Устройство наведения электронного луча на стык при электронно-лучевой сварке

 

Использование: изобретение относится к устройствам управления электронно-лучевым технологическим оборудованием и может быть использовано при автоматизации процессов сварки. Сущность изобретения: предложено устройство наведения электронного луча на стык при электронно-лучевой сварке, содержащее телевизионную камеру, контролирующую зону сварки, блок обработки видеосигнала, выход которого связан с отклоняющей системой электронно-лучевой сварочной установки. Перед объективом телевизионной камеры установлена преломляющая призма с оптической площадью меньше оптического окна объектива и углом преломления, составляющим 3 - 5^o. Оптическая ось объектива телевизионной камеры направлена на стык впереди сварочной ванны, а призма проецирует на объектив уменьшенное по яркости и сдвинутое изображение сварочной ванны. 2 ил.

Изобретение относится к устройствам управления электронно-лучевым технологическим оборудованием и может быть использовано при автоматизации процессов сварки.

Известны устройства для наведения электронного луча на стык при электронно-лучевой сварке (ЭЛС), содержащие телевизионную камеру, блок обработки видеосигнала и исполнительный блок.

Недостатком известных устройств является низкая надежность наведения из-за значительных помех, обусловленных высоким уровнем свечения сварочной ванны по сравнению с яркостью поверхности изделия и стыка.

Наиболее близким к предлагаемому решению является известное устройство для слежения за стыком при ЭЛС, содержащее телевизионную камеру, контролирующую зону стыка, блок обработки видеосигнала, выход которого связан с исполнительным блоком отклоняющей системы электронно-лучевой сварочной установки, и вторую телевизионную камеру, контролирующую положение луча по изображению ионизированного столба паров металла. Это устройство позволяет получать качественное изображение стыка и ионизированных паров от сварочной ванны за счет возможности отдельного дифрагмирования световых потоков от стыка и от ионизированных паров металла. Устройство имеет меньший уровень помех, обусловленных большим яркостным диапазоном и, следовательно, лучшую точность и надежность работы.

Недостатками известного устройства являются большие габариты и повышенная стоимость конструкции ввиду наличия двух телевизионных камер, а также необходимость жесткой пространственной привязки камер друг к другу.

В предлагаемом устройстве наведения электронного луча на стык при электронно-лучевой сварке, содержащем телевизионную камеру, контролирующую зону сварки, блок обработки видеосигнала, выход которого связан с исполнительным блоком отклоняющей системы электронно-лучевой установки, введена преломляющая оптическая призма с оптической площадью меньшей оптического окна объектива, и углом преломления, равным углу между оптической осью объектива и линией, соединяющей центр призмы с центром сварочной ванны, причем оптическая ось объектива телевизионной камеры направлена на стык впереди сварочной ванны, а плоскость преломления призмы ориентирована вдоль стыка. Таким образом, призма проецирует на объектив уменьшенное по яркости и сдвинутое изображение сварочной ванны, которое накладывается на изображение стыка. Предлагаемое устройство имеет меньшие габариты и стоимость, чем устройство с двумя телевизионными камерами.

На фиг. 1 изображена оптическая часть устройства; на фиг. 2 функциональная схема устройства.

Преломляющая призма 1 с оптической площадью меньшей оптического окна объектива 2 телевизионной камеры установлена перед объективом так, что плоскость преломления ориентирована вдоль стыка, т.е. отклонение лучей, попадающих на призму, осуществляется вдоль стыка. Благодаря малым габаритам призма может крепиться непосредственно к обойме объектива. Оптическая ось объектива направляется на стык 3 впереди от сварочной ванны 4. В том случае, если бы призма перед объективом отсутствовала, на фотодатчик 5 телекамеры попадал бы только световой поток Φ1 от поверхности стыка свариваемых изделий. Благодаря наличию призмы на фотодатчик попадает также световой поток Φ3, представляющий собой преломленную призмой часть светового потока Φ2 от сварочной ванны, причем его величина: Φ₃= ·Φ₂ (1) где S_пр оптическая площадь призмы; S_об площадь оптического окна объектива.

В результате на объектив телевизионной камеры проецируется действительное изображение стыка впереди сварочной ванны и сдвинутое мнимое изображение сварочной ванны. Причем за счет малой активной площади призма не снижает потока Φ1 от зоны наблюдения объектива и одновременно уменьшает яркость изображения сварочной ванны, делая ее соизмеримой с яркостью поверхности и стыка изделий. Изображение сварочной ванны отклоняется призмой только по одной координатной оси Х, совпадающей с осью, вдоль которой идет процесс сварки (фиг. 1).

Оптическая часть устройства позволяет, используя лишь одну телевизионную камеру, наблюдать стык и сдвинутое, наложенное на изображение стыка, изображение сварочной ванны. Контpастность К изображения сварочной ванны по сравнению с изображением основного фона приближенно оценивается из соотношения: K · (2) Соотношение Φ2/Φ1 может быть определено экспериментально по усредненным значениям видеосигнала телевизионной камеры от сварочной ванны и зоны стыка соответственно. Выбирая приемлемую для распознавания контрастность изображения К 2.3, можно найти требуемую оптическую площадь призмы. Она оказывается обычно в 30.100 раз меньше площади объектива.

Таким образом, снижаются помехи видеосигнала и обеспечивается надежность распознавания сварочной ванны и стыка. Причем в предлагаемом устройстве используется лишь одна телевизионная камера.

В электронно-лучевых сварочных установках расстояние от торца объектива телевизионной камеры до сварочной ванны определяется размерами электронно-лучевой установки, требованиями теплового режима телевизионной камеры, разрешающей способностью используемого объектива и составляет, как правило, 200 -400 мм. Ширина зоны наблюдения определяется требованиями к разрешающей способности и точности устройства наведения, величиной возможного отклонения сварочного шва от исходного положения и составляет 10-30 мм. Телевизионная камера ориентируется на стык таким образом, чтобы сварочная ванна располагалась рядом с зоной изображения. На основании этих данных требуемый угол преломления лучей призмы 1 составляет α (20-30)/(200-400) 3-5° На фиг. 2 изображена функциональная схема устройства наведения электронного луча на стык. В ее состав входят телевизионная камера 6; блок 7 обработки видеосигнала; исполнительный блок отклоняющей системы электронно-лучевой сварочной установки 8. Блок обработки видеосигнала состоит из видеоконтрольного устройства 9, устройства 10 предварительной обработки сигнала, устройства 11 ввода и вывода информации, программируемого контроллера 12.

Телевизионная камера преобразует сформированное изображение в телевизионные видеосигналы. Видеоконтрольное устройство предназначено для визуального контроля процесса сварки и работы системы наведения. Устройство предварительной обработки сигнала определяет координаты сварочной ванны и стыка по оси Y (фиг. 1). В моменты пересечения телевизионным растром изображения сварочной ванны и стыка. Для определения каждой из этих координат используются компараторы, сравнивающие уровень видеосигнала с заданным пороговым уровнем, т.е. преобразующие видеосигнал, представляющий собой пространственную функцию яркости, в бинарную функцию яркости. Устройство 11 ввода и вывода информации обеспечивает запись координат сварочной ванны и стыка в виде восьмиразрядных двоичных чисел, их передачу в контроллер 12 и вывод на видеоконтрольное устройство 9 результатов обработки видеоинформации из контроллера.

Контроллер 12 обрабатывает поступающую информацию о координатах сварочной ванны и стыка по оси Y и определяет координаты центра сварочной ванны и стыка по этой оси координат. Программа работы контроллера учитывает, что изображение сварочной ванны сдвинуто относительно ее реального положения на некоторую постоянную величину по оси Х, определяемую углом отклонения оптической призмы. С учетом этого контроллер определяет рассогласование между реальными координатами сварочной ванны и стыка по оси Y для текущего значения координаты по оси Х и вырабатывает сигнал управления в соответствии с величиной этого рассогласования координат.

Исполнительный блок электронно-лучевой сварочной установки 8 преобразует сигнал управления из двоичного кода в аналоговую величину (ток), подаваемую на отклоняющую систему электронно-лучевой установки.

Для повышения помехозащищенности системы координаты сварочной ванны и стыка определяются в пределах восьми строк телевизионного растра. Полученные данные обрабатываются в контроллере по программе, в которой предусмотрено отделение полезного сигнала от помех. Процесс слежения отображается на видеоконтрольном устройстве с помощью прямоугольных меток, имитирующих положение сварочной ванны и стыка.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО НАВЕДЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА НА СТЫК ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ, содержащее телевизионную камеру, направленную в зону стыка, блок обработки видеосигнала, выход которого связан с исполнительным блоком отклоняющей системы электронно-лучевой сварочной установки, отличающееся тем, что перед объективом телевизионной камеры установлена преломляющая оптическая призма с меньшей по сравнению с объективом оптической площадью и углом преломления, равным углу между оптической осью объектива и линией, соединяющей центр призмы с центром сварочной ванны, причем плоскость преломления призмы ориентирована вдоль стыка.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2