一種基于磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感的自動(dòng)化堆焊方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明具體涉及一種基于磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感焊縫跟蹤的自動(dòng)堆焊方法，屬于焊接自動(dòng)化領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]堆焊作為材料表面改性的一種經(jīng)濟(jì)而快速的工藝方法，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于電力、礦山、冶金、石油化工等工業(yè)部門零件的制造修復(fù)中。我國(guó)堆焊技術(shù)的整體水平不高，堆焊方法簡(jiǎn)單粗礦，目前的自動(dòng)化再制造堆焊技術(shù)的核心是利用操作機(jī)或機(jī)器人等來(lái)自動(dòng)規(guī)劃路徑，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化堆焊，為保證焊炬對(duì)準(zhǔn)堆焊焊縫中心，必須依靠人工時(shí)刻仔細(xì)調(diào)整焊炬與堆焊焊縫中心的位置，但很難保證堆焊的質(zhì)量和效率，而且為提高堆焊再制造質(zhì)量，有效措施是控制工件表面高低不平時(shí)的引弧和熄弧，通過(guò)采用高度跟蹤技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)局部磨損嚴(yán)重部位的堆焊再制造修復(fù)。電弧傳感器是目前唯一不需要超前于焊槍安裝的焊縫跟蹤傳感器。這種焊縫跟蹤傳感器實(shí)時(shí)性好，有很強(qiáng)的抗弧光、高溫、煙霧和電磁干擾的能力。雖然旋轉(zhuǎn)電弧傳感器結(jié)構(gòu)比擺動(dòng)式電弧傳感器復(fù)雜，但因旋轉(zhuǎn)頻率高，增加了焊槍偏差檢測(cè)的靈敏度和焊縫跟蹤精度。但是多層多道堆焊時(shí)，由于焊炬位置的變化相對(duì)單層焊時(shí)小很多，信號(hào)的提取和偏差的識(shí)別難度更大，如直接采用現(xiàn)有的電弧傳感式焊縫跟蹤技術(shù)，不能滿足位姿信息自動(dòng)識(shí)別和跟蹤調(diào)節(jié)的要求。另外，因堆焊表面的磨損程度不同，使焊炬不僅相對(duì)于工件的垂直與水平距離會(huì)變化，而且前后左右的傾斜角度也會(huì)發(fā)生變化，這種變化必然造成電弧信號(hào)采樣偏差，從而引起焊道跟蹤的誤判。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明目的是提供一種滿足再制造行業(yè)的要求的穩(wěn)定性強(qiáng)、實(shí)用性好，工藝效果好的自動(dòng)化堆焊方法，改善現(xiàn)在堆焊過(guò)程中缺乏零件表面狀態(tài)的實(shí)時(shí)識(shí)別和調(diào)節(jié)以及堆焊參數(shù)的自適應(yīng)控制方法的行業(yè)局面，提高堆焊過(guò)程的自動(dòng)化、智能化程度。
[0004]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的；如圖1所示，該裝置包括磁控旋轉(zhuǎn)堆焊?jìng)鞲衅?、主控制器、堆焊層識(shí)別控制器、堆焊焊炬姿態(tài)控制器、驅(qū)動(dòng)器、焊接電源、送絲機(jī)構(gòu)、霍爾傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和變位機(jī)組成，其特點(diǎn)是:所述焊槍直接安裝在磁控旋轉(zhuǎn)電弧堆焊?jìng)鞲衅魃?，磁控電弧堆焊?jìng)鞲衅靼惭b在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，焊接時(shí)電弧位于磁控旋轉(zhuǎn)堆焊?jìng)鞲衅鞯闹行奈恢?，磁控旋轉(zhuǎn)堆焊?jìng)鞲衅鳟a(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)帶動(dòng)焊接電弧按一定頻率掃描堆焊層，同時(shí)磁控旋轉(zhuǎn)堆焊?jìng)鞲衅鲗呙璧降暮缚p位置信息輸出給主控制系統(tǒng)，同時(shí)霍爾傳感器將焊接電流信號(hào)輸出給主控制器，經(jīng)處理分別輸入堆焊層識(shí)別控制器和堆焊焊炬姿態(tài)控制器進(jìn)行處理，最后主控制器根據(jù)返回的信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和變位機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化堆焊。
[0005]所述磁控旋轉(zhuǎn)堆焊?jìng)鞲衅靼▋蓪?duì)呈一定夾角的導(dǎo)磁鐵芯，勵(lì)磁線圈繞在導(dǎo)磁鐵芯上形成磁極，勵(lì)磁線圈與勵(lì)磁電源連接，焊槍安裝在兩對(duì)磁極組成的矩形中心位置，固定鐵芯的支架中心位置有裝有齒輪的圓桿與電機(jī)連接帶動(dòng)鐵芯旋轉(zhuǎn)，圓桿中心位置安裝隨電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的光碼盤，光碼盤將掃描的采樣點(diǎn)位置信號(hào)輸出給主控制器。在焊接自動(dòng)化領(lǐng)域中，現(xiàn)有的單一對(duì)磁極的電弧傳感器只在磁極中心線處有范圍很窄的橫向磁場(chǎng)對(duì)電弧的控制精度較小，旋轉(zhuǎn)電弧采樣信號(hào)也較弱，僅能用于普通的角焊縫跟蹤，在堆焊這種零件表面情況復(fù)雜的條件下無(wú)法滿足要求，而根據(jù)磁場(chǎng)疊加原理可知本發(fā)明的磁控電弧傳感器在兩對(duì)磁極中心處能產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度高、范圍較大的橫向磁場(chǎng)，能夠滿足堆焊條件下的旋轉(zhuǎn)電弧控制精度和采樣信號(hào)強(qiáng)度的要求。
[0006]所述的堆焊層識(shí)別控制器包括信號(hào)濾波放大電路和算法處理模塊組成。現(xiàn)在堆焊領(lǐng)域還沒(méi)有對(duì)堆焊層曲面形貌特征進(jìn)行識(shí)別與檢測(cè)的技術(shù)，普遍采用的是通過(guò)人工觀察和手動(dòng)機(jī)械控制的方法進(jìn)行復(fù)雜形貌下的堆焊工作，不僅自動(dòng)化程度很低而且堆焊效果也很一般，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的堆焊層識(shí)別控制器是全新設(shè)計(jì)針對(duì)堆焊層曲面形貌識(shí)別這一空白技術(shù)領(lǐng)域，能明顯提高堆焊的質(zhì)量和自動(dòng)化程度。其特點(diǎn)是:焊接電源與焊槍和霍爾傳感器連接，霍爾傳感器將采集到的焊接電流信號(hào)通過(guò)主控制器中的信號(hào)采集和處理電路傳輸給堆焊層識(shí)別控制器，同時(shí)磁控旋轉(zhuǎn)堆焊?jìng)鞲衅鲗?shí)時(shí)掃描堆焊層采集不同采樣周期的采樣點(diǎn)的光碼盤定位信號(hào)，由于電弧旋轉(zhuǎn)頻率遠(yuǎn)大于焊炬調(diào)整頻率，在識(shí)別堆焊層形貌時(shí)可設(shè)定前兩個(gè)采樣周期內(nèi)焊炬姿態(tài)并未發(fā)生變化，根據(jù)旋轉(zhuǎn)電弧的弧長(zhǎng)與電流關(guān)系函數(shù)，獲取在這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)周期不同采樣點(diǎn)的焊炬高度，進(jìn)行動(dòng)態(tài)線性回歸獲取掃描堆焊層采樣點(diǎn)的高低落差，利用弧長(zhǎng)等高線法轉(zhuǎn)換成磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感器兩個(gè)掃描周期內(nèi)堆焊層的表面形貌信號(hào)，經(jīng)處理后輸出給主控制器，作為進(jìn)行焊道排列、焊縫跟蹤和焊炬最佳位姿計(jì)算的依據(jù)。
[0007]所述的堆焊焊炬姿態(tài)控制器包括信號(hào)濾波放大電路、算法處理模塊和數(shù)據(jù)提取存儲(chǔ)模塊組成，焊接時(shí)，磁控旋轉(zhuǎn)堆焊?jìng)鞲衅骺刂坪妇鎾呙瓒押笇?，霍爾傳感器將采集到的焊炬電流信?hào)經(jīng)主控制器處理后的堆焊層表面形貌數(shù)據(jù)輸出到堆焊層識(shí)別控制器，識(shí)別堆焊層形貌特征，所述堆焊焊炬姿態(tài)控制器根據(jù)磁控旋轉(zhuǎn)堆焊?jìng)鞲衅鞑蓸有盘?hào)和堆焊層形貌信號(hào)經(jīng)運(yùn)算獲取焊炬最佳空間位姿。目前行業(yè)內(nèi)一般采用模糊控制的方法調(diào)整焊槍位姿，雖然能基本實(shí)現(xiàn)對(duì)焊槍三維姿態(tài)識(shí)別和調(diào)整，但當(dāng)待焊工件情況復(fù)雜，焊槍調(diào)整頻率高時(shí)，傳統(tǒng)焊槍位姿控制手段就無(wú)法滿足焊接工藝的要求，本發(fā)明采用的基于自適應(yīng)免疫遺傳算法控制對(duì)焊炬空間姿態(tài)進(jìn)行多機(jī)制處理，具有識(shí)別記憶功能，能有效應(yīng)對(duì)堆焊過(guò)程中的復(fù)雜情況。本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)是根據(jù)堆焊層表面曲面形貌對(duì)焊炬進(jìn)行堆焊層空間投影，得到焊炬參考軸即焊槍導(dǎo)電嘴中心軸的空間向量投影& +、211(11=1，2‘4)，同時(shí)結(jié)合堆焊層識(shí)別控制器前兩個(gè)采樣周期獲取的堆焊層表面形貌信號(hào)求解得出堆焊層曲面法線的空間投影Xn、Yn、Zn(n= I，2...Ν)作為參考位姿信號(hào)，采用自適應(yīng)免疫遺傳算法對(duì)傳感器空間姿態(tài)進(jìn)行多機(jī)制處理，由于多機(jī)制求解多目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解的自適應(yīng)特性，能計(jì)算出堆焊焊炬的最佳空間位姿投影^2^+2、^+2(11 = 1，2-奶，將最佳空間位姿信號(hào)傳輸給主控制器，同時(shí)經(jīng)存儲(chǔ)信號(hào)數(shù)據(jù)后能使控制器具有識(shí)別記憶功能，再次采集到相似信號(hào)時(shí)能自適應(yīng)識(shí)別直接輸出焊炬姿態(tài)信號(hào)，從而提高生產(chǎn)效率。
[0008]本發(fā)明所述的主控制器特點(diǎn)是:堆焊時(shí)焊接電流信號(hào)經(jīng)霍爾傳感器輸入，經(jīng)處理分別輸出給所述堆焊層識(shí)別控制器和堆焊焊炬姿態(tài)控制器分別經(jīng)運(yùn)算處理后再輸出給主控制器，但是現(xiàn)今普遍運(yùn)用的是包含信號(hào)采集電路、信號(hào)處理電路電路組成的總成控制器，當(dāng)同時(shí)收到的信號(hào)類型不同、有較復(fù)雜時(shí)間差，本發(fā)明所設(shè)計(jì)主控制器在現(xiàn)有基礎(chǔ)上加入調(diào)理電路和分離模塊，能同時(shí)接收源自堆焊層識(shí)別控制器和堆焊焊炬姿態(tài)控制器的不同類型和時(shí)間差的信號(hào)，進(jìn)行多維擬合處理后，提取出堆焊層識(shí)別信號(hào)和與其對(duì)應(yīng)的最佳位姿信號(hào)信號(hào)進(jìn)行分離處理后分別驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和變位機(jī)配合動(dòng)作進(jìn)行堆焊層的焊縫跟蹤和焊炬姿態(tài)控制，同時(shí)根據(jù)工藝要求更改焊接參數(shù)，實(shí)現(xiàn)堆焊過(guò)程的自動(dòng)調(diào)節(jié)與糾偏。
[0009]本發(fā)明的有益效果是提供一種基于磁控旋轉(zhuǎn)電弧傳感的自動(dòng)化堆焊方法，把磁控旋轉(zhuǎn)電弧焊縫跟蹤應(yīng)用于堆焊，通過(guò)獲取焊縫信息，識(shí)別工件表面形貌同時(shí)焊炬位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行焊槍空間位姿調(diào)整，保證了復(fù)雜零部件或堆焊層形貌復(fù)雜情況的自動(dòng)堆焊。本發(fā)明能有效解決堆焊過(guò)程的自動(dòng)化程度低、堆焊質(zhì)量差的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)堆焊和零部件表面修復(fù)的自動(dòng)化