CN101780586A - 多元传感反馈送丝法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种多元传感反馈送丝的方法，该方法是在原始经典送丝机的基础上加入了传感器、控制系统，从而可以通过对焊丝传输的实时数据进行采集，传送并且分析调节，最后给出对电弧高度等的调整方案。该方法可以适应各种焊接环境，特别是特定的人工无法进入进行对焊丝送丝系统进行调节的环境的适应能力大大增强，实时的监控及时的调整，使焊丝的利用率大大提高，并间接提高的焊接质量。

Description

多元传感反馈送丝法

技术领域

本发明涉及一种焊接送丝的方法，尤其是一种多元传感反馈、使用方便、可以实现实时监控自动控制焊丝传送速度的送丝的方法。

背景技术

随着焊接技术在当今的工业生产尤其是我国汽车甚至以及航天企业中的影响越来越大，焊接效率以及焊接质量的要求也越来越高，焊接设备的自动化也迫在眉睫。在焊接设备中，有一部性能优良的送丝机构是极其重要的，送丝的稳定性、送丝精度及送丝与焊接电弧的配合大大的影响着焊缝的性能，在熔化极电弧焊中，送丝不稳定会引起焊接参数波动、电弧状态及焊丝金属的熔化和过渡过程中缺陷出现频率高；在非熔化极电弧焊中，送丝不稳定会影响焊缝成形和容易产生缺陷。这两种情况都会直接导致焊弧和焊接多孔性的不稳定，从而影响焊接质量。

在如今的焊接设备中送丝的方法依然还是在使用着传统的方法，按照送丝滚轮与送丝软管的相对位置分为推丝式、拉丝式和推拉丝式。除开国内暂时还在实验或工业试生产过程中的二滚轮线式送丝机、三滚轮线式送丝机以及三钢球脉动送丝机构等，送丝机的设计依然延续着比较传统的方法，主要部分包括焊丝盘、送丝电机、减速装置、送丝滚轮、压紧装置以及送丝软管等。推丝式是半自动熔化极气体保护焊中应用最广泛的送丝方式之一。系统由直流电动机驱动减速齿轮以带动一对或几对送丝滚轮构成。在使用过程中，靠弹簧将送丝滚轮之一压紧在焊丝上，以便将送丝电动机的扭矩传给焊丝。通过弹簧可以调节送丝滚轮作用于焊丝上的压紧力和送丝的轴向力。拉式送丝系统和推式送丝系统相比较，主要优点是焊丝所受轴向力是张力，送丝阻力小，送丝稳定，不会产生焊丝弯曲问题，在细直径(焊丝直径小于0.8mm)的焊接中得到广泛应用。但焊枪较重，焊工劳动强度大。这种送丝系统实际上是前述两种送丝系统的结合。在靠近焊丝盘处装一个推丝电动机，在焊枪内装一个拉式电动机，推—拉式送丝系统具有上述特点，当送进小直径铝焊丝或钢焊丝时，在送丝距离小于5m时可保证稳定送丝。这种方式虽然能提高送丝的稳定性，但因结构复杂，调整麻烦，同时焊枪较重，因此实际应用不多，仅用于需要长距离送丝时。国内送丝机调速系统多采用电压反馈调速系统。如北京工业大学研制的带有PI调节器的送丝速度自动控制系统，利用电枢电压反馈和电流反馈，控制晶闸管触发器，从而实现送丝电机转速的自动调节；哈工大研制的采用印刷电机拖动的电枢电压和电枢电流反馈的闭环控制送丝系统；清华大学研制的采用功率MOSFET的PWM调节器构成的高性能送丝调速系统等。除了调速系统上的改进之外，改进软管结构和送丝轮结构也可提高送丝的稳定性。其中，哈尔滨焊接研究所研制的送丝随动机构，明显减小由于送丝软管空间的多弯状态所导致的送丝波动现象；重庆大学研制的双滚轮送丝机，滚轮为双曲面，滚轮与焊丝为线接触形式，对焊丝的校形、防滑等有明显改善。

送丝机工作原理即焊丝从焊盘送出，通过矫直部分矫直，再送到送丝滚轮之间，使焊丝与滚轮产生摩擦力来带动焊丝前进，主动轮由步进电动机带动旋转。焊丝进入导向套管。然后送到指定位置。由于焊丝的运动是由送丝滚轮驱动的，因而送丝滚轮的结构和驱动焊丝的方式对送丝稳定性起着关键作用。送丝驱动力直接由送丝滚轮传输，其大小来源于送丝电机，经过主动轮和压紧轮传递给焊丝。焊丝的送丝力(摩擦力)越大，送丝的可靠性和稳定性越高，送丝电机选定后，要设法使送丝滚轮能保证焊丝既不打滑又能增大送丝力。焊丝直径与软管内径配合：软管的内径过小，焊丝与软管的内壁接触面增大，送丝阻力增大。此时如果软管内夹有杂质，常常造成焊丝在软管内“卡死”。软管内径过大，焊丝在软管内呈“波浪形”前进，在推丝式送丝过程中将增大送丝阻力。导电嘴的孔径和长度因不同直径的焊丝而不同，既要保证导电可靠，又要尽可能减小焊丝在导电嘴中的行进路程，以减少送丝阻力，保证送丝通畅。导电嘴孔径太小，送丝阻力增大，焊丝如有局部折弯，极易“卡壳”，造成焊丝无法送给；孔径过大，焊丝在孔径“晃动”，致使导电不良和焊丝导向不定，严重的还会造成焊丝与导电嘴内壁“打火”而粘连。其结果是使焊接质量下降。喷嘴的作用是向焊接区域输送保护气体，防止焊丝末端、电弧和熔池与空气接触。其材料、形状和尺寸对气体保护效果和焊接质量有着十分密切的关系。为了减少飞溅物的粘结，喷嘴应由熔点较高、导热性较好的材料(如紫铜)制造，有些表面还需镀铬，以提高其表面光洁度和熔点。此外，还有使用陶瓷或内衬氮化硅并经阳极氧化的铝质材料制成的喷嘴。导电嘴和喷嘴都是属易损件，一旦发现不能使用时，应及时更换。开式焊丝盘直径300～350mm，绕丝质量20～25kg。为保证送丝速度均匀，绕丝方式十分重要，焊丝通常是密排层绕，即每一层中焊丝应该紧密排列，一层绕满之后再绕下一层。同时应注意焊丝不要出现硬弯，为防止焊丝盘自由旋转导致焊丝松散脱落，需在焊丝盘的轴孔中放入制动弹簧，该弹簧的压力要适当，压力过大将增加送丝阻力，过小又不起作用。联轴器是用于电动机主轴和送丝主动滚轮轴的连接件。送丝电动机一般采用直流电动机进行无级调速，细焊丝采用等速送丝方式，运行中应保持送丝速度不变，送丝电动机采用他激式或永久磁铁型。粗焊丝一般采用恒电流型电源和变速送丝，送丝电动机除可用上述之外，还可以用步进电动机、串激式电机、异步电机等。等速送丝机的送丝速度为2～16m/min，变速送丝机的送丝速度为0.2～5m/min。送丝电机的容量、功率根据生产实际来定，一般在选用45～160W。一般交流电动机也可以作为送丝电动机，通过调换齿轮的方法进行有级调速。送丝电动机应有足够的功率，在较大范围内实现无级调速，保证送丝稳定进行；要求起动、停止惯性越小越好，调速范围尽量大，这样能适应不同的焊丝直径、不同的焊接范围的要求；要求起动灵敏，引弧可靠，保证收弧时焊丝留有一定长度，便于再次引弧焊接。

这些部分虽然能够满足一定条件下的送丝要求，但如今的工业生产特别在航空制造业中很多的情况下包括空间和尘光等并不允许操作员去接近焊接设备，此外依靠人工来控制送丝启停往往达不到要求，有些时候还需要焊接操作员对送丝的过程进行实时的监控以便做出反应来提高焊接质量，这时候传统的送丝方法就显得捉襟见肘了，一种能够满足这种环境与技术需求的送丝方法势在必行。

发明内容

为了达到以上所提到的需求，特提出一种新型的送丝方法，也可以是一种送丝思路，即多元传感反馈送丝法。如名所示，在一架送丝机中加入传感器、控制器等元件来改变送丝机中一成不变的组成部分。在方法与送丝机的设计思路上，改变送丝机送丝单纯的依靠机械传动，而提供一种新的方法，达到可以通过传感反馈信息、分析信息从而进行送丝过程中的一系列调整。

本发明的目的旨在通过建立一种新的送丝方法，来完成无人情况下的送丝，解决在很多的条件下操作员无法进入焊接发生场地进行对送丝机的手工操作的问题。该方法也提供一种新型的送丝思路，可操作性强，适应许多送丝机无法适应的环境，并且通过传感控制等来进行对送丝进程的实时监控，并完成自动控制调整，以获得最佳的焊丝填充速度与焊接质量。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

在经典焊丝传送系统中加入了焊丝接触传感器和多维力学传感器，使用焊丝接触传感器来采集焊丝位置，使用多维力学传感器来采集焊丝对工件的压力，将采集的数据传递给控制系统处理后，给出具体调整方式送与动力系统，进行具体的焊丝传输及焊枪的调整，包括送丝速度、送丝位置和电弧高度的调整。

一种多元传感反馈送丝法，其特征在于：在焊丝传送系统中加入了焊丝接触传感器及焊丝状态判断电路、多维力学传感器以及控制系统；

焊丝传送系统包括焊枪、焊丝、焊盘、导丝管、送丝滚轮、送丝步进电机、导丝嘴、导丝嘴调节机构和升降机构，接收控制系统所发出的信号，控制焊枪和导丝嘴的升降，以一定的速度送丝及调整送丝方向。

控制系统接收焊丝接触传感器和多维力学传感器传输来的各种电信号从而分析数据发送信号给焊丝传送系统；

焊丝接触传感器连接焊丝状态判断电路，焊丝接触传感器一端连接导丝嘴，另外一端连接控制系统；该焊丝状态判断电路将焊丝位置的三种状态：接触电弧、悬空和接触工件转化成电路的三种形式：通路、断路和短路；多维力学传感器一端安装在导丝嘴的尾部，另外一端连接控制系统；焊丝接触传感器检测焊丝的接触位置是悬空、接触工件或是接触电弧，通过对三种位置状态的检测输出来指导送丝速度和电弧高度；而多维力学传感器用来检测焊丝接触熔池时产生的压力，检测出的焊枪竖直方向的力来指导电弧高度及送丝速度，检测出的焊枪水平方向的力来指导送丝方向。

本发明的工作原理如下：

通过焊丝接触传感器及焊丝状态判断电路来检测焊丝是否接触到电弧或者工件，当焊丝接触到工件或电弧时所引起的电阻改变来提供一个回路所得电压的数据输出，以此来确定焊丝当前的状态，是悬空、接触电弧或是接触工件。将焊丝位置的三种状态：接触电弧、悬空和接触工件简化成电路的三种形式：通路、断路和短路，将电弧视为一个低值电阻，通过将这三种状态下不同的电阻导致电压输出的改变，来判断焊丝的位置。焊丝状态判断电路使用反向运算模块和加法运算模块，将焊丝接触传感器的输出和该传感器的电源电压对比，可以区分出断路与其它两种状态，通过焊丝接触传感器的输出和低值电压输入的对比，可以区分出通路、断路和短路，从而判断出焊丝的三种位置状态。

应用多维力学传感器来检测焊丝对工件的压力，该传感器设置在送丝嘴后方，当焊丝接触工件时，会对送丝嘴的压力传感器产生一个反作用力，该力的值和焊丝对工件的压力有一个对应的关系，多为力学传感器将压力转化为电信号并传给控制系统从而给出指令来对焊接参数进行调整。多为力学传感器能检测到与工件竖直方向和水平方向的力，竖直方向的力作为电弧高度和送丝速度的指导，该力的反馈可以调整电弧高度和送丝速度，水平方向的力作为焊丝方向的指导，该力的反馈用来调整送丝方向，保证焊丝沿焊缝中心进入熔池。

控制系统通过预设的数据和传感系统反馈回的信号控制机械系统的运行。在焊接开始前手动调整焊枪、导丝嘴与工件的位置，使其处于焊接的最佳状态，同时控制系统记录下多维力学传感器所反馈回的焊丝竖直方向和水平方向的压力值，作为参考值。焊接开始时，控制系统控制升降机构使焊枪和导丝嘴下降，焊丝接触传感器检测焊丝是否接触工件，若焊丝接触工件，则使用多维力学传感器检测焊丝压力，同时焊枪和导丝嘴继续下降，直到多维力学传感器反馈的竖直压力和参考值相等时，控制系统控制焊枪和导丝嘴停止下降。同时，控制系统接收多维力学传感器反馈回的水平方向的力信号，控制导丝嘴调节机构调节焊丝方向，使其与参考值相等。焊接开始后，多维力学传感器和焊丝接触传感器一直检测焊丝的状态，如果预设参数中送丝速度不可变，当焊丝竖直方向反馈回的力大于参考值时，则控制系统控制升降机构使焊枪和导丝嘴上升，使其竖直方向的力减小到参考值；如果焊丝竖直方向反馈回的力小于参考值则相反；如果预设参数中焊枪高度不可变，当焊丝竖直方向反馈回的力大于参考值时，则控制系统控制送丝步进电机使送丝速度下降，使其竖直方向的力减小到参考值；如果焊丝竖直方向反馈回的力小于参考值则相反；焊丝接触传感器则一直检测焊丝是否接触工件并将焊丝位置信号反馈给控制系统，如果在焊接过程中，焊丝未接触工件，则控制系统中断焊接过程，给出报警信号并显示当前焊丝位置。焊接结束后，控制系统控制升降机构上升至原位，同时焊丝接触系统检测焊丝是否悬空，如果在原位时焊丝未悬空，控制系统则给出报警信号。

本发明的优点是：

本发明解决了在一些环境条件下人工无法进入实验环境进行对送丝系统进行调节的情况下的所出现的问题，提供了一种自动控制焊丝送丝过程的一种方法，通过对传感器、控制系统以及运动系统等等的应用来完成焊丝控制系统的实时监控并通过获得的数据作出准确及时的调节，比一般送丝机来讲，其适应各种焊接环境的能力显著增强，实时监控的实现使对焊丝传输过程的控制更加精确，通过对此的调节会提高焊接质量。

以上述，其实时性、比较强大的适应性和良好的操作性、及时性无疑是该焊丝传输方法的优点所在。

附图说明

图1是本送丝方法法实施方式的装置示意图

图中：1、焊接电源及其控制系统，2、焊枪，3、送丝嘴，4、被焊工件，5、焊丝接触传感器，6、多维力学传感器，7、穿透电弧，8、焊接电缆，9、公共地线。

图2是本送丝方法一种具体实施方式的接触传感器的设计原理图

图3是本送丝方法一种具体实施方式的十字梁多维力学传感器原理图

图中：10、浮动梁，11、主梁，12、中心台。

具体实施方式

以下参考附图具体地说明本发明的实施方式。附图中所使用的传感器的结构和原理并不是限制性的，只是说明性质。附图中只说明了该焊接方法有关电回路方面的连接方式，焊枪所必须的气路和水路接法都是使用常规接法，所以不再进行说明。

下面结合附图对该送丝方法的步骤进行详细说明：

(1)焊前准备

将焊枪2、被焊工件4等装卡完毕，导丝嘴3和焊枪2的相对位置固定，通过焊接电缆8将焊接电源及其控制系统1、被焊工件4和焊枪2连接起来，并检查并确认公共地线9正确接地。打开焊接电源及其控制系统1，设置好焊接电流、离子气流量、钨极内缩量、焊枪间距等各个焊接工艺参数，检查各模块是否完好及是否处于待命状态；

(2)焊接开始及焊接过程中的焊丝位置检测

使用一个焊丝接触传感器5来检测焊接开始及焊接过程中的焊丝位置，是悬空、接触电弧7还是接触被焊工件4。该接触传感器电路类似四端法测电阻的电路，将焊丝位置的三种状态：接触电弧7、悬空和接触被焊工件4简化成电路的三种形式：通路、断路和短路，将电弧视为一个低值电阻Rx，将该三种状态的电路的一端并联，另一端连接三相选择开关K1，以一个小电阻R1作为标准电阻与焊丝、电源和开关K1、K2串联。从该电路的电源端输出U，R1端输出Ur，作为该检测电路的两个输出。之后运用反向电路将Ur取反，运用加法电路将U与-Ur相加，同时将结果反向，输出U3＝U-Ur；同时取一个0.01～0.1V之间的小电压输入信号U0，运用加法电路将-Ur与U0相加，输出U4＝Ur-U0；当焊丝悬空时，简化成的检测电路为断路，Ur≈U≈E＞U0，输出U3≈0，U4≈E；当焊丝接触电弧7时，简化成的检测电路为通路，U＞Ur＞0，输出U3＞0，U4＞0；当焊丝接触被焊工件4时，简化成的检测电路为短路，Ur≈0，U≈E，输出U3＞0，U4＜0。这样，设U3≈0为1，U3＜0为0，U4＞0为1，U4＜0为0，这可以得到焊丝三种状态的分布表：

U3                     U4

悬空                0            1

接触电弧            1            1

接触工件            1            0

通过U3和U4的联合输出，就可以判断出焊丝的三种位置状态，从而反馈给控制系统做出相应的调整。

具体电路如附图2所示，R1阻值在电弧等效电阻Rx阻值数量级内；R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15均为等值电阻，其阻值为1KΩ；U1、U2、U3、U4为该电路使用的4个运算放大器。

电弧等效电阻Rx、断路、短路的一端并联，另一端连接三相选择开关K1，以一个小电阻R1作为标准电阻与焊丝、电源和开关K1、K2串联。从该电路的电源端输出U，R1端输出Ur，作为该检测电路的两个输出。

输入信号Ur经输入端电阻R2送到U1反向输入端，而同向输入端通过电阻R3接地。反馈电阻R4跨接在输出端和反向输入端之间，运算放大器U1输出U1＝-Ur。U1经输入端电阻R9送到U3反向输入端，小电压输入信号U0经输入端电阻R10送到U3反向输入端，而同向输入端通过电阻R11接地。反馈电阻R12跨接在输出端和反向输入端之间，运算放大器U3输出U3＝Ur-U0。U1经输入端电阻R6送到U2反向输入端，输入信号U经输入端电阻R5送到U2反向输入端，而同向输入端通过电阻R7接地。反馈电阻R8跨接在输出端和反向输入端之间，运算放大器U2输出U2＝Ur-U。输入信号U2经输入端电阻R13送到U4反向输入端，而同向输入端通过电阻R14接地。反馈电阻R15跨接在输出端和反向输入端之间，运算放大器U4输出U4＝U Ur。

(3)焊接开始及焊接过程中的焊丝压力检测

使用一种应用广泛的带浮动梁的十字梁多维力传感器作为该送丝方法的多维力学传感器6，十字梁多维力传感器由一个中心台12、4个主梁11和4个浮动梁10组成。其结构在坐标系平面内完全对称。应变计贴在主梁11上感受主梁11的变形。浮动梁10使主梁11主要承担弯曲变形，而几乎不承担其他变形。该压力传感器可以检测出焊丝竖直方向和水平方向的力，竖直方向的力用来指导电弧高度和送丝速度；水平方向的力用来指导送丝角度和位置。在该焊接系统中预设一个正常压力值，在焊接接触检测后，进入焊丝压力检测阶段，随着焊枪高度的下降，焊丝压力逐渐增大，同时如果焊丝位置不正，水平方向的力也能被焊丝压力传感器检测出来；调整好焊丝位置和电弧高度后，开始进入焊接阶段；在焊接过程中实时监测焊丝上的力，以焊丝竖直方向的力来控制电弧高度和送丝速度；在固定送丝速度时，调整电弧高度；在固定电弧高度时，调整送丝速度；以焊丝水平方向的力来控制送丝方向，保证焊丝沿焊缝中心进入熔池。

Claims (1)

1.一种多元传感反馈送丝法，其特征在于：在焊丝传送系统中加入了焊丝接触传感器及焊丝状态判断电路、多维力学传感器以及控制系统；

焊丝传送系统包括焊枪、焊丝、焊盘、导丝管、送丝滚轮、送丝步进电机、导丝嘴、导丝嘴调节机构和升降机构，接收控制系统所发出的信号，控制焊枪和导丝嘴的升降，以一定的速度送丝及调整送丝方向；

控制系统接收焊丝接触传感器和多维力学传感器传输来的各种电信号从而分析数据发送信号给焊丝传送系统；

焊丝接触传感器连接焊丝状态判断电路，焊丝接触传感器一端连接导丝嘴，另外一端连接控制系统；该焊丝状态判断电路将焊丝位置的三种状态：接触电弧、悬空和接触工件转化成电路的三种形式：通路、断路和短路；多维力学传感器一端安装在导丝嘴的尾部，另外一端连接控制系统；焊丝接触传感器检测焊丝的接触位置是悬空、接触工件或是接触电弧，通过对三种位置状态的检测输出来指导送丝速度和电弧高度；而多维力学传感器用来检测焊丝接触熔池时产生的压力，检测出的焊枪竖直方向的力来指导电弧高度及送丝速度，检测出的焊枪水平方向的力来指导送丝方向。

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