CN100377827C - 埋弧焊焊缝自动跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

一种埋弧焊焊缝自动跟踪控制方法，它属于焊接自动跟踪控制领域。它主要解决现有的焊缝自动跟踪控制系统结构和运算复杂、控制精度低，成本高等技术问题。其技术方案要点是：利用焊接电弧本身作为传感器，检测焊接过程中焊缝形状和位置，从电弧和电压的变化中获得焊炬与焊缝横向与高低偏差信息，运用交流整形技术，硬件和数字相结合的滤波技术，光藕隔离技术和PWM控制技术。偏差信号经信号处理电路后，AD对其进行采样再送往单片机运算，最后由HSO口输出控制信号控制PWM产生电路去驱动步进电机以调整十字滑块，使电弧对准焊缝中心，实现焊缝自动跟踪。它极大地提高了对偏差信号判断的准确性，且抗干扰能力强，运行稳定可靠，实用性强。

Description

埋弧焊焊缝自动跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及一种焊接技术，特别是一种用于埋弧焊焊缝进行自动跟踪的控制方法。

背景技术

埋弧焊广泛应用于石油化工设备、压力容器的制造中。但在焊接过程中，由于电弧埋在焊剂中，电弧及其焊缝用肉眼无法观察到，为了保证焊机机头对准焊缝中心，必须焊前调节好位置。即使这样，由于工件装配时难以保证坡口间隙一致，使得焊丝在焊接过程中无法始终对准焊缝中心。因此，埋弧焊的焊缝自动跟踪成为迫切需要解决的问题。

目前，对埋弧焊焊缝跟踪主要采用四种方法：一是直接电弧式跟踪系统，二是光电传感器式跟踪系统，三是超声波传感器式跟踪系统，四是视觉传感器式跟踪系统。直接电弧式跟踪系统是利用电弧和电压的变化获得焊炬与焊缝横向和高低偏差信号；光电传感器式跟踪系统是将感应器所感应到的光信号转化为电信号来实现跟踪；超声波传感器式跟踪系统是利用发射出的超声波在金属内传播时在界面产生反射的原理，由超声波传感器接收反射波，根据入射-反射波脉冲的行程，测量界面的位置；视觉传感器式跟踪系统是将视频信号转化为数字图像，经过对图像的处理并转换为模拟信号后，经计算机送往电机控制板以驱动电机转动，控制焊枪移动，调整焊炬准确对准焊缝达到纠偏的目的。

在上述几种方法中，光电传感器式跟踪系统需要事先画一条与焊缝平行的白线，当焊缝有弯折时，跟踪精度就不能保证了；超声波传感器式跟踪系统对金属表面的要求较高，使其应用范围受到限制；视觉传感器式跟踪系统容易受到焊接飞溅，烟尘，电弧闪烁和工件的铁锈，划痕和氧化皮的影响，影响跟踪；而且上述几种方法由于附加了器件成本相当高。针对这些缺点，我们采用了既经济又简单的电弧传感器低频摆动式跟踪系统，利用80C196KC单片机控制结合必要的外围硬件电路，实现埋弧焊焊接过程中的焊缝自动跟踪。

发明内容

本发明的目的是提供一种电路简单、成本较低、灵敏度和精确度高、可靠性好的埋弧焊焊缝自动跟踪控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：它由弧压传感信号处理电路、单片机信号处理系统、PWM产生电路，跟踪执行机构构成，弧压传感信号处理电路通过利用焊接电弧本身作为传感器，检测焊接过程中焊缝形状和位置，从电弧和电压的变化中获得焊炬与焊缝横向与高低偏差信息，运用交流整形技术，硬件和数字相结合的滤波技术、光藕隔离技术和PWM控制技术，偏差信号经信号处理电路后，AD对其进行采样再送往单片机运算，最后由HSO口输出控制信号控制PWM产生电路去驱动步进电机以调整跟踪执行机构十字滑块，使电弧对准焊缝中心，实现焊缝自动跟踪；所述PWM产生电路根据HSO口输出的控制信号驱动步进电机运转和控制运转方向。

所述跟踪执行机构包括十字滑块，十字滑块与步进电机带动固联。所述单片机信号处理系统采用电压-电流双控检测法，包括对焊接电压信号和焊接电流信号分别进行采样和运算，电源采用外特性为下降特性的交流焊接电源；焊接电压经过全桥整流后变成直流，经硬件电路滤波后分压，把焊接电压的变化反映在1-5V范围内的变化，经光藕隔离后送入单片机处理；从焊接电源的分流器取出来的电流很小，经变压器放大后，经全桥整流、滤波放大，最后经光藕隔离后送入单片机处理；当首先由电压检测法得出的焊缝偏差信号反映给跟踪执行机构去调节十字滑块，由于某些干扰因素使得跟踪无法进行时，单片机马上启动电流检测法程序去执行跟踪调节。所述单片机采用80C196KC单片机对焊接电压和焊接电流信号进行处理。

在电弧传感器低频摆动焊缝自动跟踪控制时采用最大数平均值替代法对弧压信号进行软件数字滤波；当电弧正常燃弧后，由安装在直流电机上的光码盘发出的单圈脉冲来到时给出开始采样信号，单片机开始采样，来一次多圈脉冲，AD口就进行一次采样转换，每五次采样为一个周期，如果一个采集周期内最大值与其前一次的采样值相比，差值大于允许误差值δ，则此最大值就用其余数值的平均值代替，如果差值在允许误差值内则保留原值，如此循环；一个周期采样完成后，计算出左右偏差值，偏差值与设定值相比较，如果偏差值与设定值的差值小于允许误差ω，即表示焊炬对准中心，无须进行调整；若偏差值与设定值的差值大于允许误差ω，则要作进一步的判断：当偏差值与设定值两者相减结果为正值，则表示焊缝位置向右偏，单片机执行步进电机正转程序，驱动电机带动十字滑块向左移动，从而使焊炬向左移动，直到焊炬对准焊缝中心；同理，当偏差值与设定值两者相减结果为负值，则表示焊缝位置向左偏，单片机执行步进电机反转程序，驱动电机带动十字滑块向右移动，从而使焊炬向右移动，直到焊炬对准焊缝中心。

其优选实施方式：通过利用直流电机带动焊炬形成摆动电弧，在焊道上方左右往复直线扫描，其扫描频率1-3Hz内调节；其扫描距离根据工件条件包括厚度、坡口大小进行调节；利用焊枪与工件距离变化引起的焊接电流参数变化来探测距离高度和左右偏差，分别对反映焊接电弧位置的焊接电流和焊接电压进行检测。根据焊接电压的变化比焊接电流的变化更明显的特点，采用以电压检测为主，电流检测为辅的电压-电流双控检测法获取焊缝位置信息，经过整流、滤波、放大、隔离后送往AD口采样，经单片机处理后由HSO口输出控制信号控制PWM产生电路去驱动步进电机以调整十字滑块，使电弧对准焊缝中心，实现焊缝自动跟踪。

本发明的有益效果是：它通过采用电压-电流双控检测法对焊缝偏差进行检测，并选用的焊接电源的外特性是下降性的，故以电压检测法为主，电流检测法为辅，实行双控检测，提高了对偏差信号判断的准确性，使得焊接跟踪控制系统精度高。它主要解决了现有埋弧焊焊缝自动跟踪系统结构复杂、控制精度低、成本较高等技术问题，这种焊缝自动跟踪系统适应性强、控制方法简单、控制精度和灵敏度高。实际焊接工艺试验证明：焊接过程跟踪效果好，精度高，抗干扰能力强，运行稳定可靠，实用性强。

附图说明

图1是本发明的基本结构方框原理示意图。

图2是焊接电压信号处理的电路原理图。

图3是焊接电流信号处理的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明是通过利用直流电机带动焊炬形成摆动电弧，在焊道上方左右往复直线扫描，其扫描距离可以根据工件厚度、坡口大小进行调节，一般是10-20mm，扫描频率1-3Hz可调。机头二维调节机构采用稳定性好，控制方便的步进电机和十字滑块机构。本发明利用外特性为下降特性的交流焊接电源，并根据电弧传感器的基本原理：利用焊枪与工件距离变化引起的焊接电流参数变化来探测距离高度和左右偏差，分别对反映焊接电弧位置的焊接电流和焊接电压进行检测。由于焊接电源外特性为下降特性，当电弧弧长变化相同时，焊接电压的变化比焊接电流的变化更明显，所以本发明采用了以电压检测为主，电流检测为辅的电压-电流双控检测法获取焊缝位置信息，经过整流、滤波、放大、隔离后送往AD口采样，经单片机处理后由HSO口输出控制信号控制PWM产生电路去驱动步进电机以调整十字滑块，使电弧对准焊缝中心，实现焊缝自动跟踪。本发明的基本结构可分为四大部分：弧压传感信号处理电路、单片机信号处理系统、PWM产生电路，跟踪执行机构。参阅图1至图3。

图2所示的焊接电压信号处理电路原理如下：焊接电压经过全桥整流后变成直流，经硬件电路滤波后分压，把焊接电压的变化反映在1-5V范围内的变化。功率元件电路主要是提高带负载能力，最后经光藕隔离后送入单片机处理。

图3所示的焊接电流信号处理电路原理如下：从焊接电源的分流器取出来的电流很小，经变压器放大后全桥整流，再次滤波放大，最后经光藕隔离后送入单片机处理。

图1中所示的单片机信号处理系统包括对焊接电压信号和焊接电流信号分别进行采样和运算。为了保证焊缝自动跟踪的精度，除了运用硬件电路对焊接弧压信号进行滤波外，本发明还应用最大数平均值替代法进行软件数字滤波，其原理如下：当电弧正常燃弧后，由安装在直流电机上的光码盘发出的单圈脉冲来到时给出开始采样信号，单片机开始采样，来一次多圈脉冲，AD口就进行一次采样转换，每连续采样五次为一组，假设某一时刻连续采样五次的值分别为X_i，X_i+1，X_i+2，X_i+3，X_i+4(假设其中X_i+4为五者之中的最大值，当然也可以是其余四个中的任意一个)，δ为误差允许值，δ大小可根据情况调整。如果最大值X_i+1与其前一次的采样值相比，差值大于允许误差值δ，则X_i+4的值就用其余四点的平均值代替，如果差值在允许误差值内则保留原值，如此循环。一个周期采样完成后，计算出左右偏差值，偏差值与设定值相比较，如果偏差值与设定值相差不大，如小于某一有限值ω，则认为焊接电弧在左右方向上没有发生偏转，即焊炬对准中心，无须进行调整，我们将这一有限值ω叫做允许误差，其值一般比较小，可以根据我们需要的焊缝跟踪精度进行适当的调整。如果偏差值与设定值相差比较大，大于允许误差ω，则要作进一步的判断：当偏差值与设定值两者相减结果为正值，则表示焊缝位置向右偏，单片机执行步进电机正转程序，驱动电机带动十字滑块向左移动，从而使焊炬向左移动，直到焊炬对准焊缝中心；同理，当偏差值与设定值两者相减结果为负值，则表示焊缝位置向左偏，单片机执行步进电机反转程序，驱动电机带动十字滑块向右移动，从而使焊炬向右移动，直到焊炬对准焊缝中心。本发明所述的电压-电流双控检测法：即当首先由电压检测法得出的焊缝偏差信号反映给跟踪执行机构去调节十字滑块，由于一些干扰因素使得跟踪无法进行时，单片机马上启动电流检测法程序去执行跟踪调节。

PWM产生电路主要是根据HSO口输出的控制信号驱动步进电机运转和控制运转方向。跟踪执行机构主要是十字滑块，由步进电机带动，实现左右滑动调节。参阅图1至图3。

Claims (6)

1.一种埋弧焊焊缝自动跟踪控制方法，其特征是：它由弧压传感信号处理电路、单片机信号处理系统、PWM产生电路，跟踪执行机构构成，弧压传感信号处理电路通过利用焊接电弧本身作为传感器，检测焊接过程中焊缝形状和位置，从电弧和电压的变化中获得焊炬与焊缝横向与高低偏差信息，运用交流整形技术，硬件和数字相结合的滤波技术、光藕隔离技术和PWM控制技术，偏差信号经信号处理电路后，AD对其进行采样再送往单片机运算，最后由HSO口输出控制信号控制PWM产生电路去驱动步进电机以调整跟踪执行机构十字滑块，使电弧对准焊缝中心，实现焊缝自动跟踪；所述PWM产生电路根据HSO口输出的控制信号驱动步进电机运转和控制运转方向。

2.根据权利要求1所述的埋弧焊焊缝自动跟踪控制方法，其特征是：跟踪执行机构包括十字滑块，十字滑块与步进电机带动固联。

3.根据权利要求1所述的埋弧焊焊缝自动跟踪控制方法，其特征是：所述单片机信号处理系统采用电压-电流双控检测法，包括对焊接电压信号和焊接电流信号分别进行采样和运算，电源采用外特性为下降特性的交流焊接电源；焊接电压经过全桥整流后变成直流，经硬件电路滤波后分压，把焊接电压的变化反映在1-5V范围内的变化，经光藕隔离后送入单片机处理；从焊接电源的分流器取出来的电流很小，经变压器放大后，再经全桥整流、滤波放大，最后经光藕隔离后送入单片机处理；首先由电压检测法得出的焊缝偏差信号反映给跟踪执行机构去调节十字滑块，但由于某些干扰因素使得跟踪无法进行时，单片机马上启动电流检测法程序去执行跟踪调节。

4.根据权利要求1所述的埋弧焊焊缝自动跟踪控制方法，其特征是：所述单片机采用单片机对焊接电压和焊接电流信号进行处理。

5.根据权利要求1所述的埋弧焊焊缝自动跟踪控制方法，其特征是：在电弧传感器低频摆动焊缝自动跟踪控制时采用最大数平均值替代法对弧压信号进行软件数字滤波；当电弧正常燃弧后，由安装在直流电机上的光码盘发出的单圈脉冲来到时给出开始采样信号，单片机开始采样，来一次多圈脉冲，AD口就进行一次采样转换，每五次采样为一个周期，如果一个采集周期内的最大值与其前一次的采样值相比，差值大于允许误差值δ，则此最大值就用其余数值的平均值代替，如果差值在允许误差值内则保留原值，如此循环；一个周期采样完成后，计算出左右偏差值，偏差值与设定值相比较，如果偏差值与设定值的差值小于允许误差ω，即认为焊炬对准中心，无须进行调整；若偏差值与设定值的差值大于允许误差ω，则要作进一步的判断：当偏差值与设定值两者相减结果为正值，则表示焊缝位置向右偏，单片机执行步进电机正转程序，驱动电机带动十字滑块向左移动，从而使焊炬向左移动，直到焊炬对准焊缝中心；同理，当偏差值与设定值两者相减结果为负值，则表示焊缝位置向左偏，单片机执行步进电机反转程序，驱动电机带动十字滑块向右移动，从而使焊炬向右移动，直到焊炬对准焊缝中心。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的埋弧焊焊缝自动跟踪控制方法，其特征是：通过利用直流电机带动焊炬形成摆动电弧，在焊道上方左右往复直线扫描，其扫描频率1-3Hz内调节；其扫描距离根据工件条件包括厚度、坡口大小进行调节；利用焊枪与工件距离变化引起的焊接电流参数变化来探测距离高度和左右偏差，分别对反映焊接电弧位置的焊接电流和焊接电压进行检测。根据焊接电压的变化比焊接电流的变化更明显的特点，采用以电压检测为主，电流检测为辅的电压-电流双控检测法获取焊缝位置信息，经过整流、滤波、放大、隔离后送往AD口采样，经单片机处理后由HSO口输出控制信号控制PWM产生电路去驱动步进电机以调整十字滑块，使电弧对准焊缝中心，实现焊缝自动跟踪。

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