CN105562886A - 一种基于磁控旋转电弧传感的自动化堆焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种基于磁控旋转电弧传感的自动化堆焊方法。所述方法其技术要点在于：把磁控旋转电弧应用于堆焊，使电弧按规定频率扫描堆焊层焊缝，由磁控电弧堆焊传感器获取焊缝信息，输入主控制器进行信号处理后输出给堆焊层识别控制器，识别堆焊层表面形貌并确定焊缝偏差信号，经主控制器处理后输入堆焊焊炬姿态控制器，结合获取的堆焊层形貌信号求解焊炬最佳空间位姿信号，输出给主控制器驱动执行机构和变位机进行焊炬空间位姿调整，从而实现复杂零部件表面自动堆焊。本发明能有效解决堆焊过程的自动化程度低、堆焊质量差的问题，实现多层多道堆焊和零部件表面修复的自动化和智能化。

Description

一种基于磁控旋转电弧传感的自动化堆焊方法

技术领域

本发明具体涉及一种基于磁控旋转电弧传感焊缝跟踪的自动堆焊方法，属于焊接自动化领域。

背景技术

堆焊作为材料表面改性的一种经济而快速的工艺方法，越来越广泛地应用于电力、矿山、冶金、石油化工等工业部门零件的制造修复中。我国堆焊技术的整体水平不高，堆焊方法简单粗犷，目前的自动化再制造堆焊技术的核心是利用操作机或机器人等来自动规划路径，以实现自动化堆焊，为保证焊炬对准堆焊焊缝中心，必须依靠人工时刻仔细调整焊炬与堆焊焊缝中心的位置，但很难保证堆焊的质量和效率，而且为提高堆焊再制造质量，有效措施是控制工件表面高低不平时的引弧和熄弧，通过采用高度跟踪技术可以实现局部磨损严重部位的堆焊再制造修复。电弧传感器是目前唯一不需要超前于焊枪安装的焊缝跟踪传感器。这种焊缝跟踪传感器实时性好，有很强的抗弧光、高温、烟雾和电磁干扰的能力。虽然旋转电弧传感器结构比摆动式电弧传感器复杂，但因旋转频率高，增加了焊枪偏差检测的灵敏度和焊缝跟踪精度。但是多层多道堆焊时，由于焊炬位置的变化相对单层焊时小很多，信号的提取和偏差的识别难度更大，如直接采用现有的电弧传感式焊缝跟踪技术，不能满足位姿信息自动识别和跟踪调节的要求。另外，因堆焊表面的磨损程度不同，使焊炬不仅相对于工件的垂直与水平距离会变化，而且前后左右的倾斜角度也会发生变化，这种变化必然造成电弧信号采样偏差，从而引起焊道跟踪的误判。

发明内容

本发明目的是提供一种满足再制造行业的要求的稳定性强、实用性好，工艺效果好的自动化堆焊方法，改善现在堆焊过程中缺乏零件表面状态的实时识别和调节以及堆焊参数的自适应控制方法的行业局面，提高堆焊过程的自动化、智能化程度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的；如图1所示，该装置包括磁控旋转堆焊传感器、主控制器、堆焊层识别控制器、堆焊焊炬姿态控制器、驱动器、焊接电源、送丝机构、霍尔传感器、执行机构和变位机组成，其特点是：所述焊枪直接安装在磁控旋转电弧堆焊传感器上，磁控电弧堆焊传感器安装在执行机构上，焊接时电弧位于磁控旋转堆焊传感器的中心位置，磁控旋转堆焊传感器产生的旋转磁场带动焊接电弧按一定频率扫描堆焊层，同时磁控旋转堆焊传感器将扫描到的焊缝位置信息输出给主控制系统，同时霍尔传感器将焊接电流信号输出给主控制器，经处理分别输入堆焊层识别控制器和堆焊焊炬姿态控制器进行处理，最后主控制器根据返回的信号驱动执行机构和变位机进行自动化堆焊。

所述磁控旋转堆焊传感器包括两对呈一定夹角的导磁铁芯，励磁线圈绕在导磁铁芯上形成磁极，励磁线圈与励磁电源连接，焊枪安装在两对磁极组成的矩形中心位置，固定铁芯的支架中心位置有装有齿轮的圆杆与电机连接带动铁芯旋转，圆杆中心位置安装随电机转子旋转的光码盘，光码盘将扫描的采样点位置信号输出给主控制器。在焊接自动化领域中，现有的单一对磁极的电弧传感器只在磁极中心线处有范围很窄的横向磁场对电弧的控制精度较小，旋转电弧采样信号也较弱，仅能用于普通的角焊缝跟踪，在堆焊这种零件表面情况复杂的条件下无法满足要求，而根据磁场叠加原理可知本发明的磁控电弧传感器在两对磁极中心处能产生磁场强度高、范围较大的横向磁场，能够满足堆焊条件下的旋转电弧控制精度和采样信号强度的要求。

所述的堆焊层识别控制器包括信号滤波放大电路和算法处理模块组成。现在堆焊领域还没有对堆焊层曲面形貌特征进行识别与检测的技术，普遍采用的是通过人工观察和手动机械控制的方法进行复杂形貌下的堆焊工作，不仅自动化程度很低而且堆焊效果也很一般，本发明所设计的堆焊层识别控制器是全新设计针对堆焊层曲面形貌识别这一空白技术领域，能明显提高堆焊的质量和自动化程度。其特点是：焊接电源与焊枪和霍尔传感器连接，霍尔传感器将采集到的焊接电流信号通过主控制器中的信号采集和处理电路传输给堆焊层识别控制器，同时磁控旋转堆焊传感器实时扫描堆焊层采集不同采样周期的采样点的光码盘定位信号，由于电弧旋转频率远大于焊炬调整频率，在识别堆焊层形貌时可设定前两个采样周期内焊炬姿态并未发生变化，根据旋转电弧的弧长与电流关系函数，获取在这两个旋转周期不同采样点的焊炬高度，进行动态线性回归获取扫描堆焊层采样点的高低落差，利用弧长等高线法转换成磁控旋转电弧传感器两个扫描周期内堆焊层的表面形貌信号，经处理后输出给主控制器，作为进行焊道排列、焊缝跟踪和焊炬最佳位姿计算的依据。

所述的堆焊焊炬姿态控制器包括信号滤波放大电路、算法处理模块和数据提取存储模块组成，焊接时，磁控旋转堆焊传感器控制焊炬扫描堆焊层，霍尔传感器将采集到的焊炬电流信号经主控制器处理后的堆焊层表面形貌数据输出到堆焊层识别控制器，识别堆焊层形貌特征，所述堆焊焊炬姿态控制器根据磁控旋转堆焊传感器采样信号和堆焊层形貌信号经运算获取焊炬最佳空间位姿。目前行业内一般采用模糊控制的方法调整焊枪位姿，虽然能基本实现对焊枪三维姿态识别和调整，但当待焊工件情况复杂，焊枪调整频率高时，传统焊枪位姿控制手段就无法满足焊接工艺的要求，本发明采用的基于自适应免疫遗传算法控制对焊炬空间姿态进行多机制处理，具有识别记忆功能，能有效应对堆焊过程中的复杂情况。本发明的技术特点是根据堆焊层表面曲面形貌对焊炬进行堆焊层空间投影，得到焊炬参考轴即焊枪导电嘴中心轴的空间向量投影x_n、y_n、z_n(n＝1,2…N)，同时结合堆焊层识别控制器前两个采样周期获取的堆焊层表面形貌信号求解得出堆焊层曲面法线的空间投影X_n、Y_n、Z_n(n＝1,2…N)作为参考位姿信号，采用自适应免疫遗传算法对传感器空间姿态进行多机制处理，由于多机制求解多目标函数最优解的自适应特性，能计算出堆焊焊炬的最佳空间位姿投影x_n+2、y_n+2、z_n+2(n＝1,2…N)，将最佳空间位姿信号传输给主控制器，同时经存储信号数据后能使控制器具有识别记忆功能，再次采集到相似信号时能自适应识别直接输出焊炬姿态信号，从而提高生产效率。

本发明所述的主控制器特点是：堆焊时焊接电流信号经霍尔传感器输入，经处理分别输出给所述堆焊层识别控制器和堆焊焊炬姿态控制器分别经运算处理后再输出给主控制器，但是现今普遍运用的是包含信号采集电路、信号处理电路电路组成的总成控制器，当同时收到的信号类型不同、有较复杂时间差，本发明所设计主控制器在现有基础上加入调理电路和分离模块，能同时接收源自堆焊层识别控制器和堆焊焊炬姿态控制器的不同类型和时间差的信号，进行多维拟合处理后，提取出堆焊层识别信号和与其对应的最佳位姿信号信号进行分离处理后分别驱动执行机构和变位机配合动作进行堆焊层的焊缝跟踪和焊炬姿态控制，同时根据工艺要求更改焊接参数，实现堆焊过程的自动调节与纠偏。

本发明的有益效果是提供一种基于磁控旋转电弧传感的自动化堆焊方法，把磁控旋转电弧焊缝跟踪应用于堆焊，通过获取焊缝信息，识别工件表面形貌同时焊炬位姿调节机构进行焊枪空间位姿调整，保证了复杂零部件或堆焊层形貌复杂情况的自动堆焊。本发明能有效解决堆焊过程的自动化程度低、堆焊质量差的问题，实现堆焊和零部件表面修复的自动化和智能化。

附图说明

图1为本发明的工作原理示意图；

图2为本发明系统流程图；

图3为本发明磁控旋转堆焊传感器结构示意图；

图4为本发明控制系统结构图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

参见图1，本实施例磁控旋转自动化堆焊系统包括磁控旋转堆焊传感器、主控制器、堆焊层识别控制器、堆焊焊炬姿态控制器、驱动器、焊接电源、送丝机构、霍尔传感器、执行机构和变位机。磁控旋转堆焊传感器由焊枪、磁极、光码盘和驱动电机等装置组成，该传感器安装在执行机构上。

参见图2，开始堆焊时，磁控旋转堆焊传感器将产生旋转磁场，传感器中心处的电弧在洛伦兹力作用下按一定的频率和半径旋转，其旋转频率和半径大小通过励磁电源调节，旋转频率范围可达5Hz-40Hz。旋转电弧扫描堆焊层，得到堆焊焊缝横向和高低位置偏差，通过磁控旋转堆焊传感器上的光码盘可以进行扫描定位，将位置信号输出给堆焊层识别控制器进行处理，经霍尔传感器获得焊接电流电压信号后，经主控制器中的滤波电路滤波处理放大后输出给堆焊层识别控制器，堆焊层识别控制器对所获取的信号进行运算处理识别堆焊层表面曲面形貌，主控制器分析此时焊枪位姿是否接近参考位姿X_n、Y_n、Z_n(n＝1,2…N)，如果是则认为此时焊炬已是最佳位姿，主控制器驱动执行机构进行堆焊焊缝跟踪与焊道排列，从而提高堆焊层表面形貌复杂堆焊过程的自动化程度，保证焊缝跟踪的精度；如果此时堆焊焊炬不是最佳位姿，主控制器输出堆焊层形貌信号给堆焊焊炬姿态控制器，结合磁控旋转堆焊传感器采样信号经免疫遗传算法运算处理后的获取焊炬最佳空间姿态信号x_n+2、y_n+2、z_n+2(n＝1,2…N)输出给主控制器，主控制器驱动执行机构和变位机调节焊炬的位姿，确保在多层多道堆焊和表面磨损情况下焊缝跟踪的效果，保证堆焊质量。同时堆焊焊炬姿态控制器存储该表面形貌采样数据和对应的最佳姿态信号，当堆焊层识别控制器再次采集到相似采样信号时直接输出最佳位姿信号，可以显著提高自动堆焊效率。该实施例系统焊接点即为堆焊层形貌信号采集点，实时性好，准确度高。

参见图3，本发明中，磁控旋转堆焊传感器的结构如图所示，该传感器的磁场发生装置由两对磁极组成，磁极由励磁铁芯和缠绕在励磁铁芯上的励磁线圈组成，一对励磁线圈(5)和另一对励磁线圈(6)呈一定夹角(30°-50°)分布，四个励磁铁芯分布在焊枪(8)的周围并与焊枪(8)处于同一平面，励磁铁芯由螺母(7)安装在安装板(3)上，根据磁场叠加原理可知在励磁铁芯中心处能产生较大范围和较高强度的横向磁场，电弧在横向磁场中受洛伦兹力作用产生偏转，在电机带动安装轴(1)和安装板(3)旋转即可使电弧按一定频率旋转，这种结构产生的旋转磁场可使电弧在洛伦兹力作用下更好保持稳定性，光码盘(2)安装在安装轴(1)的顶部。

参见图4，本发明控制系统主要由磁控旋转堆焊传感器、主控制器、堆焊层识别控制器、堆焊焊炬姿态控制器、驱动器组成。本发明中，执行机构控制焊枪与待焊工件呈一定的空间位置关系，通过焊枪上的磁控旋转堆焊传感器测得旋转电弧扫描堆焊焊缝的位置，经主控制器滤波调理后输出给堆焊层识别控制器，将信号放大后运算模块计算识别出堆焊层表面大体形貌特征，同时堆焊焊炬姿态控制器提取磁控旋转电弧堆焊传感器采样信号，运算模块对焊炬进行堆焊层空间投影，结合前面之前采样周期的堆焊层形貌特征，经自适应免疫遗传算法控制对传感器空间姿态进行多机制处理，计算出堆焊焊炬的最佳空间位姿，而且焊炬空间姿态控制器有数据存储和提取模块，具有记忆识别功能，在进行一次运算后存储相应采样信号和对应的焊炬最佳位姿数据，当磁控旋转堆焊传感器再次采集到相似信号时能自适应识别输出焊炬姿态信号，将最佳空间位姿信号传输给主控制器，经数模转换后驱动执行机构和变位机以最佳位姿进行堆焊，显著提高识别效率和控制速度，体现出本发明自动堆焊的高效化和智能化的特点。

本实施例的旋转磁场是由两对呈一定角度的磁极结构，后续也可通过改变角度大小加以改进，以提供稳定性更高、性能更好的旋转磁场。

Claims (4)

1.一种基于磁控旋转电弧传感的自动化堆焊方法，其特征是：将磁控旋转电弧传感焊缝跟踪系统与堆焊结合，利用磁控旋转堆焊传感器实时采集堆焊层形貌特征信号和焊接时焊枪的空间位姿信号，经滑动窗口小波分解处理后，通过发明的堆焊层识别控制器和堆焊焊炬姿态控制器处理分别得出堆焊层形貌特征信号和焊炬空间姿态信号，输出给主控制器，主控制器自动设置堆焊参数同时驱动执行机构和变位机进行自动堆焊。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁控旋转电弧传感的自动化堆焊方法，其特征是：所述磁控旋转堆焊传感器包括励磁电源，两对呈一定夹角的铁芯，励磁线圈绕在四个铁芯上，励磁线圈与励磁电源连接，从而形成两对呈一定夹角的磁极，所述焊枪安装四个铁芯形成的矩形中心，固定铁芯的支架中心位置有装有齿轮的圆杆与电机连接带动铁芯旋转，圆杆中心位置有刻有代表单圈和多圈的光码盘，光码盘将扫描的焊缝位置信号输出给主控制系统。

3.根据权利要求1所述的一种基于磁控旋转电弧传感的自动化堆焊方法，发明了一种堆焊层识别控制器，其特征是：磁控旋转堆焊传感器实时扫描堆焊层，根据光码盘定位信号获取在相邻旋转周期内不同采样点的焊接电流信号，经处理获取堆焊焊缝偏差信号，同时进行动态线性回归获取扫描堆焊层的高低落差信号，利用弧长等高线法转换成堆焊层的表面形貌信号，进行自动堆焊焊道排列、焊缝的实时跟踪和焊炬位姿计算。

4.根据权利要求1所述的一种基于磁控旋转电弧传感的自动化堆焊方法，发明了一种堆焊焊炬姿态控制器，其特征是：所述堆焊焊炬姿态控制器根据磁控旋转堆焊传感器采样信号，同时接收堆焊层识别控制器实时获取堆焊层的表面形貌信号，对堆焊焊炬进行堆焊层空间投影，得到堆焊焊炬的最佳空间姿态，同时存储相应数据以使控制器具有记忆识别功能，再次采集到相似信号时能自适应识别输出焊炬最佳姿态信号。