专利名称：磁控旋转电弧传感实时焊缝跟踪系统及方法
技术领域：
本发明属于焊接自动控制技术领域，具体涉及一种磁控旋转电弧传感实时焊缝跟踪系统及方法。
背景技术：
电磁作用焊接技术是近年来完善起来的一种新的焊接技术，在航空、航天、冶金、机械等部门具有广泛的应用前景和巨大的实用价值。目前，磁控焊接技术的发展状况在国外方面主要是Hickcn等人通过对不锈钢以及合金钢等材料进行外加磁场焊接实验后，外加磁·场后焊缝成形得到明显改善。研究人员发现这种改变取决于磁场强度和母材的磁特性；A. Miunger等人在1941年就对电磁搅拌对点焊的作用进行了相关研究；Tseng和Savage研究了 TIG焊外加磁场时导致电弧摆动，对HY-80钢焊缝微观组织和热裂纹的影响。他们发现当励磁频率为I Hz左右时,焊缝区组织晶粒的大小和热裂纹倾向大大降低；Brown等人在60年代初就开始研究电磁搅拌对不锈钢、钛合金等的影响；上世纪七、八十年代，乌克兰基辅工业大学的学者研究了在薄板TIG焊外加纵向磁场作用下，熔池金属流动和晶粒细化的规律，以及纵向磁场控制熔池液态金属凝固结晶的过程；Takeda K等人在1980年提出电弧在横向磁场作用下呈弯弧状的结论；Gavrilov等人在2002年通过试验发现电弧在横向磁场作用下会发生加速和偏转减速现象，并对产生其原因进行了相关分析；近年来，Kern等开展了外加磁场作用于CO2激光焊的研究。实验证明，在激光焊接中应用磁流体动力装置能改变熔池的流动条件，稳定焊接过程，提高焊接速度和焊接质量。国内方面主要是沈阳工业大学对低频磁控焊接电弧特性进行了数值分析及相关研究；清华大学通过对电弧内部能量平衡的研究，提出了一个横向磁场中动态电弧的近似计算模型；中国矿业大学基于减少C02焊飞溅的目的，研究了在磁场作用下C02焊电弧与熔滴过渡的影响；北京大学对横向磁场作用下电弧阴极进行了深入研究，并建立了相关数学模型；太原工业大学利用双尖角磁场把电弧压缩成椭圆形将其应用于穿孔等离子焊中取得较好的效果；西安交通大学殷咸青研究了 LDlOCS铝合金在He-TIG焊过程中外加交变纵向磁场对焊缝组织细化的影响机理。研究结果表明，磁感应强度B、磁场交变频率f和磁场断通比Q，这三个磁场参数对焊缝组织的细化效果影响很大。综上所述，国内外学者对磁控电弧的研究主要集中于控制熔滴过渡、熔池金属流动、改善焊缝成形等方面。但是，到目前还没有看到有关磁控旋转电弧传感实时焊缝跟踪技术方面的报道。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种成本低、实时性好、灵敏度和精确度高、稳定性好的磁控旋转电弧传感器实时焊缝跟踪系统。
本发明的第一个目的是通过如下的技术方案来实现的该磁控旋转电弧传感实时焊缝跟踪系统，包括沿工作方向行进的焊接小车，固连于焊接小车上的十字滑架，焊枪安装于十字滑架上并通过十字滑架调节其高低左右位置；控制系统通过驱动器分别与焊接小车和十字滑架连接，焊接电源与焊枪和霍尔传感器连接，霍尔传感器将采集到的焊接电流信号通过信号采集电路和信号处理电路传输给控制系统；其特点是所述焊枪直接安装于一个磁控旋转电弧传感器上，磁控旋转电弧传感器安装于十字滑架上，焊接电弧位于磁控旋转电弧传感器的中心，使磁控旋转电弧传感器产生的旋转磁场带动焊接电弧按一定的频率扫描焊缝，磁控旋转电弧传感器将扫描得到的焊缝位置信息传输给控制系统。更具体地说，所述磁控旋转电弧传感器包括励磁电源，励磁电源与励磁线圈连接，励磁线圈绕在两个导磁铁芯上而产生一对磁极，所述焊枪安装于两个导磁铁芯的中心线上，并且该对磁极位于焊接电弧的两侧；导磁铁芯的上部中心柄通过齿轮与电机连接并带动导磁铁芯旋转，在导磁铁芯的上部中心柄的顶部水平安装有一个光码盘，光码盘将扫描到的焊缝位置脉冲信号传输给控制系统。本发明的第二个目的在于提供一种基于上述磁控旋转电弧传感实时焊缝跟踪系 统的跟踪方法，该方法是焊接小车控制焊枪按工作方向前进，焊枪随焊接小车的移动与待焊工件呈现一定的位置关系，通过焊枪上的磁控旋转电弧传感器测得旋转电弧扫描焊缝的位置，从而获得表征焊枪与焊缝相对位置的特征参数；经霍尔传感器获得焊接电流信号后，送入微机系统进行数字滤波处理和相应的程序运算，控制系统控制驱动器驱动十字滑架，适时调整焊枪高低左右位置，使焊枪与焊缝中心对准以实现焊缝跟踪，完成自动化焊接。更进一步，所述焊枪直接安装在磁控旋转电弧传感器上，焊接点即为信号采集点，通过电机带动齿轮驱使磁控旋转电弧传感器的磁场旋转，焊枪不旋转，从而在旋转区域内产生运动的磁场，达到控制电弧旋转的目的，旋转电弧扫描焊缝，通过装在磁控电弧传感器上的光码盘进行扫描定位，将扫描的位置信号输出给微机系统进行信号采集与处理。本发明中，焊枪直接安装在磁控旋转电弧传感器上，采用光码盘进行精确定位，不存在前置和后置的问题，因此系统的实时性和稳定性得到了很大的提高，又由于磁场的旋转频率和幅度能精确控制，跟踪系统的控制精度有了进一步的提高。本发明把磁控旋转电弧传感器用于焊缝自动跟踪上，具有实时性好、控制精度高、成本低等优点，解决了目前焊缝自动跟踪的一系列问题。实际焊接工艺试验证明跟踪效果好，运行稳定可靠，实用性强。
图I是本发明实施例磁控旋转电弧传感实时焊缝跟踪系统的原理结构框图。图2是图I中磁控旋转电弧传感器的结构示意图。图3是图2中光码盘的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。参见图1，本实施例的磁控旋转电弧传感实时焊缝跟踪系统包括磁控旋转电弧传感器、焊枪和焊接电源组成的焊接系统、控制系统、十字滑架和焊接小车以及驱动器组成的跟踪执行机构。焊枪安装在磁控旋转电弧传感器上，磁控旋转电弧传感器安装在十字滑架上。参见图2，磁控旋转电弧传感器包括励磁电源I，励磁电源I与励磁线圈2连接，励磁线圈2绕在两个导磁铁芯3上，从而在两个导磁铁芯3的下端产生一对磁极，焊枪4安装于两个导磁铁芯3的中心线上，并且两个导磁铁芯3的下端这一对磁极位于焊接电弧5的两侧；导磁铁芯3的上部中心柄6通过齿轮7与电机8连接并带动导磁铁芯3旋转，在导磁铁芯3的上部中心柄6的顶部水平安装有一个光码盘9。电机8通过齿轮7驱动导磁铁芯3的上部中心柄4旋转，从而产生旋转的磁场，驱动电弧5按一定的频率和半径旋转，其旋转频率和旋转半径通过励磁电源I来调节，旋转频率范围可达到5HZ-30HZ。从而扫描焊缝，得到焊缝横向与高低偏差信息，通过装在磁控电弧传感器上的光码盘进行扫描定位，将扫描的位置信号输出给控制系统进行信号采集与处理，经霍尔传感器获得焊接电流信号后，经过滤波电路滤波放大后送入控制系统进行处理，控制系统通过驱动器即直流电机实时对丝杆螺母传动的十字滑块进行精确的高低左右位置移动，动作平稳，从而进行焊缝跟踪，完成自动化焊接。该系统焊接点即为偏差信号采集点，边焊接边跟踪，实时性非常好。并且，旋转磁场上装有光码盘，这样可以得到相应脉冲信号进行精确定位，为实时焊缝跟踪提供了保障。本发明中，焊接小车控制焊枪按工作方向前进，焊枪随焊接小车的移动与待焊工 件呈现一定的位置关系，通过焊枪上的磁控旋转电弧传感器测得旋转电弧扫描焊缝的位置，从而获得表征焊枪与焊缝相对位置的特征参数，经霍尔传感器获得焊接电流信号后，送入控制系统进行数字滤波处理和相应的程序运算，控制十字滑架等跟踪执行机构适时调整焊枪，使焊枪与焊缝中心对准以实现焊缝跟踪。图2中，励磁电源I的作用是产生频率和幅值可调的激励电流，光码盘9通过脉冲整形和放大处理和光电隔离电路获得内圈和外圈的脉冲信号，脉冲信号的作用是确定采样开始的位置，同时也可以得到测位测速脉冲及角位置的关系。焊接时，励磁线圈I在励磁电流的作用下，在两个磁极之间产生交变的旋转磁场，焊接电弧5在旋转的磁场作用下按一定的规律旋转，从而扫描焊缝，用霍尔传感器采集焊接电流的变化规律就能得到焊缝的偏差/[目息。参见图3，是光码盘的结构示意图。本发明中采用光码盘进行精确定位，以一个光耦测定旋转一周的起点，另一个光耦检测当前位置相对起点已超过的分度数，这样只需两个光耦和两圈刻齿。其外圈铣出90个矩形齿，当电机运转时，齿形将交替地阻挡和允许由发光管通往光敏接收管的光路，光敏管则输出一串脉冲信号，即称分度脉冲信号。光码盘的内圈只打一个孔作为起点标志，只有当该孔转到光耦管的位置时，光路才畅通，光敏三极管输出一个脉冲，即起点脉冲。本实施例的旋转磁场是一对磁极的对称结构，也可以通过增加磁极个数来加以改进，为后续开发性能更稳定和精度更高的装置提供方便。本发明适用于TIG焊以及熔化极气体保护焊，如C02、MAG、MIG等。本发明适用于V型或角焊缝等。
权利要求
1.一种磁控旋转电弧传感实时焊缝跟踪系统，包括沿工作方向行进的焊接小车，固连于焊接小车上的十字滑架，焊枪安装于十字滑架上并通过十字滑架调节其高低左右位置；控制系统通过驱动器分别与焊接小车和十字滑架连接，焊接电源与焊枪和霍尔传感器连接，霍尔传感器将采集到的焊接电流信号通过信号采集电路和信号处理电路传输给控制系统；其特征在于所述焊枪直接安装于一个磁控旋转电弧传感器上，磁控旋转电弧传感器安装于十字滑架上，焊接电弧位于磁控旋转电弧传感器的中心，使磁控旋转电弧传感器产生的旋转磁场带动焊接电弧按一定的频率扫描焊缝，磁控旋转电弧传感器将扫描得到的焊缝位置信息传输给控制系统。
2.根据权利要求I所述的磁控旋转电弧传感实时焊缝跟踪系统，其特征在于所述磁控旋转电弧传感器包括励磁电源，励磁电源与励磁线圈连接，励磁线圈绕在两个导磁铁芯上而产生一对磁极，所述焊枪安装于两个导磁铁芯的中心线上，并且该对磁极位于焊接电弧的两侧；导磁铁芯的上部中心柄通过齿轮与电机连接并带动导磁铁芯旋转，在导磁铁芯的上部中心柄的顶部水平安装有一个光码盘，光码盘将扫描到的焊缝位置脉冲信号传输给控制系统。
3.一种基于权利要求I所述磁控旋转电弧传感实时焊缝跟踪系统的跟踪方法，其特征在于焊接小车控制焊枪按工作方向前进，焊枪随焊接小车的移动与待焊工件呈现一定的位置关系，通过焊枪上的磁控旋转电弧传感器测得旋转电弧扫描焊缝的位置，从而获得表征焊枪与焊缝相对位置的特征参数；经霍尔传感器获得焊接电流信号后，送入微机系统进行数字滤波处理和相应的程序运算，控制系统控制驱动器驱动十字滑架，适时调整焊枪高低左右位置，使焊枪与焊缝中心对准以实现焊缝跟踪，完成自动化焊接。
4.根据权利要求3所述的基于磁控旋转电弧传感实时焊缝跟踪系统的跟踪方法，其特征在于所述焊枪直接安装在磁控旋转电弧传感器上，焊接点即为信号采集点，通过电机带动齿轮驱使磁控旋转电弧传感器的磁场旋转，焊枪不旋转，从而在旋转区域内产生运动的磁场，达到控制电弧旋转的目的，旋转电弧扫描焊缝，通过装在磁控电弧传感器上的光码盘进行扫描定位，将扫描的位置信号输出给微机系统进行信号采集与处理。
全文摘要
本发明属于焊接自动控制技术领域，具体涉及一种磁控旋转电弧传感实时焊缝跟踪系统及方法。本发明的技术要点是把磁控旋转电弧传感器应用于焊缝自动跟踪，对焊接电弧施加旋转磁场，使焊接电弧按照一定的频率扫描焊缝，从而获得表征焊枪与焊缝相对位置的特征参数，经霍尔传感器获得焊接电流信号后，送入控制系统进行数字滤波处理和相应的程序运算，控制跟踪执行机构进行适时调整焊枪，使焊枪与焊缝中心对准以实现焊缝跟踪。本发明实现了焊缝自动跟踪的要求，焊枪直接安装在磁控旋转电弧传感器上，无前置和后置问题，具有实时性好，成本低，稳定性和精度高的特点。
文档编号B23K9/127GK102848052SQ20121036344
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月26日 优先权日2012年9月26日
发明者洪波, 阳佳旺, 何荣拓, 刘湘 申请人:湘潭大学