第4章焊接传感器

第四章电弧焊传感器第四章焊接传感器电弧焊来说，要实现其自动控制，进而实现焊接的智能化，很重要的—点就是传感器的使用．而传感器就其本身来说．又是千差万别，种类繁多．用于不同目的的各种传感器，需要有不同的控制方法。在焊接过程中，首先应该使电弧与焊缝对中，这是保证焊接质量的关键。随着焊接自动化的发展，焊缝自动跟踪用传感器显得越来越重要．例如弧焊机器人虽能按预先编制的程序沿一定的轨迹运动，但即使是由“示教”而得来的轨迹，也未必总是焊缝的实际位置．这种差异是由于批量生产中工件的加工误差(薄板冲压工件误差更大)，焊接过程中的热变形、夹具的不精确以及轨迹程序本身的不甚精确等因素所综合造成的．因此焊缝的实时自动跟踪成为国内外焊接界非常重视的课题，焊缝自动跟踪传感器的研究也就占据了焊接传感器的主导地位．为了提高焊接过程的自动化程度．除了控制电弧对焊缝的自动跟踪之外，还应实时控制焊接质量．为此需要在焊接过程中检测焊接坡口的状况，如宽度、深度、面积等；以及检测焊接熔池的状况，如熔宽，熔深和背面焊道的成形等．以便能实时地调整焊接参数，保证良好的焊接质量．这就是智能化焊接，是焊接自动化的发展方向．由此又研究发展了可用于此类目的的各种传感器．但它们目前在焊接传感器中所占的比例要远小于跟踪用传感器．4.1焊接传感器概述4.1.1焊接传器的分类对于电弧焊用的传感器，目前还没有明确的定义。一般认为：检测工件接头的位置．坡口的形状、有无障碍物和定位等构件状态及检测焊丝伸出长度，电弧和熔池状况，焊道外观等焊接固有特性和状态并将检测的结果转换为电信号的装置，都称为电弧焊传感器．处理来自传感器的电信号的装置定义为传感装置．在电弧焊中，焊接传感器按照使用目的，可分为三类：第一类传感器主要用于检测构件位置。坡口位置或焊缝中心线位置以达到焊缝位置自动跟踪的目的，简称为焊缝位置自动跟踪传感器．它约占焊接传感器使用总量的80％．因此本节对传感器概况的介绍主要是对焊缝位置自动跟踪传感器而言．第二类传感器主要是在焊接过程中用以自动检测焊接条件（例如坡口尺寸等)以实时自动控制焊接工艺参数来适应每一时刻的焊接状况，称为焊接条件实时跟踪传感器．第二类传感器主要用于焊接过程中的焊接条件的检测，如利用结构光或激光扫描等手段，检测出坡口的宽度，深度及面积等，用以控制焊接电流及焊接速度以便能得到均匀的焊道：利用摄象系统直接拍摄焊接电弧及熔池．实时控制熔池的宽度以便有效地控制熔深甚至熔透，保证焊接质量．此外还可通过光电传感器或声控传感器控制熔透及背面焊道成形，实现单面焊双面成形．第二类传感器通常结构较为复杂，成本也较高．其控制要通过微型计算机来进行．它仅占焊接传感器使用总量的10%．第三类传感器可同时完成上述两项功能，它也仅占焊接传感器使用总量的10%．焊缝位置自动跟踪传感器随着科学抄术特别是微电子学的飞速发展而发展，出现了很多种检测位置的传感器．它们利用了光、声、电磁、热、机械等各种物理量的变化所产生的电信号作为特征信号．但在电弧焊接的施工条件下，传感器的工作环境是很恶劣的．因此对电弧焊传感器来说，除了通常的性能指标之外，还有很重要的一点，就是应具有抵抗电弧干扰的能力．4.1.2焊缝位置自动跟踪传感器的分类焊缝位置自动跟踪传感器可按很多方式分类。见图4-1。第1页共24页第四章电弧焊传感器图4.1按传感器与电弧的关系，可分为:1．直接式，即直接利用电弧本身特征作为信号的传感介质．2．间接式，即不利用电弧本身信号．而利用电弧以外的特征信号的传感器。这—类传感器又可分为以下几类，(1)按其安放的位置分为：1)置于电弧的前方的—般情况下，传感器的检测点位于电弧前面50~100mm处。2)置于电弧的侧面的，此时要加辅助的跟踪基准线。并保证该基准线与焊缝中心线平行。显然，这一检测点与电弧中心点的距离并不影响自动跟踪系统的控制精度．(2)按测量的方式分为：1)机械接触式．触杆与工件接触，触点即为检测点；2)非机械接触式．传感器不与工件接触。（3）按信号的转换原理分为：1)机械式或机械—电子式传感器，统称为机械传感器；2)电磁感应式传感器．按传感器的电源频率，低于10kHz者习惯上简称为电磁传感器，30~160kHz者称为涡流传感器；3)电容式传感器；4)气动式传感器；5)光学(包括激光、红外线)式传感器．按光电接收元件的种类，用单个光电管接收信号者习惯上称为光学传感器：用集成光电器件接收信号并用微机进行信号处理者习惯上称为视觉传感器；6)超声式传感器；7)电弧(摆动)式传感器。4.1.3焊缝自动跟踪传感器的附加跟踪误差一般情况下，焊缝自动跟踪传感器所检测到的标志点与要控制的电弧中心点之间有一定的距离，这一距离将带来附加的跟踪误差，因为传感器是与焊嘴刚性固定在一起的，现分别介绍如下。1．电弧摆动式它从电弧摆动的自身电参数的变化中。找出焊缝自动跟踪信号，因此传感器的检测点就是电弧中心点。在实时跟踪控制中没有附加的跟踪误差。2．传感器固定于焊嘴的侧面见图4.2a，由于辅助跟踪基准线平行于焊缝中心线，故左右跟踪的检测点与电弧中心点的距离没有附加的跟踪误差，若线不平行，则带来附加误差。3.传感器固定于焊嘴的前方见图4.2b，传感器检测出焊缝中心点的位置，导前于焊嘴一段距离，这种分离带来的第2页共24页第四章电弧焊传感器附加跟踪误差与焊缝形状有关。(1)焊缝为直线可通过传感器与焊嘴位置的初始调整，来消除附加误差，其方法是：将焊嘴的初始位置对准焊缝中心后，调整传感器的横向位置，使之输出信号为零，由于焊缝是直线，故在焊接过程中传感器检测点的偏移量恒等于焊嘴与焊缝中心的偏移量，因而没有附加的跟踪误差。图4.2(2)圆筒的环缝焊接若焊缝的坡口加工能保证环缝中心线本身是在一个平面上并且该平面垂直于圆筒的轴线，则由于转胎不精确而造成的工件轴向位移，可以由焊缝跟踪系统来自动跟随，且不带来附加跟踪误差。(3)焊缝为曲线见图36—3，显然传感器检测点的偏移量不等于焊嘴距焊缝中心的偏移且以检测点来替代跟踪点(电弧处)必然会带来附加跟踪误差。．焊缝曲率越大则附加误差越大．消除此误差的方法之一是，为左右跟踪作两套伺服机构，即传感器与焊嘴分别驱动，．传感器在A点检测出偏差信号，使伺服机构2即刻动作，令传感器回到平衡位置．此偏差信号延时再送给伺服机构1，即等到焊嘴达到A点时，才进行跟踪，消除偏差。．4.1.4焊缝自动跟踪传感器系统图4.3焊缝自动跟踪传感器系统由传感器、信号处理器和伺服装置三部分组成，传感器检测到的信息，经处理后昀终用于推动伺服装置以便对焊接位置进行适时调整，实现焊接过程的自动跟踪。从传感器系统的结构来看，它是以电弧(焊炬)相对于焊缝(坡口)中心位置的偏差作为被调量。以焊炬位移量作为操作量的闭环控制系统。当电弧相对于焊缝中心位置发生偏差时，传感器能自动检测出这一偏差，输出信号，实时地调整焊炬运动，使之准确地与焊缝对中，实际生产中经常要求同时进行焊炬左右位置和高低位置的自动跟踪。这种双向焊缝跟踪系统更具有实用价值。为了进行双向跟踪，焊炬必须相对于焊接小车有两个自由度，即要有两套随动机构。它们通常是由一个传感器发出两个方向的跟踪信号来推动的。传感器的作用是获取所需的物理量并将其转化为相应的电信号，然后传送给信号处理器。信号处理器对传送来的电信号进行处理，包括去除噪声干扰，将调制信号解调、放大及运算，昀后经功率放大部分输出驱动信号给伺服装置。信号处理器可根据传感器的种类。所能提供的信息量的大小及所需要的处理速度分别采用模拟电路、数字控制电路直至微型计算机进行信号处理．例如单光点式光学传感器系统由于所需处理信息量少．则只使用模拟电路第3页共24页第四章电弧焊传感器图4.4图4.5控制，而对使用CCD摄象机的光学侍感器系统，由于每幅图象所需处理的信息量大。而焊缝自动跟踪的实时自动控制又需要很高的运算速度．因此配以微型计算机进行运算处理．—般来说，需要处理的信息量越大，信号处理器的构成越复杂、成本也越高，但同时跟踪的精度越高、应用的范围也越广。4.2机械传感器4.2.1机械传感器的跟踪原理图4.5机械传感器是一种接触式传感器。它以导杆或导轮在焊炬前方探测焊缝位置，见图4.4。它分为机械式和机械电子式两种。前者是靠焊缝形状对导杆(轮)的强制力来导向，后者是当焊炬与焊缝中心线发生偏离时，导杆经电子装置发出信号(它能表示偏离的大小与方向)再控制驱动装置使焊炬及传感器恢复正确位置，此时传感器输出信号为零，实现自动跟踪。机械电子式传感器可按机电信号转换方式分为(图4.5).1．机械—开关式见图4.5a机械-开关式传感器的触杆中部用铰链固定在传感器盒内，下端伸进坡口．当焊嘴偏离焊缝中心时，触杆向一侧偏转．此触杆上端接通一微动开关，驱动电动机转动，使传感器回到平衡位置。此时开关断开，电动机停转，保证焊嘴对准焊缝。2．机械—差动变压器式第4页共24页第四章电弧焊传感器机械—差动变压器式传感器见图4.5b。它由一具有可滑动铁心的差动变压器组成。初级电压为Uy，两个次级线圈反极性串联。当水平滑动的铁心处在中间位置时，两个次级线圈的感应电势相等，故总输出电压u0=0，此即为平衡状态，传感器的触杆下端伸入坡口内，当传感器位置与焊缝坡口中心发生偏差时，触杆直接带动铁心移动，使两个次级线圈的感应电势不等，而输出一个极性取决于偏差方向，大小取决于偏差量的U0信号，实现自动跟综。3．机械—光电式机械—光电式传感器见图4.5c．它与机械—开关式相似，但在触杆的上端装有一个发光二极管．当焊嘴偏离焊缝中心使触杆偏转时，光束指向两个光电接收管中之一,此两个光电管就象开关一样接通电动机的控制电路,实现自动跟踪。4.2.2机械传感器的特点及应用范围机械式传感器比较便宜，适用于各种焊接力法和各种金属材料的焊接场合，但由于它是靠导杆(轮)与工件的接触来导向，故运行时容易失去跟踪点(因坡口或缝隙的加工装配不均匀性引起)，为避免此情况，往往要限制焊接速度不能太快，此外，导杆(轮)的磨损也要影响传感器的精度。由于机械传感器结构简单，维护方便，不怕电弧的磁。光、烟尘、飞溅等干扰，故巳应用于生产实际。图4.64.3电磁感应式传感器电磁感应式跟踪传感器是一种非接触式传感器，它可按频率分为普通频率式(简称：电磁传惑器)和高频式(简称涡流传感器)两种，电磁传感器的频率低于10kHz，涡流传感器的频率则力30~160kHz。图4.7第5页共24页第四章电弧焊传感器4.3.1电磁传感器的工作原理电磁传感器实质上是共用初级线圈的两个变压器，见图4.6，绕在中柱上的初级线圈通以交流电压Uy，两个次级线圈为反极性串联，输出电压U0=U1-U2当传感器对准焊缝中心时，主磁通在两个侧柱的分配相等，即21Φ=Φ，两个次级线圈感应电势相同，故总的输出电压U0=0．若传感器偏离焊缝中心,则主磁通在两个侧柱的分配不相等，即，则次级有一个差动信号输出。U21Φ≠Φ0的极性(相位)和大小取决于传感器与焊缝中心偏差的方向和大小，这种传感器的灵敏度取决于电源频率和电压，铁心材料和尺寸、传感器高度等因素，为了缩小传感器体积和提高抵抗焊接时电磁干扰的能力，一般电源频率取6～l0kHz、电压U0≈20V。图4.8这种高频电源可采用晶体管多谐振荡器，铁心可采用硅钢片或电阻率高的铁氧体材料．后者因其居里点低，饱和磁通密度随温度变化的敏感性大，故使用时要采取适当降温隔热措施提高工作稳定性。传感器的安装高度一般取10~15mm，安装过高则灵敏度降低，过低则容易受工件高低不平及振动等因素影响而使工作可靠性降低。这种传感器的问题是对工件装配时的错边很敏感，例如在图4.6b中，即使传感器对中良好，主磁通在两侧柱的分配也因错边的影响而不均匀，导致产生误信号，为了抑制这种干扰信号，已研究了几种自动消除这些干扰信号的传感器，但其灵敏度有所降低。1.漏磁抑制式图49漏磁抑制式传感器如图4.7a所示。当错边引起2Φ增加时，也同时增加：减少时，也同时减少．的增加和的减少就能抑制错边所产生的干扰信号，为了使传感器紧凑，其结构可如图4.7b所示，它也称