CN105798426B - 一种电容式窄间隙焊缝跟踪传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种电容式窄间隙焊缝跟踪传感器。主要针对窄间隙焊缝跟踪设计一种立体式边缘效应电容传感器。该电容式焊缝跟踪传感器为圆柱套筒式三电极结构，安装于气体保护焊焊枪气罩之上，套筒孔内径与焊枪气罩外径一致，电容底部与气罩底部共面；通过实时检测两组电容值C12和C13，并将其转换成数字信号，通过滤波、运算和线性拟合，分别提取出横向与纵向两组信号。传感器极板厚度小，结构简单，且套于焊枪的外侧，占用空间不足几个毫米，不影响焊枪焊接过程中的可达性，且该传感器灵敏度高、工作稳定，可作为窄间隙焊缝跟踪的传感器。

Description

一种电容式窄间隙焊缝跟踪传感器

技术领域

本发明属于一种自动化焊接跟踪传感器，具体涉及一种应用于窄间隙焊缝跟踪的电容式焊缝跟踪传感器。

背景技术

随着工业技术的发展，大型结构件的应用越来越多。焊接作为工业生产中最为重要的环节之一，焊缝的自动化焊接被提到了首要位置，对提高生产效率和生产质量都有非常重要的意义。而在大型结构件中存在许多的复杂焊缝，由于外界工件复杂，存在各种阻挡，使得焊枪结构必须小巧灵活，如一些大型厚壁压力容器的窄间隙焊缝焊接。

目前针对窄间隙焊缝等复杂焊缝的自动化焊接问题，大多采用激光视觉传感器进行焊接，然而激光视觉传感器对于工件表面质量，表面状态，反光率和装配精度要求较高，而焊接大型工件时，其安装精度往往存在一定的偏差、错边等，难以满足要求。同时激光视觉传感器的扫描位置一般超前或落后于焊接点，不能实现实时采集，故不能及时的补偿焊接变形。最后激光视觉传感器结构复杂、生产成本高、环境适应性差。

其它各类可以实现实时焊缝跟踪的传感器，如磁控电弧式、旋转电弧式焊缝跟踪传感器、摆动电弧式焊缝跟踪传感器等，可较好的用于一般薄板对接接头或角接接头等，但一般其传感头安装在焊枪气罩周围，或焊枪需要摆动，占用空间相对较大，对于大型的复杂焊缝可达性较低。这很大程度上限制了窄间隙焊缝的自动跟踪。

电容式传感器是把外界位移量或压力变化等检测值转换成电容变化量的一种高灵敏度传感器。目前电容传感器多用于微型精密系统的测量领域。对于电容传感器在焊缝跟踪领域的研究，多采用变截距式或单片式结构，且一般采用两个电极。上述两种传感器能适应小型结构件和薄板焊接，但对于大型窄间隙焊缝等复杂结构件，目前尚未展开过这一方面的研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于窄间隙焊缝焊接的电容式焊缝跟踪传感器。

为实现上述目的，该电容式焊缝跟踪传感器为圆柱套筒式三电极结构，包括一个激励电极和两个接收电极，屏蔽层位于电极内侧，被三层绝缘层依次覆盖。安装于气体保护焊焊枪气罩之上，孔内径与焊枪气罩外径一致，电容底部与气罩底部共面。

该电容传感器具有的三个电极，等大小均匀分布于传感器外表面，三个电极相互之间夹角均为120°。屏蔽层与电极材料均采用铜箔，内侧和外侧绝缘层材料分别为高温电绝缘防护镀层和陶瓷涂层，厚度为0.1～0.3mm，中间层绝缘层材料为具有一定机械强度的绝缘树脂，厚度为1.2～1.5mm。

该电容传感器具有两个接收电极，采集两组电容C12和C13。依次通过电容电压转换、滤波、放大、A/D转换等，转换成数字信号e1和e2输出。数字信号再通过切比雪夫数字低通滤波器滤波，将信号e1-e2-Δe对应焊枪左右偏差,将信号(e1+e2)×x+(e1-e2-Δe)×y对应焊枪高低偏差。以最小二乘法线性拟合，提取出纵向偏移信号UD和横向偏移信号LR。信号UD与自适应调节的基准信号UD’比较得出焊枪纵向偏移方向和距离，信号LR通过分析正负与大小得出焊枪横向偏移方向和距离。从而达到检测焊缝位置偏差的特性。

该电容式焊缝跟踪传感器灵敏度高，动态响应好，工作稳定，对焊接环境中的恶劣条件适应性强。相对于视觉类焊缝跟踪传感器结构简单，成本低，采样点为实际焊接点；相对于其它实时跟踪的焊缝跟踪传感器，其结构小巧，不占用空间，可达性高。故相比之下，能更好的实现复杂焊缝的焊接跟踪。

附图说明

图1(a)是本发明的系统原理结构示意图，(b)是立体式边缘电场电容传感器与角接接头空间关系示意图。

图2是焊枪偏移示意图。

图3(a)是套于焊枪气罩上的立体式边缘电场电容传感器横截面结构示意图；(b)是立体式边缘电场电容传感器立体结构示意图。

图4是偏差信号提取流程图。

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。

参见图1(a)，立体式边缘电场电容传感1套于气体保护焊的焊枪气罩2之上，随焊枪一起移动。将焊接过程中采集到的电容值信号传送给信号转换模块，转换成数字信号，再由单片机运算模块运算，发送命令给焊接控制系统3，从而实现自动焊接跟踪。

参见图1(b)，图1(b)是立体式边缘电场电容传感器与窄间隙焊缝空间关系示意图。由图中可以看出，窄间隙焊接中焊缝宽度狭窄，深度较大，在焊接过程中焊枪若要伸入焊缝，形状尺寸受到较大的限制，焊枪不能过宽或过大，否则容易受到焊缝宽度方向上的阻挠。实时焊缝跟踪传感器，往往需要将传感器安装在焊枪头上，如电磁传感器和旋转电弧传感器等在窄间隙焊接中，都存在焊枪头体积较大的困扰，而立体式边缘电场电容传感器管壁厚度小，且嵌套于气体保护焊气罩上，几乎不占用空间，不影响焊枪的可达性，与其它实时跟踪焊接传感器相比，结构轻巧，可达性高。在检测过程中，由于具有电容屏蔽层，电场线几乎不经过圆管内部(焊枪气罩)，电场线环绕于圆管外侧，用于检测电容四周介质的变化。图中d1表示电容电极中心距工件左边表面的距离，d2表示距工件右边表面的距离，h表示焊枪气罩边缘距离工件底部距离。由此可知，当焊枪对中焊缝时，距离d1等于d2，焊枪左右介质将近，电容值C12与C13差值最小。图中虚线表示焊枪周围电场分布状态。

如图2所示，为焊枪偏移状态示意图，当焊枪偏移时，d1和d2发生变化，偏移量为△d，使得电场中的介质发生变化，两电容值差值变大，当h值变小时，△h为负，电容值C12与C13同时减小，h值增加时，△h为正，电容值C12与C13同时增加。

参见图3，图3(a)表示的是套于焊枪气罩上的立体式边缘电场电容传感器横截面结构示意图。由内而外其中包括焊丝7、导电嘴8、焊枪气罩9、绝缘层10、屏蔽层11、绝缘层12、接收电极13、接收电极14、激励电极15、绝缘层16。绝缘层10采用镀层技术，材料采用高温电绝缘防护镀层，厚度为0.1～0.3mm，其目的是使焊枪气罩与屏蔽层之间保持绝缘；屏蔽层和三个电极使用的材料均为铜箔，其中屏蔽层位于传感器圆柱内表面，目的是屏蔽焊枪及焊枪内部对电容的影响，减少不必要的干扰噪声。绝缘层12的材料为绝缘橡胶木，厚度为1.2～1.5mm，起隔绝电极与屏蔽层的作用，同时抗高温，不易变形，具有一定机械强度，能起到支撑传感器的作用，可以通过微加工技术，或雕刻机雕刻获得。绝缘层16采用陶瓷涂层，防止焊接过程中飞溅物附着在传感器上。该传感器有三个电极，根据图3可以看出，接收电极13和激励电极15组成电容C12，接收电极14与激励电极15组成电容C13。电极大小与形状一致，电极之间间隙不变，电极之间夹角为120°，均匀分布在电容传感器外表面。

图3(b)是立体式边缘电场电容传感器立体结构示意图。可以看出传感器为圆管式结构，外表面均匀分布三个电极。

参见图4，图4是偏差信号提取流程图。图中电容传感器采集的两组电容信号C12和C13通过差分电容电压转换电路转换成电压信号，再依次通过仪表放大电路放大，低通滤波电路滤除高频杂波，A/D转换电路分别转换成数字信号e1和e2。两组数字信号再次通过切比雪夫低通数字滤波器，单片机运算，将两组数字信号差值e1-e2-Δe对应焊枪左右偏差，同时通过确定x和y的大小，判断焊枪横向偏差对纵向偏差影响的系数，将信号(e1+e2)×x+(e1-e2-Δe)×y对应焊枪高低偏差，同时以最小二乘法线性拟合。分别得到两组信号值：纵向偏移信号UD和横向偏移信号LR。系统定每一道焊缝初始焊接定位下枪后的自适应信号值UD’为基准信号。比较UD和UD’，焊枪过低时UD-UD’＜0，焊枪过高时UD-UD’>0。通过确定UDUD’的正负和大小，输出纵向信号。通过确定阈值Δe大小，使在焊缝居中时|e1-e2-Δe|＜ε(ε为允许误差范围)，对应LR＝0。焊缝偏右时，对应LR＜0，焊缝偏左时，对应LR>0。根据LR的正负和大小输出横向信号。

本发明旨在设计一种电容式焊缝跟踪传感器，实现对窄间隙焊缝的高精度焊缝跟踪。

Claims (3)

1.一种应用于窄间隙焊缝的电容式焊缝跟踪传感器，其特征是：该电容式焊缝跟踪传感器为圆柱套筒式三电极结构，包括一个激励电极和两个接收电极，等大小均匀分布于传感器外表面，三个电极相互之间夹角均为120 º，屏蔽层位于电极内侧，被三层绝缘层依次覆盖，安装于气体保护焊焊枪气罩之上，孔内径与焊枪气罩外径一致，电容底部与气罩底部共面。

2.根据权利要求1所述的一种应用于窄间隙焊缝的电容式焊缝跟踪传感器，其特征是：屏蔽层与电极材料均采用铜箔，内侧和外侧绝缘层材料分别为高温电绝缘防护镀层和陶瓷涂层，厚度为0.1~0.3mm，中间层绝缘层材料为具有一定机械强度的绝缘树脂，厚度为1.2~1.5mm。

3.根 据权利要求1或2所述的一种应用于窄间隙焊缝的电容式焊缝跟踪传感器，其特征是：该电容传感器具有两个接收电极，同时产生两组电容C12和C13，依次经过C/V转换、滤波、放大、A/D采样转换成数字信号e1和e2，将信号e1-e2-Δe对应为焊枪的横向偏差，其中Δe为偏差阈值，将信号(e1+e2) ×x+(e1-e2-Δe) ×y对应为焊枪的纵向偏差，其中x和y分别为x轴和y轴调节系数，以最小二乘法线性拟合，最终输出焊枪纵向偏移信号UD和横向偏移信号LR。