CN104493332B - 一种基于电弧摆动自调节传感机构的焊缝跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于电弧摆动自调节传感机构的焊缝跟踪控制方法，其特征是：利用摆动脉冲信号单元和任意倍频器产生的定位脉冲和分度脉冲作为霍尔传感器电流采样基准点，通过焊枪摆动对坡口进行扫描得到焊缝信息，经过信号处理电路处理后，焊缝信息再送入主控制器进行处理和运算，运算后的结果分为两路，其中一路通过高低滑块驱动控制器驱动高低方向滑块进行高低偏差调节，另外一路送入摆动‑左右偏差协同处理单元，经信号再处理后通过PWM脉宽调制改变摆动脉冲信号的脉宽，从而实现左右方向滑块和自调节传感机构偏差的协同调节。本发明能有效的解决跟踪过程中精度低，线性度误差大等问题。简化了摆动器的机械结构，具有低成本，高精度，实时性能好等特点。

Description

一种基于电弧摆动自调节传感机构的焊缝跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及一种焊接控制方法，特别是一种用于自动焊的控制方法。

背景技术

自动焊时，为实时补偿因工件的加工与装配误差，以及因焊接热变形所引起的焊缝位置和尺寸的变化，必须采用适当的焊缝跟踪方法。

目前，电弧传感技术由于其实时性好的特点在焊缝跟踪中得到了广泛的利用。电弧传感技术包括旋转电弧和摆动电弧两种：旋转电弧方式虽然不需要附加设备，且跟踪精度较高，但其体积较大，结构装配复杂，系统造价较高。而摆动电弧方式相对于前者结构更为简单紧凑，摆动幅度调节方便，并且成本较低，然而目前摆动电弧技术针对复杂的焊接工件在跟踪效果精度上仍无法达到满意的效果，同时目前自动焊接设备的摆动机构大多采用钟摆式原理，即摆动机构左右等幅交替摆动，其存在传动误差和频繁换向带来的机械耦合误差，摆动误差累积会使摆动的中心偏离实际焊缝中心，降低跟踪精度，影响焊缝跟踪的效果。

发明内容

针对目前的摆动电弧传感器技术存在的不足，本文提出了一种基于电弧摆动自调节传感机构的焊缝跟踪控制方法，其相对于电弧旋转传感跟踪方式结构简单紧凑、造价低。而对比目前其它的摆动电弧跟踪方式，该跟踪方法简单、跟踪精度较高、同时适用于多种焊接坡口。本发明采用步进电机直接驱动焊枪左右摆动，很大程度上简化了摆动器机械结构部分，而由于步进电机步长准确、制动可靠，有利于消除摆动过程中自身积累的误差，便于控制焊枪的摆动方向。

本发明的系统方案是：如图1所示，它包括摆动-左右偏差协同处理单元1、自调节传感机构2、自调节传感驱动控制器3、摆动脉冲信号单元4任意倍频器5、主控制器6、信号处理电路7、高低滑块驱动控制器8、左右滑块驱动控制器9、高低方向调节滑块10、左右方向调节滑块11、送丝机12、焊接电源13、霍尔传感器14、焊枪夹具15、焊枪16、焊接小车17、焊接工件。

所述控制方法其特征是：通过焊枪16摆动对工件坡口进行扫描得到焊缝信息，经过信号处理电路7处理后，焊缝信息再送入主控制器6进行处理和运算，运算结果分为两路，其中一路为高低方向偏差及调节指令，通过高低滑块驱动控制器8控制高低方向调节滑块10进行纵向偏差的调节。另外一路为左右方向偏差及调节指令，送入摆动-左右偏差协同处理单元1进行信号指令再处理，处理后的信号视偏差量大小，一路送入左右滑块驱动控制器9驱动左右方向调节滑块11执行横向调节，另一路指令送入自调节传感驱动控制器3对自调节传感机构2进行摆动和左右偏差调节控制，从而完成焊缝自动跟踪。

本系统中核心部件包括电弧摆动自调节传感机构2和摆动-左右偏差协同处理单元1。其中摆动自调节传感机构2是基于步进电机的正反转带动焊枪进行左右摆动，摆动-左右偏差协同处理单元1处理来自摆动脉冲信号单元4的摆动信号以及主控制器6的左右偏差及调节指令，处理后的信号再送入自调节传感机构2，使它实现摆动过程中同时执行偏差调节的效果。

本发明中摆动-左右偏差协同处理单元1为偏差信号处理部分的核心单元，它包括信号分离模块、信号融合模块以及PWM调制模块，如图2所示。其中信号分离模块对来自主控制器6的左右偏差信号及调节指令进行信号分离，分离的调节指令直接通过左右滑块驱动控制器9带动左右方向调节滑块11执行调节，而分离的左右偏差信号则通过信号融合模块与摆动脉冲信号进行信号融合，使摆动信号与自调节传感机构的偏差调节指令信息统一在同一个时间和幅度的数量级上，从而实现两种信号的融合，融合后的信号再经过PWM调制模块进行脉宽调制，调制后的信息再通过自调节传感驱动控制器3驱动自调节传感机构进行焊缝偏差调节。其中，系统中PWM调制模块进行脉宽调制是通过改变自调节传感机构摆动脉冲信号的高低电平的时间系数，进而调节电机正反转的时间使焊枪移动到指定的位置，从而完成焊缝跟踪。

本发明信号采样基于自调节传感机构2的工作特性采用定位脉冲和分度脉冲的方式采样，其中定位脉冲由摆动脉冲信号单元4产生并送入主控制器6通过转换处理而成，产生的定位脉冲序列作为任意倍频器5的输入端对定位脉冲进行N倍倍频,倍频后的脉冲序列即为采样的分度脉冲，分度脉冲序列送入主控制器6作为电流采集的基准点，霍尔传感器14采集电流信号经过处理后进入主控制器，通过系统设定的偏差算法提取偏差，拟合偏差方向，如图3所示。

本发明中主控制器6针对自调节传感机构的工作特性对左右方向偏差信息采用两段式识别控制，如图4所示，以焊枪的摆动幅度Tw作为设定阀值，其中摆动幅度Tw直接由摆动脉冲信号单元4产生的电平脉冲信号输入到主控制器6通过对比左右偏差量e来进行分段控制；当e≥Tw时，左右偏差信号及调节命令送入摆动-左右偏差协同处理单元1直接通过PWM调制后经左右滑块驱动控制器9驱动左右方向调节滑块11执行偏差调节，而摆动信号不通过信号融合，自调节传感机构2仅作为焊枪摆动器，以减小纠偏过程中的过渡时间为调制基准，实现调节快速过渡，保证焊缝跟踪的实时性。当e＜Tw时，左右偏差及调节指令不通过分离器直接与摆动脉冲信号进行融合，融合后的信号再经过PWM调制送入驱动控制器驱动自调节传感机构执行摆动和偏差调节，使偏差执行机构在偏差较小的情况下实现焊缝的平滑过渡。

本发明中自调节传感机构通过PWM脉宽调节来实现，通过改变自调节传感机构摆动脉冲信号的高低电平的时间系数，来调节电机正反转的时间使焊枪移动到指定的位置，从而完成焊缝跟踪。

本发明有益效果是：摆动机构与偏差调节基于一种简单的步进电机执行，很大程度上减少了摆动的机械部件，降低了设备的加工装配要求，同时跟踪方法简单，系统的计算量小，跟踪精度高以及系统稳定性高。

附图说明

图1是本发明中工作原理示意图；

图2是本发明中摆动-左右偏差协同处理单元系统示意图；

图3是本发明中采样系统流程图；

图4是本发明中主控制器偏差识别流程图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1，本发明的系统方案是：如图1所示，它包括摆动-左右偏差协同处理单元1、自调节传感机构2、自调节传感驱动控制器3、摆动脉冲信号单元4任意倍频器5、主控制器6、信号处理电路7、高低滑块驱动控制器8、左右滑块驱动控制器9、高低方向调节滑块10、左右方向调节滑块11、送丝机12、焊接电源13、霍尔传感器14、焊枪夹具15、焊枪16、焊接小车17、焊接工件。其中摆动-左右偏差协同处理单元1自调节传感机构2、自调节传感驱动控制器3构成了系统的左右偏差核心调节单元，其中自调节传感机构基于步进电机正反转带动焊枪左右往复运动，步进电机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速；能够快速启动、反转和制动，不需要变换能直接将数字脉冲信号转换为角位移。自调节传感驱动控制器基于TB6560或THB6128等步进电机驱动芯片配合以一些外围电路构成高性能的驱动电路，其中驱动电路中的电机运行脉冲接口CLK以及方向脉冲接口CW为系统信号的主要接入口。摆动脉冲信号单元4、任意倍频器5、霍尔传感器14组成了系统的采样单元，其中摆动脉冲信号单元4基于555定时器配合外围电路构成脉冲信号产生器，任意倍频器如图4所示。主控制器6可由DSP、单片机、ARM、FPGA、PLC、工控机、或计算机代替，主要是对偏差信号的分析和处理。送丝机12、焊接电源13、焊枪16构成了系统的焊部分。

实施例2，自调节传感机构2，摆动频率保持在2HZ左右，通过摆动脉冲信号单元4产生摆动信号接入自调节传感驱动控制器3CW端口来实现电机正反转，自调节传感驱动控制器3CLK端口接入控制电机运行的脉冲信号，调节CLK端口脉冲信号来控制摆动的幅度。当摆动脉冲信号频率固定时，增加运行脉冲信号的脉冲数量，则电机的转速加快，焊枪摆动幅度增大，减少脉冲信号的脉冲数量，电机的转速减小，焊枪摆动幅度减小。实际摆动幅度保持在5mm左右，具体情况视焊缝宽度而定。

实施例3，针对V型坡口，焊接开始时，摆动脉冲信号单元4发出摆动信号驱动自调节传感机构2带动焊枪16左右往复摆动，从而对工件坡口进行扫描，再通过霍尔传感器14采集到焊缝信息，经过信号处理电路7处理后，焊缝信息再送入主控制器6，主控制器再配合以摆动脉冲信号单元4任意倍频器5产生的定位脉冲和分度脉冲对霍尔传感器14采集到的电流进行处理和运算，运算结果分为两路，其中一路为高低方向偏差及调节指令，通过高低滑块驱动控制器8控制高低方向调节滑块10进行高低方向偏差的调节。另外一路为左右方向偏差及调节指令，送入摆动-左右偏差协同处理单元 1进行信号指令再处理，处理后的信号视偏差量大小，一路送入左右滑块驱动控制器9驱动左右方向调节滑块11执行左右方向调节，另一路指令送入自调节传感驱动控制器3对自调节传感机构2进行摆动和左右偏差调节控制，从而完成焊缝自动跟踪。

实施例4，系统中信号采样基于自调节传感机构的工作特性采用定位脉冲和分度脉冲的方式采样，其中定位脉冲由摆动脉冲信号单元4产生送入主控制器6通过转换处理而成，定位脉冲序列作为任意倍频器5的输入端，通过任意倍频器5对定位脉冲进行128倍倍频,倍频后的脉冲序列即为采样的分度脉冲，即焊缝跟踪系统在每一个摆动周期内对霍尔传感器输出的焊接电流信号进行128 次定位采样, 并由主控制器完成对采样值的分析处理。

实施例5，主控制器6以焊枪的摆动幅度Tw作为设定阀值，通过对比左右偏差量e来进行分段控制；当e≥Tw时，左右偏差信号及调节命令送入摆动-左右偏差协同处理单元1，通过PWM调制后再经左右滑块驱动控制器9驱动左右方向调节滑块11执行偏差调节，而摆动信号不通过信号融合，自调节传感机构2仅作为焊枪摆动器，以减小纠偏过程中的过渡时间为调制基准，实现调节快速过渡，保证焊缝跟踪的实时性。当e＜Tw时，左右偏差及调节指令不通过分离器直接与摆动脉冲信号进行融合，融合后的信号再经过PWM调制送入驱动控制器驱动自调节传感机构执行摆动和偏差调节，使执行偏差机构在偏差较小的情况下实现焊缝的平滑过渡。

当e≥Tw时，主控制器可采用bang-bang控制方法或比例控制，旨在提高系统的响应速度，减小纠偏过程中的调整时间。当e＜Tw时，主控制器可采用模糊控制方法，旨在较小超调，实现焊缝的平滑过渡。

本发明旨在精简摆动器机械结构的基础上，实现对复杂焊缝进行高精度，高稳定性的跟踪焊接。

Claims (3)

1.一种基于电弧摆动自调节传感机构的焊缝跟踪控制方法，其系统结构特征是：由摆动-左右偏差协同处理单元、自调节传感机构、自调节传感驱动控制器、主控制器、任意倍频器、摆动脉冲信号单元、霍尔传感器、高低滑块驱动控制器、左右滑块驱动控制器、信号处理电路、焊接电源组成；其中摆动-左右偏差协同处理单元由信号分离模块、信号融合模块以及PWM调制模块组成，它起到对左右偏差信号及调节指令信号再处理功能；其中自调节传感机构与自调节传感驱动控制器组成焊枪摆动和左右偏差调节的核心单元，自调节传感机构同时具有焊枪左右往复摆动和左右偏差调节的功能；其中任意倍频器、摆动脉冲信号单元、霍尔传感器组成了系统的采样部分；其方法特征是：利用摆动脉冲信号单元和任意倍频器产生的定位脉冲和分度脉冲作为霍尔传感器电流采样基准点，通过焊枪摆动对坡口进行扫描得到焊缝信息，经过信号处理电路处理后，焊缝信息再送入主控制器进行处理和运算，运算后的结果分为两路，一路通过高低滑块驱动控制器驱动高低方向滑块进行高低偏差调节，另外一路送入摆动-左右偏差协同处理单元，信号再处理后通过左右方向滑块以及自调节传感机构执行左右偏差，从而完成焊缝自动跟踪。

2.根据权利要求1所述的一种基于电弧摆动自调节传感机构的焊缝跟踪控制方法，其特征是：采用定位脉冲和分度脉冲进行采样，定位脉冲是基于摆动脉冲信号单元产生的脉冲信息通过主控制器处理转换产生，产生的定位脉冲序列作为任意倍频器的输入端对定位脉冲进行N倍倍频,倍频后的脉冲序列即为采样的分度脉冲。

3.根据权利要求1所述的一种基于电弧摆动自调节传感机构的焊缝跟踪控制方法，其特征是：主控制器在执行左右方向偏差调节的过程中，以焊枪的摆动宽度Tw为设定阀值，通过与偏差量e进行对比和判断，采用两段式识别方法对左右方向偏差进行控制。