CN104475926A - 一种具有焊缝跟踪功能的气体保护焊摆动器 - Google Patents

Abstract

一种具有焊缝跟踪功能的气体保护焊摆动器，它属于一种焊接自动化控制装置。它主要是解决现有的摆动器不能实时检测与补偿因工件加工误差、装配误差和焊接热变形等误差导致焊缝间隙过大等技术问题。其技术方案要点是：它包括霍尔传感器、具有焊缝间隙补偿的焊缝跟踪控制器、驱动器和双效摆动机构，焊缝跟踪控制器根据霍尔传感器采集的信号实时检测并补偿因工件加工误差、装配误差和焊接热变形引起的焊缝间隙，在电气控制和驱动器的控制下，双效摆动机构在平摆、钟摆中自由变换并自动调节摆动幅度与摆动频率。它主要是用于焊接过程。

Description

一种具有焊缝跟踪功能的气体保护焊摆动器

技术领域

本发明涉及一种焊接自动化控制装置，特别是一种具有焊缝跟踪功能的气体保护焊摆动器。

背景技术

目前，为了提高焊接质量，满足焊接工艺对焊缝宽度的要求，提升焊接设备的自动化程度，焊枪摆动器在焊接生产过程中的应用日益广泛，而具有焊缝跟踪功能的摆动器的研制对提高焊缝质量和焊接效率，改善焊接环境，进一步推动焊接生产的自动化有着积极的作用。目前存在的专利号为“201210582687.5 ” 的“具有焊缝跟踪功能的焊接摆动器”所述的焊缝跟踪摆动器是利用激光传感进行焊缝跟踪，传感器前置，不能实时地补偿由焊接热变形引起的误差，且价格昂贵。而专利号为“201310642628.7 ”的“数控焊摆动式自动焊缝跟踪装置 ”所述的焊缝跟踪装置是通过一系列的机械动作，调整检测头使之与焊缝始终接触的方式进行焊缝跟踪，对工件表面的精度要求较高，长时间使用检测头的磨损大，且机械接触式的跟踪方法已不能适应当前高质量、高效率自动化焊接的生产要求。

发明内容

本发明为了克服现有产品存在的不足，更好的推动焊接设备的自动化的进程，针对目前现有技术中具有焊缝跟踪功能的摆动器不能实时检测与补偿因工件加工误差、装配误差和焊接热变形等误差导致焊缝间隙过大的问题，提出了一种具有焊缝跟踪功能的气体保护焊摆动器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：它包括霍尔传感器、具有焊缝间隙补偿的焊缝跟踪控制器、驱动器和双效摆动机构，如图1所示。焊缝跟踪控制器根据霍尔传感器采集的信号实时检测并补偿因工件加工误差、装配误差和焊接热变形引起的焊缝间隙，在电气控制和驱动器的控制下，双效摆动机构在平摆、钟摆中自由变换并自动调节摆动幅度与摆动频率。

所述双效摆动机构包括壳体2，壳体2内设置有通过联轴器4连接壳体2外伺服电机1的丝杠6，丝杠6上套装有主滑块9，电磁离合器Ⅰ10固定在主滑块9内，丝杠6上方平行设置有固定在壳体2上的滑槽7，从滑块13可在滑槽7内平行移动，电磁离合器Ⅱ15通过螺丝固定在滑槽7中间位置处，丝杠6及滑槽7之间垂直设置有导杆3，导杆3的下端与电磁离合器Ⅰ10的接触面和导杆3的上端与电磁离合器Ⅱ15的接触面均为光滑导磁面。

壳体2下部对称固定安装有两支架5，丝杠6和导轨8的两端安装在两支架5上，支架5内部装有轴承，丝杠6可在支架5内转动。

从滑块13一侧固定设置有滑块盖板17，从滑块13和滑块盖板17之间安装有孔珠14，孔珠14可自由旋转，导杆3的上端为圆柱体，可在孔珠14的孔内来回运动。

导杆3的下端通过螺钉11安装在主滑块9的伸出轴上，导杆3可绕主滑块9的伸出轴转动。

导杆3的伸出部分与摆杆19通过螺丝紧固，焊枪20通过焊枪夹具21和橡胶防滑垫22固定在摆杆19上。

主滑块9开有出线孔Ⅰ12，滑槽7中间固定电磁离合器Ⅱ15处开有出线孔Ⅱ16。

壳体2上导杆3伸出部分通过的开口处安装有风琴式防尘罩18。

焊接时由霍尔传感器采集电弧信号，经数字滤波与硬件滤波获得电弧信号波形，通过焊缝跟踪控制器对电弧信号进行采样，再对采样数据进行处理和运算，判断是否存在焊缝间隙以及焊枪是否与焊缝发生偏离；当焊缝存在间隙时，将提取焊缝间隙宽度信息并转化为摆幅的调节信号，调节双效摆动机构的摆动幅度，实现焊缝间隙的实时补偿；当焊枪偏离焊缝时，会根据偏差量产生偏差调整信号，控制十字滑架的运动，同时通过降低焊枪与焊缝相对位置、增大焊接电流，对焊缝间隙处进行堆焊处理，进行焊缝偏差补偿，实现焊缝跟踪。

双效摆动机构工作原理是：

伺服电机1转动时，通过丝杆6的传动，带动套设在丝杠6外径的主滑块9进行直线运动，通过PLC控制主滑块9往复运动的频率，并通过程序控制每次伺服电机1停转时，使主滑块9回到设定的居中位置，实现摆动自动回中功能。

平摆时，电磁离合器Ⅰ10通电，电磁离合器Ⅱ15断电。此时，导杆3的下端与主滑块9通过电磁离合器Ⅰ10紧固，从滑块13与电磁离合器Ⅱ15分离，从滑块13在滑槽7可平行移动，当伺服电机1运转时，主滑块9带动导杆3作平摆运动。

钟摆时，电磁离合器Ⅰ10断电，电磁离合器Ⅱ15通电。此时，导杆3的下端与主滑块9通过电磁离合器Ⅰ10分离，从滑块13与滑槽7通过电磁离合器Ⅱ5紧固，导杆3的下端可绕主滑块9的伸出轴自由转动，当伺服电机1运转时，主滑块9作往复运动，由于从滑块13固定，导杆3的上端可在孔珠14的孔内自由伸缩，并通过孔珠14在从滑块13和滑块盖板17之间自由转动，导杆3在主滑块9的作用下作钟摆运动。

检测焊缝间隙的关键技术：根据霍尔电流传感器采集电弧的电流信号来判断焊缝是否存在间隙。如图6、图7所示，以V形坡口为例，，当焊缝居中且无间隙的情况下，由于焊枪以摆动的形式进行焊接，电流信号的变化是连续的，对应的电流信号经滤波处理后的波形1可视为正弦波形；当焊缝居中存在间隙的情况下，电弧在间隙处的电流信号会瞬间减小，对应的电流信号经滤波处理后的波形2相对于无间隙的正弦波1而言，波谷处会出现一定宽度的骤降区域3，基于这一特征，通过对电弧信号采样的数据进行分析，根据焊缝间隙处焊接电流的变化差异，检测焊缝是否存在间隙。

提取焊缝间隙宽度信息的关键技术：根据上述骤降区域对应采样点的个数来获取焊缝间隙的宽度信号。如图8所示，采样信号4是用来控制在一个摆动周期内对电弧信号进行信号采集的个数，任何一个摆动周期内的采样点都是均匀且固定的，当焊缝出现间隙时，焊缝间隙的宽度可视为电弧信号中骤降区域3的宽度，而对应波形2中的骤降区域3会相应的“占用”一定数量的采样点。由于间隙处的电流信号会骤然下降且持续在一个较低的状态，此时可根据对应在持续较低电流时采样点的个数来获取焊缝间隙的宽度信息，通过DSP对采样数据进行分析和处理即可提取焊缝间隙的宽度信号。

焊缝间隙补偿的过程：根据霍尔传感器采集电弧信号，对焊缝间隙的电弧信号进行数字滤波和硬件滤波，通过DSP进行采样分析电弧信号在波谷位置的差异检测焊缝间隙，并提取焊缝间隙的宽度信号，经过D/A转换，将焊缝间隙的宽度信号转换成控制摆动机构摆幅的调节量，增大焊缝的覆盖面；同时通过降低焊枪与焊缝相对位置增大焊接电流，对焊缝间隙处进行堆焊处理，从而实现焊缝间隙的实时补偿。能有效解决焊缝间隙过大导致烧穿、未熔合等缺陷的问题，降低焊缝加工装配的要求，增强焊接对工件的适应性，提高焊缝质量和效率。

本发明的有益效果是：

第一，本发明运用电弧传感，闭环控制的跟踪方法，能实时有效地实现焊缝间隙补偿和焊缝跟踪，实现了焊接智能化，有效地补偿焊接热变形引起的误差和加工装配误差引起的焊缝间隙过大的问题，降低了焊缝加工装配的要求，增强了焊接对工件的适应性，提高了焊接质量和效率。

第二，双效摆动机构，具有平摆和钟摆两种摆动形式，平摆和钟摆的切换只需一个电子开关即可，操作相当方便，而装置采用伺服电机驱动，摆动平稳、精度高、惯性小。

第三，通过电气控制电磁离合器的打开与闭合来切换摆动机构的摆动形式，通过程序控制摆动频率和摆动幅度，该双效摆动机构采用伺服电机驱动，利用电磁离合器切换摆动形式，结构简单，运行稳定，响应速度快，耐久性强、组装容易，与焊缝跟踪系统的实时控制有效结合，保证焊缝跟踪的精度，整个摆动机构结构简单，运行稳定，易加工制造且成本较低，非常适合焊接行业高效率高质量的发展要求。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图2是本发明的系统控制框图。

图3是双效摆动机构正面开盖视图。

图4是图3中A-A剖视图。

图5是途3中B-B剖视图。

图6是焊缝无间隙时的电弧信号经滤波处理后的波形。

图7是焊缝有间隙时的电弧信号经滤波处理后的波形。

图8是焊缝有间隙时的电弧信号与对应的采样信号图。

图中：1-伺服电机，2-壳体，3-导杆，4-联轴器，5-支架，6-丝杠，7-滑槽，8-导轨，9-主滑块，10-电磁离合器Ⅰ，11-螺钉，12-出线孔Ⅰ，13-从滑块，14-孔珠，15-电磁离合器Ⅱ，16-出线孔Ⅱ，17-滑块盖板，18-风琴式防尘罩，19-摆杆，20-焊枪，21-焊枪夹具，22-橡胶防滑垫。

具体实施方式

为了更好的表达整个发明的技术方案与有益效果，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但是，本发明的实施方式不限于此。

实施例1，本发明包括霍尔传感器、具有焊缝间隙补偿的焊缝跟踪控制器、驱动器和双效摆动机构，焊缝跟踪控制器根据霍尔传感器采集的信号实时检测并补偿因工件加工误差、装配误差和焊接热变形引起的焊缝间隙，在电气控制和驱动器的控制下，双效摆动机构在平摆、钟摆中自由变换并自动调节摆动幅度与摆动频率。参阅图1至图8。

实施例2，所述双效摆动机构包括壳体2，壳体2内设置有通过联轴器4连接壳体2外伺服电机1的丝杠6，丝杠6上套装有主滑块9，电磁离合器Ⅰ10固定在主滑块9内，丝杠6上方平行设置有固定在壳体2上的滑槽7，从滑块13可在滑槽7内平行移动，电磁离合器Ⅱ15通过螺丝固定在滑槽7中间位置处，丝杠6及滑槽7之间垂直设置有导杆3，导杆3的下端与电磁离合器Ⅰ10的接触面和导杆3的上端与电磁离合器Ⅱ15的接触面均为光滑导磁面。参阅图1至图8，其余同实施例1。

实施例3，壳体2下部对称固定安装有两支架5，丝杠6和导轨8的两端安装在两支架5上，支架5内部装有轴承，丝杠6可在支架5内转动。参阅图1至图8，其余同上述实施例。

实施例4，从滑块13一侧固定设置有滑块盖板17，从滑块13和滑块盖板17之间安装有孔珠14，孔珠14可自由旋转，导杆3的上端为圆柱体，可在孔珠14的孔内来回运动。参阅图1至图8，其余同上述实施例。

实施例5，导杆3的下端通过螺钉11安装在主滑块9的伸出轴上，导杆3可绕主滑块9的伸出轴转动。参阅图1至图8，其余同上述实施例。

实施例6，导杆3的伸出部分与摆杆19通过螺丝紧固，焊枪20通过焊枪夹具21和橡胶防滑垫22固定在摆杆19上。参阅图1至图8，其余同上述实施例。

实施例7，主滑块9开有出线孔Ⅰ12，滑槽7中间固定电磁离合器Ⅱ15处开有出线孔Ⅱ16。参阅图1至图8，其余同上述实施例。

实施例8，壳体2上导杆3伸出部分通过的开口处安装有风琴式防尘罩18。参阅图1至图8，其余同上述实施例。

实施例9，焊接时由霍尔传感器采集电弧信号，经数字滤波与硬件滤波获得电弧信号波形，通过焊缝跟踪控制器对电弧信号进行采样，再对采样数据进行处理和运算，判断是否存在焊缝间隙以及焊枪是否与焊缝发生偏离；当焊缝存在间隙时，将提取焊缝间隙宽度信息并转化为摆幅的调节信号，调节双效摆动机构的摆动幅度，实现焊缝间隙的实时补偿；当焊枪偏离焊缝时，会根据偏差量产生偏差调整信号，控制十字滑架的运动，同时通过降低焊枪与焊缝相对位置、增大焊接电流，对焊缝间隙处进行堆焊处理，进行焊缝偏差补偿，实现焊缝跟踪。参阅图1至图8，其余同上述实施例。

实施例10，在压力管道和锅炉压力容器等工件的焊接中，为了保证焊接质量，降低劳动强度，提高焊接效率，通常会用到单面焊双面成型的焊接方法。焊接过程分为打底、填充、盖面三个部分，根据焊接工艺的要求，打底焊和填充焊可运用钟摆的方式进行焊接，而盖面焊可运用平摆的方式进行焊接。

结合本发明的摆动机构，如图3、4、5所示，钟摆时，电磁离合器10断电，电磁离合器15通电。此时，导杆3的下端与主滑块9通过电磁离合器10分离，从滑块13与滑槽7通过电磁离合器15紧固，导杆3的下端可绕主滑块9的伸出轴自由转动，当伺服电机1运转时，主滑块9作往复运动，由于从滑块13固定，导杆3的上端可在孔珠14的孔内自由伸缩，并通过孔珠14在从滑块13和滑块盖板17之间自由转动，此时，在主滑块9的带动下导杆3作钟摆运动。平摆时，电磁离合器10通电，电磁离合器15断电。此时，导杆3的下端与主滑块9通过电磁离合器10紧固，从滑块13与电磁离合器15分离，从滑块13在滑槽7可平行移动，当伺服电机1运转时，主滑块9带动导杆3作平摆运动。

打底焊时，将摆动模式切换为钟摆，将摆动机构的摆动幅度调小，用小电流进行焊接打底；填充焊时，将摆动幅度调大，用大电流进行焊接填充，使焊缝与工件完全熔合；盖面焊时，将摆动模式切换为平摆，将摆动幅度调大，用小于填充焊大于打底焊的焊接电流进行盖面焊。因此，运用本发明中的双效摆动机构能高质量高效率地完成单面焊双面成型的整个焊接过程。参阅图1至图8，其余同上述实施例。

实施例11，在Ｖ型坡口焊接时，因加工装配误差和焊接热变形会导致焊缝间隙变宽，然而焊缝间隙过大会导致烧穿、未熔合等焊缝缺陷的产生。本发明能根据霍尔传感器采集电弧信号，对焊缝间隙的电弧信号进行数字滤波和硬件滤波，通过DSP进行采样分析电弧信号在波谷位置的差异检测焊缝间隙，采用上述提取焊缝间隙宽度信息的关键技术来提取焊缝间隙的宽度信号，经过D/A转换，将焊缝间隙的宽度信号转换成控制摆动机构摆幅的调节量，并相应的通过调整焊枪位置降低弧长高度，增大焊缝覆盖面，增大焊接电流，对焊缝间隙处进行堆焊处理，实现焊缝间隙的实时补偿，降低焊缝加工装配的要求，增强焊接对工件的适应性，提高焊缝质量和效率。参阅图1至图8，其余同上述实施例。

Claims (9)

1.一种具有焊缝跟踪功能的气体保护焊摆动器，其特征是：它包括霍尔传感器、具有焊缝间隙补偿的焊缝跟踪控制器、驱动器和双效摆动机构，焊缝跟踪控制器根据霍尔传感器采集的信号实时检测因工件加工误差、装配误差和焊接热变形引起的焊缝间隙并形成补偿信号，反应到驱动器，在电气控制和驱动器的控制下，双效摆动机构在平摆、钟摆中自由变换并自动调节摆动幅度与摆动频率，完成对焊缝间隙及偏差的补偿。

2.根据权利要求1所述的具有焊缝跟踪功能的气体保护焊摆动器，其特征是：所述双效摆动机构包括壳体（2），壳体（2）内设置有通过联轴器（4）连接壳体（2）外伺服电机（1）的丝杠（6），丝杠（6）上套装有主滑块（9），电磁离合器Ⅰ（10）固定在主滑块（9）内，丝杠（6）上方平行设置有固定在壳体（2）上的滑槽（7），从滑块（13）可在滑槽（7）内平行移动，电磁离合器Ⅱ（15）通过螺丝固定在滑槽（7）中间位置处，丝杠（6）及滑槽（7）之间垂直设置有导杆（3），导杆（3）的下端与电磁离合器Ⅰ（10）的接触面和导杆（3）的上端与电磁离合器Ⅱ（15）的接触面均为光滑导磁面。

3.根据权利要求2所述的具有焊缝跟踪功能的气体保护焊摆动器，其特征是：壳体（2）下部对称固定安装有两支架（5），丝杠（6）和导轨（8）的两端安装在两支架（5）上，支架（5）内部装有轴承，丝杠（6）可在支架（5）内转动。

4.根据权利要求2所述的具有焊缝跟踪功能的气体保护焊摆动器，其特征是：从滑块（13）一侧固定设置有滑块盖板（17），从滑块（13）和滑块盖板（17）之间安装有孔珠（14），孔珠（14）可自由旋转，导杆（3）的上端为圆柱体，可在孔珠（14）的孔内来回运动。

5.根据权利要求2所述的具有焊缝跟踪功能的气体保护焊摆动器，其特征是：导杆（3）的下端通过螺钉（11）安装在主滑块（9）的伸出轴上，导杆（3）可绕主滑块（9）的伸出轴转动。

6.根据权利要求2所述的具有焊缝跟踪功能的气体保护焊摆动器，其特征是：导杆（3）的伸出部分与摆杆（19）通过螺丝紧固，焊枪（20）通过焊枪夹具（21）和橡胶防滑垫（22）固定在摆杆（19）上。

7.根据权利要求2所述的具有焊缝跟踪功能的气体保护焊摆动器，其特征是：主滑块（9）开有出线孔Ⅰ（12），滑槽（7）中间固定电磁离合器Ⅱ（15）处开有出线孔Ⅱ（16）。

8.根据权利要求2所述的具有焊缝跟踪功能的气体保护焊摆动器，其特征是：壳体（2）上导杆（3）伸出部分通过的开口处安装有风琴式防尘罩（18）。

9.根据上述任一项权利要求所述的具有焊缝跟踪功能的气体保护焊摆动器，其特征是：焊接时由霍尔传感器采集电弧信号，经数字滤波与硬件滤波获得电弧信号波形，通过焊缝跟踪控制器对电弧信号进行采样，再对采样数据进行处理和运算，判断是否存在焊缝间隙以及焊枪是否与焊缝发生偏离；当焊缝存在间隙时，将提取焊缝间隙宽度信息并转化为摆幅的调节信号，调节双效摆动机构的摆动幅度，实现焊缝间隙的实时补偿；当焊枪偏离焊缝时，会根据偏差量产生偏差调整信号，控制十字滑架的运动，同时通过降低焊枪与焊缝相对位置、增大焊接电流，对焊缝间隙处进行堆焊处理，进行焊缝偏差补偿，实现焊缝跟踪。