专利名称：核电j型接头焊接复杂曲面跟踪方法
技术领域：
本发明涉及的是一种核电J型接头焊接复杂曲面跟踪方法，属于金属焊接技术领域。
背景技术：
目前焊接复杂曲面的跟踪有采用机器人示教、视觉传感跟踪等方法，由于多层焊焊缝引起轨迹的波动，该轨迹方程很难描述，同时示教或视觉传感过程复杂，需要较长的处理时间。这些方法在核电J型接头焊接复杂曲面跟踪上均存在局限性。J型接头是控制棒驱动机构的驱动管座与核反应堆压力容器相联接的焊接接头，其焊接质量关系到核反应堆压力容器的安全性。控制棒驱动管座数量多，对于600MW的核反应堆，封头上有37个管座，而1000MW的有64个，管座排布密集、焊接时操作空间小，对于不同位置的管座与封头的交贯线形状各不相同。
关于J型接头的焊接跟踪，法国普利苏德有限公司(POLYSOUDE)公司为法国法马通有限公司(Framatome ANP)提供过J型接头专用焊接装备，该公司生产的J型接头焊接专机中采用视频摄像头、弧长调节机构、摆动机构和旋转机构实现跟踪，但是该设备系统复杂，安装了摄像机对焊接过程进行视频监视跟踪，同时其造价昂贵。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种核电J型接头焊接复杂曲面跟踪方法，使其实现整个电弧长度范围内的任意高度位置的跟踪，结合位置传感在伺服机构的驱动下实现管子与球面封头相交形成的交贯曲面焊接跟踪，使用方法简单、操作简便。
本发明是通过如下技术方案实现的，本发明通过实施时检测焊接电压、电流和数控位置参数，与参数电弧电压设定值和管子周向位置角度设定的参数值比较，并结合PID(比例、积分、微分)控制器调节伺服机构的快速响应和运动，实现管子与球面相交形成的不同高度复杂交贯曲面的跟踪。
本发明具体步骤包括(1)检测TIG(钨极惰性气体保护焊)电源的电压、电流输出信号和工件位置信号零点，以设定的焊接速度启动管子周向回转与轴向平移的双伺服机构运动；(2)比较被测电弧电压值与设定的电弧电压参数值之间的差值，以及位置编码参数与管子周向位置角度设定的参数值之间的差值分别启动比例、积分、微分(PID)控制器；(3)通过双伺服机构和PLC(可编程控制器)设定合适的积分参数，和动态调整比例、微分参数实现电弧电压信号和管子周向位置信号的快速响应，双伺服电机驱动升降机构与回转机构，并完成管子与球面封头交贯形成的复杂曲面轨迹的跟踪，根据被测电弧电压与设定的参数值之间的差值，伺服电机运动始终采用比例、积分、微分调节，并保持稳定焊接。
步骤(1)中，所述的检测钨极惰性气体保护焊焊机的电压、电流输出信号，具体操作为采用霍尔传感器对焊接电压、电流信号进行隔离采样，并对信号实现线性放大，与可编程控制器内的设定的电弧电压参数值、管子周向位置角度设定的参数值比较，对比较产生的差值信号采用比例、积分、微分运算环节进行处理，焊接与位置信号经过上述环节的处理反映焊枪运行过程的位置。
步骤(1)中，所述的以设定的焊接速度启动管子周向回转与轴向平移的双伺服机构运动，具体实现为首先对PID控制环节进行整定，整定方法为固定比例、积分、微分三个设定参数中的任意两个参数，实验得到第三个参数对焊接电弧电压波动的影响，使实际测量的电弧电压与设定电弧电压值间的差值最小；而后，设定PID控制环节的比例、积分、微分三个参数，并通过比较上述三个设定参数下的焊接电弧电压稳定性为判别依据；最后进行焊接跟踪，具体过程为，依据检测到的电流信号，启动双伺服电机，同时检测电弧电压信号，其后计算该信号与设定的电弧电压参数值的差值，并利用PID控制环节驱动双伺服电机满足电弧电压围绕设定的电弧电压参数值波动，同样检测位置编码参数，计算位置编码参数与管子周向位置角度设定值差值，并利用PID控制环节驱动双伺服电机满足回转运动速度稳定，实现升降与回转合成运动。
步骤(3)具体实现为当被测量的电弧电压大于设定的电弧电压参数值时，伺服电机驱动升降机构向下运动，而当被测量电弧电压小于设定的电弧电压参数值时，伺服电机驱动升降机构向上运动；同样，采样位置编码参数与管子周向位置角度设定值比较，当两者不同时，伺服电机驱动回转机构匀速运动，当两者相同时，伺服电机驱动回转机构变速运动；伺服电机驱动回转机构运动，具体依据位置编码参数与管子周向位置角度设定值比较差值的正负决定回转运动的速度上升或下降，当被测位置编码参数与管子周向位置角度设定值比较差值为正时，速度下降，反之速度上升；双伺服电机驱动升降机构与回转机构可以实现复杂交贯曲面的焊接跟踪。
本发明采用霍尔传感器对焊接电压、电流信号进行隔离采样，并对信号实现线性放大，与可编程控制器内的设定的电弧电压参数值比较，对比较产生的差值信号采用PID运算环节进行处理，焊接与位置信号经过上述环节的处理，可实现与可编程控制器的直接输入，并驱动双伺服机构跟踪复杂曲面。
本发明具有实质性特点和显著进步，本发明利用焊接本身的特征参数和结构位置参数，实现了J型接头焊接复杂曲面跟踪，同时对多层焊接具有广泛的适应性；使用方法简单，操作简便，实验重现性好，由于提取了焊接电弧的相关电压、电流信号，可以在跟踪过程修正多层焊焊缝表面的起伏不平；同时采取了电气隔离，可以适用高频、短路等引弧方式。
图1核电J型接头剖面图具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
复杂曲面由管子外径Φ＝100mm，与球面封头内半径R＝1938mm交贯形成，管子轴线与球面切向的夹角为40～90°，形成的交贯面的形状、轨迹不同。如考虑球面半径远远大于管子外径，局部可以近似为管子与斜板的交管，如图1所示，驱动管座为镍基材料，球面封头为低合金钢，表面为不锈钢堆焊隔离层，焊缝为多层多道焊。采用填丝钨极惰性气体保护焊，焊接速度为50～180mm/min，焊接电压11.5v，焊接平均电流120A。
具体焊接跟踪过程为(1)检测钨极惰性气体保护焊电源的电压、电流输出信号和工件位置信号零点，0.5～1.0秒后，以设定的120mm/min的焊接速度启动管子周向回转伺服机构运动，以PID控制器启动轴向平移的伺服机构运动；(2)经隔离、放大的测试的电压为0.35V，电流10mA；焊接时因焊缝表面与曲面形状的变化，实际电弧电压测量值围绕0.35v设定的参数值波动；比较被测量值与电弧电压设定值之间的差值，以及位置编码参数与管子周向角度设定值之间的差值分别启动PID控制器，控制器给定积分控制参数I＝0.005、比例参数P＝0.08、微分参数D＝0.003；(3)通过双伺服机构和可编程控制器设定上述PID参数实现复杂曲面轨迹的快速响应与跟踪，在焊接速度为120mm/min，焊接电压11.5v，焊接平均电流120A的情况下，管子轴线与球面切向的夹角为40°的情况下可以很好实现复杂曲面跟踪，焊接过程稳定；随着夹角增大，跟踪精度提高，焊接过程波动减小，如90°角时焊接跟踪的电压波动小于0.1v。
权利要求
1.一种核电J型接头复杂曲面焊接跟踪方法，其特征在于，具体步骤如下(1)检测钨极惰性气体保护焊电源的电压、电流输出信号和工件位置信号零点，以设定的焊接速度启动管子周向回转与轴向平移的双伺服机构运动；(2)比较被测电弧电压值与设定的电弧电压参数值的差值，以及位置编码参数与管子周向位置角度设定的参数值之间的差值分别启动PID控制器；(3)通过双伺服机构和可编程控制器设定积分参数，和动态调整比例、微分参数实现电弧电压信号和管子周向位置信号的快速响应，并完成由管子与球面封头交贯形成的复杂曲面轨迹的跟踪，伺服电机运动根据被测电弧电压与设定的电弧电压参数值之间的差值，始终采用PID调节，并保持稳定焊接。
2.根据权利要求1所述的核电J型接头复杂曲面焊接跟踪方法，其特征是，步骤(1)中所述的检测钨极惰性气体保护焊焊机的电压、电流输出信号，具体操作为采用霍尔传感器对焊接电压、电流信号进行隔离采样，并对信号实现线性放大，与可编程控制器内设定的电弧电压参数值、管子周向位置角度设定的参数值比较，对比较产生的差值信号采用PID运算环节进行处理，焊接与位置信号经过上述环节的处理反映焊枪运行过程的位置。
3.根据权利要求1所述的核电J型接头复杂曲面焊接跟踪方法，其特征是，步骤(1)中所述的以设定的焊接速度启动管子周向回转与轴向平移的双伺服机构运动，具体实现为首先对PID控制环节进行整定，整定方法为固定比例、积分、微分三个设定参数中的任意两个参数，实验得到第三个参数对焊接电弧电压波动的影响，使实际测量的电弧电压与设定电弧电压值间的差值最小；而后，设定PID控制环节的比例、积分、微分三个参数，并通过比较上述三个设定参数下的焊接电弧电压稳定性为判别依据；最后进行焊接跟踪，具体过程为，依据检测到的电流信号，启动双伺服电机，同时检测电弧电压信号，其后计算该信号与设定的电弧电压参数值的差值，并利用PID控制环节驱动双伺服电机满足电弧电压围绕设定的电弧电压参数值波动，实现升降与回转合成运动。
4.根据权利要求1所述的核电J型接头复杂曲面焊接跟踪方法，其特征是，所述的步骤(3)，具体实现为当被测量的电弧电压大于设定的电弧电压参数值时，伺服电机驱动升降机构向下运动，而当被测量电弧电压小于设定的电弧电压参数值时，伺服电机驱动升降机构向上运动；同样，采样位置编码参数与管子周向位置角度设定的参数值比较，当两者不同时，伺服电机驱动回转机构匀速运动，当两者相同时，伺服电机驱动回转机构变速运动；双伺服电机驱动升降机构与回转机构实现复杂交贯曲面的焊接跟踪。
5.根据权利要求4所述的核电J型接头复杂曲面焊接跟踪方法，其特征是，所述伺服电机驱动回转机构运动，具体依据位置编码参数与管子周向位置角度设定值比较差值的正负决定回转运动速度上升或下降，当被测位置编码参数与管子周向位置角度设定值比较差值为正时，速度下降，当被测位置编码参数与管子周向位置角度设定值比较的差值为负时，速度上升。
全文摘要
一种核电J型接头焊接复杂曲面跟踪方法，属于金属焊接技术领域。本发明方法具体为检测钨极惰性气体保护焊电源的电压、电流输出信号和工件位置信号零点，以设定焊接速度启动管子周向回转与轴向平移的双伺服机构运动；比较被测电弧电压值与设定的电弧电压参数值的差值和位置编码参数与管子周向位置角度设定的参数值之间的差值分别启动PID控制器；通过双伺服机构和可编程控制器设定积分，比例、微分参数实现电弧电压和管子周向位置信号快速响应，并完成复杂曲面轨迹的跟踪，伺服电机运动始终采用PID调节，保持稳定焊接。本发明可跟踪复杂曲面，对多层焊接有广泛适应性，使用方法简单，实验重现性好，并适用于高频、短路等引弧方式。
文档编号B23K9/095GK1974100SQ200610147650
公开日2007年6月6日 申请日期2006年12月21日 优先权日2006年12月21日
发明者陆皓, 张茂龙, 陈俊梅, 钱旭辉, 相睦, 徐政 申请人:上海交通大学