CN104439620B - 窄间隙焊接电弧摇动的适应控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种窄间隙焊接电弧摇动的适应控制方法及装置，控制装置由红外摄像机系统、计算机图像处理系统、电弧摇动参数控制系统、折弯导电杆式摇动电弧焊炬等构成；红外摄像机系统以外触发方式采集电弧偏向坡口左侧壁或右侧壁时的焊接区域红外图像，经过计算机图像处理后，实时提取坡口宽度信息，并计算电弧摇动角度目标值；电弧摇动参数控制系统控制电机驱动机构转动折弯导电杆，带动焊接电弧按摇动角度目标值作圆弧形摇动，实现根据坡口宽度变化对电弧摇动角度的适应控制。本发明控制装置构成简单，坡口宽度检测精度高，环境适应性好，工程实用性强，可与焊缝跟踪和焊接熔敷量控制系统联合使用，达到变坡口窄间隙焊接质量适应控制的目的。

Description

窄间隙焊接电弧摇动的适应控制方法及装置

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，特指一种在坡口宽度变化条件下对窄间隙焊接电弧运动进行适应控制的方法及装置。

背景技术

窄间隙熔化极气体保护焊是一种高效、高质量、低成本的焊接方法。在实际窄间隙焊接过程中，往往由于受坡口加工误差、工件装配误差、焊接热变形等因素的影响，会导致坡口宽度大小和焊缝中心位置发生变化，使得即使采用摇动电弧焊接法、高速旋转电弧焊接法、蛇形焊丝焊接法等控制坡口侧壁熔透的新工艺也不能保证电弧始终均匀有效地加热坡口侧壁，同时也难以保证获得稳定的焊缝高度，从而影响焊接质量。对于这种坡口宽度变化的变坡口焊接问题，需要引入针对电弧位置的适应控制机制。

日本专利号为JP55048475A、名称为“窄间隙自动焊接方法”的专利文献中，公开采用轮式弯丝机构使焊丝预先产生圆弧状弯曲变形，电机通过蜗轮蜗杆装置驱动门板式摇动机构，带动从直型导丝管中心孔送出的呈圆弧状弯曲状态的焊丝端部的电弧，在窄间隙坡口内作往复式摇动；同时，通过锥形辊轮接触式探头探测坡口宽度，并通过与辊轮探头机构相连的电位差计将坡口宽度变化转换成电信号，最后通过门板式摇动机构控制焊丝摇动角度，以自动适应坡口宽度的变化。其缺点是：1）轮式弯丝机构和蜗轮蜗杆式摇动机构复杂，不方便调节焊丝弯曲度和电弧摇动半径；2）焊丝预变形和摇动导向机构远离焊丝伸出端，使得焊丝从导电嘴送出后摇动规则性不强；3）接触式坡口宽度传感探头易磨损，且传感检测点与焊接电弧位置不同步，使得传感精度较低；4）摇动控制装置可控性较差，导致电弧摇动控制精度下降。

中国专利号为ZL200810236274.5、名称为“摇动电弧窄间隙熔化极气体保护焊接方法及装置”，采用空心轴电机直接驱动微弯导电杆绕焊炬中心轴线往复运动，带动从直型导电嘴中心孔送出焊丝端部的电弧在窄间隙焊接坡口内作圆弧形摇动，实现摇动电弧窄间隙焊接。该发明克服了上述先有技术的不足，无需对焊丝进行远程预变形处理，而是直接通过折弯导电杆为焊丝提供末端弯曲导向，从而简化了电弧摇动机构设计，并使得焊丝摇动规则性强，电弧指向性好，电弧摇动控制精度高；此外，通过采用不同折弯角度和折弯长度的弯曲导电杆，可方便地调节电弧摇动半径，以适应不同坡口宽度的焊接应用。其缺点是：对于常见的变坡口窄间隙焊接应用，未涉及具体的实施技术方案，难以使变坡口窄间隙焊接工艺实用化。

发明内容

针对现有技术存在窄间隙坡口宽度提取精度低、电弧摇动控制精度不高、焊接环境适应性不强等缺点，本发明提出一种控制精度高、工程实用性强、环境适应性好、实施方便的窄间隙焊接电弧摇动的适应控制方法及装置，根据红外视觉传感器检测坡口宽度信息，并通过折弯导电杆式摇动电弧焊炬实时调整电弧摇动角度，实现根据坡口宽度变化对电弧摇动角度的自适应控制。

本发明提出的窄间隙焊接电弧摇动的适应控制装置采用的技术方案是：包括窄间隙焊炬，窄间隙焊炬中的折弯导电杆一端与电机驱动及馈电机构相连、另一端与直型导电嘴相接，穿过窄间隙焊炬的焊丝伸入坡口宽度变化的待焊坡口中产生焊接电弧；还包括电弧摇动参数控制系统、计算机图像处理系统以及红外摄像系统；红外摄像系统包括数字式红外摄像机及红外滤光系统，计算机图像处理系统包含依次连接的图像采集卡、坡口宽度提取模块和摇动角度计算模块，图像采集卡通过视频线与红外摄像机相连，摇动角度计算模块的输出连接电弧摇动参数控制系统。

本发明提出的窄间隙焊接电弧摇动的适应控制装置的控制方法采用的技术方案是：红外摄像系统以电弧位置外触发方式获取焊接区域红外图像，经过计算机图像处理后，实时提取坡口宽度信息，并根据坡口宽度计算出电弧摇动角度目标值；然后，电弧摇动参数控制系统控制电机驱动及馈电机构直接转动折弯导电杆，控制电弧在待焊坡口内以目标摇动角度作相对于焊炬的圆弧形轨迹摇动，实现根据坡口宽度变化对电弧摇动角度的自适应控制。

进一步地，本发明窄间隙焊接电弧摇动的适应控制装置的控制方法具体又包括如下步骤：

在摇动角度计算模块中，预设电弧摇动半径r、预留工艺间隙g、坡口宽度变化判定阈值TH_w以及坡口宽度初始值G_s0后，计算出坡口初始宽度G_s0（视同为坡口实际宽度A₀B₀处的采样值）处所对应的初始摇动角度α₀；然后焊炬与红外摄像系统一起以焊接速度V_w向前移动，同时电弧摇动参数控制系统通过焊炬控制电弧在待焊坡口内作摇动角度为α₀的往复式圆弧形轨迹摇动；

电弧摇动参数控制系统根据电机转动位置检测信号P_M，在电弧偏向待焊坡口左侧壁或右侧壁（或处于坡口中心）时，向红外摄像机和图像采集卡发出电弧拍摄与图像采集触发信号P_A，使计算机图像处理系统获取焊接区域图像后，宽度提取模块通过图像处理实时提取坡口宽度；

当焊炬移动到坡口实际宽度为A_iB_i（实际采样点序数i≥1）的任意位置处时，坡口宽度提取模块实时提取该处坡口宽度当前检测值G_i，并与之前在其他位置获取的最近（n-1）（i≥n时）或（i-1）（i＜n时）个坡口宽度检测值一起，求出共n（n≥1）或i（i＜n时）个坡口宽度检测值的中值或平均值，作为A_iB_i处坡口宽度当前采样值G_si，再输入至摇动角度计算模块中；

摇动角度计算模块将坡口宽度当前采样值G_si与前次采样值G_s(i-1)进行比较，若二者差值的绝对值ΔG_si≤TH_w，则不调整坡口实际宽度为A_iB_i处的电弧摇动角度α_i；否则，由摇动角度计算模块根据坡口宽度当前采样值G_si、预留工艺间隙g和电弧摇动半径r，计算求得A_iB_i处电弧摇动角度目标值α_i后，电弧摇动参数控制系统再通过电机驱动及馈电机构驱动折弯导电杆，控制电弧作角度为α_i的圆弧形轨迹摇动，使电弧在侧壁停留点D_i和M_i处至坡口侧壁距离分别与设定的预留工艺间隙g相等；重复上述步骤至步骤，直至焊接过程结束。

在步骤中，预留工艺间隙g是在与焊接速度V_w垂直方向上电弧轴线至坡口左右侧壁的最短距离，预设的电弧摇动半径r≥（G_max－2g）/2，其中，，G_max是坡口宽度可能的最大值，a是焊炬的折弯导电杆（3）折弯部分的长度，b是焊炬的直型导电嘴（2）的长度，h是焊炬高度，β是折弯导电杆（3）的折弯角度；在步骤中，坡口宽度变化判定阈值TH_w≤0.5mm，摇动角度。

在所述步骤中，宽度提取模块实时提取坡口宽度的方法一是：当电弧偏向待焊坡口左侧壁时，根据坡口右边缘线的横向位置变化调整坡口右侧图像截取窗口定位点的横坐标值，截取坡口右侧图像，提取坡口右边缘线以及坡口右边缘线至全局图像左边界的当前距离L_1i；当电弧偏向待焊坡口右侧壁时，根据坡口左边缘线的横向位置变化调整坡口左侧图像截取窗口定位点的横坐标值，截取坡口左侧图像，提取坡口左边缘线以及坡口左边缘线至全局图像左边界的当前距离L_2i，计算出坡口宽度当前检测值G_i=（L_1i－L_2i）；

在所述步骤中，宽度提取模块实时提取坡口宽度的方法二是：通过对全局焊接图像进行处理，提取电弧区域最高点的位置坐标，根据最高点的纵坐标值确定坡口左、右侧图像截取窗口的定位点的纵坐标值，根据坡口边缘线的横向位置变化调整图像截取窗口定位点的横坐标值；用右侧图像截取窗口截取包含坡口右边缘线信息的图像后，再求取坡口右边缘线至全局图像左边界的当前距离L_1i；在同一幅图像中用坡口左侧图像截取窗口截取包含坡口左边缘线信息的图像后，再求取坡口左边缘线至全局图像左边界的当前距离L_2i，计算出坡口宽度的当前检测值G_i=（L_1i－L_2i）。

在所述宽度提取模块实时提取坡口宽度的方法中：坡口左边缘线至全局图像左边界距离L_2i的检测点的纵坐标值，与坡口右边缘线至全局图像左边界距离L_1i的检测点的纵坐标值相同，为所述位置自适应移动式图像截取窗口内坡口边缘线上m（m≥1）个位置检测值的中值或平均值；在处理图像截取窗口截取的小窗口图像时，先进行中值法滤波，再对所全局图像图像进行灰度分析，自动寻找熔池图像与背景图像灰度分布的峰谷点并确定阈值点，对全窗口图像进行大津法自适应阈值分割处理，最后用Canny边缘检测算子提取坡口边缘线；在对全局焊接图像处理时，先采用中值法滤波和对比度拉伸处理，然后对焊接图像进行全局固定阈值分割后提取电弧区域轮廓，再对电弧区域轮廓进行形态学腐蚀处理后，提取电弧区域最高点的位置坐标；根据电弧拍摄与图像采集脉冲触发信号P_A或电弧区域最高点横坐标值，辨识并确认电弧偏向坡口左侧壁或是偏向坡口右侧壁或是在坡口中心。

本发明与先有技术相比，其有益效果是：

1）采用红外摄像机以非接触方式实时检测窄间隙坡口宽度，其检测点与电弧位置同步性好，检测灵敏度和检测精度高，抗焊接飞溅、烟尘和电弧弧光干扰能力强。

2）采用电机直接（或通过传动副）驱动的折弯导电杆式摇动机构，使得电弧指向性更好，电弧摇动角度控制精度更高，同时还简化了焊炬机构设计。

3）通过小窗口截取远离电弧侧的坡口边缘区域图像进行处理，可有效避免运动电弧干扰，进一步提高了窄间隙坡口宽度的传感检测精度。

4）对焊接图像进行处理时，根据电弧和坡口边缘位置的变化，实时调整坡口边缘区域图像截取窗口的位置，提高了传感检测方法的环境适应性和工作可靠性。

5）根据电弧摇动位置信号以外触发方式采集焊接图像，可实现在一个摇动周期内对坡口宽度的多次检测，从而提高了坡口宽度传感检测和电弧摇动角度控制的实时性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不限于下述实施例，凡采用等同替换或等效变换形式获得的技术方案，均在本发明保护范围之内。

图1为窄间隙焊接电弧摇动的适应控制系统原理框图。

图2为窄间隙焊接电弧摇动的适应控制过程示意图。

图3为电弧摇动半径和电弧摇动角度计算原理图。

图4为坡口宽度提取方法一的原理示意图；其中，图4（a）为电弧偏向坡口左侧壁时坡口右边缘位置提取原理图，图4（b）为电弧偏向坡口右侧壁时坡口左边缘位置提取原理图。

图5为坡口宽度提取方法二的原理示意图；其中，图5（a）为电弧偏向坡口左侧壁时前次坡口宽度提取原理图，图5（b）为电弧偏向坡口右侧壁时当前坡口宽度提取原理图。

图6为采用坡口宽度提取方法一的宽度提取流程图。

图7为采用坡口宽度提取方法二的宽度提取流程图。

图8为窄间隙坡口宽度提取方法一的实施例图。

图9为窄间隙坡口宽度提取方法二的实施例图。

图1中：1—电弧；2—直型导电嘴；3—折弯导电杆；4—电机驱动及馈电机构；5—焊丝；6—送丝机；7—工件；8—电弧圆弧形摇动轨迹；9—待焊坡口；10—电弧摇动参数控制系统；11—计算机图像处理系统；12—红外摄像机；13—红外滤光系统；14—图像采集卡；15—坡口宽度提取模块；16—摇动角度计算模块；V_w—焊接速度，P_M—电机转动位置检测信号，P_A—电弧拍摄与图像采集触发信号。

图2中：A₀B₀—启弧处窄间隙坡口实际宽度；α₀—坡口实际宽度A₀B₀处的电弧初始摇动角度；圆弧M₀O₁₀D₀—坡口实际宽度A₀B₀处相对于焊炬的电弧摇动轨迹；O₂O_1i—坡口9中心线；O₁₀—坡口实际宽度A₀B₀处电弧摇动轨迹中点；O₄₀—坡口实际宽度A₀B₀处焊炬中心在坡口9底面的投影；A₀M₀=D₀B₀=A_iM_i=D_iB_i=g，表示坡口实际宽度A₀B₀或A_iB_i处在与焊接速度V_w垂直方向上电弧轴线O₃M_j（j=0或i，参见图3）至坡口侧壁距离，即预留工艺间隙；O₄₀M₀=O₄₀D₀=O_4iM_i=O_4iD_i=r，为电弧摇动半径；A_iB_i—任意位置窄间隙坡口实际宽度；α_i—坡口实际宽度A_iB_i处电弧摇动角度目标值；圆弧M_iO_1iD_i—坡口实际宽度A_iB_i处相对于焊炬的电弧摇动轨迹；O_1i—坡口实际宽度A_iB_i处电弧摇动轨迹中点；O_4i—坡口实际宽度A_iB_i处焊炬中心在坡口9底面的投影。

图3中：β—折弯导电杆3的折弯角度；h—焊炬高度，即导电嘴2至工件的高度；j—电弧在坡口内的位置序数（j=0，...，i，…）；O_4jO_1j—坡口9中心线；O_1j—坡口实际宽度A_jB_j处电弧摇动轨迹中点；O_4j—坡口实际宽度A_jB_j处焊炬中心在坡口9底面的投影；A_jM_j=D_jB_j=g，表示坡口实际宽度A_jB_j处在与焊接速度V_w垂直方向上电弧轴线O₃M_j至坡口侧壁距离，即预留工艺间隙；O_4jM_j=O_4jD_j=r，为电弧摇动半径。

图4和图5中：17—右侧图像截取窗口；18—左侧图像截取窗口；19—坡口右边缘；20—坡口左边缘；21—熔池后沿；22—熔池前沿；L_1i—坡口右边缘19至全局图像左边界的当前距离，L_2i—坡口左边缘20至全局图像左边界的当前距离，G_i—坡口宽度的当前检测值；D_w1—右侧图像截取窗口17的定位点，D_w2—左侧图像截取窗口18的定位点；C₁—前次检测时电弧区域最高点，C₂—本次检测时电弧区域最高点；L_1(i-1)—坡口右边缘19至全局图像左边界的前次距离；L_2(i-1)—坡口左边缘20至全局图像左边界的前次距离；G_i-1—坡口宽度的前次检测值。

具体实施方式

如图1所示，窄间隙焊接电弧摇动的适应控制系统包括：窄间隙焊炬、电弧摇动参数控制系统10、计算机图像处理系统11以及红外摄像系统。

窄间隙焊炬由电机驱动及馈电机构4、折弯导电杆3、直型导电嘴2、喷嘴机构等构成，电机驱动及馈电机构4可以为空心轴电机直接驱动式，也可以为普通电机通过传动副间接驱动式，并且优选空心轴电机直接驱动式。经过校直的焊丝5经过送丝机6，并依次穿过电机驱动及馈电机构4、折弯导电杆3和直型导电嘴2的中心孔后送出，伸入待焊坡口9中产生焊接电弧1。待焊坡口9是坡口宽度变化的窄间隙焊接坡口。电机驱动及馈电机构4中的电刷将焊接电流导入焊接电弧1回路，实现在焊接电缆无缠绕下的焊接馈电；供气系统通过焊炬中的喷嘴机构向电弧1所在的焊接区域提供活性或惰性保护气体，但是当采用自保护药芯焊丝焊接时则不需要喷嘴机构，也无需向焊接区域提供保护气体。这种折弯导电杆式摇动机构使得电弧指向性更好，同时还简化了焊炬机构设计。

红外摄像系统包括数字式红外摄像机12及红外滤光系统13，红外滤光系统13与红外摄像机12同轴相连，并安装在红外摄像机12的正前方。红外摄像机12可以为电荷耦合器件(CCD)式或互补金属氧化物半导体(CMOS)式，并且优选CMOS式。将红外摄像机12固定连接在焊炬的正前方或正后方，使红外摄像机12与待焊坡口9底面成一定夹角γ，便于红外摄像机12摄取到待焊坡口9内的焊接区域图像。选用变焦范围为18~45mm、光圈为5.6~32的红外摄像机12，在外触发方式下获取焊接区域图像。滤光系统13包括有窄带滤光片、中性减光片、防护玻璃（即UV镜），其中窄带滤光片中心波长为700~1100nm，中性减光片透过率为1~50%，UV镜用于防焊接飞溅。窄间隙焊接时，利用电弧1弧光和熔池自身辐射光作为光源，采用中性减光片调节光强，并通过滤光系统13滤除弧光、烟尘、飞溅等干扰，可采集到清晰的焊接区域图像。

计算机图像处理系统11主要包含依次连接的图像采集卡14、坡口宽度提取模块15和摇动角度计算模块16，此外还配套有显示器、存储器等普通计算机应有的硬件设备。图像采集卡14置于计算机图像处理系统11的卡槽内并通过视频线与红外摄像机12相连，红外摄像机12摄取到的焊接区域图像经图像采集卡14送入计算机图像处理系统11处理，同时在计算机图像处理系统11中的显示器上显示，以便监控。摇动角度计算模块16的输出连接电弧摇动参数控制系统10，电弧摇动参数控制系统10通过控制线连接焊炬，向焊炬输入电弧摇动参数，控制电机驱动及馈电机构4转动。电弧摇动参数控制系统10还通过信号线分别连接红外摄像机12和图像采集卡14。

本发明窄间隙焊接电弧摇动的适应控制方法，其总体控制方法是：红外摄像系统以电弧位置外触发方式获取焊接区域图像，对焊接坡口宽度进行实时传感；然后，计算机图像处理系统11通过图像处理提取出坡口宽度值后，计算出电弧摇动角度目标值；最后，电弧摇动参数控制系统10控制电机驱动及馈电机构4直接驱动折弯导电杆3，带动从直型导电嘴2送出焊丝5端部的电弧1在待焊坡口9内以目标摇动角度作相对于焊炬的圆弧形轨迹8摇动，实现根据坡口宽度变化对电弧摇动角度的自适应控制。其具体步骤是：

步骤：参见图1、图2和图3，具体又包括：

1）选定电弧摇动半径r，或选配长度为b的直型导电嘴2。根据焊炬上安装的折弯导电杆3、直型导电嘴2以及设定的焊炬高度h，根据下式（1）计算可得到窄间隙焊接过程中电弧1的摇动半径r，其计算原理如图3所示（r=O_4jM_j=O_4jD_j，在A₀B₀处j=0）：

（1）

其中，a表示折弯导电杆3折弯部分O₃E的长度，b表示直型导电嘴2的长度，h表示焊炬高度，β表示折弯导电杆3的折弯角度。电弧摇动半径r的计算结果，应满足条件r≥（G_max－2g）/2，这里G_max表示坡口宽度可能的最大值，g表示预留工艺间隙。

也可以按照r≥（G_max－2g）/2的原则，先选定电弧摇动半径r，再根据给定的折弯导电杆3的折弯长度a和折弯角度β、以及焊炬高度h，并依照式（1）配用相应长度为b的直型导电嘴2。在窄间隙焊接过程中，折弯导电杆3、直型导电嘴2以及焊炬高度h三者通常不变，因而电弧1的摇动半径r保持恒定。

2）确定坡口宽度初始值G_s0、预留工艺间隙g。焊前，用测量出窄间隙待焊坡口9启弧处的坡口宽度初始值G_s0，即A₀B₀线段的长度（见图2），并视同为坡口实际宽度A₀B₀处的采样值；并且，为了使坡口两侧壁获得对称性好的足够熔深，需要选定合适的预留工艺间隙g：在A₀B₀处电弧相对于焊炬的圆弧形摇动轨迹8的投影与A₀B₀线段相交于M₀、D₀两点（M₀点靠近左侧A₀点、D₀点靠近右侧B₀点），线段A₀M₀和D₀B₀的长度就是预留工艺间隙g，即g=A₀M₀=D₀B₀，该预留工艺间隙g也就是在与焊接速度V_w垂直方向上电弧轴线至坡口左、右侧壁的最短距离，一般取为0.5~2mm。

3）预设电弧摇动控制参数及工艺参数，调整焊炬初始状态。将上述坡口宽度初始值G_s0、窄间隙焊接工艺要求的预留工艺间隙g、计算得到的或选定的电弧摇动半径r、以及坡口宽度变化判定阈值TH_w（一般小于0.5mm），一起预设在计算机图像处理系统11的摇动角度计算模块16中；再将焊炬连同红外摄像机12一起移至坡口实际宽度为A₀B₀的启弧处，并设定焊炬高度h，此时焊炬在待焊坡口9底面的投影为O₄₀；在电弧摇动参数控制系统10上，预设本次窄间隙焊接要求的电弧摇动频率f和电弧1在坡口两侧壁处停留时间t_s等摇动工艺参数，并进行自动寻找摇动中点O₁₀定位（见图2）。

4）确定电弧的初始摇动角度α₀。根据上述预留工艺间隙g、坡口宽度初始值G_s0、以及电弧摇动半径r，摇动角度计算模块16通过下式（3）计算出坡口实际宽度为A₀B₀处的初始摇动角度α₀，并将计算得出的初始摇动角度α₀输出至电弧摇动参数控制系统10中。根据图3，在坡口实际宽度为A_jB_j处电弧摇动角度α_j：

（2）

所以，在实际宽度为A₀B₀处的初始摇动角度α₀为：

（3）

5）启动摇动电弧焊接过程。在坡口实际宽度A₀B₀处，引燃焊接电弧1，由电弧摇动参数控制系统10控制电机驱动及馈电机构4转动可伸入待焊坡口9的折弯导电杆3，绕焊炬中心线O₃O_4j（参见图3，在A₀B₀处j=0）往复转动，带动从直型导电嘴2中心孔送出的焊丝5端部的焊接电弧1，以摇动轨迹中点O₁₀为起点，在待焊坡口9内作摇动频率为f、摇动角度为α₀，且相对于焊炬、关于摇动轨迹中点O₁₀（参见图2）对称的往复式圆弧形轨迹8摇动，并在接近待焊坡口9左右两侧壁处（即M₀、D₀点处）作停留时间为t_s的停留；同时，拖动机构带动焊炬整体与红外摄像系统一起以焊接速度V_w向前移动。

步骤：在焊炬移动过程中，电机驱动及馈电机构4中的光电（或电磁）检测装置实时检测电机转动位置，并将产生的电机转动位置检测信号P_M输入至电弧摇动参数控制系统10中，从而间接检测电弧1在待焊坡口9内相对坡口中心线O₂O_1i的位置。

然后，电弧摇动参数控制系统10根据输入的电机转动位置检测信号P_M，在电弧1偏向待焊坡口9左侧壁或右侧壁（或位于坡口中心）时，同时向红外摄像机12的外触发信号输入端和焊接图像采集卡14输出电弧拍摄与图像采集触发信号P_A，使计算机图像处理系统11可获取任意时刻的焊接区域图像。电弧摇动参数控制系统10每输出一个电弧拍摄与图像采集脉冲信号P_A，计算机图像处理系统11就获取一帧焊接区域图像，该图像随即被送入宽度提取模块15中经过图像处理后实时坡口宽度提取（具体的坡口宽度实时提取方法，详见后文）。

步骤：当焊炬从坡口宽度A₀B₀启弧处移动，到达了坡口实际宽度为A_iB_i（参见图2）的任意位置处，相应地焊炬中心投影从原先的O₄₀点移至O_4i点，电弧圆弧形摇动轨迹8的投影与A_iB_i线段相交于M_i、D_i两点。

同时，坡口宽度提取模块15对坡口实际宽度A_iB_i（实际采样点序数i≥1）处焊接区域图像进行处理，实时提取A_iB_i处的坡口宽度当前检测值G_i，然后将该当前检测值G_i与先前在其他位置获取的最近（n-1）（i≥n时）或（i-1）（i＜n时）个坡口宽度检测值一起，求出共n（n≥1）或i（i＜n时）个坡口宽度检测值的中值或平均值，并将此中值或平均值作为A_iB_i处的坡口宽度当前采样值G_si，以减少焊接飞溅和其他随机干扰对坡口宽度检测精度的影响；最后，坡口宽度提取模块15将A_iB_i处坡口宽度当前采样值G_si输入至摇动角度计算模块16中。

步骤：摇动角度计算模块16将A_iB_i处的坡口宽度当前采样值G_si与前次在其他位置处的采样值G_s(i-1)进行比较，若二者差值的绝对值ΔG_si不大于坡口宽度变化判定阈值TH_w，即ΔG_si=|G_si－G_s(i-1)|≤TH_w，则不调整坡口实际宽度为A_iB_i处的电弧摇动角度α_i；否则，摇动角度计算模块16根据坡口宽度当前采样值G_si、预留工艺间隙g和电弧摇动半径r，并由式（2）演变得到的式（4）计算求得A_iB_i处电弧摇动角度目标值α_i，并将其输送至电弧摇动参数控制系统10中；

（4）

此时，电弧摇动参数控制系统10实时控制电机驱动及馈电机构4驱动折弯导电杆3，带动焊丝5端部的焊接电弧1作角度为α_i的圆弧形摇动，使得电弧1在侧壁停留点D_i和M_i处至坡口侧壁距离分别与设定的预留工艺间隙g相等，如此实现窄间隙焊接电弧摇动的自适应调整和控制，从而在待焊坡口9两侧壁上形成均匀一致的熔深；重复上述步骤至步骤，直至焊接过程结束。在所述步骤中，当实际采样点序数i=1时，即当电弧到达坡口实际宽度为A₁B₁处时，坡口宽度前次采样值G_s0，实际上即为坡口实际宽度A₀B₀处坡口宽度初始值。

在变坡口情形下，若不对电弧摇动角度目标值α_i进行自适应控制，则电弧1在摇动至坡口侧壁处D_i或M_i点停留时，电弧1轴线至坡口9的侧壁距离A_iM_i或D_iB_i会不断变化；当该距离过大时，会引起坡口9的侧壁熔深减小，过小时则易出现咬边缺陷和/或侧壁打弧现象，导致焊缝成形质量变差，接头性能下降。而本发明采用红外摄像机这种以非接触方式检测窄间隙坡口宽度的方法，检测点与电弧位置同步，检测灵敏度好，检测精度高，抗弧光、飞溅、烟尘干扰能力强，可提高对电弧摇动角度的控制精度，从而实现对坡口9两侧壁熔深的精确控制；若本发明与焊缝跟踪和焊接熔敷量控制系统配合使用，可实现对变坡口窄间隙焊接坡口熔透和焊接熔敷量的同时控制，从而可获得坡口侧壁熔透均匀、焊缝高度一致的高质量窄间隙焊接接头。

坡口宽度提取模块15进行坡口宽度实时提取时，具有两种坡口宽度提取方法，其中坡口宽度提取方法一的原理如图4所示，具体有如下的步骤：

A）当电弧1偏向待焊坡口9左侧壁时，如图4（a）所示，先根据坡口右边缘线19横向位置最近两次检测值的变化量，自适应调整坡口右侧图像截取窗口17定位点D_w1的横坐标值X_1i，再利用坡口右侧图像截取窗口17截取不受电弧干扰的坡口右侧图像，然后在图像截取窗口17截取图像内提取坡口右边缘线19后，再求取坡口右边缘线19至全局图像左边界的当前距离L_1i；

B）当电弧1偏向待焊坡口9右侧壁时，如图4（b）所示，先根据坡口左边缘线20横向位置最近两次检测值的变化量，自适应调整坡口左侧图像截取窗口18定位点D_w2的横坐标值X_2i，再利用坡口左侧图像截取窗口18截取不受电弧干扰的坡口左侧图像，然后在坡口左侧图像截取窗口窗口18截取图像内提取坡口左边缘线20后，再求取坡口左边缘线20至全局图像左边界的当前距离L_2i，此时坡口宽度的当前检测值G_i=（L_1i－L_2i）；

C）当电弧1再次偏向待焊坡口9左侧壁时，按照步骤A）所述方法提取坡口右边缘线19后，再提取坡口右边缘线19至全局图像左边界的下次距离L_1(i+1)，此时窄间隙坡口宽度的下次检测值G_i+1=（L_1(i+1)－L_2i），以此类推。

在实施所述坡口宽度提取方法一时，步骤A）与步骤B）中求取坡口右边缘线19或坡口左边缘线20至全局图像左边界的当前距离L_1i或L_2i时先后顺序可以颠倒（此时步骤C）中所提取坡口边缘也相应变化），而且优选步骤A）、步骤B）与步骤C）联合使用。

当只采用上述步骤A）与步骤B）组成的坡口宽度提取方法时，如果采集电弧在坡口两侧壁处停留期间的焊接图像，那么在一个摇动周期内可完整地获取两幅焊接图像，相应地仅能对坡口宽度值进行1次提取；如果采集电弧运动过程中的焊接图像，那么在一个摇动周期内至少可获取2对（4幅）焊接图像，相应地至少可对坡口宽度进行2次提取。当采用步骤A）、步骤B）与步骤C）联合使用的优选提取方案时，如果采集电弧在坡口两侧壁处停留期间的焊接图像，那么在一个摇动周期内可完整地获取两幅焊接图像，相应地可对窄间隙坡口宽度进行2次提取（不含初始提取）；如果采集电弧运动过程中的焊接图像，虽然也至少可获取4幅焊接图像，但是这4幅图像为“电弧偏左—偏右—偏右—偏左”或“电弧偏右—偏左—偏左—偏右”排列方式，并非头尾相连式，那么相应地也只能对坡口宽度进行2次提取（不含初始提取）。可见，采用其优选方案或者根据电弧运动过程中焊接图像进行宽度提取时，均可提高坡口宽度提取的采样频率，从而提高坡口宽度传感检测和电弧摇动角度控制的实时性。另外，通过所述位置移动式图像截取小窗口17或18截取远离电弧侧的坡口边缘区域图像进行处理，可有效避免运动电弧干扰，进一步提高了窄间隙坡口宽度的传感检测精度。

坡口宽度提取模块15实现的坡口宽度实时提取方法二的原理如图5所示，此时移动式坡口右侧图像截取窗口17、坡口左侧图像截取窗口18同时存在，具体包括如下步骤：

P）对全局（即整体）焊接图像进行处理，提取电弧区域最高点C₁或C₂的位置坐标，然后根据电弧区域最高点C₁或C₂的纵坐标值Y_C1或Y_C2，确定图像截取窗口17或18定位点D_w1或D_w2的纵坐标值为Y_C1或Y_C2；同时，根据坡口边缘线19或20横向位置检测值的变化，自适应调整坡口右侧图像截取窗口17或左侧图像截取窗口18定位点D_w1或D_w2的横坐标值X_1i或X_2i；

Q）用右侧图像截取窗口17截取包含坡口右边缘19信息的图像后，再求取坡口右边缘19至全局图像左边界的当前距离L_1i；

R）在同一幅焊接图像中，用左侧图像截取窗口18截取包含坡口左边缘线20信息的图像后，再求取坡口左边缘线20至全局图像左边界的当前距离L_2i，此时坡口宽度的当前检测值G_i=（L_1i－L_2i）。

采用上述坡口宽度提取方法二进行坡口宽度提取时，其步骤Q)与步骤R)中求取坡口边缘线19或20至全局图像左边界的当前距离L_1i或L_2i时先后顺序可以颠倒，而且优选根据电弧运动至摇动中点O_1i时的焊接图像提取坡口宽度信息，此时可省略所述步骤P)。类似地，在如图5（a）所示的前次提取中，坡口宽度的前次检测值G_i-1等于坡口右边缘线19至全局图像左边界的前次距离L_1(i-1)减去坡口左边缘线20至全局图像左边界的前次距离L_2(i-1)，即G_i-1=（L_1(i-1)－L_2(i-1)）。

采用所述坡口宽度提取方法二，在一个摇动周期内可对坡口宽度进行多次提取，其中对于其所述优选方案，在一个摇动周期内电弧摇动时两次经过摇动中点O_1i，相应地可对坡口宽度进行2次提取。并且，在所述坡口宽度提取方法二中，坡口左边缘20或右边缘19至全局图像左边界距离L_2i或L_1i的检测点，优选位于左侧图像截取窗口18或右侧图像截取窗口17内高度的一半及以上位置处，以尽可能减少电弧弧光干扰。

在所述窄间隙坡口宽度的提取方法一和提取方法二中，坡口左边缘线20至全局图像左边界距离L_2i或L_2(i-1)的检测点纵坐标值，与坡口右边缘线19至全局图像左边界距离L_1i或L_1(i-1)的检测点纵坐标值相同；并且，L_1i、L_2i、L_1(i-1)和L_2(i-1)的最终检测值，可为图像截取小窗口17或18内坡口边缘线19或20上m（m≥1）个位置检测值的中值或平均值，以提高坡口宽度检测可靠性。

坡口宽度提取模块15功能实现的关键是图像处理，如图6所示为坡口宽度提取方法一采用图像处理技术提取坡口宽度的流程，主要包括以下两大步骤：

1)对小窗口截取图像进行处理，提取窄间隙坡口边缘。具体又包括：根据坡口边缘线19或20横向坐标位置的变化，对移动式图像截取窗口17或18的定位点D_w1或D_w2横坐标值X_1i或X_2i进行适应性修正，确定图像截取窗口位置；针对数字式红外摄像机12采集到的实时焊接图像，采用移动式图像截取窗口17或18截取坡口右侧壁边缘19或左侧壁边缘20附近区域图像，并尽可能地截取远离电弧侧的坡口边缘区域图像；采用中值法对移动式小窗口17或18截取图像进行平滑滤波；对全窗口图像进行大津法（阮秋琦等译，《数字图像处理（第三版）》，电子工业出版社，2011年，第479页）自适应阈值分割；采用Canny边缘算子（李实英等译，《特征提取与图像处理（第二版）》，电子工业出版社，2013年，第103页）提取出熔池与坡口侧壁之间的边缘线19或20。

2)提取坡口宽度当前检测值。求取坡口右边缘19或左边缘20至全局图像左边界的当前距离为L_1i或L_2i，从而计算出坡口宽度的当前检测值G_i=（L_1i－L_2i）。

图7所示为坡口宽度提取方法二采用图像处理技术提取坡口宽度的流程，包括以下三大步骤：

1)对整幅焊接区域红外图像进行全局图像处理，并确定图像截取小窗口位置。具体又包括：针对数字式红外摄像机12采集到的实时焊接图像，采用中值法对全局图像（即整体图像）进行平滑滤波，以减低焊接图像中弧光、飞溅、烟尘、外部环境干扰引起的噪声；在对图像灰度值分析的基础上，对输入图像灰度进行分段线性变换，以压缩背景区域灰度，提升熔池和电弧区域像素灰度值，增大边界处对比度，实现对图像对比度的拉伸处理，为后续阈值分割创造条件；对全局图像进行固定阈值分割，即将包含不同灰度级的图像变为一幅二值图像，以简化图像层次，突出电弧区域轮廓；对电弧轮廓进行形态学腐蚀处理，以消除焊丝端部反光区域的影响，提取出电弧基本形态，并求出电弧区域最高点C₁或C₂位置坐标值为（X_C1，Y_C1）或（X_C2，Y_C2）；根据电弧区域最高点C₁或C₂的纵坐标值，确定移动式图像截取小窗口17或18的定位点D_w1或D_w2的纵坐标，同时根据坡口边缘线横向坐标位置的变化，可对移动式图像截取窗口17或18的定位点D_w1或D_w2的横坐标值X_1i或X_2i进行适应性修正，以提高红外视觉传感检测方法的环境适应性和工作可靠性。

2)对移动式小窗口截取的图像进行处理，提取窄间隙坡口边缘。具体又包括：利用输入到计算机图像处理系统11中的电弧拍摄与图像采集触发信号P_A，也可根据电弧区域最高点C₁或C₂的横坐标值X_C1或X_C2，辨识并确认电弧偏向坡口左侧壁或是偏向坡口右侧壁或是在坡口中心；针对经过全局中值滤波和对比度拉伸处理过的焊接图像，采用移动式图像截取小窗口17或18截取坡口右侧壁边缘19或左侧壁边缘20附近区域图像，并尽可能地截取远离电弧侧的坡口边缘区域图像，以减少计算机图像处理系统11的图像处理工作量，同时避免运动电弧干扰；对所截取的全窗口图像进行灰度分析，自动寻找熔池图像与背景图像灰度分布的峰谷点并定位阈值点后，对全窗口图像进行大津法自适应阈值分割，即对图像进行黑白化处理，以突出边界，方便边缘提取；采用Canny边缘算子对经过自适应阈值分割处理后的窗口图像进行平滑和滤波处理滤除噪声后，检测熔池与背景图像灰度发生变化的位置，在小窗口内提取出熔池与坡口侧壁之间的边缘线19或20。

3)计算坡口宽度当前检测值。计算坡口右边缘19至移动式图像截取小窗口17左边缘的当前距离L_yi、求取坡口右边缘19至全局图像左边界的当前距离为L_1i=（L_yi+X_1i），并计算坡口左边缘20至移动式图像截取小窗口18左边缘的当前距离L_zi、求取坡口左边缘20至全局图像左边界的当前距离为L_2i=（L_zi+X_2i），从而计算出坡口宽度的当前检测值G_i=（L_1i－L_2i）。

在图6和图7所示的坡口宽度提取流程中，对移动式图像截取小窗口位置进行自适应修正的算法为：

1)移动式图像截取窗口17或18定位点D_w1或D_w2纵坐标自适应修正算法：在所述坡口宽度提取方法二中，根据电弧区域最高点C₁或C₂的位置纵坐标Y_C1或Y_C2，确定移动式图像截取窗口17或18的定位点D_w1或D_w2点的纵坐标值为Y_C1或Y_C2。该修正算法也可以推广应用于所述坡口宽度提取方法一。

2)移动式图像截取窗口17或18定位点D_w1或D_w2横坐标自适应修正算法：在所述坡口宽度提取方法一和方法二中，移动式图像截取窗口17定位点D_w1点的横坐标值X_1i等于其前次设定值X_1(i-1)与坡口右边缘线19位置最近两次检测值的变化量（L_1(i-1)－L_1(i-2)）之和，即X_1i=X_1(i-1)+（L_1(i-1)－L_1(i-2)）；移动式图像截取窗口18定位点D_w2点的横坐标值X_2i等于其前次设定值X_2(i-1)与坡口左边缘线20位置最近两次检测值的变化量（L_2(i-1)－L_2(i-2)）之和，即X_2i=X_2(i-1)+（L_2(i-1)－L_2(i-2)）。

以下提供本发明的4个实施例。

实施例1

图8为窄间隙坡口宽度检测方法一的实施例图。摄像条件为：数字式红外CMOS摄像机12的摄像角度γ=25°、光圈为16，窄带滤光片中心波长为970nm、带宽25nm，中性减光片的透过率为10%；焊接条件为：采用平位置直流MAG电弧焊接，焊接电流300A，电弧电压30V，焊接速度20.3cm/min，焊炬高度h=20mm，焊丝直径1.2mm，焊接保护气体Ar+20%CO₂的流量为30L/min，Ⅰ型窄间隙低碳钢焊接坡口宽度为13mm，施焊时处于焊缝对中状态；电弧摇动工艺参数条件：摇动频率f=2.5Hz，摇动半径r=8.5mm，折弯导电杆3的折弯角度β=8°,摇动角度α_j=72°，电弧在坡口两侧壁处停留时间各为t_s=100ms，预留工艺间隙g=1.5mm。

图8（a）和（b）分别为计算机图像处理系统11获取的电弧摇动至坡口左侧壁和右侧壁处开始停留时的焊接图像，可见电弧在坡口左右侧停留时焊丝至坡口左侧壁和右侧壁距离基本相等，说明处于焊缝对中状态；根据坡口右边缘线19和左边缘线20横向位置最近两次检测值得变化量，分别自适应调整坡口右侧图像截取小窗口17和左侧图像截取小窗口18定位点D_w1和D_w2的横坐标值，最终形成的图像截取小窗口处于图8（a）和（b）中白线框所示位置处；采用移动式小窗口17和18对焊接图像进行截取、并进行中值滤波后，获得的坡口边缘区域小窗口图像如图8（c）和（d）所示；对截取的小窗口图像采用大津法进行全窗口自适应阈值分割处理后，获得的坡口边缘区域图像如图8（e）和（f）所示，其中白色区域表示熔池区域；采用Canny边缘算子提取的坡口边缘图像，如图8（g）和（h）中的白线所示。

最后，根据坡口宽度检测方法一所述检测算法，并以移动式小窗口17或18内坡口边缘线19或20上间隔为10个像素的相邻3个（即m=3）位置检测值的中值作为坡口宽度的当前检测值，求得坡口宽度的当前检测值G_i=13.13mm，检测误差率为1%。

实施例2

图9为窄间隙坡口宽度提取方法二的实施例图，摄像条件和摇动电弧焊接试验条件与实施例1相同。图9（a）为计算机图像处理系统11获取的电弧摇动至坡口右侧壁处开始停留时的焊接图像，为了表达直观起见，这里用两个白线小窗口表示根据电弧区域最高点C₂和坡口边缘线19和20横坐标位置变化，自适应确定的移动式小窗口17、18的位置；图9（b）为固定阈值分割和形态学腐蚀后的电弧形态图像，以此提取电弧最高点C₂位置坐标，并确定移动式小窗口17和18的纵坐标位置（如图9（a）所示）；针对经过中值滤波和对比度拉伸处理后的全局图像，在图9（a）和（b）中白线框所示位置处，采用移动式小窗口17和18分别截取得到的坡口边缘区域小窗口图像如图9（c）和（d）所示；对截取的小窗口图像采用大津法进行全窗口自适应阈值分割处理后，获得的坡口边缘区域图像如图9（e）和（f）所示，其中白色区域表示熔池区域；采用Canny边缘算子提取的坡口边缘图像，如图9（g）和（h）中的白线所示。

最后，根据坡口宽度提取方法二所述检测算法，并以移动式小窗口17或18内坡口边缘线19或20上间隔为10个像素的相邻3个（即m=3）位置检测值的中值作为坡口宽度的当前检测值，求得坡口宽度的当前检测值G_i=13.27mm，检测误差率为2.08%。可见，对于同一个坡口宽度实际值（13.0mm），采用检测方法二检测时，由于其移动式小窗口17中的小窗口图像受到了电弧弧光干扰，致使其检测误差比所述检测方法一的要大。

实施例3

平位置窄间隙焊接电弧摇动控制实施例。在不同的电弧摇动半径下，进行了平位置窄间隙焊接电弧摇动控制试验。试验条件包括：预留工艺间隙g=2.0mm，摇动频率f=2.5Hz，侧壁停留时间t_s=100ms，折弯导电杆3的折弯角度β=8°，坡口宽度变化判定阈值TH_w=0.2mm；随着坡口间隙在8~16mm范围内连续变化，焊接速度V_w对应地在30.4~15.2cm/min范围内自动调节，其余焊接试验条件同实施例1情形。

为了保证电弧摇动控制的有效性，当采用最小电弧摇动半径进行焊接时，在坡口可能的最大间隙处（即G_si=G_max），应能保证表达式（4）中的电弧摇动角度α_i≤180°，因此焊前根据下式（5）确定电弧摇动的最小半径r_min：

（5）

在表达式（5）中，G_max为坡口间隙变化过程中可能出现的最大值，g为预留工艺间隙。相应地，在本实施例中，电弧摇动的最小半径r_min=6mm，即电弧摇动半径r应不小于6mm。

为此，焊前选定电弧摇动半径r=6mm，并根据已知的焊炬高度（h=20mm）、折弯角度（β=8°）、以及导电杆3折弯长度a=7.3mm，依照式（1）计算出直型导电嘴2的长度b=15.6mm，并选配相应长度的直型导电嘴2；再将摄像机12固连于准备好的焊炬上，移动焊炬至坡口实际宽度为8mm的启弧处，并将此处的坡口宽度初始值G_s0=8.0mm、以及预留工艺间隙g=2.0mm、坡口间隙变化判定阀值TH_w=0.2mm、电弧摇动半径r=6mm等初始控制参数，一同输入摇动角度计算模块16中；然后，在电弧摇动参数控制系统10上，设定电弧摇动频率f=2.5Hz、电弧在坡口两侧壁处停留时间各为t_s=100ms，并在摇动角度计算模块16中，根据式（3）计算出与电弧摇动半径r相对应的电弧初始摇动角度α₀=38.9°后，将α₀输入到电弧摇动参数控制系统10中，完成包括摇动频率f、侧壁停留时间t_s、电弧初始摇动角度α₀等三个电弧摇动参数的预设。

在对焊炬进行自动寻找电弧摇动中点O₁₀操作后，引燃电弧1，电弧摇动参数控制系统10控制电机驱动及馈电机构4转动伸入坡口9的折弯导电杆3，带动焊丝5端部的焊接电弧1在坡口9内，按摇动频率f=2.5Hz作相对于焊炬的、关于摇动中点O₁₀（或O_1i，参见图2）对称的往复式圆弧形轨迹8摇动，并在坡口9左右两侧壁处各停留时间t_s=100ms；同时，拖动机构带动焊炬整体与红外摄像系统一起以焊接速度V_w向前移动。

焊接过程中，采用红外CMOS摄像机12实时采集焊接区域图像，在计算机图像处理系统11中对焊接图像进行处理后，坡口宽度提取模块15按类似于实施例1的坡口宽度提取方法，提取坡口宽度的当前检测值G_i，并以最近5次（即n=5）坡口宽度检测值的中间平均值作为坡口宽度的当前采样值G_si。若最近两次坡口宽度采样值变化量的绝对值ΔG_si不大于其误差控制阈值TH_w=0.2mm，即ΔG_si=|G_si－G_s(i-1)|≤0.2mm，则不调整电弧摇动角度，其中G_s(i-1)为坡口宽度的前次采样值；否则，根据焊前设定的电弧摇动半径r和预留工艺间隙g、以及坡口宽度当前采样值G_si，再根据表达式（4）计算出电弧摇动角度的当前目标值α_i，并输入电弧摇动参数控制系统10，通过电机驱动及馈电机构4驱动折弯导电杆3，控制电弧1作角度为α_i的圆弧形轨迹8摇动，使电弧在坡口侧壁停留点处至坡口侧壁距离与设定的预留工艺间隙g相等，从而在坡口宽度变化下保证了电弧能均匀有效地加热坡口侧壁，获得稳定的坡口侧壁熔深和一致的焊缝高度。

本实施例中，针对8~16mm范围内变化的坡口宽度，当电弧摇动半径r=6mm时，电弧摇动角度调节时的变化范围为38.9°~180.0°。另外，在同样焊接条件下，采用与电弧摇动半径r=6mm时同样的控制方法，针对r=7、8、9、10mm情形，分别实施了电弧摇动适应控制。其控制结果是：当电弧摇动半径r=7mm时，电弧摇动角度调节时的变化范围为33.2°~118.0°；当电弧摇动半径r=8mm时，电弧摇动角度调节时的变化范围为29.0°~97.2°；当电弧摇动半径r=9mm时，电弧摇动角度调节时的变化范围为25.7°~83.6°；当电弧摇动半径r=10mm时，电弧摇动角度调节时的变化范围为23.1°~73.7°。

实施例4

立向位置窄间隙焊接电弧摇动控制实施例。在不同的电弧摇动半径下，进行了立向位置窄间隙焊接电弧摇动控制试验。试验条件包括：采用脉冲MAG电弧焊接，平均焊接电流150A，平均电弧电压22V，焊接速度9.1cm/min，焊炬高度h=20mm，焊丝直径1.2mm，焊接保护气体Ar+20%CO₂的流量为20L/min，坡口间隙在8~16mm范围内连续变化；电弧摇动频率f=0.8Hz，电弧在坡口两侧壁处停留时间各为t_s=400ms，预留工艺间隙g=1.0mm，其余试验条件同实施例1。另外，焊前根据表达式（5）求得电弧摇动的最小半径r_min=7mm，即电弧摇动半径r应不小于7mm。

本实施例中，采用与实施例3所涉及的平位置窄间隙焊接电弧摇动控制类似的控制方法。针对8~16mm范围内变化的立向坡口宽度，当电弧摇动半径r=7mm时，电弧摇动角度调节时的变化范围为50.8°~180.0°；当电弧摇动半径r=8mm时，电弧摇动角度调节时的变化范围为44.0°~122.1°；当电弧摇动半径r=9mm时，电弧摇动角度调节时的变化范围为38.9°~102.1°；当电弧摇动半径r=10mm时，电弧摇动角度调节时的变化范围为34.9°~88.9°。

可见，为适应坡口宽度由小到大的变化，根据式（4）所提算法，电弧摇动角度由小到大地进行实时调整，使窄间隙立焊坡口两侧壁获得了均匀稳定的熔深，保证了窄间隙立焊质量。

Claims (8)

1.一种窄间隙焊接电弧摇动的适应控制方法，采用窄间隙焊接电弧摇动的适应控制装置，该适应控制装置包括窄间隙焊炬，窄间隙焊炬中的折弯导电杆（3）一端与电机驱动及馈电机构（4）相连、另一端与直型导电嘴（2）相接，穿过窄间隙焊炬的焊丝（5）伸入坡口宽度变化的待焊坡口（9）中产生焊接电弧（1），还包括电弧摇动参数控制系统（10）、计算机图像处理系统（11）以及红外摄像系统；红外摄像系统包括数字式红外摄像机（12）及红外滤光系统（13），计算机图像处理系统（11）包含依次连接的图像采集卡（14）、坡口宽度提取模块（15）和摇动角度计算模块（16），图像采集卡（14）通过视频线与红外摄像机（12）相连，摇动角度计算模块（16）的输出连接电弧摇动参数控制系统（10），其特征是：

红外摄像系统以电弧位置外触发方式获取焊接区域红外图像，经过计算机图像处理系统（11）处理，实时提取到坡口宽度信息；计算机图像处理系统（11）根据坡口宽度计算出电弧摇动角度目标值；电弧摇动参数控制系统（10）控制电机驱动及馈电机构（4）直接转动折弯导电杆（3），控制电弧（1）在待焊坡口（9）内以目标摇动角度作相对于焊炬的圆弧形轨迹（8）摇动，实现根据坡口宽度变化对电弧摇动角度的自适应控制。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征是具体包括以下步骤：

在摇动角度计算模块（16）中，预设电弧摇动半径r、预留工艺间隙g、坡口宽度变化判定阈值TH_w以及坡口宽度初始值G_s0后，计算出坡口初始宽度G_s0处所对应的初始摇动角度α₀，作为坡口实际宽度A₀B₀处的采样值，然后焊炬与红外摄像系统一起以焊接速度V_w向前移动，同时电弧摇动参数控制系统（10）通过焊炬控制电弧（1）在待焊坡口（9）内作摇动角度为α₀的往复式圆弧形轨迹（8）摇动；

电弧摇动参数控制系统（10）根据电机转动位置检测信号P_M，在电弧（1）偏向待焊坡口（9）左侧壁或右侧壁或处于坡口中心时，向红外摄像机（12）和图像采集卡（14）发出电弧拍摄与图像采集触发信号P_A，使计算机图像处理系统（11）获取焊接区域图像后，宽度提取模块（15）通过图像处理实时提取坡口宽度；

当焊炬移动到坡口实际宽度为A_iB_i的任意位置处时，坡口宽度提取模块（15）实时提取该处坡口宽度当前检测值G_i，并与之前在其他位置获取的最近的当i≥n时的n-1个或当i＜n时的i-1个坡口宽度检测值一起，求出当n≥1时共n个或当i＜n时共i个坡口宽度检测值的中值或平均值，作为A_iB_i处坡口宽度当前采样值G_si，再输入至摇动角度计算模块（16）中；其中i是实际采样点序数，i≥1；

摇动角度计算模块（16）将坡口宽度当前采样值G_si与前次采样值G_s(i-1)进行比较，若二者差值的绝对值ΔG_si≤TH_w，则不调整坡口实际宽度为A_iB_i处的电弧摇动角度α_i；否则，摇动角度计算模块（16）根据坡口宽度当前采样值G_si、预留工艺间隙g和电弧摇动半径r，计算求得A_iB_i处电弧摇动角度目标值α_i后，电弧摇动参数控制系统（10）再通过电机驱动及馈电机构（4）驱动折弯导电杆（3），控制电弧（1）作角度为α_i的圆弧形轨迹（8）摇动，使电弧在侧壁停留点D_i和M_i处至坡口侧壁距离分别与设定的预留工艺间隙g相等；

⑤重复上述步骤至步骤，直至焊接过程结束。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征是：步骤中，宽度提取模块（15）实时提取坡口宽度的方法一是：当电弧（1）偏向待焊坡口（9）左侧壁时，根据坡口右边缘线（19）的横向位置变化调整坡口右侧图像截取窗口（17）定位点的横坐标值，截取坡口右侧图像，提取坡口右边缘线（19）以及坡口右边缘线（19）至全局图像左边界的当前距离L_1i；当电弧偏向待焊坡口（9）右侧壁时，根据坡口左边缘线（20）的横向位置变化调整坡口左侧图像截取窗口（18）定位点的横坐标值，截取坡口左侧图像，提取坡口左边缘线（20）以及坡口左边缘线（20）至全局图像左边界的当前距离L_2i，计算出坡口宽度当前检测值G_i=（L_1i－L_2i）。

4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征是：步骤中，宽度提取模块（15）实时提取坡口宽度的方法二是：通过对全局焊接图像进行处理，提取电弧区域最高点的位置坐标，根据最高点的纵坐标值确定坡口左、右侧图像截取窗口（18、17）的定位点的纵坐标值，根据坡口边缘线（20、19）的横向位置变化调整图像截取窗口（18、17）定位点的横坐标值；用右侧图像截取窗口（17）截取包含坡口右边缘线（19）信息的图像后，再求取坡口右边缘线（19）至全局图像左边界的当前距离L_1i；在同一幅图像中用坡口左侧图像截取窗口（18）截取包含坡口左边缘线（20）信息的图像后，再求取坡口左边缘线（20）至全局图像左边界的当前距离L_2i，计算出坡口宽度的当前检测值G_i=（L_1i－L_2i）。

5.根据权利要求3或4所述的控制方法，其特征是：坡口左边缘线（20）至全局图像左边界距离L_2i的检测点的纵坐标值，与坡口右边缘线（19）至全局图像左边界距离L_1i的检测点的纵坐标值相同，为坡口左、右侧图像截取窗口（18、17）内坡口左、右边缘线（20、19）上m个位置检测值的中值或平均值，m≥1。

6.根据权利要求3或4所述的控制方法，其特征是：在处理图像截取窗口（17）或（18）截取的小窗口图像时，先进行中值法滤波，再对所全局图像图像进行灰度分析，自动寻找熔池图像与背景图像灰度分布的峰谷点并确定阈值点，对全窗口图像进行大津法自适应阈值分割处理，最后用Canny边缘检测算子提取坡口边缘线（19、20）；在对全局焊接图像处理时，先采用中值法滤波和对比度拉伸处理，然后对焊接图像进行全局固定阈值分割后提取电弧区域轮廓，再对电弧区域轮廓进行形态学腐蚀处理后，提取电弧区域最高点的位置坐标。

7.根据权利要求3或4所述的控制方法，其特征是：根据电弧拍摄与图像采集触发信号P_A或电弧区域最高点横坐标值，辨识并确认电弧偏向坡口左侧壁或是偏向坡口右侧壁或是在坡口中心。

8.根据权利要求2所述的控制方法，其特征是：在步骤中，预留工艺间隙g是在与焊接速度V_w垂直方向上电弧轴线至坡口左右侧壁的最短距离，预设的电弧摇动半径r≥（G_max－2g）/2，其中，，G_max是坡口宽度可能的最大值，a是焊炬的折弯导电杆（3）折弯部分的长度，b是焊炬的直型导电嘴（2）的长度，h是焊炬高度，β是折弯导电杆（3）的折弯角度；在步骤中，坡口宽度变化判定阈值TH_w≤0.5mm，摇动角度。