CN102615390A - 基于摆动电弧的多层多道焊焊缝跟踪***及识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于摆动电弧的多层多道焊焊缝跟踪***及识别方法。本发明的焊缝跟踪***由焊枪、焊接电源、送丝机、焊接小车、摆动器、驱动器、控制器、霍尔电流传感器和主滑架等组成。在焊接过程中，在摆动器的驱动下，焊枪对焊缝坡口进行摆动扫描，焊枪与工件之间的相对位置的改变将直接导致弧长发生变化，而弧长的变化会引起电弧电流、电弧电压等电弧参数发生变化。霍尔电流传感器将检测到的焊接电流信号和定位脉冲信号一起送到控制器，在按一定的运算规则自动判断出焊缝形状之后，选择相应的焊缝偏差信号提取方案进行处理，求得焊缝偏差信息，由摆动器执行焊缝偏差调节，实现焊缝自动跟踪，完成自动化焊接。

Description

基于摆动电弧的多层多道焊焊缝跟踪***及识别方法

技术领域

本发明属于焊接自动控制技术领域，具体涉及一种基于摆动电弧的多层多道焊焊缝跟踪***及识别方法。

背景技术

焊缝跟踪技术是实现焊接自动化的重要研究方向。对于厚板的开坡口焊接，由于坡口加工与装配尺寸及位置误差等影响,采用精确的焊缝跟踪技术进行多层多道焊接是保证其焊接质量的关键。

基于电弧传感器与视觉传感器的焊缝跟踪技术是目前研究与应用的主流， 在对有单层焊缝工件的焊接过程中可以达到良好的跟踪效果，而对于厚板的多层多道焊，在第一道焊缝焊完之后，焊接接头形式往往已发生改变，焊缝偏差识别一直是一个难点，目前其在国内的应用还不能达到令人满意的程度。在欧美发达国家，针对于厚板焊接的焊缝跟踪通常采用基于CCD传感器（电荷藕合器件图像传感器）的视觉跟踪法。采用CCD传感器虽然控制精度比较高，但成本也高，易受弧光干扰影响，对多层多道焊接的图像识别处理还存在不少困难，只能用于变形不大的直线焊缝自动跟踪。

目前，基于电弧传感器的焊缝自动跟踪技术在薄板焊接中的应用已比较成熟，但针对厚壁结构焊接的研究和应用未见报道。电弧传感技术包括旋转电弧扫描和摆动电弧扫描两种方式：旋转电弧传感器虽然不需要附加设备，控制精度比较高，但其体积大，结构复杂，造价较高，安装到焊接机器人或焊接小车上直接影响焊枪移动的灵活性，也在某种程度上限制焊枪的姿态和到达某些工位的可能性；摆动电弧传感方式其特点主要是焊枪摆动扫描幅度较容易调整，传感器结构简单紧凑，另一方面，焊枪在焊接过程中摆动，可以增加焊道宽度，降低焊层厚度，有利于改善焊接宽度不均匀的焊缝、提高焊缝金属的力学性能和增进焊道表面美观度。对于需要大幅度摆动焊接且焊缝形式多样的厚板多层多道焊而言，摆动电弧传感器更容易实现。

发明内容

本发明的第一个目的在于针对目前难以实现厚板多层多道焊焊缝自动跟踪的问题，提供一种基于摆动电弧的多层多道焊焊缝跟踪***。

本发明的第一个目的是通过如下的技术方案来实现的：该基于摆动电弧的多层多道焊焊缝跟踪***，主要用于厚板V型坡口多层多道焊焊接，它包括焊接小车、焊枪及与焊枪连接的送丝机；它还包括安装于焊接小车上的立式主滑架，安装于主滑架上的倾角调节机构，安装于倾角调节机构上、并安装有焊枪的摆动器；所述摆动器包括左右滑架和高低调节滑块，左右滑架安装于倾角调节机构上，高低调节滑块安装于左右滑架上，焊枪竖直安装于高低调节滑块上，横向的左右滑架与竖向的高低调节滑块构成十字架形；霍尔传感器连接于待焊母材与焊接电源之间，其信号输出端与控制器连接；焊接电源与送丝机连接，控制器与驱动器连接，驱动器与驱动主滑架、左右滑架和高低调节滑块的步进电机连接，驱动器还与驱动焊接小车和倾角调节机构的电机连接；控制器通过霍尔传感器传来的电信号作出运算处理求得焊缝偏差信息，并发出指令控制驱动器来驱动各电机协调动作进行焊枪的调节，从而实现焊枪的焊缝自动跟踪控制。

更进一步，所述控制器包括一安装有焊缝跟踪***软件的单片机。

本发明的第二个目的在于提供上述基于摆动电弧的多层多道焊焊缝跟踪***的识别方法，该方法是：焊接开始后，首先在摆动器的驱动下，焊枪对V型焊接坡口进行横向摆动扫描，由霍尔传感器将检测到的焊接电流信号和定位脉冲信号一起送到控制器进行软件处理和运算，求得焊缝偏差信息，由摆动器执行焊枪焊缝偏差调节，从而实现焊缝自动跟踪焊接。

更具体地说，所述求得焊缝偏差信息首先是采用坡口面积比较法对焊缝形状进行自动识别，如果左右两侧面积不相等，则焊缝形状不对称，判断为典型的多层多道焊的r型焊缝；如果左右两侧面积相等，则焊缝形状对称，判断为典型的多层多道焊的                                                

型焊缝；针对焊缝形状自动识别后的r型和

型两种焊缝形状，再分别采用同侧积分法和斜率加权积分法二种焊缝偏差提取方法。

所述同侧积分法为：

假定焊枪起始位置位于焊枪摆动中心，并向右侧开始平摆，在最初几个摆动扫描周期内，对传感器在不同位置的输出焊接电流值采样后进行离散积分运算后求均值，将该值作为基准值与焊枪在摆动中心右侧每次往返摆动的半个周期内的电流积分平均值进行比较，即可求得焊枪偏差大小与方向。

所述斜率加权积分法为：

在电弧摆动扫描周期内，由

型焊缝侧边的斜率

的绝对值大小决定该点电流信号的采样值的权重：

越大的区间，焊接电流采样值权重越大；在一个摆动周期内，对焊枪中心左右两侧电流信号的采样按

的绝对值大小进行加权后再求差值，即可得到焊枪对

型焊缝中心偏差的大小与方向。

本发明的焊枪安装在摆动器上，摆动器通过倾角调节机构安装在主滑架上。在焊接过程中，在摆动器的驱动下，焊枪对焊缝坡口进行摆动扫描，焊枪与工件之间的相对位置的改变将直接导致弧长发生变化，而弧长的变化会引起电弧电流、电弧电压等电弧参数发生变化。霍尔传感器将检测到的焊接电流信号和定位脉冲信号一起送到控制器进行软件处理和运算，求得焊缝偏差信息，由摆动器执行焊缝偏差调节，实现焊缝自动跟踪，完成自动化焊接。

本发明的工作过程如下：

在多层多道焊焊接过程中，焊缝跟踪***的控制器驱动左右滑架上的步进电机，使摆动器带动安装在高低滑块上的焊枪，在焊缝上方沿左右滑架方向进行横摆。在焊枪横摆扫描焊缝的过程中，由霍尔电流传感器输出焊接电流信号至焊缝跟踪***的控制器，控制器对变化的焊接电流信号进行采样分析与处理，完成对焊缝偏差信号的提取。对于左右滑架方向上的焊缝偏差，由焊缝跟踪***的控制器发出指令控制驱动器来驱动左右滑架上的步进电机进行纠偏调节，使焊枪在每一个横摆扫描周期的起始点都维持在焊缝的中心，此过程称为焊缝对中；对于焊枪中心轴方向的焊缝偏差，由焊缝跟踪***的控制器发出指令控制驱动器来驱动高低滑块上的步进电机进行纠偏调节，使焊枪在每一个横摆扫描周期的起始点都维持在焊缝上方沿焊枪中心轴方向的适合焊接的位置。左右滑架与高低滑块在对多层多道焊的每一道焊缝的焊接时都是相互垂直的，也因此别称之“十字滑架”。

综合上述，在多层多道焊中，控制器在焊接完每道焊缝后，根据下一道焊缝的空间位置，通过控制左右滑架上的步进电机来调节摆动器在该焊缝初始的摆动中心，并通过控制主滑架上的步进电机来调节焊枪对该焊缝的初始距离；根据下一道焊缝的焊接角度的需要，通过控制倾角调节机构的角位移来调节左右滑架与主滑架之间的角度。整个***执行机构的调节是通过控制器发出指令控制驱动器，从而驱动步进电机、倾角调节机构的电机以及控制焊接小车行走的电机协同完成的，其协同工作方式通过对控制器的软件编程实现。

以多层多道焊中r型焊缝的焊接跟踪为例，由于该类焊缝可视为角焊缝，焊枪需要调节一定的角度进行施焊。该过程由倾角调节机构实现。由于左右滑架安装在倾角调节机构上，而倾角调节机构安装在主滑架上，因此，控制器根据r型焊缝焊接的需要发出指令控制驱动器来驱动倾角调节机构，使其转动时带动整个十字滑架的转动，焊枪因此相对于铅垂方向发生角度的改变。控制器根据多层多道焊中不同层数焊缝焊接的空间位置的需要发出指令控制驱动器来驱动左右滑架上的步进电机，从而调整摆动器在焊接时的初始摆动中心；发出指令控制驱动器来驱动主滑架上的步进电机，从而调整摆动器在焊接时的初始高度。

本发明可以有效解决厚板V型坡口多层多道焊中对不同形式的焊接接头跟踪困难的问题，算法简单且易实现。

本发明的有益效果是：利用了摆动电弧的精确性高和摆幅调整灵活的特性，并且针对V型坡口多层多道焊提出了一种自动识别焊缝形状的坡口面积比较法和二种典型形状焊缝的偏差识别方法，大大提高了V型坡口多层多道焊焊缝扫描的准确性。实际焊接工艺试验证明：本发明的焊缝跟踪精度高、运行稳定可靠、实用性强，可广泛应用于厚板焊接的弧焊机器人或自动跟踪专机***中，同时为弧焊机器人焊接厚板实现多层多道焊的焊缝自动跟踪提供理论依据。

附图说明

图1是本发明焊缝跟踪***的结构示意框图。

图2是图1的原理结构示意框图。

图3是实际焊缝简化后的V型焊缝的截面图。

图4是实际焊缝简化后的r型焊缝的截面图。

图5是实际焊缝简化后的

型焊缝的截面图。

图6是坡口面积比较法的工作流程框图。

图7、图8是同侧积分法的计算示意图。

图9是斜率加权积分法的计算示意图。

图10是本发明多层多道焊焊缝识别方法的应用实例的工作流程框图。

具体实施方式

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，本实施例包括安装于焊接小车4上的立式主滑架9，倾角调节机构12安装于主滑架9上，安装于倾角调节机构12上、并安装有焊枪1的摆动器6。摆动器6由左右滑架10和高低调节滑块11组成。由图可见，左右滑架10安装于倾角调节机构12上，高低调节滑块11安装于左右滑架10上，焊枪1竖直安装于高低调节滑块11上，横向的左右滑架10与竖向的高低调节滑块11构成十字架形。霍尔传感器5安装于焊接电源2与待焊母材13的连接导线上，其信号输出端与控制器7连接，焊接电源2与送丝机3连接，送丝机3与焊枪1连接，焊枪1上装有焊丝17。控制器7与驱动器8连接，驱动器8与分别驱动主滑架9、左右滑架10和高低调节滑块11的步进电机14、步进电机15、步进电机16连接，驱动器8还与驱动焊接小车4和倾角电机12的电机连接。本实施例中，控制器7包括一个安装有焊缝跟踪***软件的单片机。图2所示是本发明焊缝跟踪***的原理结构示意框图，其中，执行机构表示主滑架、倾角调节机构、焊接小车以及驱动它们的电机。

从图1中可见，焊枪1安装在摆动器6的高低调节滑块11上。摆动器6的左右滑架10安装在倾角调节机构12上，倾角调节机构12安装在主滑架9上，主滑架9固定在焊接小车4上，并且通过倾角调节机构12的调节使摆动器6带动焊枪1始终在在水平与竖直两个方向对焊缝坡口进行扫描，通过霍尔传感器5检测不同扫描位置的电弧电流信号，将电弧电流信号输入控制器7进行软件处理和运算，求得焊缝偏差信息后对驱动器8发出指令，由驱动器8驱动摆动器6与主滑架9上的步进电机执行焊缝偏差调节，实现焊缝自动跟踪，完成自动化焊接。

参见图2，焊接时，焊接小车沿着焊缝移动，同时摆动器带动焊枪对焊缝坡口进行扫描，焊枪与工件之间的相对位置会使弧长发生变化，而弧长的变化会引起电弧电流发生变化。霍尔传感器将检测到的焊接电流信号和定位脉冲信号经过硬件滤波电路信号处理，将干扰信号滤除并将有效信号提取和放大之后一起输入到控制器进行软件处理和运算，求得焊缝偏差信息，控制器根据偏差信息输出控制指令到驱动器，由摆动器与执行机构一起执行焊缝偏差调节，实现焊缝自动跟踪。因此，摆动器是焊缝跟踪***的重要组成部分。

为了实现基于摆动电弧的厚板V型坡口多层多道焊的焊缝自动跟踪，需要首先对多层多道焊中的二种典型焊缝形状进行识别，在***自动判断出焊缝形状之后，再选择相应的焊缝偏差信号提取方案。

为了识别这二种不同的焊缝形状，针对焊接电流波形特点，结合机器人焊道规划，提出了一种焊缝形状自识别的方法——坡口面积比较法，并分别针对r型和型两种焊缝提出了同侧积分法与斜率加权积分法二种焊缝偏差提取方法。

在厚壁结构件的焊接过程中，第一道焊缝为V型焊缝，图3所示是实际焊缝简化后的V型焊缝的截面图，第一道焊缝采用单层焊常用的左右积分差值法实现焊缝偏差信号的识别与提取。从第二道焊缝起，以后的焊缝均采用坡口面积比较法对焊缝的形状进行自动识别，图6所示是坡口面积比较法的工作流程框图。

该方法基本原理为：在焊枪对准

型焊缝中心的情况下，以焊枪扫描中心为分界线，若将左右两侧电流信号分别进行离散积分之后求差值，由于

型焊缝在理论上左右对称，且在一个周期内，焊接电流前半周期的信号波形与后半周期近似相同，因此该差值很小；然而，在形状不对称的r型焊缝中，在一个周期内，焊接电流前半周期的信号波形与后半周期差距较大，若以同样的方式求得的差值较大。通过判断差值的值，可以区别r型与

型这两种焊缝。图4所示是实际焊缝简化后的r型焊缝的截面图，图5所示是实际焊缝简化后的

型焊缝的截面图。

由于r型焊缝是一种不对称的接头形式，不能直接应用传统的左右积分差值法提取焊缝偏差，本发明针对这种焊缝形式提出一种改进的左右积分差值法即同侧积分法。参见图7、图8，是同侧积分法的计算示意图，图中的为焊枪对中无偏移时的电弧电流信号曲线，和 分别为焊枪右偏移与左偏移时情况，

表示电弧摆动前半周期内的电流积分值。

根据r型焊缝的电弧电流曲线特征可以发现，在前半周期内，而在电弧摆动扫描的后半周期中，规律与前半周期相反，但对比不如前半周期鲜明，故选择前半周期为电流采样区间。

同侧积分法的检测原理是：假定焊枪起始位置位于焊枪摆动中心，并向右侧开始平摆，在最初几个摆动扫描周期内，对传感器在不同位置的输出焊接电流值

采样后进行离散积分运算后求均值，得到

,将该值作为基准值与焊枪在摆动中心右侧每次往返摆动的半个周期内的电流积分平均值 Im 进行比较，即可求得焊枪偏差大小与方向。

同侧积分法的电流积分公式可以表示成为：

 

式中，

表示摆动扫描前半个周期内电流积分值总和，

表示摆动扫描周期内电流积分值总和，表示摆动扫描周期内的第

个点采集的电弧电流值。当时焊枪左偏；当时焊枪右偏；当时表明焊枪对中。

在两侧边均为曲面的

型焊缝中，由于越远离焊缝中心的位置的弧长变化率较小，相应的焊接电流信号变化较小。在焊接过程中其表面也相对更易受到热变形等一些难以预测因素的影响而发生形变。对于信号提取而言，靠近焊缝中心位置的信号幅值大、干扰小，采样数据相对更重要，因此，本发明提出了一种斜率加权积分法用于

型焊缝的偏差信号提取。

斜率加权积分法的检测原理为：在电弧摆动扫描周期内，由

型焊缝侧边的斜率

的绝对值大小决定该点电流信号的采样值的权重：

越大的区间，焊接电流采样值权重越大，图9所示是斜率加权积分法的计算示意图，图中i ₁点采样值大于i ₂点采样值的权重。在一个摆动周期内，对焊枪中心左右两侧电流信号的采样按

的绝对值大小进行加权后再求差值，即可得到焊枪对

型焊缝中心偏差的大小与方向。由于在

型焊缝中，通常越靠近焊缝中心的采样点所对应侧边曲面的斜率越大，该方法增加了靠近焊缝中心位置的采样数据的权重，降低了远离焊缝中心位置的采样数据的权重。通过该方法能够使电弧传感***对此类焊缝偏差信号的提取更加精确有效。

斜率加权积分法的电流积分公式可以表示成为：

  

式中，

表示焊枪右摆扫描的半个周期内电流积分值总和，

表示焊枪左摆扫描的半个周期内电流积分值总和，

表示焊缝侧边在摆动扫描周期内的第

个采集点的斜率值，

表示摆动扫描周期内的第

个点采集的电弧电流值。当

时焊枪左偏；当时焊枪右偏；当

时表明焊枪对中。

以下是本发明多层多道焊焊缝识别方法的应用实例：

在厚板的多层多道焊焊接过程中，焊缝跟踪***在每一个摆动周期内对传感器输出的焊接电流信号进行128次定位采样,并由单片机完成对采样值的分析处理。

参见图10，是本实例多层多道焊焊缝偏差的识别及提取的方法的工作流程框图。焊枪在焊前对中，焊接开始后，第一道焊缝的偏差信号的提取由单片机执行左右积分差值法子程序实现。

对于之后的每道焊缝，单片机在处理焊接电弧信号之前，首先执行坡口面积比较法子程序判别坡口类型。焊枪在一个周期内扫描焊缝，分别求出焊接电流在焊缝中心左右两侧的积分值

和

，将

和

比较，若

，说明坡口为对称的

型焊缝，则采用斜率加权积分法进行焊缝偏差的判别；执行斜率加权积分法子程序；若

，则说明坡口为不对称的r型焊缝，采用同侧积分法进行焊缝偏差的判别，转入执行同侧积分法子程序。

由于摆动电弧扫描传感方式的扫描频率通常较低，为了提高焊缝形状以及焊缝偏差信号识别的精度，在采用坡口面积比较法时通常取前几个周期采样平均值进行进行比较。

对

型焊缝：将焊接电流信号的左右两侧分别采样64次，将其进行斜率加权后求和，记为

和

，求

与

的差值，即可求得焊枪偏差大小与方向。

由于在实际焊接的过程中，焊缝形状受到焊接误差、热变形以及铁水熔敷等影响，焊缝的两侧边一般不会严格对称，因此，对与

的差值e大小在一定范围内可以视为焊缝偏差为0，设其值为a。

即当

时焊枪左偏；当

时焊枪右偏；当

时表明焊枪对中。

对r型焊缝：将前三个周期提取的焊接电流信号的平均值作为基准值

，与焊枪在摆动中心右侧每次往返摆动的半个周期内的电流积分平均值进行比较，即可求得焊枪偏差大小与方向。

焊接过程中，在焊缝对中无偏差的情况下，前半周期电流积分平均值与基准值

较为接近，因此，对 Im 与

的差值e大小在一定范围内可以视为焊缝偏差为0，设其值为b。

即当

时焊枪左偏；当

时焊枪右偏；当

时表明焊枪对中。

本发明旨在将结构简单而灵敏度与精确性高的基于摆动电弧传感技术的传感器焊缝跟踪***应用在厚板V型坡口的多层多道焊接中，来代替成本昂贵的视觉传感器焊缝跟踪控制***，并广泛应用于厚板焊接的弧焊机器人或自动跟踪专机***中。

Claims (6)

1.一种基于摆动电弧的多层多道焊焊缝跟踪***，主要用于厚板V型坡口多层多道焊焊接，它包括焊接小车、焊枪及与焊枪连接的送丝机；其特征在于：它还包括安装于焊接小车上的立式主滑架，安装于主滑架上的倾角调节机构，安装于倾角调节机构上、并安装有焊枪的摆动器；所述摆动器包括左右滑架和高低调节滑块，左右滑架安装于倾角调节机构上，高低调节滑块安装于左右滑架上，焊枪竖直安装于高低调节滑块上，横向的左右滑架与竖向的高低调节滑块构成十字架形；霍尔传感器连接于待焊母材与焊接电源之间，其信号输出端与控制器连接；焊接电源与送丝机连接，控制器与驱动器连接，驱动器与驱动主滑架、左右滑架和高低调节滑块的步进电机连接，驱动器还与驱动焊接小车和倾角调节机构的电机连接；控制器通过霍尔传感器传来的电信号作出运算处理求得焊缝偏差信息，并发出指令控制驱动器来驱动各电机协调动作进行焊枪的调节，从而实现焊枪的焊缝自动跟踪控制。

2.根据权利要求1所述的基于摆动电弧的多层多道焊焊缝跟踪***，其特征在于：所述控制器包括一安装有焊缝跟踪***软件的单片机。

3.一种如权利要求1所述基于摆动电弧的多层多道焊焊缝跟踪***的识别方法，其特征在于：焊接开始后，首先在摆动器的驱动下，焊枪对V型焊接坡口进行横向摆动扫描，由霍尔传感器将检测到的焊接电流信号和定位脉冲信号一起送到控制器进行软件处理和运算，求得焊缝偏差信息，由摆动器执行焊枪焊缝偏差调节，从而实现焊缝自动跟踪焊接。

4.根据权利要求3所述的基于摆动电弧的多层多道焊焊缝跟踪***的识别方法，其特征在于：所述求得焊缝偏差信息首先是采用坡口面积比较法对焊缝形状进行自动识别，如果左右两侧面积不相等，则焊缝形状不对称，判断为典型的多层多道焊的r型焊缝；如果左右两侧面积相等，则焊缝形状对称，判断为典型的多层多道焊的型焊缝；针对焊缝形状自动识别后的r型和型两种焊缝形状，再分别采用同侧积分法和斜率加权积分法二种焊缝偏差提取方法。

5.根据权利要求4所述的基于摆动电弧的多层多道焊焊缝跟踪***的识别方法，其特征在于：所述同侧积分法为：

假定焊枪起始位置位于焊枪摆动中心，并向右侧开始平摆，在最初几个摆动扫描周期内，对传感器在不同位置的输出焊接电流值采样后进行离散积分运算后求均值，将该值作为基准值与焊枪在摆动中心右侧每次往返摆动的半个周期内的电流积分平均值进行比较，即可求得焊枪偏差大小与方向。

6.根据权利要求4所述的基于摆动电弧的多层多道焊焊缝跟踪***的识别方法，其特征在于：所述斜率加权积分法为：

在电弧摆动扫描周期内，由型焊缝侧边的斜率的绝对值大小决定该点电流信号的采样值的权重：越大的区间，焊接电流采样值权重越大；在一个摆动周期内，对焊枪中心左右两侧电流信号的采样按                                                

的绝对值大小进行加权后再求差值，即可得到焊枪对

型焊缝中心偏差的大小与方向。

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