CN115121912B - 一种用于多极磁控gtaw电弧传感器的励磁电流标定方法 - Google Patents

一种用于多极磁控gtaw电弧传感器的励磁电流标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于多极磁控GTAW电弧传感器的励磁电流标定方法。针对多极磁控GTAW电弧传感器控弧过程中难以实现前后方向和左右方向上的等幅摆动的难题。本发明提出一种用于多极磁控GTAW电弧传感器的励磁电流标定方法。在焊接之前对励磁电流进行自适应标定。首先，利用焊炬垂直标定方法实现焊炬与标定工作台工作面的垂直标定；然后，利用电弧摆幅感知方法实现电弧摆动均匀度的感知；最后，利用摆幅自适应调节控制方法实现电弧在前后方向和左右方向上的等幅摆动控制。

Description

一种用于多极磁控GTAW电弧传感器的励磁电流标定方法
技术领域
本发明涉及焊缝跟踪领域，是一种用于多极磁控GTAW电弧传感器的励磁电流标定方法。
技术背景
钨极气体保护焊(Gas tungsten arc welding，GTAW)广泛应用于航空航天、海工装备、核电建设等重要工业领域，主要通过人工和半自动化的方式实施焊接，严重限制了焊接质量和焊接效率，实现焊缝实时跟踪是提高焊接质量和焊接效率的有效途径。基于磁控电弧传感的焊缝跟踪方法具有实时性好、非接触、无机械磨损等诸多优势。但是，现有的磁控电弧传感器存在电弧摆动不对称的问题，严重影响了焊缝跟踪的精度。
在磁控GTAW电弧摆动电弧焊缝跟踪过程中，须确保电弧在不同方向上的的摆动幅度相同。电弧的摆动是由励磁线圈激发的磁场实现的，磁控电弧的摆动幅度受到励磁线圈的匝数、磁感应线圈的导线导电率、磁极导磁率等因素的影响，难以实现磁控电弧等幅摆动。针对这个难题，本发明公开了一种用于多极磁控GTAW电弧传感器的励磁电流标定方法。
发明内容
一种用于多极磁控GTAW电弧传感器的励磁电流标定方法，用于焊缝跟踪前对多极磁控GTAW电弧传感器的励磁电流标定，实现多极磁控GTAW电弧在前后方向和左右方向的等幅摆动，其特征在于：在焊接之前对励磁电流进行标定，利用焊炬垂直标定方法实现焊炬与标定工作台工作面的垂直标定，利用电弧摆幅感知方法实现电弧摆幅均匀度的感知，利用摆幅自适应调节控制方法实现电弧在前后方向和左右方向的等幅度摆动，完成励磁电流标定。
所述的励磁电流标定方法由两对励磁线圈和励磁电源系统实现；所述的两对励磁线圈为一对前后励磁线圈和一对左右励磁线圈，每个励磁线圈分别通入各自独立的励磁电流；所述的一对前后励磁线圈控制电弧左右摆动；所述的一对左右励磁线圈控制电弧前后摆动；所述的励磁电源系统由励磁电源控制器、电源极性控制电路和4个直流电源组成；所述的4个直流电源在励磁电源控制器控制下产生如图5所示的励磁电流时序；所述的直流电源1、3控制左右方向上的励磁电流，两个励磁电流方向相反；所述的直流电源2、4控制前后方向上的的励磁电流，两个励磁电流方向相反；所述的励磁电源控制器用于产生控制信号，包括励磁电流方向控制信号和励磁电流大小控制信号；所述的电源极性控制电路用于接收励磁电流方向控制信号并改变励磁电流方向；所述励磁电流大小控制信号用于控制直流电源输出的电流大小。
所述的焊炬垂直标定方法为由焊炬在如图2所示的标定工作台工作面上选取三个点，此时各励磁线圈不通电流，分别在三个点上起弧，由电压传感器获得三个点对应的电弧电压，由于电弧电压与弧长具有近似线性的关系，由此每个点上电弧电压可以表示弧长。根据空间几何关系，当三个点上对应的电弧高度相同时则焊炬与标定工作台工作面垂直；图2所示为标定工作台，所述的标定工作台由标定工作台工作面和三个支腿组成；所述的标定工作台工作面的材料为高熔点金属钨，为了方便调节标定工作台的工作面，将标定工作台工作面设置为正三角形；所述的支腿由支腿固定端和工作台活动轴配合而成，且各个支腿与正三角形标定工作台工作面的三个角一一对应，支腿与板面固连；所述的工作台活动轴可以在垂直于工作台底座的方向上实现支腿长度的调节。这个调节过程由标定工作台高度调节控制器完成，标定工作台高度调节器位于标定工作台底座内；所述的三个点有确定的位置关系，每个点都各在标定工作台工作面几何中心与三个角的三条连线上，且距标定工作台工作面几何中心的距离相同，则三个点的连线构成一个等边三角形，如图2中标号8所示的等边三角形。
如图3所示为标定时焊枪与标定工作台工作面的距离示意图，图中D1、D2、D3分别对应着第1、2、3个点的电弧高度。电弧电压传感器在不同点上得到相应电弧高度对应的电弧电压并记录在标定工作台高度调节控制器中，对比三个电弧电压值，选择最小的电弧电压值作为参考值，标定工作台高度调节控制器控制该值对应的支腿不动，发送信号使焊枪对准另外两个点中的一个并引弧，同时移动支腿，重复操作，直至此时的电弧电压值与参考值相等后停止，最后一点也是按照上述操作进行。最终三个点对应的电弧电压值相等时，即D1＝D2＝D3时，焊炬与标定工作台工作面垂直，完成焊炬垂直标定。
所述的摆幅自适应调节控制方法根据电弧摆幅感知方法获得的电弧摆动均匀度SAD，利用PID控制方法通过控制各个励磁线圈的励磁电流大小实现电弧摆幅均匀度偏差调节，以实现多极磁控GTAW电弧在前后方向和左右方向上的等幅摆动控制。当满足|SAD|≤ThsSAD时认为电弧摆幅均匀度高，此时的励磁电流为标定电流，其中ThsSAD为电弧摆动均匀度阈值。以左右方向上电弧摆幅均匀度计算为例，前后方向上同理。在焊接时需要满足电弧向两边摆动均匀，即SAL＝SAR，其中SAL为电弧左侧摆动幅度通过式(1)计算，SAR为电弧右侧摆动幅度通过式(2)计算，SA为电弧摆动幅度通过式(3)计算，电弧左右两侧摆动的均匀度SAD通过式(4)计算。|SAD|越趋向于0电弧左右摆动幅度均匀度越高，|SAD|越大电弧左右摆动均匀度越低，当满足式(5)时，电弧左右摆动均匀，当SAD>ThsSAD时电弧摆动偏左，当SAD<-ThsSAD时电弧摆动偏右。
SA＝SAL+SAR (3)
|SAD|≤ThsSAD (5)
其中AL1为电弧摆动到最左侧时的电弧长度；AL2为电弧摆动到最右侧时的电弧长度；AL为电弧摆动到中间位置时的电弧长度；ThsSAD为电弧左右摆动均匀度阈值。
发明的有益效果：
本发明涉及一种用于多极磁控GTAW电弧传感器的励磁电流标定方法。针对多极磁控GTAW电弧传感器控弧过程中难以实现前后方向和左右方向上的等幅摆动的难题。本发明提出一种用于多极磁控GTAW电弧传感器的励磁电流标定方法。在焊接之前对励磁电流进行自适应标定，实现了磁控GTAW电弧传感器控弧过程中前后方向和左右方向上的等幅摆动。
附图说明
图1为磁控电弧励磁电流标定模型图。
图中：1-右摆电弧，2-标定工作台工作面，3-中间位置电弧，4-GTAW焊枪，5-左摆电弧，AL1-电弧摆动到最左侧时的电弧长度，AL2-电弧摆动到最右侧时的电弧长度，AL-为电弧摆动到中间位置时的电弧长度，SAL-电弧左侧摆动幅度，SAR-电弧右侧摆动幅度，SA-电弧摆动幅度。
图2为标定工作台示意图。
图中：1-标定工作台底座，2-支腿固定端，3-工作台活动轴，4-转动铰链，5-标定工作台工作面，6-电弧，7-GTAW焊枪，8-等边三角形，9-工作面三角形中心线，10-支腿，11-标定工作台高度调节控制器。
图3为焊枪与标定工作台工作面距离示意图。
图中：D1-第1个点的电弧高度，D2-第2个点的电弧高度，D3-第3个点的电弧高度。
图4为摆幅自适应调节电气原理图。
图中：Kmn-继电器(m为相应的励磁电源线序号，n为一条励磁电源线上的继电器序号)。
图5为励磁电流时序图。
图中：A1-右/前侧励磁电流的大小，A2-左/后侧励磁电流的大小，TR-右/前向摆动时间，TL-左/后向摆动时间，T-一个摆动周期。
图6为励磁电流标定控制方法。
图中：SAD(k)-电弧摆动均匀度，k为计算次数，KP-比例系数，TI-积分时间常数，TD-微分时间常数，SAD(k)、q0、q1和q2如式(6)、(7)、(8)、(9)计算过程所示。
ΔSAD(k)＝SAD(k)-SAD(k-1)＝q0SAD(k)+q1SAD(k-1)+q2SAD(k-2) (8)
具体实施方式
为了更好地表达本发明的技术方案与有益效果，下面结合附图和实施案例对本发明做进一步详细说明。本发明的实施方法不限于此。
步骤1：焊炬垂直标定
在焊接时焊炬应当垂直于被焊面，电弧在励磁线圈产生的磁场下均匀摆动。为了标定励磁电流，使焊接时电弧左右摆动均匀，要先以图2中的标定工作台工作面为假设的焊接面，使焊炬与该工作面垂直，作为后期标定励磁电流的前期准备。在进行焊炬垂直标定时，各个励磁线圈中不通入电流，焊炬在标定工作台工作面上起弧，共选择三个起弧点，电压传感器获得三个点分别的电弧电压，由于电弧电压与电弧长度具有近似线性关系，因此可以用于判断在三个点上的电弧高度，信号传给图2中位于标定工作台底座内的标定工作台高度调节控制器，标定工作台高度调节控制器分析信号，分别调节三个点对应的支腿高度，如此反复，直到三个点上的电弧高度相等，则焊炬垂直于标定工作台工作面。
步骤2：励磁电流标定
焊缝跟踪过程中多极磁控GTAW电弧传感器控制电弧在左右、前后两个方向进行摆动，因此需要分别标定两对方向上的励磁电流，实现磁控GTAW电弧在不同方向上的等幅摆动。前后方向的励磁电流标定和左右方向的励磁电流标定方法相同，以左右方向的励磁电流标定为例。图4中的前后励磁线圈通入图5所示的励磁电流，并计算电弧摆动均匀度，根据图6所示的控制方法调节右侧励磁电流值，直到电弧摆动均匀度满足式(5)。

Claims (1)

1.一种用于多极磁控GTAW电弧传感器的励磁电流标定方法，用于焊缝跟踪前对多极磁控GTAW电弧传感器的励磁电流标定，其特征在于：由两对励磁线圈和励磁电源系统实现；所述的两对励磁线圈为一对前后励磁线圈和一对左右励磁线圈，每个励磁线圈分别通入各自独立的励磁电流；所述的一对前后励磁线圈控制电弧左右摆动；所述的一对左右励磁线圈控制电弧前后摆动；所述的励磁电源系统由励磁电源控制器、电源极性控制电路和4个直流电源组成；所述的4个直流电源在励磁电源控制器控制下产生励磁电流时序；所述的4个直流电源其中2个控制左右方向上的励磁电流且这2个励磁电流方向相反，另外两个直流电源控制前后方向上的的励磁电流且这2个励磁电流方向相反；所述的励磁电源控制器用于产生控制信号，包括励磁电流方向控制信号和励磁电流大小控制信号；所述的电源极性控制电路用于接收励磁电流方向控制信号并改变励磁电流方向；所述励磁电流大小控制信号用于控制直流电源输出的电流大小；
利用焊炬垂直标定方法实现焊炬与标定工作台工作面的垂直标定，所述的标定工作台由标定工作台工作面、三个支腿和标定工作台底座组成；所述的支腿由支腿固定端和工作台活动轴组成，工作台活动轴与标定工作台工作面通过转动铰链相连，两部分相配合组成支腿，且三个支腿与标定工作台工作面的三个角一一对应；所述的工作台活动轴可以在工作台高度调节控制器控制下在垂直于工作台底座的方向上对3个支腿的高度进行分别控制，实现焊炬与标定工作台工作面的垂直标定；所述的焊炬垂直标定方法为利用焊炬在标定工作台工作面上选取三个点，以每个点上电弧高度作为判据，当三个点上对应的电弧高度相同时则焊炬与标定工作台工作面垂直；所述的三个点有确定的位置关系，每个点分别在标定工作台工作面几何中心与三个角的三条连线上，且距标定工作台工作面几何中心的距离相同；
利用电弧摆幅感知方法实现电弧摆幅均匀度的感知，所述的电弧摆幅感知方法通过电压传感器获得前后方向或左右方向上摆动端点的电弧电压，以及电弧垂直于标定工作台工作面时的电弧电压，进而计算得出电弧前后和左右摆动均匀度；
利用摆幅自适应调节控制方法实现电弧在前后方向和左右方向的等幅度摆动，完成励磁电流标定；所述的摆幅自适应调节控制方法是当电弧摆动均匀度大于设定的阈值时，利用PID控制方法通过控制各个励磁线圈的励磁电流大小实现电弧摆动均匀度偏差调节，以实现多极磁控GTAW电弧在前后方向和左右方向上的等幅摆动控制。
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