專利名稱：磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感實時焊縫跟蹤系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于焊接自動控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感實時焊縫跟蹤系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
電磁作用焊接技術(shù)是近年來完善起來的一種新的焊接技術(shù)，在航空、航天、冶金、機械等部門具有廣泛的應(yīng)用前景和巨大的實用價值。目前，磁控焊接技術(shù)的發(fā)展狀況在國外方面主要是Hickcn等人通過對不銹鋼以及合金鋼等材料進行外加磁場焊接實驗后，外加磁·場后焊縫成形得到明顯改善。研究人員發(fā)現(xiàn)這種改變?nèi)Q于磁場強度和母材的磁特性；A. Miunger等人在1941年就對電磁攪拌對點焊的作用進行了相關(guān)研究；Tseng和Savage研究了 TIG焊外加磁場時導(dǎo)致電弧擺動，對HY-80鋼焊縫微觀組織和熱裂紋的影響。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)勵磁頻率為I Hz左右時,焊縫區(qū)組織晶粒的大小和熱裂紋傾向大大降低；Brown等人在60年代初就開始研究電磁攪拌對不銹鋼、鈦合金等的影響；上世紀七、八十年代，烏克蘭基輔工業(yè)大學(xué)的學(xué)者研究了在薄板TIG焊外加縱向磁場作用下，熔池金屬流動和晶粒細化的規(guī)律，以及縱向磁場控制熔池液態(tài)金屬凝固結(jié)晶的過程；Takeda K等人在1980年提出電弧在橫向磁場作用下呈彎弧狀的結(jié)論；Gavrilov等人在2002年通過試驗發(fā)現(xiàn)電弧在橫向磁場作用下會發(fā)生加速和偏轉(zhuǎn)減速現(xiàn)象，并對產(chǎn)生其原因進行了相關(guān)分析；近年來，Kern等開展了外加磁場作用于CO2激光焊的研究。實驗證明，在激光焊接中應(yīng)用磁流體動力裝置能改變?nèi)鄢氐牧鲃訔l件，穩(wěn)定焊接過程，提高焊接速度和焊接質(zhì)量。國內(nèi)方面主要是沈陽工業(yè)大學(xué)對低頻磁控焊接電弧特性進行了數(shù)值分析及相關(guān)研究；清華大學(xué)通過對電弧內(nèi)部能量平衡的研究，提出了一個橫向磁場中動態(tài)電弧的近似計算模型；中國礦業(yè)大學(xué)基于減少C02焊飛濺的目的，研究了在磁場作用下C02焊電弧與熔滴過渡的影響；北京大學(xué)對橫向磁場作用下電弧陰極進行了深入研究，并建立了相關(guān)數(shù)學(xué)模型；太原工業(yè)大學(xué)利用雙尖角磁場把電弧壓縮成橢圓形將其應(yīng)用于穿孔等離子焊中取得較好的效果；西安交通大學(xué)殷咸青研究了 LDlOCS鋁合金在He-TIG焊過程中外加交變縱向磁場對焊縫組織細化的影響機理。研究結(jié)果表明，磁感應(yīng)強度B、磁場交變頻率f和磁場斷通比Q，這三個磁場參數(shù)對焊縫組織的細化效果影響很大。綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對磁控電弧的研究主要集中于控制熔滴過渡、熔池金屬流動、改善焊縫成形等方面。但是，到目前還沒有看到有關(guān)磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感實時焊縫跟蹤技術(shù)方面的報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一個目的在于提供一種成本低、實時性好、靈敏度和精確度高、穩(wěn)定性好的磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感器實時焊縫跟蹤系統(tǒng)。
本發(fā)明的第一個目的是通過如下的技術(shù)方案來實現(xiàn)的該磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感實時焊縫跟蹤系統(tǒng)，包括沿工作方向行進的焊接小車，固連于焊接小車上的十字滑架，焊槍安裝于十字滑架上并通過十字滑架調(diào)節(jié)其高低左右位置；控制系統(tǒng)通過驅(qū)動器分別與焊接小車和十字滑架連接，焊接電源與焊槍和霍爾傳感器連接，霍爾傳感器將采集到的焊接電流信號通過信號采集電路和信號處理電路傳輸給控制系統(tǒng)；其特點是所述焊槍直接安裝于一個磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感器上，磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感器安裝于十字滑架上，焊接電弧位于磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的中心，使磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感器產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場帶動焊接電弧按一定的頻率掃描焊縫，磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感器將掃描得到的焊縫位置信息傳輸給控制系統(tǒng)。更具體地說，所述磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感器包括勵磁電源，勵磁電源與勵磁線圈連接，勵磁線圈繞在兩個導(dǎo)磁鐵芯上而產(chǎn)生一對磁極，所述焊槍安裝于兩個導(dǎo)磁鐵芯的中心線上，并且該對磁極位于焊接電弧的兩側(cè)；導(dǎo)磁鐵芯的上部中心柄通過齒輪與電機連接并帶動導(dǎo)磁鐵芯旋轉(zhuǎn)，在導(dǎo)磁鐵芯的上部中心柄的頂部水平安裝有一個光碼盤，光碼盤將掃描到的焊縫位置脈沖信號傳輸給控制系統(tǒng)。本發(fā)明的第二個目的在于提供一種基于上述磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感實時焊縫跟蹤系 統(tǒng)的跟蹤方法，該方法是焊接小車控制焊槍按工作方向前進，焊槍隨焊接小車的移動與待焊工件呈現(xiàn)一定的位置關(guān)系，通過焊槍上的磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感器測得旋轉(zhuǎn)電弧掃描焊縫的位置，從而獲得表征焊槍與焊縫相對位置的特征參數(shù)；經(jīng)霍爾傳感器獲得焊接電流信號后，送入微機系統(tǒng)進行數(shù)字濾波處理和相應(yīng)的程序運算，控制系統(tǒng)控制驅(qū)動器驅(qū)動十字滑架，適時調(diào)整焊槍高低左右位置，使焊槍與焊縫中心對準以實現(xiàn)焊縫跟蹤，完成自動化焊接。更進一步，所述焊槍直接安裝在磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感器上，焊接點即為信號采集點，通過電機帶動齒輪驅(qū)使磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的磁場旋轉(zhuǎn)，焊槍不旋轉(zhuǎn)，從而在旋轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生運動的磁場，達到控制電弧旋轉(zhuǎn)的目的，旋轉(zhuǎn)電弧掃描焊縫，通過裝在磁控電弧傳感器上的光碼盤進行掃描定位，將掃描的位置信號輸出給微機系統(tǒng)進行信號采集與處理。本發(fā)明中，焊槍直接安裝在磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感器上，采用光碼盤進行精確定位，不存在前置和后置的問題，因此系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性得到了很大的提高，又由于磁場的旋轉(zhuǎn)頻率和幅度能精確控制，跟蹤系統(tǒng)的控制精度有了進一步的提高。本發(fā)明把磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感器用于焊縫自動跟蹤上，具有實時性好、控制精度高、成本低等優(yōu)點，解決了目前焊縫自動跟蹤的一系列問題。實際焊接工藝試驗證明跟蹤效果好，運行穩(wěn)定可靠，實用性強。


圖I是本發(fā)明實施例磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感實時焊縫跟蹤系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)框圖。圖2是圖I中磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是圖2中光碼盤的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述。參見圖1，本實施例的磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感實時焊縫跟蹤系統(tǒng)包括磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感器、焊槍和焊接電源組成的焊接系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、十字滑架和焊接小車以及驅(qū)動器組成的跟蹤執(zhí)行機構(gòu)。焊槍安裝在磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感器上，磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感器安裝在十字滑架上。參見圖2，磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感器包括勵磁電源I，勵磁電源I與勵磁線圈2連接，勵磁線圈2繞在兩個導(dǎo)磁鐵芯3上，從而在兩個導(dǎo)磁鐵芯3的下端產(chǎn)生一對磁極，焊槍4安裝于兩個導(dǎo)磁鐵芯3的中心線上，并且兩個導(dǎo)磁鐵芯3的下端這一對磁極位于焊接電弧5的兩側(cè)；導(dǎo)磁鐵芯3的上部中心柄6通過齒輪7與電機8連接并帶動導(dǎo)磁鐵芯3旋轉(zhuǎn)，在導(dǎo)磁鐵芯3的上部中心柄6的頂部水平安裝有一個光碼盤9。電機8通過齒輪7驅(qū)動導(dǎo)磁鐵芯3的上部中心柄4旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，驅(qū)動電弧5按一定的頻率和半徑旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)頻率和旋轉(zhuǎn)半徑通過勵磁電源I來調(diào)節(jié)，旋轉(zhuǎn)頻率范圍可達到5HZ-30HZ。從而掃描焊縫，得到焊縫橫向與高低偏差信息，通過裝在磁控電弧傳感器上的光碼盤進行掃描定位，將掃描的位置信號輸出給控制系統(tǒng)進行信號采集與處理，經(jīng)霍爾傳感器獲得焊接電流信號后，經(jīng)過濾波電路濾波放大后送入控制系統(tǒng)進行處理，控制系統(tǒng)通過驅(qū)動器即直流電機實時對絲桿螺母傳動的十字滑塊進行精確的高低左右位置移動，動作平穩(wěn)，從而進行焊縫跟蹤，完成自動化焊接。該系統(tǒng)焊接點即為偏差信號采集點，邊焊接邊跟蹤，實時性非常好。并且，旋轉(zhuǎn)磁場上裝有光碼盤，這樣可以得到相應(yīng)脈沖信號進行精確定位，為實時焊縫跟蹤提供了保障。本發(fā)明中，焊接小車控制焊槍按工作方向前進，焊槍隨焊接小車的移動與待焊工 件呈現(xiàn)一定的位置關(guān)系，通過焊槍上的磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感器測得旋轉(zhuǎn)電弧掃描焊縫的位置，從而獲得表征焊槍與焊縫相對位置的特征參數(shù)，經(jīng)霍爾傳感器獲得焊接電流信號后，送入控制系統(tǒng)進行數(shù)字濾波處理和相應(yīng)的程序運算，控制十字滑架等跟蹤執(zhí)行機構(gòu)適時調(diào)整焊槍，使焊槍與焊縫中心對準以實現(xiàn)焊縫跟蹤。圖2中，勵磁電源I的作用是產(chǎn)生頻率和幅值可調(diào)的激勵電流，光碼盤9通過脈沖整形和放大處理和光電隔離電路獲得內(nèi)圈和外圈的脈沖信號，脈沖信號的作用是確定采樣開始的位置，同時也可以得到測位測速脈沖及角位置的關(guān)系。焊接時，勵磁線圈I在勵磁電流的作用下，在兩個磁極之間產(chǎn)生交變的旋轉(zhuǎn)磁場，焊接電弧5在旋轉(zhuǎn)的磁場作用下按一定的規(guī)律旋轉(zhuǎn)，從而掃描焊縫，用霍爾傳感器采集焊接電流的變化規(guī)律就能得到焊縫的偏差/[目息。參見圖3，是光碼盤的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明中采用光碼盤進行精確定位，以一個光耦測定旋轉(zhuǎn)一周的起點，另一個光耦檢測當(dāng)前位置相對起點已超過的分度數(shù)，這樣只需兩個光耦和兩圈刻齒。其外圈銑出90個矩形齒，當(dāng)電機運轉(zhuǎn)時，齒形將交替地阻擋和允許由發(fā)光管通往光敏接收管的光路，光敏管則輸出一串脈沖信號，即稱分度脈沖信號。光碼盤的內(nèi)圈只打一個孔作為起點標志，只有當(dāng)該孔轉(zhuǎn)到光耦管的位置時，光路才暢通，光敏三極管輸出一個脈沖，即起點脈沖。本實施例的旋轉(zhuǎn)磁場是一對磁極的對稱結(jié)構(gòu)，也可以通過增加磁極個數(shù)來加以改進，為后續(xù)開發(fā)性能更穩(wěn)定和精度更高的裝置提供方便。本發(fā)明適用于TIG焊以及熔化極氣體保護焊，如C02、MAG、MIG等。本發(fā)明適用于V型或角焊縫等。
權(quán)利要求
1.一種磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感實時焊縫跟蹤系統(tǒng)，包括沿工作方向行進的焊接小車，固連于焊接小車上的十字滑架，焊槍安裝于十字滑架上并通過十字滑架調(diào)節(jié)其高低左右位置；控制系統(tǒng)通過驅(qū)動器分別與焊接小車和十字滑架連接，焊接電源與焊槍和霍爾傳感器連接，霍爾傳感器將采集到的焊接電流信號通過信號采集電路和信號處理電路傳輸給控制系統(tǒng)；其特征在于所述焊槍直接安裝于一個磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感器上，磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感器安裝于十字滑架上，焊接電弧位于磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的中心，使磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感器產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場帶動焊接電弧按一定的頻率掃描焊縫，磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感器將掃描得到的焊縫位置信息傳輸給控制系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感實時焊縫跟蹤系統(tǒng)，其特征在于所述磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感器包括勵磁電源，勵磁電源與勵磁線圈連接，勵磁線圈繞在兩個導(dǎo)磁鐵芯上而產(chǎn)生一對磁極，所述焊槍安裝于兩個導(dǎo)磁鐵芯的中心線上，并且該對磁極位于焊接電弧的兩側(cè)；導(dǎo)磁鐵芯的上部中心柄通過齒輪與電機連接并帶動導(dǎo)磁鐵芯旋轉(zhuǎn)，在導(dǎo)磁鐵芯的上部中心柄的頂部水平安裝有一個光碼盤，光碼盤將掃描到的焊縫位置脈沖信號傳輸給控制系統(tǒng)。
3.一種基于權(quán)利要求I所述磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感實時焊縫跟蹤系統(tǒng)的跟蹤方法，其特征在于焊接小車控制焊槍按工作方向前進，焊槍隨焊接小車的移動與待焊工件呈現(xiàn)一定的位置關(guān)系，通過焊槍上的磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感器測得旋轉(zhuǎn)電弧掃描焊縫的位置，從而獲得表征焊槍與焊縫相對位置的特征參數(shù)；經(jīng)霍爾傳感器獲得焊接電流信號后，送入微機系統(tǒng)進行數(shù)字濾波處理和相應(yīng)的程序運算，控制系統(tǒng)控制驅(qū)動器驅(qū)動十字滑架，適時調(diào)整焊槍高低左右位置，使焊槍與焊縫中心對準以實現(xiàn)焊縫跟蹤，完成自動化焊接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感實時焊縫跟蹤系統(tǒng)的跟蹤方法，其特征在于所述焊槍直接安裝在磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感器上，焊接點即為信號采集點，通過電機帶動齒輪驅(qū)使磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的磁場旋轉(zhuǎn)，焊槍不旋轉(zhuǎn)，從而在旋轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生運動的磁場，達到控制電弧旋轉(zhuǎn)的目的，旋轉(zhuǎn)電弧掃描焊縫，通過裝在磁控電弧傳感器上的光碼盤進行掃描定位，將掃描的位置信號輸出給微機系統(tǒng)進行信號采集與處理。
全文摘要
本發(fā)明屬于焊接自動控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感實時焊縫跟蹤系統(tǒng)及方法。本發(fā)明的技術(shù)要點是把磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感器應(yīng)用于焊縫自動跟蹤，對焊接電弧施加旋轉(zhuǎn)磁場，使焊接電弧按照一定的頻率掃描焊縫，從而獲得表征焊槍與焊縫相對位置的特征參數(shù)，經(jīng)霍爾傳感器獲得焊接電流信號后，送入控制系統(tǒng)進行數(shù)字濾波處理和相應(yīng)的程序運算，控制跟蹤執(zhí)行機構(gòu)進行適時調(diào)整焊槍，使焊槍與焊縫中心對準以實現(xiàn)焊縫跟蹤。本發(fā)明實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤的要求，焊槍直接安裝在磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感器上，無前置和后置問題，具有實時性好，成本低，穩(wěn)定性和精度高的特點。
文檔編號B23K9/127GK102848052SQ20121036344
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月26日
發(fā)明者洪波, 陽佳旺, 何榮拓, 劉湘 申請人:湘潭大學(xué)