CN101108440A - 基于交变磁场测量技术的焊缝自动跟踪控制方法及设备 - Google Patents

Abstract

一种基于交变磁场测量技术的焊缝自动跟踪控制方法及设备，主要用来解决现有的I型坡口焊缝跟踪困难、精度低等技术问题。它由焊接部分和跟踪控制部分构成，跟踪控制部分由基于交变磁场测量技术的焊缝跟踪传感器、激励信号源、摆动装置、计算机控制器、驱动控制器、执行机构以及各个外围功能电路组成；摆动装置带动焊缝跟踪传感器对焊缝坡口进行扫描，并将扫描的焊缝坡口信号经信号处理电路、运算放大电路和A/D转换电路处理后，送入计算机控制器再处理后输出至D/A转换电路，D/A转换电路处理后送给驱动控制器，从而控制焊接小车和十字滑块的电机运动，使焊枪自动跟踪焊缝，从而完成自动化焊接。它具有结构简单、检测速度快、跟踪精度高和适应性好等特点，它可广泛用于I型坡口焊缝的自动跟踪系统中。

Description

基于交变磁场测量技术的焊缝自动跟踪控制方法及设备

技术领域

本发明涉及一种焊接控制方法，特别是一种用于自动焊的控制方法及设备。

背景技术

实现焊接过程自动化控制所要解决的主要问题是焊缝自动跟踪。目前通常采用的焊缝跟踪传感器是机械式电弧传感器和激光式传感器，采用机械式电弧传感器的焊缝跟踪控制系统中，利用电弧自身作为传感器，实时性强，焊枪运动的灵活性和可靠性好，制造成本低，但控制精度不太高，体积大，噪声大，易磨损。采用激光式传感器虽然控制精度比较高，但它的成本高，适用范围窄，在某些场合下，即使是激光跟踪也很难满足要求。近年来，交变磁场测量技术(英文缩写简称ACFM技术)已得到开发和应用，如《ACFMS控制系统的研究与开发》兵工自动化-1996年4期，《ACFM方法在轨道及车辆上的应用》外国机车车辆工艺-2006年2期，《ACFM检测系统电磁兼容可靠性预测》石油工业技术监督-2005年10期，《应用在ACFM无损检测仪器中的正交信号源设计》电子设计应用-2004年11期，《交变磁场测量的缺陷识别模型》无损检测-2005年3期，《交变磁场测量数学模型及类匀强场的建立》无损检测-2004年11期，《交变磁场测量系统数值仿真分析》仪表技术与传感器-2003年6期，《交变磁场测量系统中磁传感器的设计》传感器世界-2003年12期，《利用交变磁场测量法的金属表面缺陷检测》兵工自动化-2004年2期，《无损检测交变磁场测量法》无损检测-2001年3期，通过检索分析可知，基于交变磁场测量技术(ACFM)的传感器具有装置简单、控制精度高、无需与焊件接触、不需标定、检测速度快和适应性好等特点，目前主要应用在缺陷检测方面，但还没有看到交变磁场测量技术在焊缝跟踪方面的研究报道，也没有发现交变磁场测量技术在焊缝自动跟踪中应用的有关报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种装置简单、成本较低、灵敏度和精确度高、可靠性好、可适用于I型坡口焊缝跟踪的基于交变磁场测量技术的焊缝自动跟踪控制方法及设备。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：它是由跟踪控制部分控制焊接部分完成跟踪控制，焊接部分由与焊接电源9相接的焊枪16构成，跟踪控制部分由基于交变磁场测量技术的焊缝跟踪传感器、激励信号源1、摆动装置12、计算机控制器3、驱动控制器5、执行机构以及各个外围功能电路组成；所述执行机构由与十字滑块13配合联接的焊接小车14构成，所述外围功能电路由功率放大电路2、信号处理电路6、运算放大电路7、A/D转换电路8、D/A转换电路4组成；所述基于交变磁场测量技术的焊缝跟踪传感器由激励线圈11和感应线圈10构成并安装在摆动装置12上，在摆动装置12的驱动下，焊缝跟踪传感器对焊缝坡口进行摆动扫描；所述激励线圈11采用矩形激励线圈，由激励信号源1输出1kHz到12kHz频率范围的正弦波作为激励信号，经过功率放大电路2来驱动激励线圈11，激励线圈11在焊件15表面产生感应磁场；激励线圈11产生的感应磁场在感应线圈10中将获得的感应磁场量转化为感应电流信号，感应线圈10产生的感应电流信号经过信号处理电路6进行滤波和经运算放大电路7放大和A/D转换电路8处理后，并和激励信号源1同步输出作为参考信号的方波信号一起送至计算机控制器3，将焊缝偏差信息提取出来，由计算机控制器3输出控制信号经D/A转换电路4和驱动控制器5控制执行机构，用于焊缝自动跟踪。

本发明的激励线圈11产生具有参考信号的横向交变磁场，激励信号源1同步输出一个与正弦波频率相同的方波激励信号作为参考信号，使计算机控制器3完成软件处理和焊缝偏差运算，由激励信号源1输出的正弦波激励信号的最佳信号频率范围为2kHz到8kHz。

本发明用于所述基于交变磁场测量技术的焊缝自动跟踪控制方法的设备，它由焊接部分和跟踪控制部分两大部分组成，焊接部分由焊接电源9、焊枪16组成，跟踪控制部分是由基于交变磁场测量技术的焊缝跟踪传感器、激励信号源1、摆动装置12、计算机控制器3、驱动控制器5、执行机构以及各个外围功能电路组成；其中，执行机构由十字滑块13、焊接小车14组成，焊缝跟踪传感器在摆动装置12的驱动下，对焊件15的焊缝坡口进行摆动扫描，由感应线圈10检测焊缝坡口信号，经信号处理电路6、运算放大电路7、A/D转换电路8处理后，送入计算机控制器3进行软件处理和运算；运算结果经过D/A转换电路4送至驱动控制器5，控制执行机构对焊缝进行自动跟踪，完成自动化焊接。基于交变磁场测量技术的焊缝跟踪传感器和焊枪16都可以安装在跟踪控制部分的十字滑块13上，焊缝跟踪传感器对焊缝坡口进行摆动扫描，且前置于焊枪，传感器与焊枪相对独立，跟踪控制部分与焊接部分相对独立。

本发明的有益效果是：它是利用基于交变磁场测量技术的焊缝跟踪传感器对焊缝坡口信息进行扫描的一种焊缝自动跟踪控制方法，由于把焊接部分和跟踪控制部分独立开来，并且利用了交变磁场测量技术的灵敏度好和精确性高的特性，大大提高了焊缝扫描的准确性，而且减少了焊接本身对传感器的影响。实际焊接工艺试验证明：本发明的焊缝跟踪精度高、运行稳定可靠、实用性强，可广泛用于I型坡口焊缝的自动跟踪系统中。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是基于交变磁场测量技术的焊缝跟踪传感器的工作过程示意图；

图4是本发明的焊缝跟踪传感器扫描焊缝时的磁场变化示意图；

图5是检测信号采样波形图。

图中：1-激励信号源，2-功率放大电路，3-计算机控制器，4-D/A转换电路，5-驱动控制器，6-信号处理电路，7-运算放大电路，8-A/D转换电路，9-焊接电源，10-感应线圈，11-激励线圈，12-摆动装置，13-十字滑块，14-焊接小车，15-焊件，16-焊枪，ω-摆动装置的摆动角速度，V-焊接速度。

具体实施方式

下面结合实施例并对照附图对本发明进一步说明。

实施例1，本发明的整个结构包括由焊枪16、焊接电源9组成的焊接部分和由基于交变磁场测量技术的焊缝跟踪传感器等组成的跟踪控制部分；将传感器和焊枪16安装在跟踪控制部分的十字滑块13上。跟踪控制部分由基于交变磁场测量技术的焊缝跟踪传感器、激励信号源1、摆动装置12、计算机控制器3、驱动控制器5、执行机构和各个外围功能电路组成。

基于交变磁场测量技术的焊缝跟踪传感器由激励线圈11、感应线圈10组成。激励信号源1产生一定频率范围的正弦波信号，经过功率放大电路2，驱动激励线圈11工作，激励线圈11在位于传感器下方的焊件15表面产生感应磁场；感应线圈10将获得的磁场量转化为电量，不同的焊缝坡口状态将产生不同的感应磁场，从而得到不同的感应电流信号。焊缝跟踪传感器安装在摆动装置12上，摆动装置12安装在十字滑块13上，十字滑块13固定在焊接小车14上，并且在竖直方向对焊缝坡口进行扫描，通过检测不同扫描位置的感应电流信号，从而判断出焊缝坡口的位置信息。

为了将交变磁场测量技术用于焊缝跟踪，需要防止焊接过程中电弧、电磁等干扰对传感器的影响，因此必须保证激励线圈11中的激励信号强度和频谱范围，激励信号源1产生的正弦波信号必须接功率放大电路2后，再送至激励线圈11。

其中，基于交变磁场测量技术的焊缝跟踪传感器的工作过程如附图3所示。当载有交变电流的激励线圈11靠近导体焊件时，交变电流在周围的空间中产生交变磁场，被测导体焊件表面产生趋肤效应，感应出交变电流。当焊件无缺陷时，电流线彼此平行，被测焊件表面电流是近似匀强的，这近似匀强的电流场在周围空间中产生近似匀强的交变磁场；当被测焊件表面有缺陷时，由于电阻率的变化，电流发生畸变，电流的匀强分布受到破坏，进而匀强磁场发生变化，电流线会在缺陷边缘处产生汇聚和偏转，焊件表面的磁场分布会发生扰动，磁场的变化情况如附图3所示。

当基于交变磁场测量技术的焊缝跟踪传感器在竖直方向对焊缝坡口进行扫描时，扫描点偏离焊缝中心的距离与磁场间的变化规律如附图4所示。传感器扫描焊缝时，激励电流的流向和焊缝平行，激励线圈垂直于焊缝方向，参见附图1中激励线圈的绕组标示。在焊缝坡口附近，因为介质发生变化，其电导率不同，而电流流动仍要保持连续性，就会顺着焊缝边缘偏转。焊缝宽度对焊件表面垂直的法向磁场分量Bz产生影响，Bz值的变化非常显著，会出现两个极值点A点和B点，参阅附图4。感应电流大小和磁场强度呈一定的比例关系，因此，可以根据感应电流波形判断出焊缝坡口位置信息。

基于交变磁场测量技术的焊缝跟踪传感器对焊缝坡口进行扫描时，感应线圈所获得的检测信号经过信号处理电路6滤波和运算放大电路7信号放大后，去除干扰信息，得到的电流信号波形如附图5所示。从波形上可以看出，在信号的最大值处极值特征最为明显，为了准确获得最大值，由激励信号源1同步输出一个与正弦波频率相同的方波信号作为参考信号，直接送到计算机控制器3中，并且在参考信号的下降沿进行采样。比较每次采样值的大小，就可判断传感器是否偏离了焊缝，从而调节执行机构实现焊缝的精确跟踪。

经过计算机控制器3的运算和处理后，运算结果输送至D/A转换电路4，再由驱动控制器5驱动执行机构对焊缝进行自动跟踪。执行机构由焊接小车14、十字滑块13组成，由驱动控制器5驱动焊接小车14和十字滑块13上的电机进行相应的调节，完成焊缝跟踪。

本发明中，激励信号源1可为矩形激励线圈11提供1kHz到12kHz频率范围的正弦波作为激励信号，激励线圈11所产生的磁场为具有参考信号的横向交变磁场，激励信号源1所使用的正弦波的最佳频率范围为2kHz到8kHz。焊接部分中的焊接电源9对焊缝跟踪效果的影响很小，因此本发明可以采用多种焊接电源，实现多种焊接材料和各种焊接规范下的自动跟踪焊接。

本发明旨在用结构简单而灵敏度和精确性高的基于交变磁场测量技术的传感器焊缝跟踪系统，来代替机械式电弧传感器焊缝跟踪控制系统，以及成本昂贵的激光式焊缝跟踪控制系统。

Claims (4)

1.一种基于交变磁场测量技术的焊缝自动跟踪控制方法，它是由跟踪控制部分控制焊接部分完成跟踪控制，焊接部分由与焊接电源(9)相接的焊枪(16)构成，其特征在于：跟踪控制部分由基于交变磁场测量技术的焊缝跟踪传感器、激励信号源(1)、摆动装置(12)、计算机控制器(3)、驱动控制器(5)、执行机构以及各个外围功能电路组成；所述执行机构由与十字滑块(13)配合联接的焊接小车(14)构成，所述外围功能电路由功率放大电路(2)、信号处理电路(6)、运算放大电路(7)、A/D转换电路(8)、D/A转换电路(4)组成；所述基于交变磁场测量技术的焊缝跟踪传感器由激励线圈(11)和感应线圈(10)构成并安装在摆动装置(12)上，在摆动装置(12)的驱动下，焊缝跟踪传感器对焊缝坡口进行摆动扫描；所述激励线圈(11)采用矩形激励线圈，由激励信号源(1)输出1kHz到12kHz频率范围的正弦波作为激励信号，经过功率放大电路(2)来驱动激励线圈(11)，激励线圈(11)在焊件(15)表面产生感应磁场；激励线圈(11)产生的感应磁场在感应线圈(10)中将获得的感应磁场量转化为感应电流信号，感应线圈(10)产生的感应电流信号经过信号处理电路(6)进行滤波和经运算放大电路(7)放大和A/D转换电路(8)处理后，并和激励信号源(1)同步输出作为参考信号的方波信号一起送至计算机控制器(3)，将焊缝偏差信息提取出来，由计算机控制器(3)输出控制信号经D/A转换电路(4)和驱动控制器(5)控制执行机构，用于焊缝自动跟踪。

2.根据权利要求1所述的基于交变磁场测量技术的焊缝自动跟踪控制方法，其特征在于：激励线圈(11)产生具有参考信号的横向交变磁场，激励信号源(1)同步输出一个与正弦波频率相同的方波激励信号作为参考信号，使计算机控制器(3)完成软件处理和焊缝偏差运算，由激励信号源(1)输出的正弦波激励信号的最佳信号频率范围为2kHz到8kHz。

3.一种用于权利要求1所述基于交变磁场测量技术的焊缝自动跟踪控制方法的设备，它由焊接部分和跟踪控制部分两大部分组成，焊接部分由焊接电源(9)、焊枪(16)组成，其特征在于：跟踪控制部分是由基于交变磁场测量技术的焊缝跟踪传感器、激励信号源(1)、摆动装置(12)、计算机控制器(3)、驱动控制器(5)、执行机构以及各个外围功能电路组成；其中，执行机构由十字滑块(13)、焊接小车(14)组成，焊缝跟踪传感器在摆动装置(12)的驱动下，对焊件(15)的焊缝坡口进行摆动扫描，由感应线圈(10)检测焊缝坡口信号，经信号处理电路(6)、运算放大电路(7)、A/D转换电路(8)处理后，送入计算机控制器(3)进行软件处理和运算；运算结果经过D/A转换电路(4)送至驱动控制器(5)，控制执行机构对焊缝进行自动跟踪，完成自动化焊接。

4.根据权利要求3所述的用于基于交变磁场测量技术的焊缝自动跟踪控制方法的设备，其特征是：基于交变磁场测量技术的焊缝跟踪传感器和焊枪(16)都安装在跟踪控制部分的十字滑块(13)上，焊缝跟踪传感器对焊缝坡口进行摆动扫描，且前置于焊枪，传感器与焊枪相对独立，跟踪控制部分与焊接部分相对独立。

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