CN111702308B - 一种直流磁控焊枪位置无级调节的方法 - Google Patents

Abstract

一种直流磁控焊枪位置无极调节的方法，它主要是解决现有的机械摆动器不稳定、磨损大、成本高，以及磁控摆动电弧传感器的稳定性不好，电弧行为不易控制的技术问题。其技术方案要点是，利用直流电控制感应磁场的大小和方向，来控制焊枪受到的磁力的大小和方向，进而控制焊枪的摆幅、摆角和摆动频率，建立直流电与焊枪位置变化的函数关系，实现在区域内焊枪位置的无极调节。

Description

一种直流磁控焊枪位置无级调节的方法

技术领域

本发明涉及一种利用直流电对焊枪位置进行无极调节的方法，属于焊接技术领域。

背景技术

摆动电弧焊接技术发展迅速，焊接电弧摆动能搅拌熔池，改善成型，在堆焊方面应用很广，同时利用焊接电弧摆动时弧长变化引起的焊接电流变化，慢慢形成了摆动电弧焊缝跟踪技术。在增加了电弧的热输入，提高控制电弧的稳定性上，在堆焊的基础上又发展出了电弧增材制造技术，如果能稳定控制电弧的位置，就能调节电弧对母材的热输入量，改善熔丝沉积的工艺，将会促进电弧增材制造技术的发展。

摆动焊接目前主要有两种方式，一是机器摆动，主要是利用电机控制焊枪进行摆动；二是直接控制电弧摆动，如利用磁场控制电弧摆动，发展起来的磁控电弧传感器。机械式摆动器结构复杂，容易磨损，成本高，使用寿命低，应用在焊缝跟踪时，稳定性和实时性差。而磁控电弧摆动传感器目前在研究阶段，稳定性不好，信息采集方面不精准，对装置材料的要求高。

无论是焊接领域还是电弧增材制造技术方面，都需要一种能稳定控制焊枪(或者是电弧)位置变化的技术，本发明结合机械摆动与磁控摆动电弧的优点，提出了一种利用直流电对焊枪位置进行无极调节，间接实现电弧定点、定向的智能控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种直流电对焊枪的空间位置进行无极调节的方法，设计了一种焊枪位置无极调节装置，通过控制直流导线圈上直流电的大小和方向来调节焊枪的位置，装置结构简单，原理简明，应用广泛，可在摆动电弧焊缝跟踪，堆焊工艺，电弧增材制造发挥重要作用。

发明的目的是通过以下技术方案实现的：主要在焊枪位置无极调节装置中实现，根据需求预设焊枪位置调节模式，将预设信息输入到直流电控制系统，自动控制输出直流电的大小、方向和通电时间，将直流电通往铁块上的直流导线圈，产生直流感应磁场，在铁块与焊枪上的永磁体之间产生磁力，根据力的合成法则，构建焊枪位置与直流电之间的函数关系，利用磁力的作用对焊枪位置实现无极调节。

所述的焊枪位置无极调节装置包括直流电控制系统，支架，支架盘，支架爪，焊枪，两对(n设为2)互成90度角的永磁体，与永磁体相对应的两对绕有直流导线圈的铁块，直流导线圈与直流电源连接，铁块固定在支架爪上，焊枪悬吊在支架盘上可自由摆动，永磁体固定在焊枪上。

所述的直流电控制系统能提供波形幅度小且稳定的直流电，并有四条线路分别与两对铁块上的直流导线圈相连接，在特定工作时能在设定时间内自动控制每一条线路上直流电的大小和方向。

所述的直流磁控焊枪位置无极调节的原理是：如图2、图3所示：在平面内建立焊枪与电磁铁的直角坐标系(N设为2)，通电后，焊枪上的永磁体与电磁铁之间产生磁力，焊枪受到磁力的合力在平面内发生摆动，进而使焊枪的空间位置发生改变。下面将对具体的不同情形下直流电控制焊枪位置无极调节的原理进行详细阐述。

见图4：假设只需要在X轴方向控制焊枪的摆动，则只需要在X轴方向上的1’号、3’号通特定的直流电即可，因此示意图省去Y轴方向上的电磁铁，同时设焊枪上的永磁体对着电磁铁的一面都是N极(S极的原理一样)。在1’号、3’号电磁铁上分别通特定的直流电，使1’号电磁铁对着1号永磁体的那一面成为N极，3’号电磁铁对着3号永磁体的那一面成为S极，根据磁极“异性相吸，同性相斥”的原理和麦克斯韦方程组，在3号电磁铁与3’号永磁体之间产生方向向左的吸引力F₁：

在1号与1’号之间产生方向向左的排斥力F₂：

由于磁力F₁和F₂的方向相同，根据力的合成法则得到：

其中B₁为3号永磁体与3’号电磁铁之间的磁感应强度，B₂为1号永磁体与1’号电磁铁之间的磁感应强度，S为磁感应线穿过的面积，μ₀为磁导率。

此时产生的磁力的合力F_合方向向左，焊枪受到向左的合力，向左偏转。随着往左边偏转，3号与3’号之间的距离越来越短，磁感应强度增加所以吸引力F₁增加，同时1号与1’号之间的距离变大，因此F₂变小，达到预定的摆幅后，改变3’号、1’号电磁铁上直流电的方向，使3’号、1’号电磁铁的磁极与原先相反，3’号对着3号的一面变成N极，1’号对着1号的一面变成S极，同理，在3号电磁铁与3’号永磁体之间产生方向向右的排斥力F₃：

在1号与1’号之间产生方向向右的吸引力F₄：

由于磁力F₃和F₄的方向相同，根据力的合成法则得到此时的合力为：

其中B₃为3号永磁体与3’号电磁铁之间的磁感应强度，B₄为1号永磁体与1’号电磁铁之间的磁感应强度，S为磁感应线穿过的面积，。此时产生的磁力的合力F_合方向向右，焊枪受到向右的合力，向右偏转，3号与3’号之间的距离越来越长，磁感应强度减小所以排斥力F₃减小，同时1号与1’号之间的距离变小，因此F₄变大。

在磁力的控制方面，根据电磁铁产生的磁场强度公式：

B＝μ₀H ⑥

式中，H为磁场强度，N为励磁线圈的匝数，I为励磁电流，L为有效磁路长度。由以上公式可得，可通过控制电磁铁上的电流改变磁感应强度B的大小，进而改变磁力的大小，因此在适当的时候可以调节直流电的大小抵消焊枪摆动时的动能。

以上阐述了焊枪在X轴方向上摆动的原理，同理可得，在Y轴方向上也可进行相似的摆动，因此可实现直流间接控制焊枪在坐标轴上往还运动。

除了在坐标轴上摆动，也可在各象限内实现偏转，见图5：以第四象限为例，为了方便描述所以在示意图中省去3’号、4’号电磁铁。给1’号、2’号电磁铁通大小不同方向相同的直流电，使1’号电磁铁对着1号永磁体的一面成为S极，2’号对着2号永磁体的一面成为S极，根据“异性相吸”原理可得，在2号与2’号、1号与1’号之间都会产生吸引力，吸引力互相垂直且都沿着电磁体的方向，由③④⑤⑥变形可得：

在1号永磁体与1’号电磁铁之间产生方向向右的吸引力F₅：

同理在2号永磁体与2’号电磁铁之间产生方向垂直向下的吸引力F₆：

式中I₅、I₆分别为电磁铁1’号、2’号上的直流电大小；由⑦⑧可知，通过控制铁块上的电流大小可以控制每个吸引力的大小，根据力的四边形合成法则，则F₅、F₆的合力为：

合力的方向与Y轴夹角为α(90-β)，此时焊枪沿着磁力的合力方向往四象限摆动。同理通过控制别的电磁铁上的电流大小和方向，可使焊枪在其它三个象限内摆动。

见图6，在电磁铁通特定大小和方向的直流电的情况下，焊枪在一定的空间区域内会受到特定的磁力作用，通过力的合成法则将得到一个磁力的合力F_磁合，在磁力的合力作用下焊枪发生一定的偏转形成一个偏转角θ，此时焊枪还受到自身重力G，焊枪上端支点(支架盘)对焊枪的拉力F_拉，在θ满足预设的焊枪位置时，此时如果满足下面等式：

F_拉sinθ＝F_磁合

F_拉cosθ＝G

则焊枪所受总合力为0，此时焊枪在预设的空间位置上静止，实现定点停留。

由上文分析可知，本发明是利用直流磁场与永磁体之间的磁力对焊枪的作用，调节焊枪在一定区域内的空间位置的，因此主要考虑焊枪受力合力的情况，特别是受到磁力合力的大小、方向，由于对力的控制是连续性的，因此可对焊枪在特定区域里进行空间位置定点定向的无极调节。

本发明的主要特点是：直流电通过绕在铁块上的导线圈时会产生直流感应磁场，与固定在焊枪上的永磁体之间产生磁力，焊枪受磁力的作用产生偏转，给不同导线圈通不同的直流电时，根据力的合成法则，焊枪将在合力的方向受控摆动，因此可以通过不断改变直流电输入方式来改变焊枪摆动模式，反过来可根据焊枪摆动的需求来设定不同的直流电输入方式。

本发明的有益效果是提供一种利用直流感应磁场对焊枪空间位置进行无极调节的方法，利用磁力来控制焊枪的摆动代替了机械式刚性摆动，装置更加简洁，磨损减小，也易于调节，成本大幅降低；可以在机器工作时随时通过调节电流来间接调节焊枪的摆动状态，减小开关机带来的机器损耗和能源损耗，操作更加灵活，具有实时可控性；在特定场景下，假如只需要单向摆动焊接，则只需要控制一对导线圈上的电流就可达到目的，即可以根据焊枪摆动的需求直接设置相应的直流电输入方式即可，操作简单，应用范围更广；通过控制导线圈上的直流电的大小和时间，间接控制焊枪所受合力的大小和持续时间，可实现在一定范围内对焊枪进行定点定向控制，可调节母材局部的热输入，增加局部熔深，改善材料成型，在堆焊修补，电弧增材制造中大有益处。

附图说明

图1为装置结构示意图

图2、图3为位置分布图

图4、图5、图6为工作原理示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施案例对本发明做进一步详细说明。

参见图1、图2，本实施例直流感应磁场控制焊枪空间位置无级调节装置包括：支架(1)，焊枪(2)，n对互成180/n度角的永磁体(3)，与永磁体(3)相对应的n对绕有直流导线圈的铁块(4)，直流导线圈与直流电源连接，铁块(4)固定在支架爪(5)尾端，焊枪(2)悬吊在支架盘(6)上可自由摆动，永磁体(3)固定在焊枪(2)上。直流控制系统可以控制不同电磁铁上的直流电的大小和方向，通过控制特定电磁铁上的直流电产生特定的直流磁场，电磁铁与永磁体之间产生磁力，焊枪受到磁力合力的作用发生摆动。

参见图3，此为n为2时，两对互成90度角的电磁铁，永磁体和焊枪的位置关系俯视示意图，以电磁铁与永磁体中心所在直线方向上建立坐标轴线，以整个位置关系区域建立平面直角坐标系，一对永磁体与一对绕有直流导线圈的电磁铁同处一条坐标轴，设定焊枪上的永磁体对着电磁铁的那一面全为N极，而电磁铁的磁极则由导线圈上的直流电的方向控制。通过控制两对电磁铁上的直流导线圈上直流电的大小和方向，在电磁铁上产生相应的直流磁场，电磁铁与焊枪上的永磁体在坐标轴方向上产生磁力，最后由各磁力的合力控制焊枪的空间位置变化。

参见图4，在单一的坐标轴方向上摆动，只需控制一对电磁铁上的电流即可，设所需摆动时在X轴方向上摆动，则在Y轴方向上的电磁铁不用通电，此时Y轴上没有磁力产生，对焊枪在Y轴方向上没有影响，因此省去Y轴上电磁铁的示意图，并可不用分析Y轴上受力情况。开始时在X轴上的电磁铁上通直流电时，根据磁极的“异性相吸，同性相斥”原理，在X轴方向上产生方向相同的一个吸引力和一个排斥力，因此合力方向也在X轴所在直线，焊枪受磁力合力的作用，将在X轴的一个方向偏转，当摆幅达到预定目标之后，通过直流电控制系统改变直流导线圈上直流电的方向，此时也在X轴线上产生方向相同的一个吸引力和一个排斥力，不过此时的磁力合力方向与原先的方向相反，焊枪受到此时磁力合力往另一方向偏转，当偏转到需要的摆幅时，再次改变直流导线圈上的直流电，来改变焊枪所受磁力合力的方向，以此反复，进而控制焊枪有规律的摆动，而直流电方向每改变两次所需的时间间隔就是摆动的频率。

参见图5，焊枪摆动的方向的本质原因是受到磁力合力的方向的影响，因此如果不仅仅是在坐标轴上进行偏转，而在整个平面内进行位置调节，则需要改变焊枪所受磁力合力的方向。根据力的合成原理，不同方向的力的合力方向遵循平行四边形对角线法则，以n为2为例，要使磁力合力方向指向这个象限方向，则需要这个象限边缘的坐标轴上的力的方向分割的区域是此象限，即力在方向上是垂直(有夹角)的，在大小上是不定的，因此只需要给任意相邻的两个电磁铁通直流电，那么产生的各磁力必然是垂直(有夹角)的，合力的方向必在象限内，至于合力的具体方向夹角跟每个电磁铁上通的直流电的大小有关，同理在别的象限内也一样。

参见图6，如果需要焊枪在空间的某一个点停留，意味着焊枪所受总合力为0，此时需要调节合理的磁力方向和大小，来平衡支架对焊枪的拉力和自身的重力，由对图4、图5的分析可知，通过控制直流磁场可控制焊枪在平面内任意的摆动，在此基础上通过调节调节直流电的大小间接控制焊枪所受磁力的大小，来保持焊枪的受力平衡，实现在特定区域内的定点停留。

实施案例1，进行摆动电弧焊缝跟踪。摆动电弧焊缝跟踪一个关键技术就是需要特定的电弧摆动频率，利用摆动电弧扫描焊缝时焊接电流的变化来获取焊缝信息，见图1、图4，将焊枪悬吊在支架上，使焊枪可以自由摆动，因只需要单方向的摆动，所以只需要在1’号、3’号电磁铁上通特定的直流电即可，利用直流电控制系统改变这两块电磁铁上直流电的大小和方向，使焊枪在X轴线方向上做有规律的摆动，摆动电弧扫描焊缝信息，利用霍尔收集焊接电流信号，间接得到焊缝信息。由于此装置是利用直流磁场间接控制焊枪的摆动，磨损更小，装置简单轻巧，成本低，操作时可以利用直流电控制系统直接改变焊枪的摆幅，频率，因此操作也更加灵活。

实施案例2，进行电弧增材制造。电弧增材制造技术近年来发展迅速，是国家工业发展的重点项目，电弧增材制造的其中一个关键技术就是怎样定点定向控制电弧，调节局部热输入。见图1、图4、图5、图6，选择特定的焊枪，如TIG焊枪，等离子焊枪等等，将焊枪如图1装置放置好，可先选定焊枪摆动的轨迹，偏转位置，然后选定通直流电的方法，根据上文分析，有了特定的通直流电方式，在特定区域内可对焊枪的空间位置进行无级调节，在那个位置熔覆几层，则只需要在那个方向上使焊枪摆动数次；在那个方向角度需要更多的热输入，则对相应的电磁铁通电使焊枪往那个角度偏转；如在那个特定区域点需要更多的热输入，则调节不同电磁铁上直流导线圈上的电流使焊枪偏转到此，并调节电流的大小，使焊枪停留在此位置。因此本发明可实现边工作边调节，特定位置特定输出，在实际应用上可直接增材制造，也可对特定区域做增材修补。

显然，取不同的n值，做成的直流磁控焊枪位置无极调节装置，或者利用直流电产生的磁场控制焊枪所受的磁力，进而对焊枪位置进行调节的方法，皆为本发明所述的内容。

Claims (1)

1.一种直流磁控焊枪位置无级调节的方法，其特征是：将直流电控制系统与焊枪摆动装置相结合，做成焊枪位置无级调节装置，所述焊枪位置无级调节装置包括直流电控制系统、支架、支架爪、支架盘、焊枪、2对互成90度角的永磁体、与永磁体相对应的2对绕有直流导线圈的铁块，直流导线圈与直流电源连接，铁块固定在支架爪尾端，焊枪悬吊在支架盘上可自由摆动，永磁体固定在焊枪上；直流导线圈通电后产生感应磁场，感应磁场与焊枪上的永磁体之间产生磁力，根据力的平行四边形法则，焊枪将受到磁力的合力作用，在合力的作用下发生偏移，在一定时间内改变不同直流导线圈上电流的大小和方向，使焊枪所受合力发生改变，进而对焊枪的空间位置进行无级调节；在永磁体与铁块所在平面内建立平面直角坐标系，1号、3号永磁体和1’号、3’号铁块在X轴方向，2号、4号永磁体和2’号、4’号铁块在Y轴方向，给1’号、3’号铁块上的线圈通直流电，则在1号永磁体与1’号铁块之间和3号永磁体与3’号铁块之间产生方向相同的磁力，此时焊枪受到同方向的一个拉力和一个推力，焊枪在这两个力的合力下发生偏移，在发生偏移之后改变直流电的方向，焊枪将受到与原先方向相反的合力，并随此时合力的方向发生偏转，从而利用通电时间来控制焊枪在X轴方向以特定频率往返摆动。

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