CN101837504A

CN101837504A - 涡流传感器式焊缝自动跟踪控制方法

Info

Publication number: CN101837504A
Application number: CN 201010205792
Authority: CN
Inventors: 洪波; 闫强; 熊炳卫; 洪宇翔
Original assignee: Xiangtan University
Current assignee: Xiangtan University
Priority date: 2010-06-22
Filing date: 2010-06-22
Publication date: 2010-09-22

Abstract

一种涡流传感器式焊缝自动跟踪控制方法，它包括由焊接电源和焊枪组成的焊接执行装置，由涡流传感器，前置处理器，焊接小车与十字滑块组成的焊接控制装置，在前置处理器中设置信号处理电路、A/D转换电路、单片机处理电路和驱动控制电路；当涡流传感器的输入电流经前置处理器中各电路的先期处理后，到达涡流传感器头部线圈阻抗Z，由该线圈的测量值与金属板的间距D的变化值所构成一电压值信号U输出，从而获得焊接过程中U与D的线性关系的焊缝自动跟踪控制，它克服了现有使用传统焊缝跟踪传感器存在的控制系统复杂，运算繁杂、控制精度低，体积庞杂，噪声大，易磨损，成本高，适用范围窄等缺陷；它适合焊接过程自动控制系统的焊缝自动跟踪。

Description

涡流传感器式焊缝自动跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及一种焊接控制方法，尤其涉及用于焊接工艺进行焊缝自动跟踪的涡流传感器式焊缝自动跟踪控制方法。

背景技术

焊接过程自动控制系统所要解决的主要问题是焊缝自动跟踪和焊炬的自动控制。目前比较常见的焊缝自动跟踪传感器有激光视觉式、机械接触式和电弧式传感器等，采用机械接触式传感器结构简单，但实时性差，易磨损，精度难以保证；电弧式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，制造成本低，但控制精度不太高，体积大，噪声大。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。

发明内容

本发明的目的是提供一种涡流传感器式焊缝自动跟踪控制方法，它既结构简单,适应性好，又有较高的灵敏度和焊缝质量控制精度，且无需与试件接触，检测速度快，操作简便，运行稳定，寿命长，成本低，便于普及推广。

为实现上述目的，涡流传感器式焊缝自动跟踪控制方法，它包括由安装于焊枪上的涡流传感器，焊接执行装置和焊接控制装置组成的控制系统，其控制系统中的焊接执行装置由焊接电源和连接于焊接控制装置的焊枪组成，焊接控制装置主要由涡流传感器，前置处理器，焊接小车与十字滑块组成，前置处理器中设置信号处理电路、A/D转换电路、单片机处理电路和驱动控制电路，当涡流传感器的输入电流经前置处理器中各电路的先期处理后，到达涡流传感器头部线圈阻抗Z，由该涡流传感器头部线圈阻抗Z的测量值与焊接工件的间距D的变化值所构成一电压值信号U输出，从而获得焊接过程中电压值信号U与焊接工件的间距D的线性关系以实现焊缝自动跟踪控制。

为实现上述目的的进一步措施是。

涡流传感器是选用差动式涡流传感器，使用该差动式涡流传感器检测偏差信息时，以最小二乘法拟合得到涡流传感器的线性曲线。

涡流传感器是选用差动式涡流传感器，使用该差动式涡流传感器捕捉焊枪与焊缝的相对位置信息，先将采样信号转换为数字信号后输入单片机处理电路，再根据焊缝的偏差量使用门限区加比例控制对焊枪进行调节，实现焊枪自动跟踪焊缝。

信号处理电路中是使用硬件滤波加软件滤波相叠加的方式。

本发明采用包括由安装于焊枪上的涡流传感器，焊接执行装置和焊接控制装置组成的控制系统，并结合应用涡流传感器非接触的线性化计量特性,实现一种涡流传感器式焊缝自动跟踪控制方法，它包括由焊接电源和焊枪组成的焊接执行装置，由涡流传感器，前置处理器，焊接小车与十字滑块组成的焊接控制装置，在前置处理器中设置信号处理电路、A/D转换电路、单片机处理电路和驱动控制电路，当涡流传感器的输入电流经前置处理器中各电路的先期处理后，到达涡流传感器头部线圈阻抗Z，由该涡流传感器头部线圈阻抗Z的测量值与金属板的间距D的变化值所构成一电压值信号U输出，从而获得焊接过程中电压值信号U与金属板的间距D的线性关系的焊缝自动跟踪控制技术方案，它克服了现有使用传统焊缝跟踪传感器存在的控制系统复杂，运算繁杂、控制精度低，体积庞杂，噪声大，易磨损，成本高，适用范围窄等缺陷。

本发明相比现有技术所产生的有益效果：（1）采用包括由安装于焊枪上的涡流传感器，焊接执行装置和焊接控制装置组成的控制系统，并结合应用涡流传感器非接触的线性化计量特性,实现了一种新的涡流传感器式焊缝自动跟踪控制方法；（2）结合利用涡流传感器非接触的线性化计量特性，将涡流传感器采集的线圈阻抗Z与传感器和金属板间距D的变化信息转换成电压值信号输出，经处理和运算，达到实施焊枪与焊缝之间的位置控制，且控制运行稳定，可靠，实现了焊缝自动跟踪；（3）采用焊接执行装置与焊接控制装置分离，使现有手工焊机的优异性能与涡流传感器的优异性能融为一体，两者的结合极大地提高了系统自动跟踪的准确性，可靠性和焊缝质量；（4）因对传感器的特性进行了调节，导致电压信号与跟随距离的变化的输出特性曲线逼近一次曲线，改进算法，应用最小二乘法拟合得到更加精确的传感器特性曲线，从而使运算过程更为简单和电路结构极大地简化，降低了系统成本；（5）涡流传感器结构简单，控制精度高，无需与试件接触，检测速度快捷，适应范围扩大；（6）涡流传感器式焊缝自动跟踪控制方法操作简捷，施焊工艺性好，系统跟踪精度高，实用性强，便于普及推广。

本发明适合焊接过程自动控制系统的焊缝自动跟踪。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1为本发明的控制系统流程图。

图2为本发明的控制系统结构示意图。

图3为本发明的涡流传感器工作原理图。

图4为本发明中应用运算关系式的运算流程图。

图中：1、涡流传感器，2、十字滑块，3、焊接小车，4、焊接工件，5、焊枪，6、十字滑架。

具体实施方式

结合附图，本发明采用包括由安装于焊枪上的涡流传感器1，焊接执行装置和焊接控制装置组成的控制系统，并结合应用涡流传感器1非接触的线性化计量特性,实现一种涡流传感器式焊缝自动跟踪控制方法，它包括由焊接电源和焊枪5组成的焊接执行装置，由涡流传感器1，前置处理器，焊接小车3与十字滑块2组成的焊接控制装置，在前置处理器中设置信号处理电路、A/D转换电路、单片机处理电路和驱动控制电路，将涡流传感器1采集的信号转换成电压值信号输出，其处理过程中，先经信号处理电路和A/D转换电路处理后，然后送入单片机处理电路进行软件处理和运算，由单片机处理电路给出调整信号经驱动控制电路控制焊接执行装置，达到实施焊枪5与焊接工件4之间的位置控制及实时调整，从而实现焊缝自动跟踪。

参见图2，图1，本发明的涡流传感器式焊缝自动跟踪控制方法，它包括由安装于焊枪5上的涡流传感器1，焊接执行装置和焊接控制装置组成的控制系统，其控制系统中的焊接执行装置由焊接电源和对准角形焊缝角顶的焊枪5，即焊接工件4相对应的焊枪5组成，焊接控制装置主要由涡流传感器1，前置处理器，焊接小车3与十字滑块2组成，涡流传感器1相互垂直且与焊枪5成固定角度安装于焊接小车3中十字滑架5的十字滑块2上，前置处理器中设置信号处理电路、A/D转换电路、单片机处理电路和驱动控制电路。使用时，当涡流传感器1的输入电流经前置处理器中各电路的先期处理后，到达涡流传感器1头部线圈阻抗Z，由该涡流传感器1头部线圈阻抗Z的测量值与焊接工件4的间距D的变化值所构成一电压值信号U输出，从而获得焊接过程中电压值信号U与焊接工件4的间距D的线性关系的焊缝自动跟踪控制。

结合附图，本发明的涡流传感器1是选用差动式涡流传感器，使用该差动式涡流传感器检测偏差信息时，以最小二乘法拟合得到涡流传感器的线性曲线。由于涡流传感器1的输出特性会直接影响焊枪5的跟踪精度，而涡流传感器1输出特性曲线接近直线，故采用对涡流传感器1特性曲线进行标定和线性化处理，达到确定涡流传感器的工作区间。应用最小二乘法求解特性曲线中的各常数值是准确度比较好的方法之一，对输入输出的标定值

、

(

1,2…N)应用最小二乘法，求得拟合曲线的斜率和

，得到拟合曲线方程：

。

例如：本发明中采用的涡流传感器1输出特性曲线在0.5mm～3.5mm区域内的线性度较好，故对这段区域进行拟合得到拟合直线方程：

。

本发明的工作原理：如附图2所示，安装在十字滑块2上的两个涡流传感器1相互垂直，且涡流传感器1前端面与焊接工件4的两个表面之间保持垂直，输入的高频振荡电流在探头头部的线圈中产生交变磁场，当调整焊接工件4位置，使焊接工件4的表面靠近该磁场时，焊接工件4的表面会产生感应电流，此感应电流产生的磁场与线圈的交变磁场相互抵制形成阻抗Z。此时，当涡流传感器1的输入电流经前置处理器中各电路的先期处理后，到达涡流传感器1头部线圈，测量头部线圈阻抗Z与焊接工件4表面的间距D的变化而形成电压值信号U输出。

如附图3所示，当涡流传感器1头部线圈阻抗Z的测量值与焊接工件4之的间距D的变化值所构成一电压值信号U输出，涡流传感器1线圈中则有高频交变电流I₁输入，线圈周围便产生高频交变电磁场H₁。此时，将焊接工件4置于该磁场范围内，焊接工件4内便产生电涡流I₂，I₂也将产生新的感应磁场H₂，H₂与H₁方向相反，作用力会削弱原磁场，从而导致涡流传感器1线圈的电感量等参数发生变化。其参数的变化与涡流传感器1线圈到焊接工件4表面的间距D构成相关联因素。如果保持其他参数不变．只改变间距D的值，涡流传感器1线圈的电感量就只是间距D的单值函数。通过调频式谐振电路，将电感量的变化转换为振荡频率的变化。经FIV转换为电压信号，最后经放大后输出。在一定的感应距离范围内，输出电压值信号U与涡流传感器1线圈到焊接工件4表面的间距D有很好的线性关系。即通过测量输出电压值信号U的变化值得到涡流传感器1相对于焊接工件4表面的位移量。

参见附图2，设置在焊枪5同一工作平面水平方向和垂线方向的涡流传感器1，其控制流程为：将涡流传感器1同时输出的两路电压值信号U由信号处理电路进行低通滤波和功率放大处理，信号的处理采用硬件滤波加软件滤波相叠加的方式，消除焊接过程中由电弧等因素造成的杂波干扰，硬件滤波采用低通滤波电路滤波，软件滤波采用中值滤波和算术平均值滤波相结合的方式；然后进入A/D转换电路将模拟信号转换为数字采样信号，所得数字采样信号进入单片机处理电路，单片机处理电路中采用C51系列单片机并由单片机的处理程序对数字采样信号进行比对分析，并做出判断：焊枪5与焊缝的相对位置是否变化，有变化时采用门限区加比例控制的方式对焊枪5进行控制，在位置偏差较大的时候采用比例控制，提高响应速度，减少调节时间。在位置偏差较小的时候采用门限区控制法，并给出控制信号，控制信号进入驱动控制电路驱动焊接小车3和十字滑块2中的步进电机对焊枪5位置作调整，由于焊枪5与涡流传感器1相对位置固定，于是在调整焊枪5的同时，涡流传感器1与焊接工件4的间距D也得到了调整，调整后涡流传感器1再次采样的信号送入单片机处理电路进行比对分析,如此循环实现了闭环控制，从而使涡流传感器1的输出电压值信号U维持在限定的范围内，即实现两涡流传感器1到各自所对准的焊接工件4的表面的间距保持稳定，从而实现焊枪5对焊缝相对位置的稳定，控制焊枪5对准焊缝，实现了焊枪5与焊缝位置的自动跟踪。

由附图4所示，单片机处理电路的控制原理：涡流传感器1的电流经其前置器中电子线路的先期处理后，再通过头部线圈阻抗Z随焊接工件4表面的间距D的变化而转换成电压值信号U输出，从提高焊接质量的要求出发，焊枪5对中误差要限制在

1mm以内，且要保证焊枪5稳定，针对焊接角焊缝的情况，采用一种不同的控制方法即根据焊接前涡流传感器1的U-D线性关系，先对涡流传感器1的信号设定一个允许波动范围，也就是粗调焊枪5的位置在一个门限区内，即：首先设定起始状态的电压值都为

,采集得到两路涡流传感器1输出电压值信号

和，再各自减得到

,，根据差值来判断焊枪的偏移量，其中为控制焊枪5左右移动，

为控制焊枪5上下移动。

根据偏差信号采用C51系列单片机实现对焊枪5横向和纵向步进电机控制。焊缝的偏差信号由于焊接过程的不确定性、时变性，焊缝跟踪过程难以用精确的数学模型来描述。为此可以建立一个

的阀值

，在大偏差时采用比例控制，提高响应速度，减少调节时间。在小偏差时根据门限区可以微调或不调以此保证焊枪5的对中。

例如:根据实验可选取

=3V，即：当差值大于3V时采取比例控制；当差值小于等于3V时，根据门限采取不调节的方式。

V 比例控制。

V 小偏差不调节。

Claims

1.涡流传感器式焊缝自动跟踪控制方法，它包括由安装于焊枪（2）上的涡流传感器（1），焊接执行装置和焊接控制装置组成的控制系统，其特征在于控制系统中的焊接执行装置由焊接电源和连接于焊接控制装置的焊枪（5）组成，焊接控制装置主要由涡流传感器（1），前置处理器，焊接小车（3）与十字滑块（2）组成，前置处理器中设置信号处理电路、A/D转换电路、单片机处理电路和驱动控制电路，当涡流传感器（1）的输入电流经前置处理器中各电路的先期处理后，到达涡流传感器（1）头部线圈阻抗Z，由该涡流传感器（1）头部线圈阻抗Z的测量值与焊接工件（4）的间距D的变化值所构成一电压值信号U输出，从而获得焊接过程中电压值信号U与焊接工件（4）的间距D的线性关系以实现焊缝自动跟踪控制。

2.根据权利要求1所述的涡流传感器式焊缝自动跟踪控制方法，其特征在于涡流传感器（1）是选用差动式涡流传感器，使用该差动式涡流传感器检测偏差信息时，以最小二乘法拟合得到涡流传感器（1）的线性曲线。

3.根据权利要求1所述的涡流传感器式焊缝自动跟踪控制方法，其特征在于涡流传感器（1）是选用差动式涡流传感器，使用该差动式涡流传感器捕捉焊枪（5）与焊缝的相对位置信息，先将采样信号转换为数字信号后输入单片机处理电路，再根据焊缝的偏差量使用门限区加比例控制对焊枪（5）进行调节，实现焊枪（5）自动跟踪焊缝。

4.根据权利要求1所述的涡流传感器式焊缝自动跟踪控制方法，其特征在于信号处理电路中是使用硬件滤波加软件滤波相叠加的方式。