19, а также светофильтр 20, имеющий соответствующую спектральную характеристику, с оптической системой 21 и:цнейным Фотоприемником 22, причем о. - тическая лсь 23 оптической систем 21 расположена под угломпо аг.шениюк измерительному лучу 11, цзлученцому источником света 18 з ее голезрения выбрано таким, что все тачкиизмерительного луча 11, расположенные между предельными точками 24 и 25(фиг. 3), ограничивающими диапазонизмерения датчика 10, имеют образ цалинейном фотоприемнике 2. Изме;расположение этого образа нз ли ейном фотоприемнике, можно опредед.тьрасстояние до текущей точки 12 г; -верхцости сварной детали, Поз ициями26 и 27 обозначены обрззь предельных 5точек 24 и 25 на фотоприемнике 22.Расстояния до предельных точек 24 и25 выбраны так, что когда поверхностьсвариваемых деталеи 4 касательна кгорелке 1, то расстояние 1 должнобыть ближе к предельной точке 25 зпредельная точка 24 должца бытьближе расстояния 1, до штифта 17,которым обозначен нулевой радиусвектор 16, Положение поверхности свзриваемых деталей 4, когда горег хекасательна к ним, обозначено граничными линиями 28 и 29, Позицией 30обозначена зона, в которой можно наносить сварной шов 6, т,е. где мсжетгореть дуга 5, Позициями 31 и 32обозначены соответственно передняя и задняя фокальные плоскости объектина 21, а позицией 33 - точка, вкоторой измерительный луч 11 пересе 45кает переднюю фокальную плоскость 21. Луч 34 показывает направление образа 35 точки 33, а луч 36 направление бесконечно отдаленной от изм.рительцого 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 Фото- приемник 22 должен лежать луче 38.раз 39 кба". .: ц с; азата,цых1( те к у щх ) тч и.,з х а д ч ц;х с я м е ,ут яками 24 и 25 т.е.дизп;зоне из. ерецця рзсст яццг, ьр;т, руетсяоднозначно нз 1 инейцам отоприемцике22, 1 окусировзнцое расстояние 1, доштифа 17 дает л гка рззграцичимьй импуьс 40, соответствующий нулевомурадиус,-вектору 16, В оптическую систему да"чика мажет вхдить элемент суправлчемой снетогроцицземостью 41(например, затвор Ееррз), работающийс импудь ным излучателем 18,Примерная форма сигнала датчикара.стоция 10 (фиг. 4) показывае г,что при переходе чер . точку .с зврзтз14 кривая резко меняет характер. При,етзлей 4 можно вьйти зз пред ь диз.пз она работы дзт цкз рз;.стояния 10.С .брзтнс, стороны горелки 1, Гдеуж есть сформированный сварной шов6, форма сигнала может содержать всебе вторую точку возврата 15 илидолжна иметь другую Форму, представляющую соответствующий образ сварцо -го швз. По цей можно удцть о формевыполненной сварки,Устроистцо работает следующим образом,При непрерывном вращении датчикарасстояния 10 около сварной горелки1 его измерительный луч 11 последовательна измеряет расстояния на обеихсвариваемых деталях 4. На Фиг. 1 измерительный луч 11 описавает цилиндрические поверхности, а пересечениеобразовано от кривых 13. Измерительный луч 11 может описывать и коническую поверхность, что зависит от способа прикрепления датчика расстояния10 к основе 8.Так как положение датчика расстояния 10 в координатной системе сварочной горелки 1 всегда известно (дляизмерения угла поворота можно использовать датчик углового положения,респективно вращение должно осуществляться шаговым электродвигателем), поинформации, полученной при одном повороте датчика расстояния 10 окологорелки 1, можно определить взаимноерасположение горелки 1 и свариваемыхдеталей 4.Способ позволяет измерять расстояния до точек поверхности свзриваемыхложение 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 точ 09 6ку 12 от поверхности этих деталей.Объектив 21 фокусирует эту точку на линейном фотоприемцике 22, благодаря свойствам котор го идентификация положения светлой точки 39 на его поверхности не представляет проблемы, а при известных угле о 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 цо испольэовать лицейные фотоприемники (линейные матрицы) или другие элементы, позволяющие идентифицировать положение освещанной точки 39 на цем. 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 сильно 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 22 целесообразно использовать элемент с управляемой светопроницаемостью, например затвор Керра, который открывается синхронно симпульсным излучателем 18.Для оптимального определения размеров оптической системы фотоприемника 22 необходимо разместить его напрямой 38, определенной точкой 37, которая является образом бесконечно отдаленной точки ог 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 деталейЕсли точку 33 примем за нулевую точку при учете расстояния по длине измерительного луча 11, то расстояние между текущей точкой 12 и перед. ней фокальной равниной 31 1 =1 сов К, где, м, - угол между измерйтельным лучом 11 и оптической осью 23, а 1.7 1148 1 О 9 Ямонтаж, очис гку, отливку, нанесениеа и снч.ие покрытий, а также в измерител ьзих маши н:х,костью расстояние от точки 33 до текущей точки 12. Образ 39 точки 12 лежит прямой 38 на расстоянии от задней фокальной плоскости 32, равном 125 5где 1 - фокуское расстояние1объектива. Кроме того, очевидно,что в силе равенство 1= 1 сов, где / угол между прямой 38 и оптической осью 23, а 1 - расстояние между точкой 37, которая является образомбесконечно отдаленной точки 36 измерительного луча 1 и, следовательно, находится на задней фокальной равнине 15 32, и точкой 39, которая является образом текущей точки 12, Путем замещения последовательно определенных величин получают расстояние межлу 1 22 п точкой 37 и точкой 39 1 -1 сов. соврТак как в оптической системе углы сЕ и,3, как и фокусное расстояние Г постоянные величины, каждой текущей точке 12 измерительного луча 11 соот ветствует точке 39 прямой 38, расположенная под углом р по отношению к оптической оси 23 объектива 21. При этом положении каждая точка лежащего на измерительном луче 11 отрезка 24- 30 25, 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 4 О технологические операции, например Формула изоГретения1. Способ определения положения сварного шва, при котором осуществляют сканирование точек вокруг горелки датчиком, перемещающимся в глоскости, перпендикулярной оси горелки, по округ;ности с центром, расположенкы,. на этой оси, о т л и ч а ю щ и й с я т;.м, что, с целью повышения точности определения положения сварного шва произвольной к,нфигурацш, при сканировании определяют расстояние от точек поверхности свнриваемьи деталей от датчика.2. Устройство для определения положения сварного шва, о т л и ч а ю - Л е е с я тем что оно содержит устройство лля измерения расстояния 10, установленное ка горелке с возможностью вращения вокруг кее и включающее линейный фотоприемник 22, перед которым расположены объектив и светофильтр, оптическая ось которых находится под углом к измерительному лучу 11 импульсного излучения 18, причем линейный фотоприемник "2 расположен на линии 38, определенной с сд,ой стороны точкой 37 пере:ечения задкй фокальной плоскости 32 линией, проходящей через центр объсктчва параллельно измерительчому лучу, а с другой стороны - направле ием, параллельным линии, проходящей через центр об, ктива и точку пересечения измерительного луча с передкей фокальной плос 13481091348109 иг. В.Грибоввчук оставител ехред А.К актор А. Ог орректор М. Поко каз 514 писное олиграфичеакое предприятие, г. Ужгород роизводственн ектн ВНИИПИ Г по дел 113035, МоТирах 969 дарственного коми изобретений и отк а, Ж, Раушская ета СССРытийнаб д. 4/5