CN108296606B - 一种窄间隙p-gmaw电弧传感焊缝跟踪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种窄间隙P‑GMAW电弧传感焊缝跟踪方法，适用于坡口角度小于10°的窄间隙焊接，选择焊机P‑GMAW模式，通过电流传感器根据采样频率采样电流值；从经过均值滤波后的电流信号中提取每一个脉冲周期的峰值电流；计算焊枪在左右极限位置远离侧壁时的峰值电流变化率，计算焊枪偏差量dev＝k(kL‑kR)，将求得的焊枪偏差量dev发送给焊枪摆动纠偏控制系统，控制焊枪纠偏，实现焊缝跟踪控制。本发明通过在窄间隙P‑GMAW焊接过程中的信号特征的分析，提出了一种新的电弧传感焊缝跟踪的方法，有效提高了窄间隙P‑GMAW焊接过程电弧传感的灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于机械自动控制技术领域，尤其是涉及一种窄间隙P-GMAW 电弧传感焊缝跟踪方法。
背景技术
焊枪摆动或者旋转过程中，导电嘴到工件的距离受到坡口形状和位置的影响，其长度发生规律性的变化。这种变化能够通过电弧信号的变化反映出来并用于监测和控制焊枪位置，这就是基于电弧传感的焊缝跟踪技术。
焊缝跟踪控制包括对焊枪的高低和对中两个方面的信息进行传感和控制。电弧传感器用于焊缝跟踪的技术方案首先由德国Aachen工业大学 Eichhorn F和Platz J提出，但是由于焊接电弧的稳定性问题，电弧传感焊缝跟踪一直没有得到广泛的应用。随着焊接电源技术的不断进步，焊接过程更加稳定，电弧传感器已经被成功应用于V形、T形接头的焊缝跟踪控制中； OTC的FD-WD电弧传感器精度已经可以达到±1mm；ABB的Weldguid Ⅲ不仅能够实现高低和对中跟踪，而且还能实现变坡口宽度的跟踪控制。但是窄间隙焊接侧壁熔合困难，为了保证两个侧壁的同时熔合，需要更高的焊缝跟踪精度，现有的商用传感器还不能直接用于窄间隙焊缝跟踪。虽然美国 CRC和法国的Serimax已经将电弧传感器成功的应用于其开发的管道窄间隙焊接设备中，而且CRC的自动焊设备已经完成了超过10000公里的焊接里程，但是其电弧传感器仍然存在适应不同坡口和工艺条件能力较差的问题，使用这些设备时不仅需要严格控制坡口和组对精度并在防风棚内完成焊接，而且需要十分专业的焊工进行操作，限制了设备的推广和应用。
针对窄间隙焊接电弧传感精度的问题，许多学者开展了广泛的研究。黎文航等人采用支持向量机和粗糙集的方法对多层单道窄间隙MAG焊接进行偏差识别，试图从统计学的角度提高在电弧信号中提取焊缝偏差的精度。 Baek D采用神经网络的方法建立电弧信号与侧壁位置之间的关系，应用神经网络自适应、自组织和实时学习的特点来解决电弧信号与焊缝位置之间的非线性关系。Hyeong-Soon采用移动平均法进行滤波，设计了一款窄坡口双焊炬自动焊接系统。上述研究均是从信号处理和控制方法的角度试图提高电弧传感的灵敏度进而提高跟踪控制精度，并没有回归到窄间隙焊接物理过程的本质上对窄间隙焊接影响电弧传感精度的原因进行深入分析。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种有效提高窄间隙脉冲焊接过程电弧传感灵敏度的窄间隙P-GMAW电弧传感焊缝跟踪方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种窄间隙P-GMAW 电弧传感焊缝跟踪方法，包括以下步骤：
以下步骤适用于坡口角度小于10°的窄间隙焊接，
(1)工艺参数设置：选择焊机P-GMAW模式，设置送丝速度、摆幅的工艺参数以保证侧壁熔合；焊丝与左右两侧壁各保留1mm；焊接电流为 120A～150A；
(2)启动焊接系统，焊枪开始摆动、焊机起弧，通过电流传感器根据采样频率采样电流值；
(3)从经过均值滤波后的电流信号中提取每一个脉冲周期的峰值电流；
(4)计算焊枪在左右极限位置远离侧壁时的峰值电流变化率，分为以下几步：
①分别计算焊枪摆动到左极限位置、从左极限位置摆动到中心位置的脉冲峰值电流IL、IO1；记录从左极限位置到摆动中心位置的脉冲周期个数 NL；
②计算从左极限位置摆动到中心位置时的脉冲峰值电流变化率kL，计算公式为kL＝(IL-IO1)/NL；
③分别计算焊枪摆动到右极限位置、从右极限位置摆动到中心位置的脉冲峰值电流IR、IO2；记录从右极限位置到摆动中心位置的脉冲周期个数 NR；
④计算从右极限位置摆动到中心位置时的脉冲峰值电流变化率kR，计算公式为kR＝(IR-IO2)/NR；
(5)计算焊枪偏差量dev＝k(kL-kR)，k为脉冲峰值电流变化率差值与焊枪偏差量的线性比；
(6)将求得的焊枪偏差量dev发送给焊枪摆动纠偏控制系统，控制焊枪纠偏，实现焊缝跟踪控制，该焊枪摆动纠偏控制系统包括DSP控制器、步进电机和滚珠丝杠，步进电机按照设定摆动频率驱动焊枪往复摆动，当焊枪摆动纠偏控制系统接收到偏差值后，控制步进电机调整焊枪摆动中心。
在步骤(2)中，所述电流传感器为霍尔电流传感器，并通过AD7606 进行采样。
在步骤(3)中，为了能够按脉冲周期把连续的采样点区分开，采用的方法是：当连续三次采样得到的电流值超过400A时认为一个脉冲周期开始，当连续三次采样得到的电流值小于400A时认为脉冲阶段结束，当再次连续采样三次的电流值超过400A时认为第一个脉冲周期结束，第二个脉冲周期开始。
由于采用上述技术方案，本发明通过在窄间隙P-GMAW焊接过程中的信号特征的分析，提出了一种新的电弧传感焊缝跟踪的方法，有效提高了窄间隙P-GMAW焊接过程电弧传感的灵敏度。
附图说明
下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：
图1是焊枪朝向侧壁和远离侧壁过程中的峰值电流信号；
图2是向右偏偏差dev＝0.5mm时的峰值电流信号；
图3是向右偏偏差dev＝0.3mm时的峰值电流信号；
图4是对中dev＝0是时的峰值电流信号。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明：
挖掘效应：在摆动焊炬窄间隙P-GMAW实验过程中，我们发现焊枪摆动到侧壁位置时，焊枪朝向侧壁运动过程中脉冲电流的峰值逐渐升高，而焊枪到达侧壁反向运动时，峰值电流的下降速度明显快于上升速度。为了排除丝杠磨损造成的机械误差的影响，更换高精度的滚珠丝杠以后上述现象仍然存在。
如图1所示，进一步提取峰值电流绘制曲线。从图中可以清楚的看到，峰值电流在焊枪离开侧壁过程中的下降速度明显高于焊枪朝向侧壁运动时的上升速度。下降后峰值电流值较上升前有较大幅度的降低，从电流波形上看就像是在曲线上存在一个一个的“凹坑”一样。另外，焊接过程中，咬边 (一种焊接缺陷)越严重，电弧信号上的“凹坑”越明显。我们把窄间隙焊接过程中与电弧咬边引起的电弧信号的这种变化称为“挖掘”效应。除了峰值电流曲线外，脉冲频率和单个脉冲周期内的平均电流曲线均具有上述“挖掘”效应。
不同偏差时的峰值电流信号如图2至图4所示，焊枪向右偏偏差较大时，在焊枪摆动的右极限位置(图中*标记)焊枪远离侧壁过程中峰值电流的变化率较大，随着偏差的减小，焊枪朝向和远离侧壁运动时的电弧信号差异逐渐减小。而在焊枪摆动的左极限位置，由于焊枪距离侧壁较远，焊枪朝向和远离侧壁运动过程中的电弧信号相差不大。
计算焊枪在左右极限位置远离侧壁时的峰值电流变化率如表1所示，可以发现当偏差较大时，左右极限位置的变化率存在明显差别：偏差为0.5mm 时，左右极限位置变化率的差值为26.2A/脉冲周期，偏差为0.3mm时，左右极限位置变化率的差值为14.6A/脉冲周期，偏差为0mm时，左右极限位置变化率的差值为几乎为0A/脉冲周期。因此，可以根据电弧的“挖掘”效应对焊缝偏差进行跟踪。
表1不同偏差时焊枪远离侧壁时峰值电流的变化率均值
一种窄间隙P-GMAW电弧传感焊缝跟踪方法，包括以下步骤：
以下步骤适用于坡口角度小于10°的窄间隙焊接，
(1)工艺参数设置：选择焊机P-GMAW模式，焊接参数的设置要保证侧壁熔合；根据窄间隙坡口宽度设置摆动幅度，焊丝与左右两侧壁各保留 1mm；焊接电流为120A～150A；
(2)启动焊接系统，焊枪开始摆动、焊机起弧，通过霍尔电流传感器，并通过AD7606以一定的采样频率采样电流值；
(3)从经过均值滤波后的电流信号中提取每一个脉冲周期的峰值电流；为了能够按脉冲周期把连续的采样点区分开，采用的方法是：当连续三次采样得到的电流值超过400A时认为一个脉冲周期开始，当连续三次采样得到的电流值小于400A时认为脉冲阶段结束，当再次连续采样三次的电流值超过400A时认为第一个脉冲周期结束，第二个脉冲周期开始；
(4)计算焊枪在左右极限位置远离侧壁时的峰值电流变化率，分为以下几步：
①分别计算焊枪摆动到左极限位置、从左极限位置摆动到中心位置的脉冲峰值电流IL、IO1；记录从左极限位置到摆动中心位置的脉冲周期个数 NL；
②计算从左极限位置摆动到中心位置时的脉冲峰值电流变化率kL，计算公式为kL＝(IL-IO1)/NL；
③分别计算焊枪摆动到右极限位置、从右极限位置摆动到中心位置的脉冲峰值电流IR、IO2；记录从右极限位置到摆动中心位置的脉冲周期个数 NR；
④计算从右极限位置摆动到中心位置时的脉冲峰值电流变化率kR，计算公式为kR＝(IR-IO2)/NR；
(5)计算焊枪偏差量dev＝k(kL-kR)，k为脉冲峰值电流变化率差值与焊枪偏差量的线性比；
(6)将求得的焊枪偏差量dev发送给焊枪摆动纠偏控制系统，该焊枪摆动纠偏控制系统包括DSP控制器、步进电机和滚珠丝杠，步进电机按照设定摆动频率驱动焊枪往复摆动，当焊枪摆动纠偏控制系统接收到偏差值后，控制步进电机调整焊枪摆动中心，实现左右方向焊缝跟踪控制。
本发明通过在窄间隙P-GMAW焊接过程中的信号特征的分析，提出了一种新的电弧传感焊缝跟踪的方法，有效提高了窄间隙P-GMAW焊接过程电弧传感的灵敏度。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。
Claims (1)
1.一种窄间隙P-GMAW电弧传感焊缝跟踪方法，其特征在于：包括以下步骤：
以下步骤适用于坡口角度小于10°的窄间隙焊接，
(1)工艺参数设置：选择焊机P-GMAW模式，设置摆幅的工艺参数以保证侧壁熔合；
(2)启动焊接系统，焊枪开始摆动、焊机起弧，通过电流传感器根据采样频率采样电流值；
(3)从经过均值滤波后的电流信号中提取每一个脉冲周期的峰值电流；
(4)计算焊枪在左右极限位置远离侧壁时的峰值电流变化率，分为以下几步：
①分别计算焊枪摆动到左极限位置、从左极限位置摆动到中心位置的脉冲峰值电流IL、IO1；记录从左极限位置到摆动中心位置的脉冲周期个数NL；
②计算从左极限位置摆动到中心位置时的脉冲峰值电流变化率kL，计算公式为kL＝(IL-IO1)/NL；
③分别计算焊枪摆动到右极限位置、从右极限位置摆动到中心位置的脉冲峰值电流IR、IO2；记录从右极限位置到摆动中心位置的脉冲周期个数NR；
④计算从右极限位置摆动到中心位置时的脉冲峰值电流变化率kR，计算公式为kR＝(IR-IO2)/NR；
(5)计算焊枪偏差量dev＝k(kL-kR)，k为脉冲峰值电流变化率差值与焊枪偏差量的线性比；
(6)将求得的焊枪偏差量dev发送给焊枪摆动纠偏控制系统，控制焊枪纠偏，实现焊缝跟踪控制；
在步骤(1)中，所述摆幅根据窄间隙坡口宽度设置，焊丝与左右两侧壁各保留1mm；焊接电流为120A～150A；在步骤(2)中，所述电流传感器为霍尔电流传感器，并通过AD7606进行采样；在步骤(3)中，为了能够按脉冲周期把连续的采样点区分开，采用的方法是：当连续三次采样得到的电流值超过400A时认为一个脉冲周期开始，当连续三次采样得到的电流值小于400A时认为脉冲阶段结束，当再次连续采样三次的电流值超过400A时认为第一个脉冲周期结束，第二个脉冲周期开始；在步骤(6)中，所述焊枪摆动纠偏控制系统包括DSP控制器、步进电机和滚珠丝杠，步进电机按照设定摆动频率驱动焊枪往复摆动，当焊枪摆动纠偏控制系统接收到偏差值后，控制步进电机调整焊枪摆动中心，实现左右方向焊缝跟踪控制。
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