本发明公开了一种机器人电弧焊焊接过程控制及多传感信号同步采集系统及方法，该系统进行焊接过程电弧光谱、熔池图像、焊接声音、电流及电压信号同步采集，实现焊接过程多源多态信号同步采集；工控机和控制箱共同组成控制系统，控制系统建立了焊接设备、机器人设备及信号采集存储设备间通讯网络，可实现焊接过程控制，以及信号采集控制。本发明适用于钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊及冷金属过渡焊等多类型弧焊焊接方式的单台机器人焊接或机器人群组焊接过程控制与多源多态信号同步采集。本发明为实现基于多传感信号融合的焊接质量在线监测与控制研究提供了技术支持，对提高机器人焊接智能化水平，推动工业焊接车间实现智能制造具有重要意义。
1.一种机器人电弧焊焊接过程控制及多传感信号同步采集系统，其特征在于，包括用于焊接作业的机器人，以及用于采集弧焊焊接过程中电弧光谱的光谱信号采集单元、用于采集弧焊焊接过程中熔池图像的图像信号采集单元、用于采集弧焊焊接过程中焊接声音的焊接声音信号采集单元和用于采集弧焊焊接过程中电流电压的电流电压信号采集单元，焊接声音信号采集单元和电流电压信号采集单元将数据发送至信号控制箱，信号控制箱将焊接声音信号采集单元和电流电压信号采集单元的数据处理后发送至工控机的数据采集卡，光谱信号采集单元和图像信号采集单元连接工控机，工控机生成控制信号发送至信号控制箱，信号控制箱用于信号转发并控制焊接过程，机器人用于带动焊机执行焊接路径，并在完成焊接路径后发送熄弧信号给工控机；
信号控制箱包括四个开关、一个急停按钮和与工控机中数据采集卡连接的数据采集卡接线端子；
四个开关分别控制焊机电流的大小、焊机启弧和熄弧、送丝机点动送丝以及送丝机点动退丝；
急停按钮连接电源开关，电源开关连接分线板，分线板连接四个空气开关，四个空气开关分别连接两个16V电源、一个24V电源和一个5V电源，两个16V电源分别连接两个运放模块，24V电源连接隔离模块，隔离模块连接一个第一运放模块，5V电源连接两个继电器，第一运放模块用于控制焊机电流大小，第二运放模块用于控制送丝机送丝速度，第一继电器用于控制焊机启弧和熄弧，第二继电器用于控制送丝机的启动和停止；
数据采集卡接线端子连接两个继电器、隔离模块和第二运放模块，数据采集卡接线端子传递数据采集卡触发信号用于触发光谱仪和相机，数据采集卡接线端子接收启弧成功信号、电压信号、电流信号和声音信号并传递给数据采集卡。
2.根据权利要求1所述的一种机器人电弧焊焊接过程控制及多传感信号同步采集系统，其特征在于，光谱信号采集单元包括覆盖有减光片的光谱探头，光谱探头连接光谱仪，光谱探头指向电弧，光谱仪连接工控机。
3.根据权利要求2所述的一种机器人电弧焊焊接过程控制及多传感信号同步采集系统，其特征在于，光谱探头与电弧间的距离为10-40cm，减光片透光率为1％-15％。
4.根据权利要求1所述的一种机器人电弧焊焊接过程控制及多传感信号同步采集系统，其特征在于，图像信号采集单元包括指向电弧的减光滤光器，减光滤光器连接工业相机，工业相机连接工控机。
5.根据权利要求4所述的一种机器人电弧焊焊接过程控制及多传感信号同步采集系统，其特征在于，减光滤光器由透光率为0.5％-1％的减光片和中心波长为550-660nm且半宽为20-30nm的滤光片组成。
6.根据权利要求1所述的一种机器人电弧焊焊接过程控制及多传感信号同步采集系统，其特征在于，焊接声音信号采集单元包括传声器，传声器连接信号调理器，信号调理器连接信号控制箱。
7.根据权利要求1所述的一种机器人电弧焊焊接过程控制及多传感信号同步采集系统，其特征在于，电流电压信号采集单元采用电流电压传感器；工控机的数据采集卡连接信号控制箱和机器人。
8.根据权利要求1所述的一种机器人电弧焊焊接过程控制及多传感信号同步采集系统，其特征在于，信号控制箱用于控制送丝机的送丝启停和速度大小；用于控制焊机启弧、熄弧和焊接电流的大小，焊机启弧成功后将信号发送至机器人和工控机的数据采集卡。
9.一种采用权利要求1所述的机器人电弧焊焊接过程控制及多传感信号同步采集系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，首先通过工控机配置焊接参数及信号采集参数，进行参数配置；
步骤二，参数配置完成后，工控机发出启弧信号给焊机，焊机开始启弧，启弧成功后焊机发出启弧成功信号，启弧成功信号分别传给机器人和数据采集卡；
步骤三，机器人接收到启弧成功信号后开始行走，数据采集卡接收到起弧成功信号后，持续通过焊接声音信号采集单元和电流电压信号采集单元持续采集电弧声音、电流和电压信号并发送至数据采集卡，并将采集到的电弧声音、电流和电压信号进行存储，同时发出触发信号给光谱仪及工业相机，触发光谱仪和工业相机开始采集电弧光谱与图像信号并存储到工控机中；
步骤四，当机器人完成预定焊接路径后停止行走，并发出熄弧信号给焊机和数据采集卡，焊机接收到熄弧信号后熄灭电弧停止焊接，数据采集卡接收到熄弧信号后停止数据采集与存储，焊接任务完成。
机器人焊接过程控制及多传感信号同步采集系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及机器人焊接领域，具体涉及一种机器人电弧焊焊接过程控制及多传感信号同步采集系统及方法。
背景技术
[0002] 机器人焊接智能化是实现工业4.0与智能制造的核心研究领域之一，而机器人电弧焊更是目前应用最为广泛的焊接方式之一。然而，由于电弧焊接是一种由热、电、力等多场耦合作用的复杂物理化学过程，焊接质量会受到诸多随机、非线性因素的影响而呈现不稳定，从而产生气孔、未焊透、夹渣等焊接缺陷。这些存在缺陷的焊件轻则返厂补焊，重则导致整个焊件报废，且某些未检测出的焊接缺陷更可能引发机械设备故障，造成巨大的经济和人员伤亡。近年来发展起来的基于传感技术的焊接缺陷在线监测与缺陷诊断技术，成为解决焊接过程质量监测与控制问题的重要手段。随着传感技术的发展，越来越多的传感器被应用到焊接质量监测中。由于单一传感信号包含信号有限，均无法全面表征复杂的焊接过程，焊接质量监测的可靠性和精度不足。因此，采用多类型传感器对焊接过程形成全景式监测，融合多类型传感信号进行焊接质量在线监测与缺陷识别更具科学性和合理性。现有的基于多传感信号融合的焊接质量监测研究所用的多传感信号采集系统中传感类型少，且难以保证各类型信号采集同步性，而信号采集类型全面与否及信号间同步性对信号融合监测结果具有决定作用。因此，设计一种传感器类型更全面的机器人焊接控制及多传感信号同步采集系统，实现焊接过程全景式监测，对提高机器人焊接智能化水平、实现工业焊接车间智能制造具有重要意义。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于克服上述不足，提供一种机器人电弧焊焊接过程控制及多传感信号同步采集系统及方法，为基于多传感信号的焊接过程质量监测与控制提供硬件基础。
[0004] 为了达到上述目的，机器人电弧焊焊接过程控制及多传感信号同步采集系统，包括用于焊接作业的机器人，以及用于采集弧焊焊接过程中电弧光谱的光谱信号采集单元、用于采集弧焊焊接过程中熔池图像的图像信号采集单元、用于采集弧焊焊接过程中焊接声音的焊接声音信号采集单元和用于采集弧焊焊接过程中电流电压的电流电压信号采集单元，焊接声音信号采集单元和电流电压信号采集单元将数据发送至信号控制箱，信号控制箱将焊接声音信号采集单元和电流电压信号采集单元的数据处理后发送至工控机的数据采集卡，光谱信号采集单元和图像信号采集单元连接工控机，工控机生成控制信号发送至信号控制箱，信号控制箱用于信号转发并控制焊接过程，机器人用于带动焊机完成焊接路径，并在完成焊接路径后发送熄弧信号给工控机。
[0005] 光谱信号采集单元包括覆盖有减光片的光谱探头，光谱探头连接光谱仪，光谱探头指向电弧，光谱仪连接工控机。
[0006] 光谱探头与电弧间的距离为10-40cm，减光片透光率为1%-15%。
[0007] 图像信号采集单元包括指向电弧的减光滤光器，减光滤光器连接工业相机，工业相机连接工控机。
[0008] 减光滤光器由减光片和滤光片组成。其中减光片透光率为0.5%-1%，滤光片中心波长为550-660nm，且滤光片半宽为20-30nm
[0009] 焊接声音信号采集单元包括传声器，传声器连接信号调理器，信号调理器连接信号控制箱。
[0010] 电流电压信号采集单元采用电流电压传感器。
[0011] 工控机内设置有数据采集卡，数据采集卡连接信号控制箱和机器人。
[0012] 信号控制箱用于控制送丝机的送丝启停和速度大小；用于控制焊机启弧、熄弧和焊接电流的大小，焊机启弧成功后将信号发送至机器人和工控机的数据采集卡。
[0013] 信号控制箱包括四个开关、一个急停按钮和与工控机中数据采集卡连接的数据采集卡接线端子；
[0014] 四个开关分别控制焊机电流的大小、焊机启弧和熄弧、送丝机点动送丝以及送丝机点动退丝；
[0015] 急停按钮连接电源开关，电源开关连接分线板，分线板连接四个空气开关，四个空气开关分别连接两个16V电源、一个24V电源和一个5V电源，两个16V电源分别连接两个运放模块，24V电源连接隔离模块，隔离模块连接一个第一运放模块，5V电源连接两个继电器，第一运放模块用于控制焊机电流大小，第二运放模块用于控制送丝机送丝速度，第一继电器用于控制焊机启弧和熄弧，第二继电器用于控制送丝机的启动和停止；
[0016] 数据采集卡接线端子连接两个继电器、隔离模块和第二运放模块，数据采集卡接线端子传递数据采集卡触发信号用于触发光谱仪和相机，数据采集卡接线端子接收启弧成功信号、电压信号、电流信号和声音信号并传递给数据采集卡。
[0017] 一种机器人电弧焊焊接过程控制及多传感信号同步采集系统的控制方法，包括以下步骤：
[0018] 步骤一，首先通过工控机配置焊接参数及信号采集参数，进行参数配置；
[0019] 步骤二，参数配置完成后，工控机发出启弧信号给焊机，焊机开始启弧，启弧成功后焊机发出启弧成功信号，启弧成功信号分别传给机器人和数据采集卡；
[0020] 步骤三，机器人接收到启弧成功信号后开始行走，数据采集卡接收到起弧成功信号后，持续通过焊接声音信号采集单元和电流电压信号采集单元持续采集电弧声音、电流和电压信号并发送至数据采集卡，并将采集到的电弧声音、电流和电压信号进行存储，同时发出触发信号给光谱仪及工业相机，触发光谱仪和工业相机开始采集电弧光谱与图像信号并存储到工控机中；
[0021] 步骤四，当机器人完成预定焊接路径后停止行走，并发出熄弧信号给焊机和数据采集卡，焊机接收到熄弧信号后熄灭电弧停止焊接，数据采集卡接收到熄弧信号后停止数据采集与存储，焊接任务完成。
[0022] 与现有技术相比，本发明包括光谱信号采集单元、图像信号采集单元、焊接声音信号采集单元、电流电压信号采集单元组成，可进行焊接过程电弧光谱、熔池图像、焊接声音、电流及电压信号同步采集，多传感信号采集具有相同时间轴，保证信号同步性，更有利于信号分析与融合，实现焊接过程全景式监测，通过对焊接过程电弧光谱、图像、声音、电流、电压进行全面采集，对焊接过程形成全景式监测；工控机和控制箱共同组成控制系统，控制系统建立了焊接设备、机器人设备及信号采集存储设备间通讯网络，可实现焊接过程控制，以及信号采集控制。本发明为实现基于多传感信号融合的焊接质量在线监测与控制提供了硬件基础，可应用于钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊及冷金属过渡焊等多类型弧焊焊接方式的单台机器人焊接或机器人群组焊接过程，对提高机器人焊接智能化水平、实现工业焊接车间智能制造具有重要意义。
[0023] 本发明的方法能够实现机器人焊接过程控制及多传感信号同步采集，多传感信号采集具有相同时间轴，保证信号同步性，更有利于信号分析与融合；本发明对焊接过程电弧光谱、图像、声音、电流、电压进行全面采集，对焊接过程形成全景式监测，为基于多传感信息的焊接质量在线检测与控制的研究及开发提供硬件基础，推动机器人焊接智能化及自动化发展。
附图说明
[0024] 图1为本发明的系统框图；
[0025] 图2为本发明的工作流程图；
[0026] 图3为本发明中信号控制箱的系统框图；
[0027] 图4为本发明中所采集到的焊接过程信号；其中（a）为电弧光谱，（b）为焊接声音，（c）为熔池图像，（d）为电流电压信号。
具体实施方式
[0028] 下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0029] 如图1所示，本发明中的多传感信号采集系统包括光谱信号采集单元、图像信号采集单元、焊接声音信号采集单元和电流电压信号采集单元组成，可实现焊接过程电弧光谱、熔池图像、焊接声音及电流电压多传感信号同步采集，其中同步采集是指各信号在焊接开始时同时开始采集，具有相同时间轴，但信号采集频率可以不同；控制系统由工控机、数据采集卡、控制箱组成，可实现焊接过程控制，包括送丝启停与速度大小、焊机启弧、熄弧、焊接电流的控制，以及信号采集控制，包括采集开始与停止、采集频率的控制。控制系统使得焊接设备、机器人设备及信号采集存储设备间相互通讯，协同工作，从而实现机器人焊接过程控制及多传感信号同步采集。
[0030] 多传感信号采集系统中光谱信号采集单元、图像信号采集单元、焊接声音信号采集单元、电流电压信号采集单元组成如下：
[0031] 1）其中，光谱采集单元由减光片、光谱探头、光纤、光谱仪组成，采集焊接过程电弧光谱信号。其中减光片透光率为10%，安装在光谱探头前端，光谱探头对准电弧且距离电弧30cm，光谱仪型号为AvaSpec-1350F-USB2，采集波长范围360-1100nm。
[0032] 2）图像采集单元由减光滤光器、相机安装架、工业相机及镜头组成，工业相机通过相机安装架固定在焊枪上，采集焊接过程熔池图像信号。其中减光滤光器由两个透光率分别为5%和10%的减光片以及中心波长为600nm，半宽25nm的滤光片组成，工业相机为大恒公司生产的MER-200-14GM工业数字摄像机，最高采样频率为14帧/秒，镜头大恒公司生产的M3520-MPW2低畸变镜头。
[0033] 3）焊接声音信号采集单元包括传声器及信号调理器组成，采集焊接过程电弧声音信号，其中传声器与电弧距离20cm。传声器和信号调理器型号分别为MPA201与MC104。
[0034] 4）电流电压采集单元由电流电压传感器组成，电流电压传感器信号接入端与焊接电源正负极并联，采集焊接过程电流、电压信号，电流电压采样频率均为40Khz。
[0035] 其中电弧声音、电流、电压信号通过数据采集卡同步记录并存储到工控机中，而光谱及熔池图像经过光谱仪和相机采集后直接存储到工控机中。本样例所用数据采集卡为研华公司生产的PCI-1716，最高采样频率为250Khz。采用单端采集方式，通过三路模拟输入端分别采集声音、电流、电压信号，采样频率均设为40Khz。光谱仪和相机均采用外部触发采集模式，当接收高电平触发信号后开始采集，图像采集频率为10帧/秒，光谱仪积分时间为1.5s。
[0036] 本发明被应用到机器人钨极气体保护焊中。所用焊机为山东奥太公司生产的WSE-315交直流逆变氩弧焊机，所用机器人为日本安川NX100/HP6六轴机器人。系统对焊接过程控制及多传感信号同步采集实现方法如图2所示，即首先通过工控机配置焊接参数及信号采集参数，包括焊接电流、送丝速度、采样频率、信号存储位置；参数配置完成后工控机发出启弧信号给焊机，焊机开始启弧，启弧成功后焊机发出启弧成功信号；启弧成功信号分别传给机器人和数据采集卡，机器人接收到启弧成功信号后开始行走，数据采集卡接收到起弧成功信号后开始对采集到的电弧声音、电流、电压信号进行存储，同时发出触发信号，触发光谱仪及工业相机开始采集电弧光谱与熔池图像信号并存储到工控机中；当机器人完成预定焊接路径后停止运动，并发出熄弧信号给焊机和数据采集卡，焊机接收到熄弧信号后熄灭电弧停止焊接，数据采集卡接收到熄弧信号后停止数据存储，完成焊接及信号采集任务。
[0037] 控制箱是本发明的重要技术创新之一，用以实现焊接设备、机器人设备及信号采集存储设备间相互通讯，屏蔽焊接过程电磁等干扰。控制箱核心部件包括：继电器、运放模块、隔离模块、接线端子、开关电源、开关、航空插头、镀锡不锈钢外壳等。数据采集卡接线端子与数据采集卡相连，且接线口与数据采集卡管脚一一对应。如图3所示，焊接声音、电流、电压信号通过航空插头接入控制箱内，并与数据采集卡AI接口对应的接线端子相连；数据采集卡DO接口发出的触发信号通过数据采集卡接线端子接入控制箱，并由航空插头输出给光谱仪和工业相机；数据采集卡AO接口发出的电流速度及送丝速度控制信号通过接线端子输入控制箱，并分别与两个运放模块相连，运放模块将该控制信号放大到焊机及送丝机控制电压范围内，信号放大后输出给焊机及送丝机；为避免焊机高频高压信号泄露损伤数据采集卡，在数据采集卡接线端子电流控制信号输出端加隔离模块进行过电保护；启弧信号和送丝开关信号通过数据采集卡接线端子DO接口接入给两个继电器，继电器常开输出端接入焊机及送丝机开关电路，当继电器接收到起弧信号和送丝开关信号时常开输出端闭合，则焊机和送丝机开关闭合开始工作；电源经过急停按钮和电源开关后接入工控机，经过分线板接入四个开关电源，经开关电源转换为控制箱内模块所需电压，其中一个5v开关电源为两个继电器供电，两个16v开关电源为运放模块、一个24v开关电源为隔离模块供电，为避免电源过载、短路，每个供电电路串联一个空气开关，当某一电路发生短路时空气开关断开；此外控制箱设有点动开关用于手动控制焊机启弧、电流大小，手动控制送丝、退丝。
[0038] 利用该系统进行机器人焊接实验，实验表明以本发明为前提的机器人焊接系统可实现焊接过程控制及多传感信号的同步采集。如图4所示是本样例焊接过程采集到的电弧光谱、声音、熔池图像、电流和电压信号，作为监控工作状态的图像，能够实时监控焊接过程的工作状态，如发生意外情况，能够直接从图中反应出，便于实验人员的监控并对实验过程进行操控。
