CN105149738B - 一种双向磁控电弧式焊缝跟踪传感器 - Google Patents

一种双向磁控电弧式焊缝跟踪传感器 Download PDF

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Abstract

本发明是一种双向磁控电弧式焊缝跟踪传感器。该发明包括纵向磁场和横向磁场发生装置、纵向磁场和横向磁场检测装置、空间磁场自诊断分析***、纵向磁场和横向磁场反馈***、磁场发生装置位置调整***和控制执行装置等部分组成。其中纵向磁场发生装置增强电弧横向收缩度和挺度，横向磁场发生装置使电弧横向规律性地摆动；纵向磁场和横向磁场检测装置实时地检测纵向磁场和横向磁场的强度；空间磁场自诊断分析***对磁场进行分析处理后将信息传送给磁场反馈***，磁场反馈***对纵向磁场和横向磁场进行实时调节；磁场发生装置位置调整***根据焊接环境和空间磁场信息对纵向磁场和横向磁场发生装置的相对位置进行调节。

Description

一种双向磁控电弧式焊缝跟踪传感器
技术领域
本发明属于一种自动化焊接辅助装置，具体涉及一种双向磁控电弧式焊缝跟踪传感器。
背景技术
电弧是一种气体被电离而放电的现象，焊接电弧由多种不同带电粒子构成，焊接电弧在磁场中在洛伦兹力的作用下运动，因此可以利用不同的磁场达到影响电弧形态的目的。目前外加磁场控制电弧方式有三种：一是外加纵向磁场，外加纵向磁场磁力线平行于电弧轴线，其可以使电弧形态发生改变，使电弧收缩呈钟型，熔深加深；二是外加横向磁场，横向磁场的磁力线垂直于电弧轴线，其可控制电弧摆动进行焊缝跟踪和改善焊缝成形；三是外加尖角磁场，它能改变电弧的形状，可以对电弧进行压缩和拓宽。
国内外研究现状：国外有很多研究机构基于磁场对焊接电弧的作用做了大量工作，其中：巴顿焊接研究所研究了低压电弧等离子体在磁场中的收缩特性；英国利兹大学和美国耶鲁大学研究了磁场作用下旋转电弧电极的烧损问题；英国利物浦大学通过研究表明在磁场作用下电弧的挺度增强，电弧的旋转速度也会大大增加；德国汉诺威大学研究了磁场作用下电弧的行为与熔池形成的关系，并指出了各种形式的纵向磁场对MIG焊接工艺的不同影响；Boldyrew和Birzhev采用横向磁场分量不超过3％的近似均匀的纵向磁场发现，随着磁场强度的增加，电弧的收缩程度加大，熔深加深。在国内：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；西安交通大学通过外加纵向磁场，随着磁场强度的增大，电弧在洛伦兹力和自磁收缩力的作用下出现了收缩现象；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；北京工业大学对旋转磁场发生装置进行了研究，并将其应用于焊接电弧控制和焊接工艺改善。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；综上所述，国内外学者在控制电弧形态，改善焊缝成形，等方面做了大量的工作并取得了很多成果，但将磁控电弧应用于焊缝跟踪领域的磁控电弧传感器还相对较少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双向磁控电弧式焊缝跟踪传感器,该传感器通过空间双向磁场控制焊接电弧，其中通过纵向磁场和横向磁场同时作用于焊接电弧，外加纵向磁场使电弧收缩度和稳定性增强；横向交变磁场使焊接电弧横向规律性摆动，根据电弧弧长的改变而引起的电流信号的变化获取更加精确的焊缝信息。
本发明的目的是通过如下的技术方案来实现的：该双向磁控电弧式焊缝跟踪传感器包括横向磁场发生装置、纵向磁场发生装置、纵向磁场检测装置、横向磁场检测装置、空间磁场自诊断分析***、纵向磁场反馈***、横向磁场反馈***和磁场发生装置位置调整***等部分组成。该传感器将横向磁场和纵向磁场同时作用于焊接电弧，其中纵向磁场使电弧横向收缩挺度增强，横向磁场使电弧横向规律性的摆动，纵向磁场和横向磁场同时作用于焊接电弧，从而使焊接电弧更加精确扫描工件坡口，获取焊缝信息。纵向磁场检测装置和横向磁场检测装置实时地检测空间磁场的横向和纵向磁场的强度，将横向和纵向磁场强度信息传送给空间磁场自诊断分析***，空间磁场自诊断分析***对空间磁场信息分析处理，将纵向磁场和横向磁场信息传送于磁场反馈***，磁场反馈***对纵向和横向磁场进行实时的调节。磁场发生装置位置自动调整***根据空间磁场自诊断分析***对空间磁场分析的结果和实时的焊接环境进行分析处理，通过控制执行装置自动调节纵向磁场发生装置和横向磁场发生装置的空间相对位置。上述磁控摆动电弧传感器各部分***结合产生相对稳定的空间磁场，根据不同的焊接环境实时调整纵向磁场和横向磁场大小和形式，同时通过磁场发生装置位置自动调整***调整纵向磁场和横向磁场的空间分布。
所述空间磁场自诊断分析***根据不同的焊接环境调用自诊断分析***数据库数据，将自诊断分析***数据库数据输送给纵向磁场发生装置和横向磁场发生装置，焊接信号评价***对采集到的焊接跟踪信号进行分析，判断当前焊接跟踪信号是否符合跟踪要求，若符合跟踪要求则执行当前磁场自诊断分析***数据库数据。若不符合则进入自诊断分析***波形匹配模块，该模块重新匹配纵向磁场波形发生器和横向磁场波形发生器输入波形信号，并对纵向磁场TZ和横向磁场TH进行重新匹配,TZ＝kTH，其中：k≥0，将调整后的数据输送给纵向磁场发生装置和横向磁场发生装置，焊接信号评价***再次对焊接跟踪信号进行评价，若满足要求则将该匹配波形和磁场数据作为新数据库样本写入自诊断分析***数据库。空间磁场自诊断分析***将检测到的纵向磁场信号和横向磁场信号与已经匹配的数据样本信号进行对比分析处理，得到纵向磁场偏差ΔTZ1和横向磁场偏差ΔTH1，然后与预设定纵向磁场偏差阀值ΔTZ和横向磁场偏差阀值ΔTH比较判断，若|ΔTZ1|＞|ΔTZ|,|ΔTH1|＞|ΔTH|，则分别将纵向磁场偏差ΔTZ和横向磁场偏差ΔTH传送给磁场反馈***。
所述磁场发生装置位置调整***，其根据实时的焊接环境和空间磁场自诊断分析***对空间磁场分析的结果进行分析处理，主要得到构成横向磁场两个励磁线圈之间的距离L和纵向磁场发生装置与横向磁场发生装置之间的距离H，距离L和距离H通过加权法得到。H＝a1h+a2h+a3h+a4h，其中a1、a2、a3、a4、h分别是纵向磁场强度权重、横向磁场强度权重、焊接电流权重、焊接电压权重和横向磁场发生装置基准距离；L＝b1l+b2l+b3l+b4l，其中b1、b2、b3、b4、l分别是纵向磁场强度权重、横向磁场强度权重、焊接电流权重、焊接电压权重及纵向磁场发生装置和横向磁场发生装置之间距离的基准距离。根据预设的横向励磁线圈距离L1及纵向磁场发生装置与横向磁场发生装置之间的距离H1，得到磁场发生装置位置调整偏差ΔH和ΔL，并通过控制执行装置自动调节纵向磁场发生装置和横向磁场发生装置的空间相对位置。
所述纵向磁场产生装置与纵向磁场励磁电源相连，其安装在焊枪上与焊接电弧平行，纵向磁场励磁电源由脉冲发生器提供所需波形形式，脉冲发生器与功率放大电路相连，纵向线圈产生磁场，产生的磁感线方向与焊枪方向平行。
所述横向磁场产生装置与横向磁场励磁电源相连，横向磁场励磁电源由脉冲发生器产生所需脉冲形式，脉冲发生器与功率放大电路相连，使横向线圈产生交变磁场，焊接电弧摆动在洛伦兹力的作用下做规律性摆动。
所述纵向磁场检测装置由纵向磁场传感器和相关装置组成，纵向磁场传感器合理安装在空间磁场位置，检测空间纵向磁场强度，然后将空间纵向磁场强度信号进行相应处理传送给空间磁场自诊断分析***。
所述横向磁场检测装置由纵向磁场传感器和相关装置组成，横向磁场传感器合理安装在空间磁场位置，检测空间横向磁场强度，然后将空间横向磁场信号进行相应处理传送给空间磁场自诊断分析***。
所述纵向磁场反馈***将从空间磁场自诊断分析***接收到的纵向磁场偏差信息进行相应处理分析，而后将处理后的信息发送给纵向磁场脉冲发生器和功率放大装置，从而使纵向磁场脉冲发生器和功率放大装置作出相应的调整。
所述横向磁场反馈***将从空间磁场分析***接收到的横向磁场偏差信息进行相应处理分析，而后将处理后的信息发送给横向磁场脉冲发生器和功率放大装置，从而使横向磁场脉冲发生器和功率放大装置作出相应的调整。
本发明的工作原理及作用是：
本发明利用纵向平行于焊接电弧的磁场对焊接电弧具有横向收缩作用，使电弧的挺度和可控性增强，如图4所示，同时通过交变横向磁场使焊接电弧左右摆动，根据电弧长度规律性变化而引起的焊接电流的变化获取焊缝信息，从而更精确地实现焊缝的自动跟踪。
本发明磁控电弧传感器的摆动方案采用横向交变的磁场来控制焊接电弧，使其左右摆动来扫描坡口信息，通过外加纵向单方向磁场使焊接电弧稳定性和可控性较外加单一横向交变磁场时增强，获取的焊缝信息也更加精确，可以更加有效地改善焊缝质量。
本发明的纵向磁场产生装置与纵向磁场励磁电源相连，其安装在焊枪上与焊接电弧平行，纵向磁场励磁电源由脉冲发生器提供所需脉冲形式和大小，脉冲发生器与功率放大电路相连，纵向线圈产生磁场，其中脉冲频率和功放大小可调，焊接电弧在纵向磁场中收缩性增强和可控性增强，从而提高了摆动电弧的精确性。另外，电弧收缩使焊接过程中的热量散失减小，焊接能量利用率提高。本发明的横向磁场产生装置与横向磁场励磁电源相连，横向磁场励磁电源由脉冲发生器产生所需脉冲，脉冲发生器与功率放大电路相连，使横向线圈产生交变磁场，在洛伦兹力的作用下电弧摆动。
本发明空间磁场自诊断分析***根据不同的焊接环境，将接收到的纵向磁场强度信号和横向磁场强度信号进行分析处理，得到纵向磁场偏差和横向磁场的偏差，然后分别将纵向磁场偏差和横向磁场偏差传送给纵向磁场和横向磁场反馈***。
本发明磁控电弧传感器具有改善焊缝成形的功能，通过外加纵向磁场和横向交变磁场，改变焊接电弧的形态，动态电弧对进行搅拌熔池，从而起到改善焊缝性能的作用。
本发明的有益效果具体表现为：(1)该传感器通过双向磁场控制焊接电弧，其中通过外加纵向磁场作用于焊接电弧，使电弧收缩和稳定性增强，利用横向交变磁场使焊接电弧规律性摆动，纵向磁场和横向磁场同时作用于焊接电弧，从而使获取的焊缝信息更加精确。(2)外加纵向磁场对电弧有收缩挺弧作用，增强了电弧的可控性，焊接过程中电弧的收缩提高了焊接能量利用率。(3)空间磁场自诊断分析***根据不同的焊接环境将接收到的纵向磁场信号和横向磁场信号进行分析处理，得到纵向磁场和横向磁场的偏差，然后通过磁场反馈***实时控制纵向和横向磁场发生装置，从而使空间双向磁场保持相对稳定，提高了磁控电弧传感器的准确性。(4)磁场发生装置位置调整***，其根据实时的焊接环境和空间磁场自诊断分析***对空间磁场分析的结果进行分析处理，实时的调整纵向磁场发生装置和横向磁场发生装置之间的空间位置，增强了该磁控电弧传感器调节的灵活性和可调范围。(5)该双向磁控电弧式焊缝跟踪传感器有空间磁场检测***和磁场控制反馈***，磁场反馈***对磁场产生装置的闭环控制使传感器的稳定性、精度提高，针对不同的焊接环境，其稳定性和柔性增强。
附图说明
图1是本发明双向磁控电弧式焊缝跟踪传感器***流程示意图；
图2是本发明双向磁场自诊断分析***流程示意图；
图3是本发明实施例磁控电弧传感器装置示意图；
图4是本发明纵向磁场和横向磁场作用下的电弧示意图。
具体实施方式
本实施例，参见图3，本发明是一种双向磁控电弧式焊缝跟踪磁控电弧传感器。该传感器包括横向磁场发生装置、纵向磁场发生装置、纵向磁场检测装置、横向磁场检测装置、空间磁场自诊断分析***、纵向磁场反馈***、横向磁场反馈***和磁场发生装置位置调整***等部分组成。其中：横向磁场检测传感器1检测横向磁场信号，并通过横向磁场检测装置将其传输给空间磁场自诊断分析***。横向磁场装置位置调整电机2、横向磁场装置位置调整电机4、横向磁场装置位置调整电机7、横向磁场装置位置调整电机9，通过横向磁场装置位置调整装置十字滑架3、十字滑架8和纵向磁场装置调整装置丝杆滑块10，依据纵向电机驱动器和横向电机驱动器调节纵向磁场和横向磁场之间的相对位置。纵向磁场产生装置和横向磁场产生装置依靠固定装置5将它们固定在焊枪上，纵向磁场装置位置调整电机6可调整纵向磁场装置位置。纵向磁场检测装置11和横向磁场检测装置1实时地检测空间磁场的横向和纵向磁场的强度，将横向和纵向磁场强度信息传送给空间磁场自诊断分析***，空间磁场自诊断分析***对空间磁场信息分析处理，将纵向磁场和横向磁场信息传送于磁场反馈***，磁场反馈***对纵向和横向磁场进行实时的调节。磁场发生装置位置自动调整***根据空间磁场自诊断分析***对双向磁场分析的结果和实时的焊接环境进行分析处理，通过控制执行装置自动调节纵向磁场发生装置和横向磁场发生装置的空间相对位置。磁控摆动电弧传感器各部分***结合产生相对稳定的空间磁场，根据不同的焊接环境实时调整纵向磁场和横向磁场大小和形式，同时通过磁场发生装置位置自动调整***调整纵向磁场和横向磁场的空间分布。

Claims (3)

1.一种双向磁控电弧式焊缝跟踪传感器，它包括纵向磁场和横向磁场发生装置、纵向磁场和横向磁场检测装置、空间磁场自诊断分析***、纵向磁场反馈***和横向磁场反馈***、磁场发生装置位置调整***，其特征在于：其中纵向磁场发生装置产生纵向磁场和横向磁场发生装置产生的横向磁场同时作用于焊接电弧，使电弧横向收缩，挺度增强，克服电弧摆动的柔性，电弧扫描工件坡口，获取准确的焊缝信息；纵向磁场检测装置和横向磁场检测装置实时地检测空间磁场的横向和纵向磁场的强度，并通过空间磁场自诊断分析***对空间纵向和横向磁场信息进行分析处理，而后将空间纵向磁场和横向磁场信息传送给磁场反馈***，磁场反馈***对纵向磁场和横向磁场进行实时的调节；磁场发生装置位置调整***根据空间磁场自诊断分析***对空间磁场分析的结果及实时的焊接环境，通过控制执行装置自动调节纵向磁场发生装置和横向磁场发生装置的空间相对位置，从而提高磁控电弧传感器的稳定性和精确度。
2.根据权利要求1所述的一种双向磁控电弧式焊缝跟踪传感器，其特征在于：通过空间磁场自诊断分析***对空间纵向磁场和横向磁场信息进行分析处理，空间磁场自诊断分析***分析处理得出纵向磁场和横向磁场强度偏差信息，而后将纵向磁场信息和横向磁场信息传送给磁场反馈***，磁场反馈***对纵向磁场和横向磁场强度进行实时的调节。
3.根据权利要求1所述的一种双向磁控电弧式焊缝跟踪传感器，其特征在于：磁场发生装置位置调整***，其根据空间磁场自诊断分析***对空间磁场信息分析的结果和实时的焊接环境进行分析处理，得到纵向磁场发生装置和横向磁场发生装置之间的空间位置关系信息，并通过控制执行装置自动调节纵向磁场发生装置和横向磁场发生装置的空间相对位置。
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