专利名称：熔化极气体保护焊送丝机构性能的测试装置与测试方法
技术领域：
本发明涉及材料加工技术，更加具体地说，涉及熔化极气体保护焊送丝机构性能的测试装置和测试方法。
背景技术：
随着焊接技术的不断发展，手工焊的比重逐渐下降，半自动化、自动化焊接方法的比重逐渐增大，尤其是CO2气体保护焊、MIG焊、MAG焊等高效的熔化极气体保护焊(GMAW)正越来越得到大面积的推广应用。 半自动化、自动化焊中使用的主要焊接设备是焊接电源和送丝机构，其中送丝机构主要由送丝机、焊枪、送丝软管等部分组成。多年来的焊接生产实践表明，优异的焊接质量要求送丝机构必须具有较强的抗干扰能力，能够在送丝过程中保证焊丝不变形、阻力尽量小；在网压和送丝阻力变化等情况下能够保证送丝速度在允许的范围内变化，且送丝速度在一定范围内能够实现无级调速。对于半自动化、自动化熔化极气体保护焊，多采用平外特性或缓降外特性焊接电源配以等速送丝机构，利用电弧自身调节作用来保持弧长稳定，且焊接电流由送丝速度调节的，送丝速度的变化将影响电弧静特性曲线、电源外特性曲线的位置，进而影响电弧自身调节的灵敏度以及系统误差，因此，送丝的不稳定性不仅会引起焊接参数、电弧状态发生剧烈波动，而且会造成焊丝熔化和熔滴过渡过程的不稳定，使焊缝缺陷出现的频率增大。实际应用中，当焊丝从焊丝盘上抽取的时候会产生阻力，无论是拉丝还是推丝方式，当焊丝经过送丝软管或者绝缘支架时都会产生进给阻力和摩擦力，而且焊丝从焊丝盘到焊点之间的距离越长，送丝阻力越大。这些阻力和摩擦力都呈现出严重的非线性，难以进行测量，加之电网电压波动较大，外界环境干扰因素普遍存在，这些因素都容易造成送丝速度不稳定。
发明内容
本发明针对常规的GMAW送丝机构，提出了熔化极气体保护焊等速送丝机构的性能测试装置和测试方法，尤其对送丝机构的动态性能测试设计了较完善的测试装置与测试方法，在保证对送丝机构静态性能进行测试的情况下，对动态性能做出适当、准确的评价，完善送丝机构性能测试标准，综合评价送丝机构对焊接过程(焊接电流和电压)的影响，保证焊缝性能。本发明的目的通过下述技术方案予以实现熔化极气体保护焊送丝机构性能的测试装置由两部分组成机械部分和信号采集处理部分。其中，机械部分包括加力测速装置和测试平台；信号采集处理部分包括信号采集卡、信号传输线、计算机(配有数据处理软件)等。所述机械部分包括加力测速装置和测试平台。所述加力测速装置由加力轮、从动送丝滚轮、测速编码器、衔铁、电磁铁、测力传感器和联轴器组成，其中所述测力传感器固定在外壳的底部，所述电磁铁与测力传感器的顶部相连；在外壳之外，第一联动轴上面设置有联轴器和测速编码器，在外壳之内，第一联动轴上设置有连动臂和从动送丝滚轮，所述连动臂和第一联动轴之间存在装配间隙，以便连动臂能够上下运动；所述从动送丝滚轮和第一联动轴紧固连接，以实现第一联动轴随从动送丝滚轮的同步旋转运动；所述连动臂的下端与衔铁固定连接，上端通过第二联动轴与加力轮紧固连接；所述加力轮与从动送丝滚轮之间无间隙，焊丝从这两轮之间通过。电磁铁、测力传感器与测速编码器都有单独的电源供电。在加力测速装置组装的过程中，要保证入丝口、出丝口与从动送丝滚轮槽对中；电磁铁与衔铁间要留有间隙，以便通过电磁作用将衔铁吸下来，来实现加力轮对送丝的加力，需要注意的是电磁铁与衔铁之间的间隙需要连动臂和第一联动轴之间的间隙配合(选择相同或者相近的距离)，以实现磁力吸附时，连动臂能够带动加力轮对送丝进行力学作用。加力测速装置工作原理为焊丝从加力测速装置的从动送丝滚轮与加力轮之间穿过进入送丝机，且从动送丝滚轮与加力轮表面制作有与普通普通送丝机内的送丝滚轮类似 的凹槽(从动送丝滚轮与加力轮也可直接采用普通送丝机的与焊丝直径合适匹配的送丝滚轮)，保证焊丝运动方向的稳定；在送丝之前调节送丝机速度，并保持恒速，此时从动送丝滚轮与加力轮之间只有加力轮自重产生的压力，此压力很小，对送丝速度基本无影响。在某一时刻给电磁铁通电，电磁铁吸引与加力轮相连的衔铁，使加力轮与从动送丝滚轮间的焊丝受到一个正压力，使送丝速度发生变化。测速编码器与从动送丝滚轮联动，编码器输出信号通过采集电路传输至计算机，用于实测送丝速度。所述测试平台设置有用于固定被测送丝机的承重板和定位板，以使送丝机与加力测速装置处于同一平面，使得测量方便稳定。所述信号采集处理部分包括信号采集卡、信号传输线、计算机(配有数据处理软件)等，其中所需处理的信号主要是测速编码器的输出信号。所述信号采集卡的采集频率要大于150KHZ，以保证能够采集足够多的信号点，使所测数据能够精确的反应送丝速度变化。所述测力传感器输出的电压信号值与所测力值成正相关，用合适的电压表来测量此测力传感器的输出电压信号，确定电磁铁的吸力大小。所述测速编码器通过联轴器与从动送丝滚轮轮轴相连，实现与从动送丝滚轮的同轴同步旋转，以实现实时测试送丝速度的目的；其输出信号通过信号采集卡传输到计算机，通过软件Labview、origin对输入信号进行处理,便可获得送丝速度一时间曲线。对传感器及电器件的要求测速编码器分辨率要求不小于1024脉冲/转，以保证测速编码器的输出信号足够密集，能更精确的反映送丝速度随时间的变化；测力传感器精度等级要求不小于O. 03,灵敏度最好大于2mV/V。测速编码器输出为脉冲方波信号，在Labview软件中设定采集频率与阈值。通过将测速编码器的输出信号与设定阈值电压进行比较，找到每个周期上升沿并计算出每个方波周期T，编码器每个脉冲周期都对应一个确定的旋转角度，因而也就对应一个确定的焊丝行进距离S，该行进距离除以脉冲周期即为该脉冲周期的焊丝速度V，即V= (S/T) X60m/min0 S为编码器两脉冲间焊丝行进的距离，只与加力测速装置机械结构和编码器类型有关，在使用过程中保持不变。熔化极气体保护焊送丝机构性能的测试方法，分为两种情况下进行测试和分析
(I)无外部干预情况下，在对熔化极气体保护焊送丝机构等速送丝的稳定性进行测试时，将加力测速装置分别放置于焊枪出口处和送丝机入口处(此时电磁铁不通电)，分别检测焊枪出口处和送丝机入口处送丝速度随时间的变化，并与设定的送丝速度进行比较，计算获得焊枪出口处和送丝机入口处送丝速度的方差或标准差，用以评价送丝软管、焊枪及其它送丝机构部件对送丝速度的固有影响。对于不同送丝机构在无外部干预下动态性能的比较，可以分别计算出其焊枪出口处与送丝机入口处送丝速度的方差，若不同送丝机构在送丝机入口处的方差相等，则可通过比较焊枪出口处的方差来比较不同送丝机构的动态性能，且焊枪出口处送丝速度的方差越小，则送丝机构的送丝稳定性越好；若不同送丝机构在送丝机入口处的方差不等，则分别求出不同送丝机构在焊枪出口处与送丝机入口处的方差的差值ΛΕ, ΛΕ越小，则送丝软管、焊枪及其它送丝机构部件对焊丝运动的阻碍越小，送丝机构的送丝稳定性越好。(2)在对熔化极气体保护焊送丝机构抗外界干扰能力测试时，焊丝首先穿过加力测速装置，再经送丝机带动送进；在焊丝稳定送进后的某一时刻，给电磁铁通电，即向运动的焊丝施加一阶跃正压力，形成对焊丝的运动阻力，此阻力来自于电磁铁等产生的正压力导致的送丝滚轮与焊丝之间增加的摩擦力；同时，对这一阻力所引起的送丝速度变化运用测速编码器、信号采集卡进行采集，将所采集的信号存储至计算机中，对这些信号进行分析处理，获得送丝速度一时间曲线，用以评价该送丝机构的动态性能。施加的阻力可由电磁铁的吸力、衔铁和加力轮的自重以及摩擦因数确定。摩擦因数可通过实验确定，在正常情况下基本保持不变。存在外部干预时，本发明对熔化极气体保护焊送丝机构动态性能进行测试的性能评价指标如下所述本测试过程是在焊丝稳定送进的过程中施加一阶跃力信号，并通过实测速度-时间曲线对送丝机动态性能进行分析评价；从所测曲线可知送丝机构为类似一阶系统的时间响应，因此送丝机构动特性的相关性能指标按照一阶系统来定。由自动控制原理可知，系统的时间响应分为暂态响应与稳定响应。暂态响应随时间增长而趋于稳定的那部分响应。只对稳定系统才有意义，它与输入无关，仅取决于系统的结构参数。稳态响应指时间趋于无穷大时的响应，它直接和系统输入信号有关，并且持续时间与输入作用存在的时间一样长。存在外部干预下，熔化极气体保护焊送丝机构动态性能标价指标的图解如图6所示，采用性能评价指标①暂态响应过程中选取送丝速度下降的峰值到恢复至稳态值95%左右的速度范围的反应时间T作为送丝机构动态品质衡量指标,T越小,系统快速性越好,动态品质越高。将T分为两个等级T〈0. 3s时动态品质好，T>0. 7s时动态品质较差；②稳态响应过程选取稳态误差ess作为送丝机构稳定精度评定指标，ess越小，系统稳态精度越高。将ess分为两个标准ess〈0. 5%时稳态精度高，ess>3%时稳态精度较差；③将受阻力过程中速度下降最大值与稳态速度值的差值与稳定速度值进行相比，其比值E作为送丝机构稳定性评定指标，E越小，系统稳定性越好。将E分为两个标准E〈10%时稳定性好，E>20%时稳定性较差。与现有技术相比，本发明公开了熔化极气体保护焊送丝机构性能的测试装置与测试方法，其装置可实时检测送丝速度的变化，并可通过采集的信号分别考察无外部干预情况下和施加外部干预情况下的送丝稳定性当焊丝处于稳定送进过程，即无网压波动等外部干预因素存在的情况下，利用测速装置对焊枪出口处和送丝机入口处的焊丝送进速度进行测量，并与设定的送丝速度进行比较获得的送丝速度的方差或标准差等参量，可以充分的说明送丝机与送丝软管、焊枪及其它送丝机构部件对送丝速度的影响，评价送丝机构的送丝稳定性。当焊丝处于稳定送进过程中时，在某一时刻通过电磁铁、测力传感器等加压装置对焊丝的送进产生一确定的阻力，模拟实际送丝过程中因外界干预因素引起送丝速度变化的阻力，并绘制送丝速度一时间曲线，计算得到送丝机构动态性能评价指标，以此来说明此阻力对送丝速度的影响，研究送丝机构抗外界干扰的能力，评价送丝机构的动态性能。
图I熔化极气体保护焊送丝机构性能的测试原理图2加力测速装置的实物照片 图3加力测速装置剖面图，其中(I)为实物照片正面的剖面图，(2)为沿A — A方向的剖面图，各个部件和数字标号如下1为加力轮，2为从动送丝滚轮，3为间隙、4为衔铁，5为电磁铁，6为连动臂，7为联轴器，8为测速编码器，9为测力传感器，10为外壳图4焊枪出口处与送丝机入口处的送丝速度-时间曲线图5焊枪出口处与送丝机入口处送丝速度的方差图6存在外部干预下送丝机构动态性能评价指标图解图7A、B送丝机构的送丝速度-时间曲线(被施加正压力221.67幻，其中(&)八送丝机构送丝速度-时间曲线，(b) B送丝机构送丝速度-时间曲线图8送丝速度-时间、电压-时间和电流-时间曲线，其中(a)4s至8s的曲线图，(b) (a)图中6. 5s至7. 7s的放大曲线
具体实施例方式下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。其中测速编码器ES38(50系列)；测力传感器STC — 50KG ;电磁铁HCNE1—P80 ;信号采集卡研华USB — 4711数据采集模块。如附图I一3所示，熔化极气体保护焊送丝机构性能的测试装置由两部分组成机械部分和信号采集处理部分。其中，机械部分包括加力测速装置和测试平台；信号采集处理部分包括信号采集卡、信号传输线、计算机(配有数据处理软件)等。所述机械部分包括加力测速装置和测试平台。所述加力测速装置由加力轮I、从动送丝滚轮2、测速编码器8、衔铁4、电磁铁5、测力传感器9和联轴器7组成，其中所述测力传感器9固定在外壳10的底部，所述电磁铁5与测力传感器9的顶部相连；在外壳之外，第一联动轴(图中未标序号)上面设置有联轴器7和测速编码器8，在外壳之内，第一联动轴上设置有连动臂6和从动送丝滚轮2，所述连动臂6和第一联动轴之间存在装配间隙3，以便连动臂能够上下运动；所述从动送丝滚轮2和第一联动轴紧固连接，以实现第一联动轴随从动送丝滚轮的同步旋转运动；所述连动臂的下端与衔铁固定连接，上端通过第二联动轴与加力轮紧固连接；所述加力轮I与从动送丝滚轮2之间无间隙，焊丝从这两轮间通过。电磁铁、测力传感器与测速编码器都有单独的电源供电。焊丝从加力测速装置的从动送丝滚轮2与加力轮I之间穿过进入送丝机，从动送丝滚轮2与加力轮I表面制作有与普通送丝机内的送丝滚轮类似的凹槽(从动送丝滚轮2与加力轮I也可直接采用普通送丝机的与焊丝直径合适匹配的送丝滚轮)，保证焊丝的运动方向的稳定；在送丝之前调节送丝机速度，并保持恒速，此时从动送丝滚轮2与加力轮I之间只有加力轮自重产生的压力，此压力很小，对送丝速度基本无影响。在某一时刻给电磁铁通电，电磁铁吸引与加力轮相连的衔铁，使加力轮与从动送丝滚轮间的焊丝受到一个正压力，使送丝速度发生变化。测速编码器与从动送丝滚轮联动，编码器输出信号通过采集电路传输至计算机，用于实测送丝速度。对某一送丝机构设定送丝速度4m/min，实测所得焊枪出口处与送丝机入口处焊丝送进速度-时间曲线如图4所示，计算所得焊枪出口处与送丝机入口处送丝速度的方差如图5所示。可以看出，送丝机入口处送丝速度的波动小于焊枪出口处的，且送丝机入口处的方差也小于焊枪出口处的，这主要是送丝机构的组成部分如送丝软管、焊枪等与焊丝之间的摩擦，造成焊丝在送丝软管以及焊枪内送进时产生“波浪运动”，使得送丝速度发生波动。·选取A、B两种送丝机构分别测试，并设定送丝速度为6m/min，信号采集卡频率为150KHZ ;在送丝速度稳定后施加正压力221. 67N,通过Labview软件获得A、B两种送丝机构的送丝速度一时间曲线，如图7所示。从此图可以计算得A送丝机构的动态性能指标T=O. 14528s,ess=0. 334%、Ε=18· 0038%，B 送丝机构的动态性能指标 T=O. 0434s,ess=0. 1292%、E=7. 0623%，B送丝机构的动态性能优于A送丝机构的。为了表明送丝机构动态性能对焊接过程的影响，即送丝速度不稳定对焊接电流和电弧电压的影响，本发明对某熔化极气体保护焊送丝机构的送丝速度、焊接电流和电弧电压进行了同步采集。设定送丝速度6.5m/min，信号采集频率为150KHZ ;在送丝速度稳定后施加正压力237. 35N，通过Labview软件获得送丝速度一时间、电流一时间与电压一时间曲线如图8所示(其中(a)图为4s至8s的曲线图，(b)图为(a)图中6. 5s至7. 7s的放大曲线图)，从此图可以看出送丝机构受到外界干预造成送丝速度不稳定时，会使得焊接电流、电弧电压也相应的发生波动，造成焊接过程不稳定，送丝机构动态性能的品质对焊接稳定性具有重要的影响。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
权利要求
1.熔化极气体保护焊送丝机构性能的测试装置，由机械部分和信号采集处理部分组成，其特征在于，所述机械部分包括加力测速装置和测试平台所述加力测速装置由加力轮、从动送丝滚轮、测速编码器、衔铁、电磁铁、测力传感器和联轴器组成，其中所述测力传感器固定在外壳的底部，所述电磁铁与测力传感器的顶部相连；在外壳之外，第一联动轴上面设置有联轴器和测速编码器，所述测速编码器通过联轴器和第一联动轴与从动送丝滚轮轮轴相连，实现与从动送丝滚轮的同轴同步旋转，以实现实时测试送丝速度的目的；在外壳之内，第一联动轴上设置有连动臂和从动送丝滚轮，所述连动臂和第一联动轴之间存在装配间隙，以便连动臂能够上下运动；所述从动送丝滚轮和第一联动轴紧固连接，以实现第一联动轴随从动送丝滚轮的同步旋转运动；所述连动臂的下端与衔铁固定连接，上端通过第二联动轴与加力轮紧固连接；所述加力轮与从动送丝滚轮之间无间隙，焊丝从这两轮之间通过；所述测试平台设置有用于固定被测送丝机的承重板和定位板，以使送丝机与加力测速装置处于同一平面，使得测量方便稳定； 所述信号采集处理部分包括信号采集卡、信号传输线、计算机，其中所述信号采集卡通过信号传输线分别与测力传感器、测速编码器相连，采集压力和速度信号，然后通过信号传输线将信号传输给计算机，以获得送丝速度一时间曲线。
2.根据权利要求I所述的熔化极气体保护焊送丝机构性能的测试装置，其特征在于，所述电磁铁与衔铁间要留有间隙，以便通过电磁作用将衔铁吸下来，来实现加力轮对送丝的加力，电磁铁与衔铁之间的间隙需要连动臂和第一联动轴之间的间隙配合，可选择相同或者相近的距离，以实现磁力吸附时，连动臂能够带动加力轮对送丝进行力学作用。
3.根据权利要求I所述的熔化极气体保护焊送丝机构性能的测试装置，其特征在于，所述信号采集卡的采集频率要大于150KHZ，以保证能够采集足够多的信号点，使所测数据能够精确的反应送丝速度变化；测速编码器分辨率要求不小于1024脉冲/转，以保证测速编码器的输出信号足够密集，能更精确的反映送丝速度随时间的变化；测力传感器精度等级要求不小于O. 03,灵敏度大于2mV/V。
4.熔化极气体保护焊送丝机构性能的测试方法，其特征在于，无外部干预情况下，在对熔化极气体保护焊送丝机构等速送丝的稳定性进行测试时，将加力测速装置分别放置于焊枪出口处和送丝机入口处，分别检测焊枪出口处和送丝机入口处送丝速度随时间的变化，并与设定的送丝速度进行比较，计算获得焊枪出口处和送丝机入口处送丝速度的方差或标准差，对于不同送丝机构在无外部干预下动态性能的比较，可以分别计算出其焊枪出口处与送丝机入口处送丝速度的方差或标准差，若不同送丝机构在送丝机入口处的方差或标准差相等，则可通过比较焊枪出口处的方差或标准差来比较不同送丝机构的动态性能，且焊枪出口处送丝速度的方差或标准差越小，则送丝机构的送丝稳定性越好；若不同送丝机构在送丝机入口处的方差或标准差不等，则分别求出不同送丝机构在焊枪出口处与送丝机入口处的方差或标准差的差值ΛΕ, ΛE越小，则送丝软管、焊枪等对焊丝运动的阻碍越小，送丝机构的送丝稳定性越好。
5.熔化极气体保护焊送丝机构性能的测试方法，其特征在于，在对熔化极气体保护焊送丝机构抗外界干扰能力测试时，焊丝首先穿过加力测速装置，再经送丝机带动送进；在焊丝稳定送进后的某一时刻，给电磁铁通电，即向送丝过程施加一阶跃阻力值，此稳定阻力值可通过电磁铁等产生的正压力F与滑动摩擦系数μ获得；同时，对这一稳定阻力值所引起的送丝速度变化运用测速编码器、信号采集卡进行采集，将所采集的信号存储至计算机中，获得送丝速度一时间曲线，进而确定反应时间T、稳态误差ess和速度比值E，其中送丝速度下降的峰值到恢复至稳态值95%左右的速度范围的时间为反应时间T，稳态速度与外力作用前的初始速度之差为稳态误差ess，受阻力过程中速度下降最大值与稳态速度值的差值与稳定速度值的比值为速度比值E。
6.根据权利要求5所述的熔化极气体保护焊送丝机构性能的测试方法，其特征在于，反应时间T越小，系统快速性越好，动态品质越闻，T〈0. 3s时动态品质好；稳态误差ess越小，系统稳态精度越高，ess〈0. 5%时稳态精度高；速度比值E越小，系统稳定性越好，E〈10%时稳定性好。
全文摘要
本发明公开了熔化极气体保护焊送丝机构性能的测试装置和测试方法，装置包括机械部分和信号采集处理部分，机械部分包括加力测速装置和测试平台；信号采集处理部分包括信号采集卡、信号传输线、计算机等。与现有技术相比，本发明的装置可实时检测压力和速度的变化，并可通过采集的信号分别考察无外部干预情况下和施加外部干预下的送丝稳定性，在保证对送丝机构静态性能进行测试的情况下，对动态性能做出适当、准确的评价，完善送丝机构性能测试标准，综合评价送丝机构对焊接过程(焊接电流和电压)的影响，保证焊缝性能。
文档编号G01M13/00GK102944401SQ20121045272
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月12日 优先权日2012年11月12日
发明者杨立军, 王小博, 毕超, 焦娇 申请人:天津大学