CN101327545B - 熔化极气体保护焊磁控电弧传感焊缝实时跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

一种熔化极气体保护焊磁控电弧传感焊缝实时跟踪控制方法，它属于一种焊接控制技术。它主要是解决现有熔化极气体保护焊焊缝跟踪系统结构复杂、成本高、性能不稳定、实时性不好等问题。其技术方案要点是：它包括磁控电弧传感器、由焊枪和焊接电源等组成的焊接系统、控制系统、一套十字滑架和轮式机器人等组成的跟踪执行机构。磁控电弧传感器直接装在熔化极气保焊的焊枪上，采集焊缝横向与高低偏差信息，经信号处理后，送入微机进行软件处理，实时控制跟踪执行机构进行焊缝自动跟踪。该技术实现了熔化极气体保护焊的焊缝自动跟踪。磁控电弧传感器安装在熔化极气体保护焊的焊枪上，无前置和后置问题，具有实时性好，成本低，稳定性和精确性高的特点。

Description

熔化极气体保护焊磁控电弧传感焊缝实时跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及焊接控制技术，特别是一种用于熔化极气体保护焊的焊缝自动跟踪技术。

背景技术

熔化极气体保护焊以其高效、节能、操作简单方便，在实际生产中得到广泛的应用，并已经成为手工电弧焊的替代工艺。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。目前用于熔化极气体保护焊的焊缝跟踪传感器大多是机械式电弧传感器和激光式传感器，机械式电弧传感器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达性好，制造成本低，但体积大、噪声大、易磨损、控制精度不高。激光式传感器虽然控制精度比较高，但它的成本高，实时性差。

对磁控电弧的研究，主要集中在改善焊缝成形方面，现在也有用于焊缝跟踪的报道，但都是非熔化极焊接。对熔化极焊接，现有报道的方法是采用一套双滑块结构：该结构包括两套十字滑块，焊接系统和跟踪系统相对独立，前置的十字滑块用磁控电弧传感器作用于小电流的TIG焊来构成跟踪系统，后面的由熔化极气保焊构成的接焊接系统按一定的时间差重复前置的十字滑块的动作，这样来完成跟踪。该系统的体积大、成本高，由于控制系统存在一个延迟时间，使系统的稳定性和实时性受到了很大影响。

对于熔化极气体保护焊磁控电弧传感焊缝实时跟踪，目前尚未发现别人开展过这方面的研究，重要原因是熔化极气体保护焊的电弧较短、飞溅大，用磁场控制电弧就出现了很多问题。但是要真正实现熔化极气体保护焊的磁控电弧传感焊缝实时跟踪，必须实现实时跟踪。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本低、实时性好、灵敏度和精确度高、稳定性好的熔化极气体保护焊磁控电弧传感焊缝实时跟踪控制方法。

本发明主要是为了解决目前熔化极气体保护焊焊缝自动跟踪控制系统结构复杂、控制精度低、实时性不好等问题。其技术方案要点是：它包括由焊枪和焊接电源组成的焊接系统、焊缝跟踪传感器、控制系统、一套十字滑架和轮式机器人组成的跟踪执行机构，焊缝跟踪传感器采用磁控电弧传感器并安装熔化极气体保护焊的焊枪上，焊枪安装在跟踪执行机构上；控制系统包括信号采集与处理电路、控制器、驱动控制电路、显示电路；焊接电弧在磁控电弧传感器的作用下运动，扫描焊缝得到焊缝横向与高低偏差信息，经信号处理电路后，送入微机系统进行数字滤波和软件处理，运算结果控制跟踪执行机构自动跟踪焊缝，完成自动化焊接。磁控电弧传感器安装在熔化极气体保护焊的焊枪上，焊接点即为信号采集点。磁控电弧传感器包括励磁电源、磁场发生装置、霍尔传感器，其扫描频率和扫描宽度均线性可调。磁控电弧传感器的扫描频率范围为3HZ-15HZ。用于熔化极气体保护焊的气体包括CO₂等。磁控电弧传感器采用包括励磁电源、磁场发生装置、霍尔传感器构成，所述磁场发生装置安装在熔化极气体保护焊的焊枪上，所述磁场发生装置的一对磁极用耐高温材料制作。所述励磁电源提供可产生的频率和幅值可调的激励电流和两个与励磁电流同频率的中断脉冲信号。滤波电路采用2个串联的巴特沃思低通滤波器进行硬件滤波。

本发明的有益效果是：把磁控电弧传感器用于熔化极气体保护焊焊缝自动跟踪上，具有实时性好、控制精度高、成本低等优点，解决了目前熔化极气体保护焊焊缝自动跟踪的一系列问题。通过实际焊接工艺试验证明：跟踪效果好，运行稳定可靠，实用性强。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的磁控电弧传感器的磁场发生装置结构示意图。

图3是本发明的磁控电弧传感器的励磁电源结构示意图。

图4是本发明的滤波电路原理图。

图5是本发明的采样区间示意图。

具体实施方式

实施例1，本发明由磁控电弧传感器、焊枪和焊接电源等组成的焊接系统、控制系统、跟踪执行机构等构成。磁控电弧传感器安装在焊枪上，焊枪安装在跟踪执行机构上。磁控电弧传感器产生交变磁场，驱动熔化极气体保护焊焊电弧按一定的频率和幅度摆动，从而扫描焊缝，得到焊缝的信息，经过滤波电路滤波放大后送入控制系统进行处理，控制系统实时的对滑块执行结构和焊接小车进行调整，从而进行焊缝跟踪。该系统焊接点即为偏差信号采集点，边焊接边跟踪，实时性非常好。参阅图1。

它主要是解决了目前熔化极气体保护焊焊缝自动跟踪控制系统结构复杂、成本高、性能不稳定、控制精度低、实时性不好等问题。它通过把磁控电弧技术应用于熔化极气体保护焊焊缝自动跟踪，对焊接电弧施加交变磁场，使焊接电弧按照一定的频率扫描焊缝，从而获得表征焊炬与焊缝相对位置的特征参数，然后经过相应的信号处理后，送入微机系统进行数字滤波处理和相应的程序运算，控制跟踪执行机构进行适时调整扫描焊炬，使扫描焊炬与焊缝中心对准以实现焊缝跟踪。

因本发明中的磁控电弧传感器是直接安装在熔化极气体保护焊的焊枪上，摆脱了两套十字滑块的结构，焊接点即为信号采集点，不存在前置和后置的问题，因此系统的实时性和稳定性得到了很大的提高，又由于磁场的摆动频率和幅度能精确控制，跟踪系统的控制精度有了进一步的提高。

实施例2，本发明磁控电弧传感器包括由励磁电源、磁场发生装置、霍尔传感器等部件构成，其中磁场发生装置由于该装置直接安装在熔化极气体保护焊的焊枪上，焊接时温度非常高，飞溅物特别多，该磁场发生装置的一对磁极用耐高温材料制作，并且制作成可更换的形式。磁控电弧磁场发生装置结构参阅图2。励磁电源的作用是产生的频率和幅值可调的激励电流和两个与励磁电流同频率的中断脉冲信号，中断脉冲信号的作用是确定采样开始的位置，其励磁电源结构示意图参阅图3。焊接时，励磁线圈在励磁电流的作用下，在两个磁极之间产生交变的磁场，焊接电弧在交变的磁场作用下按一定的规律摆动，从而扫描焊缝，用霍尔传感器采集焊接电流的变化规律就能得到焊缝的偏差信息。参阅图2和3，其余同实施例1。

实施例3，本发明滤波电路采用2个串联的巴特沃思低通滤波器进行硬件滤波。由于在熔化极气体保护焊中，弧长短，飞溅大，干扰因素多，因此对采样信号的处理显得非常重要，因此在硬件上采用如图4的2个串联的巴特沃思低通滤波器进行硬件滤波。参阅图4，其余同上述实施例。

实施例4，当每个定位中断脉冲到到来时系统开始采样，为了抑制干扰，提高系统的稳定性，用如下方法进行处理：设采样点数为n，第i点的采样值为f(i)，在一个定位脉冲周期内，如果f(i)≥k₀f(i-1)，则f(i)＝f(i-1).式中，i＝1，2，...，n，k₀为替换系数(k₀＞1)，可以通过调整该值获取较好的滤波和跟踪效果。通过这样的软件滤波，能较好的剔除干扰信号。把采样区间的采样值进行求和，比较每次采样值和的大小，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。参阅图5，其余同上述实施例。

Claims (8)

1.一种熔化极气体保护焊磁控电弧传感焊缝实时跟踪控制方法，它采用包括由焊枪和焊接电源组成的焊接系统、焊缝跟踪传感器、控制系统、一套十字滑架和轮式机器人组成的跟踪执行机构构成焊缝跟踪控制系统实现对焊缝的跟踪控制焊接，其特征是：焊缝跟踪传感器采用磁控电弧传感器，安装有焊缝跟踪传感器的熔化极气体保护焊焊枪安装在跟踪执行机构上；控制系统包括信号采集与处理电路、控制器、驱动控制电路、显示电路；焊接电弧在磁控电弧传感器的作用下运动，扫描焊缝得到焊缝横向与高低偏差信息，经信号处理电路后，送入微机系统进行数字滤波和软件处理，运算结果控制跟踪执行机构自动跟踪焊缝，完成自动化焊接。

2.根据权利要求1所述的熔化极气体保护焊磁控电弧传感焊缝实时跟踪控制方法，其特征是：磁控电弧传感器安装在熔化极气体保护焊的焊枪上，焊接点即为信号采集点。

3.根据权利要求1或2所述的熔化极气体保护焊磁控电弧传感焊缝实时跟踪控制方法，其特征是：磁控电弧传感器包括励磁电源、磁场发生装置、霍尔传感器，磁控电弧传感器扫描频率和扫描宽度均线性可调。

4.根据权利要求3所述的熔化极气体保护焊磁控电弧传感焊缝实时跟踪控制方法，其特征是：磁控电弧传感器的扫描频率范围为3HZ-15HZ。

5.根据权利要求1或2所述的熔化极气体保护焊磁控电弧传感焊缝实时跟踪控制方法，其特征是：用于熔化极气体保护焊的气体包括CO₂。

6.根据权利要求3所述的熔化极气体保护焊磁控电弧传感焊缝实时跟踪控制方法，其特征是：磁控电弧传感器采用包括励磁电源、磁场发生装置、霍尔传感器构成，所述磁场发生装置安装在熔化极气体保护焊的焊枪上，所述磁场发生装置的一对磁极用耐高温材料制作成可更换的结构形式。

7.根据权利要求6所述的熔化极气体保护焊磁控电弧传感焊缝实时跟踪控制方法，其特征是：所述励磁电源提供可产生的频率和幅值可调的激励电流和两个与励磁电流同频率的中断脉冲信号。

8.根据权利要求1所述的熔化极气体保护焊磁控电弧传感焊缝实时跟踪控制方法，其特征是：所述信号处理电路上设置滤波电路，滤波电路采用2个串联的巴特沃思低通滤波器进行硬件滤波。

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