CN107478145B - 一种焊枪位姿检测的尖端式多极阵列电容传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焊枪位姿检测的尖端式多极阵列电容传感器。本发明的尖端式多极阵列电容传感器由激励电极、接收电极、屏蔽罩、绝缘层和微小电容测量电路等组成。每组激励电极与接收电极位于同一平面，且有效检测边缘效应与极板平行。在焊枪位姿检测时，每组极板依次对焊缝区域进行信号采集，通过微小电容检测电路对每组极板所采集的信号经过积分等值法处理各组极板所采集的数据，进而标定焊缝中心并确定焊枪的横向、纵向和空间角度位置偏差，从而获得焊枪最佳空间位姿。

Description

一种焊枪位姿检测的尖端式多极阵列电容传感器

技术领域

本发明属于焊接自动控制领域，具体涉及一种焊枪位姿检测的尖端式多极阵列电容传感器。

背景技术

焊接过程中自动化和智能化的发展研究具有深远的意义，而实现焊接过程中的自动化和智能化，其中最关键的技术就是传感器技术，它是整个焊接系统的眼睛。而传感器中的电容传感器又是现在研究和应用的比较多的传感器，其在结构上、灵敏度上、动态品质因素上、抗干扰性能等方面具有较好的表现，它不但原理简单，而且结构也非常简单，并且对偏差信号还具有很强的分辨能力，可以在高温、高辐射、强振动等恶劣环境下工作。电容传感器在工作的时候与工件是不接触的，也就是所说的非接触测量，这样不但可以防止磨损，延长传感器的工作寿命，也可以避免掉一部分接触式干扰，获得良好的输出特性。

在焊接的过程中，对于不同的工件和特殊的结构要求，对于焊缝的角度也会有不同的要求，因此在焊接不同角度的焊缝时，传感器相对于焊缝的角度就会发生变化，而传感器在检测焊缝区域的同时对焊缝偏差的调节量也要产生相应的变化，否则就会产生因角度偏差引起的调节量不匹配问题。因此焊枪的位姿调节就会显得尤为的重要，焊枪的位姿始终处于焊缝的角平分线上时，其焊接质量会达到最佳效果，因此跟随焊缝角度的变化调节焊枪的位姿是其焊缝自动跟踪控制的基础。

发明内容

本发明的第一个目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种成本低、灵敏度和精确度高、稳定性好的应用于焊缝跟踪的焊枪姿态检测的尖端式多极阵列电容式传感器。

本发明的第一个目的是通过如下的技术方案来实现的：

该应用于焊缝跟踪的焊枪姿态检测的尖端式多极阵列电容式传感器，主要是由尖端式多极阵列激励电极、接收电极、绝缘层、屏蔽罩和微小电容检测电路组成。

尖端式多极阵列电容传感器激励电极与检测电极检测端呈尖角状，共有21组极板组成，每组电极相互平行且极板均涂有绝缘漆并有屏蔽罩相隔，各组极板相互平行，每组激励电极和检测电极位于同一平面。

屏蔽罩用于屏蔽多极阵列各组极板之间存在的边缘效应和屏蔽极板及连接电路和测量电路的同轴电缆存在的分布电容，屏蔽罩在极板的检测端有专门的端口供极板的边缘效应检测焊缝区域，且每组激励极板和接收极板之间的有效边缘效应与其对应极板位于同一平面，各组极板的有效边缘相互平行。

各组极板分别与基于差分采样原理的微小电容测量电路相连，测量电路包括为激励电极和检测电极所有杂散电容的等效电容，激励源，电荷放大器，两个采样保持器和仪表放大器。

对于不同角度焊缝的工件焊接时，现对对各组极板依次获取焊接区域信号，将中心极板P和两侧极板的偏差信号进行差分对比，判断中心极板P的值是否为最小值，若是则继续判断左右两侧最外面两组极板a、d的值之间的关系，若俩值相等则此时焊枪位于最佳位置；若中心极板P的值不是最小值，则需要通过角度调节机构进行判断顺时针或是逆时针调节或线性模组直线调节，直至中心极板P值为最小值，若左右两侧极板之间的值不相等，则根据其大小关系进行顺时针或逆时针旋转调节，直至俩值相等，此时焊枪位于最佳位置。

本发明的第二个目的在于针对目前难以实现的因多位置焊缝角度多变而引起的焊接自动跟踪问题，提供一种焊枪位姿检测的尖端式多极阵列电容传感器的跟踪方法，该方法是：每组极板依次对信号进行采集，将每组信号通过基于差分采样原理的微小测量电路进行处理和运算，首先标定焊缝中心O以及中心极板P所对应的信号数据值。当焊缝出现左右偏差时，以极板P为边界把各极板分为左右两侧，把同侧极板数据进行分析比较，通过将各组极板之间的信号进行对比分析，得出各组信号与极板P之间的数据特征差异，进而通过差分比较法分析，计算极板P偏离焊缝中心的方向。当最小值极板出现在极板P的左侧时且a值变小，d值不变，此时判断焊缝左偏；当最小值极板出现在极板P右侧时且a值变大，d值不变，此时判断焊缝右偏。当最小值极板出现在极板P右侧时且a值不变，d值变小，此时判断焊缝下偏；当最小值极板出现在极板P左侧时且a值不变，d值变大，此时判断焊缝上偏。由不同的角度的焊缝可以确定各组极板数据之间的不同的差值率，进而得其偏差角度所对应的理论偏差E，通过调用单位调节量数据库中所对应的角度偏差的单位调节量，得到其角度偏差所对应的实际偏差e，从而通过线性模组实现偏差补偿，从而实现焊缝的自动跟踪控制。

更进一步，所述的基于差分采样原理的微小测量电路，在测量的过程中只需对被测电路进行一次充放电，即可完成对电容的测量，且测量时电路所有的开关都处于静止不动的状态，不存在脉动的成分，此时电路中并不存在工作原理上所引起的噪声，使得电路中无需滤波器和相敏解调等电路，电路得以简化。且整个差分采样法的电路对杂散电容具有抑制能力，该测量电路具有很高的电容测量速度。

所述的差分比较法是对多角度偏差焊缝的一种计算调节方法，具体是当焊缝角度发生偏差变化时，每组极板的特征信号之间的差值就会发生相应的变化，而当焊缝发生角度偏差时，其线性模组的单位调节量也就会不同，因此就可以通过调用以直角焊缝为基准的单位调节量数据库来获得其相应角度所对应的实际偏差调节量。其单位调节量数据库是通过多组不同角度焊缝偏差拟合而成的角度偏差函数，即可通过焊缝同侧相邻每组极板之间的特征信号差值得到其对应极板的偏差角度，进而求得线性模组的偏差调节量。

附图说明

图1偏差信号采集方式示意图。

图2多极阵列极板三维模型。

图3单组极板结构示意图。

图4焊枪位姿调节流程图。

图5应用焊缝偏差调节实例工作流程框图。

图6焊缝左偏时理论偏差等于实际偏差信号提取点示意图。

图7角度变化时理论偏差不等于实际偏差信号提取点示意图。

在图3中，1、尖端式多极阵列激励电极，2、接收电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

参见图1，本发明应用于角度补偿的尖端多极阵列电容式传感器主要由多极阵列激励电极、接收电极、绝缘层、屏蔽罩和检测电路组成，其与水平方向呈四十五度角有效放置，其多极阵列的每组边缘效应与其对应的极板平行，每组极板之间的距离相同，且根据每组极板与工件的距离不同，其对边缘效应的影响强度就会不同，可根据每组极板的特征信号之间的差值得出工件的焊缝偏差角度，通过单位调节数据库得出其对应的单位调节量，通过线性模组实现偏差补偿，从而实现焊缝跟踪自动控制。

由图2、图3，每组极板的检测端根据尖端放电原理设计而成，其边缘效应的强度影响范围足以用于焊缝的检测，每组极板之间均有屏蔽罩相隔，且保证了有效边缘效应与极板平行且各边缘效应间隔相同，从而可以通过差分比较相邻极板之间的特征信号，将其导入单位调节量数据库，通过匹配分析可得其对应的角度偏差值，从而获取线性模组的单位调节量。

由图4、图6，首先对每组极板依次进行信号采集，标定焊缝中心O以及中心极板P所对应的信号数据值，将每组信号通过基于差分采样原理的微小测量电路进行处理和运算。判断极板P的值是否为所有极板所对应数据的最小值，如果不是最小值，则继续判断最小值是否位于P点左侧，如果是位于P点左侧，则执行滑块调节机构进行焊枪左调，如果不位于P点左侧，则执行滑块调节机构进行焊枪右调，直至极板P为最小值。此时已经是得焊缝中心位置与极板P所对应。然后进行极板a和极板d的数据关系比较，当a大于d时，顺时针旋转角度调节机构，直至a等于d，当a小于d时，逆时针旋转角度调节机构，直至a等于d，此时，焊枪已与焊缝成最佳角度关系，并把此时的极板P的值和a、d的值存储起来。

由图5、图6，当焊缝为直角焊缝且角度不存在偏差时，多极阵列传感器首先对焊缝的中心位置O进行标定：通过21组多极阵列依次对焊缝区域进行信号采集，分别对各组数据进行差分比较得出其中一组极板所对应的位置便是焊缝的中心位置O，并将该组极板标记为P。在跟踪的过程中，若出现焊缝位置左右偏离且其角度没有发生变化，可通过预先标定好的极板位置P和目前偏离至其他极板的位置P’来确定焊缝的调节系数k，通过计算a和b两点之间的特征信号差值便可得出其立板的单位偏移调节量，通过计算c和d两点之间的特征信号差值便可得出平板的单位偏移调节量，其理论偏差E和实际偏差e相等，可直接把调节系数k与单位调节量的乘积传输给执行调节机构，由线性模组来进行纠偏调节，实现焊缝的自动跟踪控制。

由图6、图7，当在焊接的过程中，平板与立板之间的角度发生了变化即产生了角度偏差，传感器还是先对焊缝中心O进行标定，然后确定与焊缝中心O所对应的极板的位置P，通过偏离后的对应焊缝中心的极板位置P’与之前的位置P之间的偏移量确定调节系数k，通过计算a和b两点之间的特征信号差值便可得出其立板的理论单位偏移调节量，通过计算c和d两点之间的特征信号差值便可得出平板的理论单位偏移调节量，分别将平板和立板的理论单位偏移调节量带入单位调节量数据库，匹配计算其所对应的实际单位偏差调节量，其理论偏差E和实际偏差e的关系由其偏差角度的大小而决定，则执行机构的实际调节量为调节系数与实际单位调节量的乘积，从而实现线性模组额纠偏调节，实现焊缝的自动跟踪控制。

Claims (2)

1.一种焊枪姿态检测的尖端式多极阵列电容式传感器，主要由尖端式多极阵列激励电极、接收电极、绝缘层、屏蔽罩和检测电路组成；其特征在于：每组极板相互平行且极板与屏蔽罩之间有绝缘层相隔，每组极板有效边缘效应与其对应极板位于同一平面；在焊枪位姿检测时，对每组极板依次进行信号采集，通过积分比值法分析处理各组极板所采集的数据，所述的积分比值法是首先对每组极板依次进行信号采集，根据各组极板之间的特征信号确定焊缝中心与中心极板P的横向偏差大小，通过极板左右积分值判断横向偏差的方向，然后通过分析中心极板P的数据值确定纵向偏差的大小和方向，最后根据边缘极板a、d的特征值确定焊枪的横向、纵向和空间角度位置偏差，从而获得焊枪的最佳空间位姿。

2.根据权利要求1所述的一种焊枪姿态检测的尖端式多极阵列电容式传感器，其特征在于：所述多极阵列电容传感器激励电极与检测电极检测端呈尖角状共21组，各组极板相互平行且极板与屏蔽罩之间有绝缘层相隔，且每组极板有效边缘效应与其对应极板位于同一平面。