CN104959706A - 薄板焊接摆动式边缘效应电容传感器的焊缝跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种应用于薄板焊接的摆动式边缘效应电容传感器的焊缝跟踪方法，本发明的技术要点是：它由边缘效应电容传感器、传感器摆动装置、数据转换及处理模块、主控制器、跟踪执行模块等组成。系统通过传感器摆动装置对传感器进行角度摆动，扫描薄板焊缝坡口检测到焊缝偏差信息，得到的偏差信息通过数据转换及处理模块处理和主控制器的运算后，再通过跟踪执行模块补偿焊缝偏差从而实现薄板对接或搭接焊缝的自动跟踪。本发明结构简单紧凑，造价低，跟踪精度高，适应性好，能有效地实时补偿焊接过程中产生的热变形。

Description

薄板焊接摆动式边缘效应电容传感器的焊缝跟踪方法

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

薄板搭接焊缝作为工业生产中的一种应用非常广泛的焊接坡口形式，其焊缝的自动跟踪技术一直以来都是焊接领域的一个难点，目前针对于薄板焊缝自动跟踪多采用激光视觉传感器，然而激光视觉传感器对工件质量和生产过程控制的要求很高。而焊接大型工件时，其安装定位往往需要多次重复调整，装配定位存在一定的位置偏差，错边、坡口间隙不匀，由于激光传感器对焊接时的复杂气氛适应性差、容易受到外界干扰，所以激光视觉传感器数据扫描采集点前置于焊接点，它不能很好的适应由于焊接热应力而产生的变形。同时激光传感方式结构复杂、生产成本较高，这很大程度上限制了薄板焊缝的自动跟踪。

发明内容

由于目前在薄板焊接中存在的一些不足，针对于电容传感器灵敏度高，零磁滞，动态响应特性好，和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强的特点，同时结合薄板焊接的特殊性提出了一种应用于薄板焊接摆动式边缘效应电容式传感器的焊缝跟踪方法。其相对于激光视觉传感方式结构简单紧凑，造价低。该跟踪方法简单，跟踪精度较高，对工件装配和定位要求不高，由于传感器不用前置于焊接点，所以焊接过程中能有效地补偿热变形。

本发明的系统方案包括：边缘效应电容传感器、传感器摆动装置、数据转换及处理模块、主控制器、跟踪执行模块、焊接小车、焊枪、送丝机、焊接电源等组成。

系统结构中所述的数据转换及处理模块中包括传感器激励信号电路、传感器信号调理电路、差分放大电路、低通滤波电路、A/D转换电路。其中激励信号电路产生用以驱动传感器的不同频率的正弦信号，传感器信号调理电路把传感器输出的微弱变化的电容信号进行缓冲转换成利于处理的电压信号，差分放大电路对转换的电压信号进行放大，低通滤波电路负责滤除信号中的高频噪声，最后通过A/D转换电路对传感器信号进行采样。

发明中所述的边缘效应电容传感器机理特性是：利用电容特有的边缘电场作为检测场，这种传感器是一种电极分布于同一平面或者曲面上的新型电容传感器，具有单边穿透、信号强度可调和层析成像等优点。

本发明中边缘效应电容传感器采用圆环螺旋阵列式单平面结构，结构由激励电极、接收电极、绝缘层、屏蔽层4个部分组成，安装在气体保护焊焊枪气罩的外侧，这样保证了传感器采样点的实时性，能及时有效地对焊接过程中工件发生的热变形进行实时检测和补偿。

本发明中摆动式边缘效应电容传感器通过传感器摆动装置实现焊枪和传感器角度摆动。

本发明中摆动式边缘效应电容传感器是利用传感器输出的电压信号U与传感器头部与被测工件的位置距离D之间的线性关系反映出当前被测物的位置变化信息，在传感器摆动过程中传感器头部与工件之间的距离D的变化能够转换为传感器输出电压信号输出U的变化。在薄板对接焊缝中当传感器扫过焊缝位置时会出现相应的电压信号峰值，电压信号峰值的位置为焊缝的中心位置，当传感器左右偏差时出现的相对峰值电压会随之发生变化，且处于偏差时传感器摆动一个周期的电压波形与对中时摆动一个周期的电压波形会有明显区别。

所述控制方法其特征是：通过传感器摆动装置对焊枪和边缘效应电容传感器进行角度摆动，扫描薄板焊缝坡口检测到焊缝偏差对应的电容变化值，得到的电容变换值经过数据转换及处理模块的转换和处理得到利于主控器计算的电压变化信息，信息再通过主控制器的运算后，计算出左右偏差和高低偏差的距离，再通过跟踪执行模块补偿焊缝的偏差。从而实现薄板焊缝的对接或搭接焊接的自动跟踪。

附图说明

图1是系统原理结构示意图。

图2是摆动式边缘效应电容传感器相对于薄板对接工件的摆动关系示意图，其中，图(a)是焊枪居中时的示意图，图(b)是焊枪右摆时的示意图，图(c)是焊枪左摆时的示意图。

图3是摆动式边缘效应电容传感器与薄板对接工件的位姿关系示意图，其中，图(a)是焊枪对中时的示意图，图(b)是焊枪左偏时的示意图，图(c)是焊枪右偏时的示意图。

图4是摆动式边缘效应电容传感器平面结构示意图。

图5是摆动式边缘效应电容传感器立体结构示意图。

图6是数据转换及处理模块系统结构框图。

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。

本发明的系统方案是：如图1所示，它包括边缘效应电容传感器1、焊枪2、传感器摆动装置3、十字滑块4、焊接小车5、数据转换及处理模块、主控制器、跟踪执行模块、送丝机、焊接电源等组成。其中边缘效应电容传感器1嵌套于焊枪2气罩上，传感器摆动装置3夹持焊枪一端对传感器和焊枪进行左右的角度摆动，焊接小车5控制焊接的工作方向，跟踪执行模块驱动十字滑块4，十字滑块4即两个步进电机滑块呈十字交叉，其中纵向滑块作高低方向的偏差的补偿，横向滑块作左右方向的偏差补偿。传感器摆动装置3通过连接板与十字滑块4连接。传感器在焊接摆动过程中扫描薄板工件6焊缝坡口，其中传感器头部随着摆动器的摆动与薄板工件之间呈现不同的距离变化，对应产生焊缝偏差的电容变化值，得到的电容变换值经过数据转换及处理模块的转换和处理得到利于主控器计算的电压变化信息，信息再通过主控制器的运算后，计算出左右偏差和高低偏差的距离，再通过跟踪执行模块补偿焊缝的偏差从而实现薄板焊缝的对接或搭接焊接的自动跟踪。

如图2所示，图中包括，焊枪气罩7、导电嘴8、焊丝9、基板10、激励电极11、接收电极12。图2表示的是摆动式边缘效应电容传感器相对于薄板对接工件的摆动关系示意图，图(a)是焊枪对中时的情况，图(b)是焊枪右摆时的情况，图(c)是焊枪左摆时的情况。本发明中摆动式边缘效应电容传感器通过传感器摆动装置实现焊枪和传感器角度摆动。目前针对于焊枪摆动方式有直线摆动和角度摆动两种，其中直线摆动的方式焊接过程中引起的偏差较大，相对而言角度摆动的方式偏差就小得多。结合薄板焊接的特点和传感器的安装方式，本发明采用角度摆动的方式。

如图3所示，是摆动式边缘效应电容传感器与薄板对接工件的位姿关系示意图，其中，图(a)是焊枪对中时的示意图，图(b)是焊枪右偏时的示意图，图(c)是焊枪左偏时的示意图。摆动式边缘效应电容传感器是利用传感器输出的电压信号U与传感器头部与被测工件的位置距离D之间的线性关系反映出当前被测物的位置变化信息，在传感器摆动过程中传感器头部与工件之间的距离D的变化能够转换为传感器输出电压信号输出U的变化。在薄板对接焊缝中当传感器扫过焊缝位置时会出现相应的电压信号峰值，电压信号峰值的位置为焊缝的中心位置，当传感器左右偏差时出现的相对峰值电压会随之发生变化，且处于偏差时传感器摆动一个周期的电压波形与对中时摆动一个周期的电压波形会有明显区别。

如图4所示，所述的边缘效应电容传感器采用圆环螺旋阵列式单平面结构。其中平面结构由激励电极11、接收电极12、绝缘层13、屏蔽层4个部分组成，其中激励电极的激励信号采用正弦信号。传感器结构以覆铜板为基板，紧固于焊枪气罩上，激励电极和接收电极均匀分布在该基板平面的下侧，基板的上侧为传感器的屏蔽层，极板之间为非金属绝缘层。

传感器结构的选取依据原理是：

$C={\mathrm{\ϵ}}_0\[\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m+{\mathrm{\ϵ}}_s}{2}\frac{K\[\sqrt{\{1-{(a/b)}^2\}}\]}{K(a/b)}+{\mathrm{\ϵ}}_a\frac{h}{a}\]NL$

其中，ε₀表示空气介电常数，ε_m表示样本的相对介电常数，ε_s表示基板的相对介电常数。ε_a表示由电极厚度引起的间隙填充的相对介电常数，h表示电极厚度，a表示电极间距，b表示电极间距和电极宽度的和，s表示电极宽度，N表示传感器的电极数目，L表示传感器电极长度，K(·)表示第一类完全椭圆积分。

为了提高传感器的信号强度与灵敏度，结合传感器初始电容值与材料参数之间的关系式，本发明提出了采用圆环螺旋式单平面结构的电容传感器，图5为摆动式边缘效应电容传感器立体结构示意图。

如图6所示，数据转换及处理模块中包括传感器激励信号电路、传感器信号调理电路、差分放大电路、低通滤波电路、A/D转换电路。其中激励信号电路产生用以驱动传感器的不同频率的正弦信号，传感器信号调理电路把传感器输出的微弱变化的电容信号进行缓冲转换成利于处理的电压信号，再通过差分放大电路对转换的电压信号进行放大，低通滤波电路则负责滤除信号中的高频噪声，最后通过A/D转换电路对传感器信号进行采样，采样后的信号便输入到主控器进行运算处理。

针对薄板焊缝自动跟踪领域存在的问题，文中提出了一种全新的方法，旨在提高薄板焊接的效率，降低薄板焊缝跟踪的生产成本，提高焊接效率，实现对薄板焊缝高精度，高稳定性的跟踪焊接。

Claims (4)

1.一种应用于薄板焊接摆动式边缘效应电容传感器的焊缝跟踪方法，其系统结构特征是；由边缘效应电容传感器、传感器摆动装置、数据转换及处理模块、主控制器、跟踪执行模块等组成，系统利用传感器摆动装置使传感器进行角度摆动，通过扫描薄板焊缝坡口检测到焊缝偏差信息，将得到的偏差信息通过数据转换及处理模块处理和主控制器的运算后，再通过跟踪执行模块补偿焊缝偏差，从而实现薄板对接或搭接焊缝的自动跟踪。

2.根据权利1所述的一种应用于薄板焊接摆动式边缘效应电容传感器的焊缝跟踪方法，其特征是：边缘效应电容传感器采用圆环螺旋阵列式单平面结构；结构由激励电极、接收电极、绝缘层、屏蔽层4个部分组成；传感器嵌套在焊枪气罩的外侧，保证了传感器采样点与焊接工作点处于同一区域。

3.根据权利1所述的一种应用于薄板焊接摆动式边缘效应电容传感器的焊缝跟踪方法，其特征是：所述的摆动式边缘效应电容传感器通过传感器摆动装置实现焊枪和传感器角度摆动。

4.根据权利1所述的一种应用于薄板焊接摆动式边缘效应电容传感器的焊缝跟踪方法，其特征是：摆动式边缘效应电容传感器是利用传感器输出电压信号U与传感器头部与被测工件的位置距离D之间的线性关系反映出当前被测工件的位置变化信息。