CN103182589A - 基于电弧摆动的气体保护焊电弧跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电弧摆动的气体保护焊电弧跟踪方法，包括以下步骤：焊接开始后，焊枪开始沿垂直于焊缝方向做周期性摆动；电流传感器对焊接电流进行实时采样；对采样数据进行滤波处理；滤波数据进行偏差判断，并转化为偏差数据；将偏差数据转化为运动指令，通过纠偏装置进行焊缝轨迹的实时补偿。本发明对采样信号采用软件滤波处理，响应速度快，跟踪精度高，并且双重滤波方式降低了电弧不稳定造成的信号突变，偏差补偿量由已知焊接参数进行计算，不需要数据库或专家系统支持，降低焊接装备对焊件加工精度的要求，是实现柔性自动化焊接的有效手段。

Description

基于电弧摆动的气体保护焊电弧跟踪方法

技术领域

本发明涉及一种基于电弧摆动的气体保护焊电弧跟踪方法，用于解决焊枪轨迹规划与实际焊道的路径偏差问题。

背景技术

焊缝跟踪作为焊接自动化装备的一项重要技术，主要解决因定位精度、焊件加工精度、焊件尺寸重复精度以及焊接过程中的热应力引起的焊枪运动轨迹偏差问题。一般的机械式跟踪精度比较低，而且受焊件表面粗糙度的影响，跟踪探针磨损严重。精度比较高的激光视觉跟踪容易受焊接过程中烟尘的影响，并且图像采集器易受焊接弧光干扰。除此之外，这两种跟踪方式均需在焊枪末端附加跟踪装置，降低了焊枪的灵活性。电弧跟踪的机构简单，操作方便，然而普通电弧跟踪需配备滤波器对采样信号进行物理滤波，延长了信号响应时间。

理想的焊接电流曲线是平滑的，但是实际焊接中会出现飞溅、短路等影响电弧稳定的现象，这时的焊接电流会出现瞬间的跳变(一般只有1～2个采样值)。而这个瞬间值不能反映出焊接电流曲线的整体变化规律，是错误的，同时，它会影响该区间的滤波结果，如果这个结果在处于波峰或波谷位置(特征点)，就会影响到偏差的判断。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明是为了解决焊枪示教轨迹与焊道之间的偏差问题而设计的，其目的在于提供一种高效、稳定、可靠的焊缝跟踪方式，以提高自动化焊接设备的加工柔性。

基于电弧摆动的气体保护焊电弧跟踪方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1)焊接开始后，焊枪开始沿垂直于焊缝方向做周期性摆动；

步骤2)安置在焊接回路的电流传感器对焊接电流进行实时采样；

步骤3)采样数据在PC机内进行滤波处理；

步骤4)滤波数据在PC机内进行偏差判断，并转化为偏差数据；

步骤5)将偏差数据转化为运动指令，通过纠偏装置进行焊缝轨迹的实时补偿。

所述步骤3)中滤波处理具体为：首先进行修正滑动中值滤波，然后进行周期均值滤波。

所述修正滑动中值滤波包括以下步骤：

1)根据每个采样值的前2个数得到一直线函数，然后计算出下一个采样值的推算值；

2)对每个采样值设定阙值限制；

如果实际值超过阙值，则取推算值；

如果实际值未超过阙值，则取实际值；

其中，阙值是根据焊接电流和电弧摆幅设定的。

所述步骤4)中的偏差判断包括以下步骤：

1)以整数周期和整数加1/2周期的焊接电流值与焊接电流平均值分别做差值：A1＝整数周期的焊接电流值-焊接电流平均值；

A2＝整数加1/2周期的焊接电流值-焊接电流平均值；

2)如果A1大于A2，电弧偏离焊道左侧，则焊枪偏左；

如果A1小于A2，电弧偏离焊道右侧，则焊枪偏右；

如果A1等于A2，焊枪未偏离焊道。

所述步骤4)中的偏差数据包括焊枪偏离焊道的距离和焊枪的Z向偏差；

其中，焊枪偏离焊道的距离

W为电弧摆幅，单位为mm，I_n为整数周期的焊接电流值，I_n+π/2为整数加1/2周期的焊接电流值，I_ave为焊接电流平均值，δ_(A，W，v)为偏差系数；

焊枪的Z向偏差

I_ave为焊接电流平均值，I₀为焊接电流预设值，σ_(A，W)为偏差系数。

所述纠偏装置为十字滑台、直线运动单元或工业机器人。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明对采样信号采用软件滤波处理，响应速度快，跟踪精度高，是实现柔性自动化焊接的有效手段。

2.本发明采用软件处理数据，响应速度快，计算精度高，并且双重滤波方式降低了电弧不稳定造成的信号突变。

3.偏差补偿量由已知焊接参数进行计算，不需要数据库或专家系统支持。

4.本发明可以降低焊接装备对焊件加工精度的要求，提高自动化焊接装备的加工柔性。

附图说明

图1是本发明的总体流程图；

图2是本发明的坐标系说明图；

图3是本发明的焊枪在Y向的偏差与焊接电流波形变化示意图；

图4是本发明的焊枪在Z向的偏差与焊接电流平均值波形变化示意图；

图5是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明是一种基于电弧摆动的气体保护焊电弧跟踪方法，如图1所示，包括以下步骤：

1)焊接开始后，焊枪开始沿垂直于焊缝方向做周期性摆动。

焊枪摆动的触发信号由采样过程控制的。电流传感器在采样的同时，触发焊枪向特定方向(左或右)摆动，这样可以把电流变化周期同焊枪摆动方向同步起来，即焊接电流的采样同电弧的摆动同步进行。出现偏差后，可以通过周期坐标来判断焊枪摆动方向，进面确定偏差方向。

周期性摆动具体为平摆或钟摆。焊枪的初始摆动具有方向性。

2)安置在焊接回路的电流传感器对焊接电流进行实时采样。

采用闭式电流传感器，其精度大于0.5％，采样频率为2000Hz。焊接电流的采样同电弧的摆动同步进行。

3)采样数据在PC机内进行滤波处理。

在PC机内以软件进行滤波处理，滤波过程不增加滤波器等硬件。对采样数据进行两种滤波方法进行复合滤波，采样数据首先进行修正滑动中值滤波，然后进行周期均值滤波。

修正滑动中值滤波：对每个采样值都加一阙值限制，而该阙值通过它的前2个数值得出。前2个数得到一直线函数，然后计算出下一个数的推算值，跟据经验，下一个数应该在这个推算值上下的一个区间内才是合理的，如果实际数值超出该区间，那么就是因为电弧不稳定造成了电流不稳，则舍掉实际值，用推算值代替。如果实际值在该区间内，则用实际值。

滤波宽度的选择受电弧稳定性影响，焊接过程越稳定，滤波宽度越小。

4)滤波数据在PC机内进行偏差判断，并转化为偏差数据。

以整数周期和整数加1/2周期的焊接电流值与焊接电流平均值分别做差值，通过比较两差值的大小来确定焊枪是否偏离焊道。如果焊枪偏离焊道，跟据电弧摆动方向来判断焊枪偏离方向。

5)将偏差数据转为运动指命，通过纠偏装置进行焊缝轨迹的实时补偿。轨迹补偿的首次触发时间为周期滤波宽度所占时间。

坐标系说明如图2所示，X：焊接方向，Y：焊接摆动方向，Z：垂直于焊接方向和摆动方向。

焊接开始后，电流传感器对焊接电流进行采样，焊枪在Y向和Z向的位置偏差均可通过图3和图4进行判断。然后通过下面公式分别对Y向和Z向的偏差进行计算：

$\mathrm{\ΔY}={\mathrm{\δ}}_{(A,W,v)}\·\frac{I_n-I_{n+\mathrm{\π}/2}}{I_n-I_{\mathrm{ave}}}\·\frac{W}{2}$

$\mathrm{\ΔZ}={\mathrm{\σ}}_{(A,W)}\frac{I_{\mathrm{ave}}-I_0}{I_0}$

偏差系数δ_(A，W，v)和σ_(A，W)是根据焊接电流A、电弧摆幅W和焊接速度v通过正交试验得出的，其中v的单位为mm/s。

最后，将偏差数据转化为电机执行数据，由图5中的Y向执行机构和Z向执行机构进行焊缝轨迹补偿。

Claims (6)

1.基于电弧摆动的气体保护焊电弧跟踪方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1)焊接开始后，焊枪开始沿垂直于焊缝方向做周期性摆动；

步骤2)安置在焊接回路的电流传感器对焊接电流进行实时采样；

步骤3)采样数据在PC机内进行滤波处理；

步骤4)滤波数据在PC机内进行偏差判断，并转化为偏差数据；

步骤5)将偏差数据转化为运动指令，通过纠偏装置进行焊缝轨迹的实时补偿。

2.根据权利要求1所述的基于电弧摆动的气体保护焊电弧跟踪方法，其特征在于：

所述步骤3)中滤波处理具体为：首先进行修正滑动中值滤波，然后进行周期均值滤波。

3.根据权利要求2所述的基于电弧摆动的气体保护焊电弧跟踪方法，其特征在于：

所述修正滑动中值滤波包括以下步骤：

1)根据每个采样值的前2个数得到一直线函数，然后计算出下一个采样值的推算值；

2)对每个采样值设定阙值限制；

如果实际值超过阙值，则取推算值；

如果实际值未超过阙值，则取实际值；

其中，阙值是根据焊接电流和电弧摆幅设定的。

4.根据权利要求1所述的基于电弧摆动的气体保护焊电弧跟踪方法，其特征在于：

所述步骤4)中的偏差判断包括以下步骤：

1)以整数周期和整数加1/2周期的焊接电流值与焊接电流平均值分别做差值：A1＝整数周期的焊接电流值-焊接电流平均值；

A2＝整数加1/2周期的焊接电流值-焊接电流平均值；

2)如果A1大于A2，电弧偏离焊道左侧，则焊枪偏左；

如果A1小于A2，电弧偏离焊道右侧，则焊枪偏右；

如果A1等于A2，焊枪未偏离焊道。

5.根据权利要求1所述的基于电弧摆动的气体保护焊电弧跟踪方法，其特征在于：

所述步骤4)中的偏差数据包括焊枪偏离焊道的距离和焊枪的Z向偏差；

其中，焊枪偏离焊道的距离

W为电弧摆幅，单位为mm，I_n为整数周期的焊接电流值，I_n+π/2为整数加1/2周期的焊接电流值，I_ave为焊接电流平均值，δ_(A，W，v)为偏差系数；

焊枪的Z向偏差

I_ave为焊接电流平均值，I₀为焊接电流预设值，σ_(A，W)为偏差系数。

6.根据权利要求5所述的基于电弧摆动的气体保护焊电弧跟踪方法，其特征在于：

所述纠偏装置为十字滑台、直线运动单元或工业机器人。

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