前置式雙探頭渦流傳感焊縫自動跟蹤控制方法
【專利摘要】一種前置式雙探頭渦流傳感焊縫自動跟蹤控制方法，它主要是解決現(xiàn)有傳統(tǒng)焊縫跟蹤傳感器存在的控制系統(tǒng)復(fù)雜，運算繁雜、控制精度低，體積龐雜，噪聲大，易磨損，成本高，適用范圍窄等技術(shù)問題，并可消除或削弱焊接過程中的錯邊影響。其技術(shù)方案要點是：當(dāng)雙探頭渦流傳感器的輸入電流經(jīng)前置處理器中各電路的先期處理后，到達雙探頭渦流傳感器頭部線圈阻抗Z，由該線圈的測量值與金屬板間距離H和相對相對面積S的變化值所構(gòu)成一電壓值信號U輸出，從而獲得焊接過程中U與H以及U與S的線性關(guān)系實現(xiàn)焊縫自動跟蹤控制。它主要是用于焊接過程自動控制系統(tǒng)的焊縫自動跟蹤。
【專利說明】 前置式雙探頭渦流傳感焊縫自動跟蹤控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種焊接控制方法，尤其涉及用于焊接工藝進行焊縫自動跟蹤的雙探頭渦流傳感器式焊縫自動跟蹤控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002]焊接過程自動控制系統(tǒng)所要解決的主要問題是焊縫自動跟蹤和焊炬的自動控制。目前比較常見的焊縫自動跟蹤傳感器有激光視覺式、機械接觸式和電弧式傳感器等，采用機械接觸式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，但實時性差，易磨損，精度難以保證；電弧式傳感器的焊縫跟蹤控制系統(tǒng)中，利用電弧自身作為傳感器，實時性強，制造成本低，但控制精度不太高，體積大，噪聲大。采用激光式傳感器雖然控制精度比較高，但它的成本高，適用范圍窄，在某些場合下，即使是激光跟蹤也很難滿足要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種前置式雙探頭渦流傳感焊縫自動跟蹤控制方法，它既結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性好，又有較高的靈敏度和焊縫質(zhì)量控制精度，且無需與試件接觸，檢測速度快，操作簡便，運行穩(wěn)定，壽命長，成本低，便于普及推廣。
[0004]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:采用包括安裝于焊槍上的雙探頭渦流傳感器，焊接執(zhí)行裝置和焊接控制裝置的控制系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)中的焊接執(zhí)行裝置包括焊接電源和連接于焊接控制裝置的焊槍5，焊接控制裝置主要包括雙探頭渦流傳感器，前置處理器，焊接小車和十字滑塊，雙探頭渦流傳感器前置于焊槍并置于坡口一側(cè)，雙探頭渦流傳感器有兩個探頭，探頭I I通過高低距離變化采集電壓信號，探頭II 2通過左右面積變化采集電壓信號，該渦流傳感器的兩個探頭能相互補償，當(dāng)探頭I I和探頭II 2的輸入電流經(jīng)前置處理器中各電路的先期處理后，到達雙探頭渦流傳感器探頭I I和探頭II 2頭部線圈阻抗Z，由探頭I I頭部線圈阻抗Z的測量值與對接金屬板4間距離H的變化值所構(gòu)成一電壓值信號U1輸出，同時將獲得的距離H補償給探頭II 2，消除距離H對探頭II 2輸出的影響，并且由探頭II 2頭部線圈阻抗Z的測量值與對接金屬板4間相對面積S的變化值所構(gòu)成一電壓值信號U2輸出，從而獲得焊接過程中電壓值信號U與對接金屬板4間距離H和相對面積S的線性關(guān)系，得出調(diào)整信號經(jīng)驅(qū)動控制電路控制焊接執(zhí)行裝置，實現(xiàn)焊縫自動跟蹤控制。
[0005]所述前置處理器中設(shè)置有信號處理電路、A/Η轉(zhuǎn)換電路、單片機處理電路和驅(qū)動控制電路，對輸入電流進行先期處理。
[0006]渦流傳感器的兩個探頭能相互補償，將雙探頭渦流傳感器的探頭I I和探頭II 2的電壓變化通過Istopt進行曲面擬合，選取合適的曲面方程，再進行變量分離，將探頭I I的高度補償給探頭II 2，消除距離H對探頭II 2的影響，捕捉焊槍5與焊縫的高低左右位置信息，先將采樣信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后輸入單片機處理電路，再根據(jù)焊縫的偏差量使用Fuzzy一PID控制對焊槍5進行調(diào)節(jié),實現(xiàn)焊槍5自動跟蹤焊縫。
[0007]雙探頭渦流傳感器置于焊槍前方并偏置于焊槍左側(cè)或右側(cè)，其中探頭II 2靠近焊槍，探頭I I緊靠探頭II 2，探頭I I通過高低距離變化采集電壓信號，探頭II 2通過左右面積變化采集電壓信號；通過探頭I I獲得的高低方向電壓信號，通過探頭II 2獲得的左右方向電壓信號，以最小二乘法結(jié)合黃金分割法擬合得到U-H和U-S的線性曲線，同時根據(jù)采集的電壓信號判斷焊槍5的位置并作出調(diào)整實現(xiàn)焊縫跟蹤。
[0008]信號處理電路中是使用硬件濾波加軟件濾波相疊加的方式。
[0009]本發(fā)明的有益效果是:(1)采用包括安裝于焊槍上的雙探頭渦流傳感器，焊接執(zhí)行裝置和焊接控制裝置的控制系統(tǒng)，并結(jié)合應(yīng)用雙探頭渦流傳感器非接觸的線性化計量特性，實現(xiàn)了一種新的雙探頭渦流傳感器式焊縫自動跟蹤控制方法；(2)結(jié)合利用雙探頭渦流傳感器非接觸的線性化計量特性，將雙探頭渦流傳感器采集的線圈阻抗Z與傳感器和金屬板間距H和相對面積S的變化信息轉(zhuǎn)換成電壓值信號輸出，經(jīng)處理和運算，達到實施焊槍與焊縫之間的位置控制，且控制運行穩(wěn)定，可靠，實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤；(3)采用焊接執(zhí)行裝置與焊接控制裝置分離，使現(xiàn)有手工焊機的優(yōu)異性能與雙探頭渦流傳感器的優(yōu)異性能融為一體，兩者的結(jié)合極大地提高了系統(tǒng)自動跟蹤的準確性，可靠性和焊縫質(zhì)量；(4)因?qū)鞲衅鞯奶匦赃M行了調(diào)節(jié)，導(dǎo)致電壓信號與跟隨距離和相對面積的變化的輸出特性曲線逼近一次曲線，故可對傳感器特性曲線進行標定，線性化處理，從而使運算中的計算過程和電路結(jié)構(gòu)極大地簡化，降低了系統(tǒng)成本；(5)雙探頭渦流傳感器結(jié)構(gòu)簡單，控制精度高，無需與試件接觸，檢測速度快捷，適應(yīng)范圍擴大；(6)該雙探頭渦流傳感器可以削弱或消除焊接過程中的錯邊影響；(7)雙探頭渦流傳感器式焊縫自動跟蹤控制方法操作簡捷，施焊工藝性好，系統(tǒng)跟蹤精度高，實用性強，便于普及推廣。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖2為本發(fā)明的雙探頭渦流傳感器工作原理圖。
[0012]圖中:1-雙探頭渦流傳感器探頭I，2-雙探頭渦流傳感器探頭II，3-焊接小車，4-金屬板，5-焊槍,6-十字滑塊。

【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0014]實施例1，本發(fā)明采用包括安裝于焊槍上的雙探頭渦流傳感器，焊接執(zhí)行裝置和焊接控制裝置的控制系統(tǒng)，并結(jié)合應(yīng)用雙探頭渦流傳感器非接觸的線性化計量特性，實現(xiàn)一種雙探頭渦流傳感器式焊縫自動跟蹤控制方法，其控制系統(tǒng)中的焊接執(zhí)行裝置包括焊接電源和連接于焊接控制裝置的焊槍5，焊槍5對準對接焊縫的，即對接金屬板4，焊接控制裝置主要包括雙探頭渦流傳感器，前置處理器，焊接小車3和十字滑塊6，雙探頭渦流傳感器前置于焊槍5并置于坡口一側(cè)，雙探頭渦流傳感器有兩個探頭，探頭I I通過高低距離變化采集電壓信號，探頭II 2通過左右面積變化采集電壓信號，該渦流傳感器的兩個探頭能相互補償，當(dāng)探頭I I和探頭II 2的輸入電流經(jīng)前置處理器中各電路的先期處理后，到達雙探頭渦流傳感器探頭I I和探頭II 2頭部線圈阻抗Z，由探頭I I頭部線圈阻抗Z的測量值與對接金屬板4間距離H的變化值所構(gòu)成一電壓值信號U1輸出，同時將獲得的距離H補償給探頭II 2，消除距離H對探頭II 2輸出的影響，并且由探頭II 2頭部線圈阻抗Z的測量值與對接金屬板4間相對面積S的變化值所構(gòu)成一電壓值信號U2輸出，從而獲得焊接過程中電壓值信號U與對接金屬板4間距離H和相對面積S的線性關(guān)系，得出調(diào)整信號經(jīng)驅(qū)動控制電路控制焊接執(zhí)行裝置，實現(xiàn)焊縫自動跟蹤控制。參閱圖1至圖2。
[0015]實施例2，所述前置處理器中設(shè)置有信號處理電路、A/Η轉(zhuǎn)換電路、單片機處理電路和驅(qū)動控制電路，對輸入電流進行先期處理。將雙探頭渦流傳感器采集的信號轉(zhuǎn)換成電壓值信號輸出，其處理過程中，先經(jīng)信號處理電路和A/Η轉(zhuǎn)換電路處理后，然后送入單片機處理電路進行軟件處理和運算，由單片機處理電路給出調(diào)整信號經(jīng)驅(qū)動控制電路控制焊接執(zhí)行裝置，達到實施焊槍5與工件-導(dǎo)體表面之間的位置控制及實時調(diào)整，從而實現(xiàn)焊縫自動跟蹤。參閱圖1至圖2,其余同實施例1。
[0016]實施例3，渦流傳感器的兩個探頭能相互補償，將雙探頭渦流傳感器的探頭I I和探頭II 2的電壓變化通過Istopt進行曲面擬合，選取合適的曲面方程，再進行變量分離，將探頭I I的高度補償給探頭II 2，消除距離H對探頭II 2的影響，捕捉焊槍5與焊縫的高低左右位置信息，先將采樣信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后輸入單片機處理電路，再根據(jù)焊縫的偏差量使用Fuzzy — PID控制對焊槍5進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)焊槍5自動跟蹤焊縫。參閱圖1至2，其余同上述實施例。
[0017]實施例4，雙探頭渦流傳感器置于焊槍前方并偏置于焊槍左側(cè)或右側(cè)，安裝于焊接小車3中十字滑塊6上，其中探頭II 2靠近焊槍，探頭I I緊靠探頭II 2，探頭I I通過高低距離變化采集電壓信號，探頭II 2通過左右面積變化采集電壓信號；通過探頭I I獲得的高低方向電壓信號，通過探頭II 2獲得的左右方向電壓信號，以最小二乘法結(jié)合黃金分割法擬合得到U-H和U-S的線性曲線，同時根據(jù)采集的電壓信號判斷焊槍5的位置并作出調(diào)整實現(xiàn)焊縫跟蹤。參閱圖1至2，其余同上述實施例。
[0018]實施例5，信號處理電路中是使用硬件濾波加軟件濾波相疊加的方式。參閱圖1至2，其余同上述實施例。
[0019]參見附圖1，設(shè)置在焊槍5前方并置于坡口一側(cè)雙探頭渦流傳感器，其控制流程為:將雙探頭渦流傳感器同時輸出的兩路電壓值信號U經(jīng)變量分離后由信號處理電路進行低通濾波和功率放大處理，信號的處理采用硬件濾波加軟件濾波相疊加方法，消除焊接過程中由電弧等因素造成的雜波干擾，硬件濾波采用低通濾波電路濾波，軟件濾波采用中值濾波和算術(shù)均值濾波相結(jié)合的方法；然后進入A/Η轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字采樣信號，所得數(shù)字采樣信號進入單片機處理電路，單片機處理電路中采用C51系列單片機并由單片機的處理程序?qū)?shù)字采樣信號進行比對分析，并做出判斷:焊槍5與焊縫的相對位置是否變化，采用復(fù)合Fuzzy — PID控制，即模糊控制和PID并聯(lián)的控制模式，在位置偏差較大時采用模糊控制，快速響應(yīng)調(diào)整；在位置偏差較小的時候采用傳統(tǒng)線性PID控制，細節(jié)調(diào)整。給出控制信號后，控制信號進入驅(qū)動控制電路驅(qū)動焊接小車3和十字滑塊6中的步進電機對焊槍5位置作出調(diào)整，由于焊槍5與雙探頭渦流傳感器相對位置固定，于是在調(diào)整焊槍5的同時雙探頭渦流傳感器探頭I I與被焊金屬板-導(dǎo)體的距離H以及雙探頭渦流傳感器探頭II 2與被焊金屬板-導(dǎo)體的相對相對面積S也得到了調(diào)整，調(diào)整后雙探頭渦流傳感器再次采樣的信號送入單片機處理電路進行比對分析，如此循環(huán)實現(xiàn)了閉環(huán)控制，從而使雙探頭渦流傳感器探頭I I和雙探頭渦流傳感器探頭II 2兩端的電壓值信號U1和U2輸出維持在限定的范圍內(nèi)，即實現(xiàn)雙探頭渦流傳感器探頭I I端面到各自所對準的被焊金屬板-導(dǎo)體之間距離以及雙探頭渦流傳感器探頭II 2到被焊金屬板-導(dǎo)體的相對相對面積S保持穩(wěn)定，從而實現(xiàn)焊槍5對焊縫相對位置的穩(wěn)定，控制焊槍5對準焊縫，實現(xiàn)了焊槍5與焊縫位置的自動跟蹤。
[0020]本發(fā)明的工作原理:如附圖1所示，前置安裝在焊槍一側(cè)的雙探頭渦流傳感器置于對接金屬板坡口一側(cè)，兩探頭置于同一高度，且雙探頭渦流傳感器前端面與對接金屬板4表面，即工件-導(dǎo)體表面之間保持垂直，輸入的高頻振蕩電流在探頭頭部的線圈中產(chǎn)生交變磁場，當(dāng)調(diào)整被焊金屬板位置，即工件-導(dǎo)體位置，使導(dǎo)體靠近該磁場時，導(dǎo)體表面會產(chǎn)生感應(yīng)電流，此感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場與線圈的交變磁場相互抵制形成阻抗Z，同時當(dāng)導(dǎo)體平行雙探頭渦流傳感器橫向移動的時候，導(dǎo)體表面產(chǎn)生的感應(yīng)電流會發(fā)生變化，其產(chǎn)生的交變磁場也會相應(yīng)的發(fā)生變化。此時，當(dāng)雙探頭渦流傳感器的探頭I I的輸入電流經(jīng)前置處理器中各電路的先期處理后，到達探頭I I頭部線圈，測量頭部線圈阻抗Z與對接金屬板4上被焊金屬導(dǎo)體間距離H的變化而形成電壓值信號U輸出。并將距離H補償給探頭II 2，當(dāng)探頭II 2的輸入電流經(jīng)前置處理器中各電路的先期處理后，到達探頭II 2頭部線圈，測量頭部線圈阻抗Z與對接金屬板4上被焊金屬導(dǎo)體相對面積S的變化而形成電壓值信號U輸出。如附圖2所示，線圈與工件-導(dǎo)體的相互作用原理，將渦流傳感器置于金屬板上方時，當(dāng)渦流傳感器頭部線圈施加高頻交變電流I1時，在線圈的四周就會感生出高頻交變電磁場H1處于這個交變磁場中的工件-導(dǎo)體內(nèi)部的近表面就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的渦電流i，同理，渦電流也會產(chǎn)生高頻交變電磁場H1, H2的方向在任一時刻都與H2的方向相反,從電磁學(xué)的角度可以把工件-導(dǎo)體簡化為一簡單的感應(yīng)線圈。根據(jù)克西荷夫定律，可列出方程組:

【權(quán)利要求】
1.一種前置式雙探頭渦流傳感焊縫自動跟蹤控制方法，其特征是:雙探頭渦流傳感器有兩個探頭，探頭I (I)通過高低距離變化采集電壓信號，探頭II (2 )通過左右面積變化采集電壓信號，該渦流傳感器的兩個探頭能相互補償，當(dāng)探頭I (I)和探頭II (2)的輸入電流經(jīng)前置處理器中各電路的先期處理后，到達雙探頭渦流傳感器探頭I (I)和探頭II (2)頭部線圈阻抗Z，由探頭I (I)頭部線圈阻抗Z的測量值與對接金屬板(4)間距離H的變化值所構(gòu)成一電壓值信號U1輸出，同時將獲得的距離H補償給探頭II (2)，消除距離H對探頭II(2)輸出的影響，并且由探頭II (2)頭部線圈阻抗Z的測量值與對接金屬板(4)間相對面積S的變化值所構(gòu)成一電壓值信號U2輸出，從而獲得焊接過程中電壓值信號U與對接金屬板(4)間距離H和相對面積S的線性關(guān)系，得出調(diào)整信號經(jīng)驅(qū)動控制電路控制焊接執(zhí)行裝置，實現(xiàn)焊縫自動跟蹤控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的前置式雙探頭渦流傳感焊縫自動跟蹤控制方法，其特征是:所述前置處理器中設(shè)置有信號處理電路、A/Η轉(zhuǎn)換電路、單片機處理電路和驅(qū)動控制電路，對輸入電流進行先期處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的前置式雙探頭渦流傳感焊縫自動跟蹤控制方法，其特征是:渦流傳感器的兩個探頭能相互補償，將雙探頭渦流傳感器的探頭I (I)和探頭II (2)的電壓變化通過Istopt進行曲面擬合，選取合適的曲面方程，再進行變量分離，將探頭I (I)的高度補償給探頭II (2)，消除距離H對探頭II (2)的影響，捕捉焊槍(5)與焊縫的高低左右位置信息，先將采樣信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后輸入單片機處理電路，再根據(jù)焊縫的偏差量使用Fuzzy — PID控制對焊槍(5 )進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)焊槍(5 )自動跟蹤焊縫。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的前置式雙探頭渦流傳感焊縫自動跟蹤控制方法，其特征是:雙探頭渦流傳感器置于焊槍前方并偏置于焊槍左側(cè)或右側(cè)，其中探頭II (2)靠近焊槍，探頭I(I)緊靠探頭II (2)，探頭I (I)通過高低距離變化采集電壓信號，探頭II (2)通過左右面積變化采集電壓信號；通過探頭I (I)獲得的高低方向電壓信號，通過探頭II (2)獲得的左右方向電壓信號，以最小二乘法結(jié)合黃金分割法擬合得到U-H和U-S的線性曲線，同時根據(jù)采集的電壓信號判斷焊槍(5)的位置并作出調(diào)整實現(xiàn)焊縫跟蹤。
【文檔編號】B23K9/127GK104070267SQ201410220615
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年5月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月23日
【發(fā)明者】洪波, 廖亞華, 洪宇翔, 朱亞飛 申請人:湘潭大學(xué)