（机械电子工程专业论文）tig焊旋转电弧焊缝跟踪研究.pdf

摘要 摘要 本文设计了一套完整的t i g 焊旋转电弧焊缝跟踪系统 研究了系统的硬件 和软件 信号滤波和焊缝偏差识别方法 设计了控制器 分析了实验结果并得 出结论 为能成功地实现t i g 焊焊缝跟踪打下了基础 硬件系统由焊接部分 信号采集部分和控制部分组成 设计制作了送丝机 构中的送丝弯管 导嘴 安装机构 试安装结果表明 结构合理 可以用于送 丝 设计制作了十字滑块电机驱动电路板 光耦输出信号整形电路板和低通滤 波电路板 并对各电路板进行了单独测试和整体测试 结果表明 三块电路板 性能可靠 能满足十字滑块的动作要求和信号的采集 针对焊接过程中系统会受到高频干扰而不能正常工作的问题 本文采用正 交多项式为基函数的最小二乘法对电弧电压信号进行滤波 采用7 阶多项式拟 合曲线 仿真和试验结果表明 该方法可以有效滤除干扰信号 为了得到准确 的焊枪偏差信息 研究了焊缝高度方向和横向偏差信息识别的方法 研究了遗传算法在本系统中的应用 设计了基于遗产算法参数整定位置p i d 控制器和焊缝跟踪软件系统 软件分为两大部分 位置式p i d 控制部分和遗传 算法参数整定位置式p i d 控制部分 位置式p i d 焊缝跟踪系统参数由经验渐凑 法整定 结果供确定遗传算法参数整定范围参考 对遗传算法参数整定位置式 p i d 控制进行仿真 同时完成程序的调试 最后对试验数据进行了分析 结合试验现象 对系统的改进给出了一些建 议 关键词 t i g 焊 旋转电弧 滤波 遗传算法 p i d a b s m r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r aw h o l ew e l dt r a c k i n gs y s t e mo ft i gi sd e s i g n e d b a s e do nr o t a t i n g f i l e t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h es y s t e ma r es t u d i e d 嬲w e l l 弱t h em e t h o do f p r o c e s s i n gt h ew e l d i n gv o l t a g es i g n a l sa n do b t a i n i n gt h ed e v i a t i o n so fw e l d i n gt o r c h t h ec o n t r o l l e ri sd e s i g n e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa r ea n a l y z e da n dt h ec o n c l u s i o n s a r em a d e t h e s es t u d y st h a tp r o v i d et h ef o u n d a t i o nf o rt h er e a l i z i n gw e l ds e a m t r a c k i n gs u c c e s s f u l l y t h eh a r d w a r es y s t e mi sm a d eu po ft h ew e l d i n gp a r t s i g n a la c q u i s i t i o np a r ta n d c o n t r o lp a r t t h ew i r ef e e de l b o w t h ew i r ef e e dm o u t ha n dt h ei n s t a l l a t i o nm e c h a n i s m a r ed e s i g n e d 雒r e q u i r e d t h et r i a le r e c t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h e yh a v er a t i o n a l c o n s t r u c t i o na n dc a nb eu s e di nt h ew i r ef e e d i n gd e v i c e t h ec i r c u i tw a f e rf o rd r i v i n g m o t o r so fc r o s s h e a ds h o e t h ec i r c u i tw a f e rf o rr e g u l a r i z i n gw a v eo ft h eo u t p u ts i g n a l f r o ml i g h te l e c t r i cc o u p l e ra n dt h ec i r c u i tw a f e rf o rl o w p a s sf i l t e r i n ga r ed e s i g n e d e v e r yp a r ta n dt h ew h o l ea r ed e b u g g e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h r e ec i r c u i tw a f e r s h a v er e l i a b l ep e r f o r m a n c ea n dm e e ts y s t e m sd e m a n d i nc o n s i d e r a t i o no ft h ef a c tt h a tt h es y s t e mw i l lb ei n t e r f e r e db yh i 曲f r e q u e n c y s o 弱n o tt ow o r kn o r m a l l y l e a s ts q u a r em e t h o db a s e do n7d e g r e e so r t h o g o n a l p o l y n o m i a li sa p p l i e dt op r o c e s st h ew e l d i n gv o l t a g es i g n a l s t h e s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o dc a l lb eu s e dt or e m o v en o i s e se f f e c t i v e l y i n o r d e rt oo b t a i na c c u r a t ed e v i a t i o n so fw e l d i n gt o r c h t h em e t h o d so fg a i n i n gt h e d e v i a t i o n so f w e l ds e a ma c r o s sa n dd o w na r es t u d i e d t h ep o s i t i o nt y p ep i dw i t hp a r a m e t e rs e l f t u n i n gc o n t r o l l e ri sd e s i g n e db a s e do n g e n e t i ca l g o r i t h m a sw e l l 嬲t h es o f t w a r es y s t e mf o rw e l ds e a mt r a c k i n g t h e s o f t w a r es y s t e mi sc o m p o s e do ft h ep o s i t i o nt y p ep i dp a r ta n dt h ep o s i t i o nt y p ep i d w i 吐1p a r a m e t e rs e l f t u n i n gp a r tb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m t h ep a r a m e t e ro fp o s i t i o n t y p ep i dp a ni ss e t t i n gb ym e t h o do ft r i a la n de r r o r w h o s er e s u l t sp r o v i d es o m e r e f e r e n c e sf o rd e t e r m i n i n gt h er a n g eo fp a r a m e t e rs e l f t u n i n gb a s e do ng e n e t i c a l g o r i t h m t h ep o s i t i o nt y p e p i dw i t hp a r a m e t e rs e l f t u n i n gb a s e do ng e n e t i c a l g o r i t h mc o n t r o lp r o g r a m i ss i m u l a t e da n dd e b u g g e di nt h em e a n t i m e f i n a l l y t h ee x p e r i m e n td a t a sa r ea n a l y z e d s o m es u g g e s t i o n sa b o u ts y s t e m i m p r o v e m e n ta r eg i v e nc o m b i n i n ge x p e r i m e n tp e r f o r m a n c e s k e yw o r d s t i gw e l d i n g r o t a t i n ga r c f i l t e r i n g g e n e t i ca l g o r i t h m p i d i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 焊接是两种或两种以上同种或异种材料通过加热 加压使原子或分子之间 结合扩散从而连接成一体的工艺过程 焊接技术随着铜 铁等金属的冶炼生产 各种热源的应用而出现 我国古代焊接技术始于商朝 主要是铸焊 锻焊 钎 焊和铆焊 使用炉火作为热源 用来做一些大型或小型的金属工艺品 装饰品 简单的工具 生活器具和武器 1 9 世纪初 英国人戴维斯发现了电弧和氧乙炔 焰这两种高温热源 之后随着科学技术不断地进步 至2 0 世纪2 0 年代出现了 电弧焊 与此同时 美国的诺布尔发明了自动电弧焊机 为自动化焊接的研究 和应用奠定了基础l l j t i g 焊 即钨极惰性气体保护焊 t u n g s t e ni n e r tg a s a r cw e l d i n g 是几种 焊接方法中的一种 使用纯钨或活化钨 如钍钨 铈钨等 作为非熔化电极 采用惰性气体 如氩气 氦气等 作为保护气体的电弧焊接方法 当采用氩气 作为保护气体时 这种焊接方法称为钨极氩弧焊 工作时 钨极被夹持在钨极 夹上 且从焊枪的喷嘴中伸出一定长度 在钨极端部与焊接工件之间产生电弧 对焊件进行加热 同时 保护气体通过枪体从钨极的周围喷向焊接区 以保护 钨极 电弧及熔池 当焊接薄板 厚度为3 m m 以下 时 一般不需加填充焊丝 可利用焊件被焊部位自身熔化形成焊缝 当焊接厚板或开有坡口的工件时 可 以从焊接方向的前方把填充金属按一定的速度向电弧中送进 填充金属熔化后 进入熔池 与焊件熔化金属一起冷却凝固形成焊缝 t i g 焊可实现高品质焊接 焊接性能好 无飞溅 成型好 变形小 可焊接 0 3 r a m 以上的多种金属和合金材料 适用于各种结构 形状的全位置焊接 应 用很广泛 2 近些年来 国内外对于a t i g a c t i v a t i n gf l u xt i g 焊接技术的研究已经取 得了一些成果 乌克兰巴顿焊接研究所 p w i 自6 0 年代开始从事该技术的研 究 这种新型高效的焊接方法是在普通的t i g 焊之前在焊件表面上涂一层很薄 的表面活性剂后再进行t i g 焊 可以明显增加焊接熔深 且可单面焊双面成形 生产效率高 易实现自动化焊接 美国等国家已研究开发出了适用于不锈钢 第1 章绪论 碳钢 镍基合金及钛合金的活性剂 有的已应用到工业生产 3 钏 电弧传感器与附加式传感器相比 实时性强 跟踪效果好 且抗弧光 抗 高温 抗磁场能力强 结构紧凑 体积小 根据电弧传感器电弧扫描形式的不 同分为摆动扫描式传感器 双丝并列电弧传感器和高速旋转扫描电弧传感器 摆动扫描式传感器工作时扫描频率比较低 用双丝并列电弧传感器进行坡口焊 接时由于焊枪结构较复杂 可达性不好 5 1 相比之下 旋转扫描电弧传感器有更 多优点 1 2 本课题研究的目的和意义 焊缝自动跟踪是实现焊接自动化的重要内容之一 6 近些年来 电弧传感器 作为传感焊接信息的手段备受关注 国内外许多研究机构都进行了颇多的研究 结构上在不断地改进和完善 可以成功地实现实时焊缝跟踪 并且采用旋转扫 描电弧传感器进行m i g 焊 m a g 焊等的焊缝自动跟踪技术已较成熟 目前 国内外对于t i g 焊焊缝跟踪的研究还不是很多 本课题将旋转扫描 电弧传感器应用于t i g 焊的焊缝跟踪研究 以焊接过程中的电弧电压的变化量 作为传感信息来获得焊炬是否偏离焊缝中心 以达到焊缝跟踪的目的 1 3国内外焊缝跟踪技术研究现状 焊缝跟踪技术综合了多门学科 包括电子技术 计算机技术 焊接技术 机械结构设计 机械材料 流体力学 电磁学 光学等学科 国内外许多研究 者对这一领域进行了研究 从示教焊接机器人到焊缝跟踪移动式机器人 焊接 自动化技术在不断进步 正向更加柔性化 智能化方向发展 目前 用于焊缝跟踪的控制方法主要有模糊控制 人工神经网络控制 焊 接专家系统和复合控制1 7 1 模糊控制方法适用于电弧电压与弧长变化量或焊接电流与弧长变化量之间 的非线性且数学模型难以建立的情况 许多研究者在研究焊缝跟踪时应用了模 糊控制 人工神经网络和专家系统也被人们慢慢地引入到自动化焊接控制中来 误 差传播神经网络及b p 网络的广泛应用就是较好的例子 在有些情况下 单独采用一种控制方法会有不足之处 如果采用上述两种 2 第l 章绪论 或两种以上控制方法相结合的复合控制方法 互补不足 可以得到较好的控制 效果 有许多复合控制方法已被应用于实际且己体现出了有效性 例如模糊p i d 复合控制方法 1 3 1 国外焊缝跟踪技术研究与应用现状 韩国学者j w k i m 8 1 采用摆动电弧传感器进行了c 0 2 气体保护焊的焊缝跟 踪研究 设计了两个模糊控制器 并用曲线拟合法从焊接电流信号中实时获取 焊炬位置信息 根据焊炬的角度偏差设计了合理的系统控制规则 以实现控制 目标 韩国p u k y o n g 国立大学研制了一种应用于造船业中舱体格子形构件移动焊 接机器人p j 如图1 1 所示 在遇到拐角焊缝时 机器人本体和二维运动平台可 自动调节位置 且保持焊接速度不变和焊炬准确对准焊缝 车体上共安装了两 个机械式接触传感器和一个接近传感器 以检测焊接起始点 采用模糊p i d 复 合控制 跟踪精度可达 0 5 m m 可满足实际焊接生产的需要 图1 1 舱体格子形构件焊接移动机器人 日本学者s m u r a k a m i 等人研制的焊缝跟踪系统依据焊枪的振幅位置与焊丝 和工件的距离关系判断焊点的水平和垂直位移 应用模糊控制理论设计了模糊 滤波器和模糊控制器 得到了较好地控制效果 日本的y s u g a 等人应用人工神经网络控制方法进行焊缝跟踪研究 在该系 统中用神经网络进行处理通过视觉传感器获得的焊缝图像 以得到更好的焊缝 形状数据 实验结果表明 该系统可以取得较好地跟踪效果i l 训 日本庆应大学学者s u g a 等人研制了一种可用于平面薄板焊接的自主性移动 焊接机器人 本体上有三个轮子 一个在前两个在侧面 机器人能够直线前 3 第1 章绪论 进也可以转弯 带动焊枪的臂可以伸缩 在臂的末端装有一个c c d 视觉传感器 通过它可检测焊缝的位置 采用人工神经网络方法识别焊缝形状 通过设计的 控制器对传感信号进行处理后可实现较精确的焊缝跟踪 s u g a 等人还研制了一种用于管道焊接的自主移动机器人 l2 在焊前 机器 人本体可以根据c c d 视觉传感器摄取的图像信息沿着管道方向边移动边自动识 别焊缝 最后达到正确的焊接位置 焊炬可以沿管道圆周进行全位置焊接 也 可用于管道的t 形接头焊接 巴西大学的al f ar os a dek c a 采用模糊控制和人工神经网络相结合的方法 进行焊缝跟踪研究 模糊控制用以确保传感器的连续感光 神经网络用以提高 计算机的视觉效果 在该系统中 有多个处理器和多个传感器 试验取得的焊 接效果表明 该方法可以应用于焊缝跟踪 1 3 2国内焊缝跟踪技术研究与应用现状 清华大学的廖宝剑 1 3 使用自行设计的高速旋转扫描传感器 研制了一套多 自由度智能焊接系统 提取电弧传感器的横向偏差信号及横向滑块位置信号 采用特征谐波法识别焊缝偏差 模糊控制器控制焊车的运动 取得了良好的控 制效果 图1 2 磁控电弧传感器 湘潭大学的洪波 1 4 等人针对机械式电弧传感器易磨损 噪声大 稳定性差 等问题 研制出了一种磁控电弧传感器 可用于焊缝跟踪 该传感器是利用电 磁场来控制焊接电弧的位置 形状及运动 尤其对于气体保护焊时 焊接区产 生的磁场与焊接电流相互作用 会改变电弧形态和运动状态 此变化可由外加 磁场的改变来控制 该传感器的形状如图1 2 所示 对获得的焊接电流信号采用 4 第1 章绪论 巴特沃思滤波器滤波和小波分析相结合的信号处理方法 应用积分比较法提取 焊缝坡口的偏差信息 试验结果表明 磁控电弧传感器可用于焊缝跟踪 且跟 踪效果良好 江苏科技大学的周方明等人 1 5 研制了p c 机和单片机8 0 c 1 9 6 k c 联合控制的 焊缝跟踪系统 该系统具有计算机和单片机的优点 具有双柔性 信息处理实 时性好且能力强 接口灵活 扩展能力强 可应用于多种焊缝跟踪的场合 t i g 焊工艺试验表明 该系统在小斜度偏差下坡口跟踪的实时性和精度较好 叶建胜进行了基于微机控制的薄板搭接旋转电弧t i g 焊的研究 1 6 1 建立了 焊缝自动跟踪系统 在已有直角坐标式弧焊机器人的基础上 设计了适于t i g 焊的旋转电弧传感器及其驱动电源 经验证性能可靠 所设计的旋转电弧传感 器如图1 3 所示 作者还研制了一台模拟式晶体管直流t i g 焊接电源 与开关电 源相比 采集的弧压信号更准确 稳定 便于处理 可以更好地研究t i g 焊的 电弧特性 1 力矩电机 2 1 2 一槽型光耦 3 a 光码盘 4 b 光码盘 5 7 夕p 轴承 6 夕h 套筒 8 下导 槽 9 焊枪安装座 绝缘 1 0 1 4 内轴承 1 1 内套筒 1 3 中轴 1 5 上导槽 1 6 联轴器 图1 3 旋转电弧传感器结构示意图 图1 4 所示为球罐磁吸附轮式移动焊接机器人 由清华大学与北京石油化工 学院装备技术研究所共同研制 目前已应用于大型球罐焊接 它的移动机器人 5 第1 章绪论 本体和焊炬移动机构上装有线阵c c d 传感器检测系统 焊炬跟踪精度可达到 0 5 m m 可满足实际焊接需要 1 8 1 图1 4 球罐磁吸附轮式移动焊接机器人 文献 1 9 1 设计了一种高压环境下全位置脉冲t i g 焊弧长跟踪系统 研究了脉 冲t i g 焊中弧压的特性 提取出表征弧长的稳态部分 为使电弧能在高压环境 下稳定燃烧 建立了高压电弧稳定性破坏的故障树 对故障树定性定量分析后 实验表明 在不同的环境压力下 选用合理的焊接工艺参数可使电弧稳定燃烧 该系统已成功应用于管道全位置打底焊 文献 2 0 1 研究了轮式机器人用于折线焊缝跟踪的协调控制方法 设计了自适 应模糊控制器 对十字滑块和车轮进行协调控制 粗略地跟踪焊缝 同时调整 十字滑块带动焊枪精确跟踪焊缝 试验结果表明 该协调控制方法可以完成最 大为6 0 角的折线焊缝和z 形焊缝的跟踪 文献 2 1 针对轮式移动焊接机器人 的弯曲焊缝跟踪控制问题 建立了系统的数学模型 并用积分时变状态反馈方 法设计了控制器 对机器人的速度 角速度和十字滑块同时进行控制 仿真结 果表明了该方法的可行性 文献 2 2 研究了采用旋转电弧作为传感器的空间曲线 焊缝智能跟踪控制系统 针对不同焊接位置时熔池对坡口的影响问题 采用补 偿因子加权处理方法和一次谐波法可以准确地对平焊 横焊和立焊焊缝进行识 别 文献 2 3 1 将神经网络应用于焊缝跟踪的研究中 采用其中一个网络作为控制 器 另一网络作为辨识器的双神经网络的混合控制器 最后的仿真结果表明 该系统可实现精确控制 文献 2 4 1 研究了比例模糊滑模控制在水下焊接机器人焊 缝跟踪中的应用 控制器中采用阈值切换的办法 当焊缝偏差大于一定值时采 用比例控制 提高响应速度 当偏差小于一定值时采用模糊滑模控制 试验结 6 第1 章绪论 果表明 焊缝跟踪效果良好 文献 2 5 研制了一种无导轨履带式爬壁焊接机器人 如图1 5 所示 可应用 于平面及曲面上的爬行焊接 焊缝识别部分由图像传感系统与计算机信息处理 系统组成 焊缝跟踪部分由控制电路与计算机控制系统组成 通过控制电磁铁 可以控制它的磁吸力 使履带块运动时可脱离壁面 静止时有足够大的电磁吸 附力以吸附壁面 图1 5 无导轨全位置爬行机器人 1 4 本课题的研究内容 在实验室已有的t i g 焊旋转电弧传感器 t i g 焊机 送丝机 焊接小车 等设备基础上 设计制作十字滑块电机驱动p c b 电路板 速度位置信号整形p c b 电路板和低通滤波电路板 搭建焊缝跟踪搭建硬件系统 对弧压信号的滤波方 法和焊缝跟踪方法进行了研究 基于v c 平台编写了焊缝跟踪程序 1 5 本章小结 从t i g 焊的发明 焊接特点及应用出发 分析了旋转扫描电弧传感器的优 点 简述了本课题研究的目的和意义 介绍了目前国内外对于焊缝跟踪技术的 研究方法与应用现状 介绍了本实验室在焊缝跟踪方面的研究成果 最后论述 了本课题的主要研究内容 7 第2 章t i g 焊硬件系统的建立 第2 章t i g 焊硬件系统的建立 本章介绍了t i g 焊信息传感原理及焊接系统的组成结构 与m i g 焊 m a g 焊的自动化焊接不同 t i g 焊机采用逆变电路 在焊接起弧时 高频振荡器的振 荡频率可达1 5 0 2 6 0 k h z 输出电压可达2 5 0 0 3 0 0 0 v 这样的高频高压进入硬件 电路时会破坏某些器件 如烧毁元器件或干扰软件程序的运行 为实现自动焊 接 必须避免这一强干扰源对系统的影响 此外 焊接过程中 焊接电流有几 十到一百多安培 此大电流会产生较大的磁场干扰 系统中所有采集信号线和 控制信号线都用屏蔽线代替一般导线 2 1电弧信息传感基本原理 电弧传感器可以实时传感电流或电压信号 结构简单 响应速度快 电弧 传感器有电压传感和电流传感两种主要方式 基本原理是利用焊接电弧的自调 节特性 焊炬扫描焊缝坡口时 扫描弧长会因焊枪与工件距离的变化从而引起 焊接电压或电流变化 据此来判断焊炬中心是否偏离焊缝中心 并以此作为传 感信息 控制执行机构调节焊炬与焊缝之间的相对位置 进行焊缝纠偏 使偏 离不断减少 即实现了焊缝跟踪 图2 1 为m i g 焊电弧传感原理图 2 6 2 7 j k k i ilk a 电弧工作点 i 广 干伸长 i 一电流 h 一电弧与工件间距离变化 1 电弧长度 图2 i电弧传感工作原理 以缓降外特性电源为例 从稳定焊接状态到焊枪与工件之间的距离发生阶 跃变化时 根据电弧的自调节性 对应的电弧长度也发生相应的变化 电流也 8 第2 章t i g 焊硬件系统的建立 随之发生变化 当电弧沿着焊缝的垂直方向扫描时 因为坡口的原因电弧长度 不断变化 焊接电流将随着焊炬高度的变化而变化 从而获得焊缝坡口信息 达到传感的目的 t i g 焊要求电源具有下降的外特性 焊接过程中焊接电流不随着弧长的变化 而变化 如图2 2 所示 根据我国标准 外特性曲线工作部分斜率应 7 v 1 0 0 a 文献 2 8 表明非熔化极惰性气体保护焊的电弧长度与电弧电压的关系如图 2 3 所示 当电流较大 b 点右侧 时 弧压与弧长之间呈线性关系 7 点 1 陡降外特性2 缓降外特性3 电弧静特性4 电弧静特性 图2 2t i g 焊接电源静外特性曲线 电弧长度 图2 3 电弧电压与电弧长度的关系 文献 2 9 研究了 f i g 焊电弧静特性 结果表明 电弧以一定半径旋转时t i g 焊的弧压与弧长满足线性关系 即 u k h b 2 1 其中u 为电弧电压 h 为电弧长度 k b 为与电源 钨极形态等相关的常 数 9 第2 章t i g 焊硬件系统的建立 2 2 焊接硬件系统 一个完整的控制系统必须要有搭建合理的硬件平台作为软件运行的基础 根据焊缝跟踪的需要 本研究的试验硬件平台包括焊接部分 信号采集部分和 控制部分 软件部分实现了位置式p i d 控制器 该系统采集电弧电压信号后 在工控机上实现滤波 计算偏差量和控制输出电压 驱动十字滑块上的电机进 行上下左右四个方向相应的动作 达到焊缝跟踪的目的 系统结构如图2 4 所示 厂一横向调整h 电机h 光耦卜 工 数 业 焊 生i 纵向调整h 电机h 光耦卜 据 控 接 光耦 信号整形电路 采 i 钡 电 集 p c 源 妙 卡 机 l l 一簖败翼1 i电压 f i 前置i 田l 聆名西i 传感器叫苫露 k 图2 4 系统结构图 焊接部分包括焊接电源 旋转电弧传感器 保护气 送丝机构和直线行走 小车 信号采集部分包括断路开关 信号采集前置电路 转速位置整形电路板 电压隔离传感器 数据采集卡和工业控制计算机 控制部分包括控制箱和十字 滑块 工作时 旋转电弧传感器采集到的电弧电压信号经断路开关 电压隔离传 感器 低通滤波电路 采集卡最后进入工控机 在工控机中经过软件滤波处理 偏差分析计算 所得偏差值经过电机驱动电路控制十字滑块上的电机进行相应 的动作 旋转电弧传感器被固定在十字滑块上 随着十字滑块一起动作 2 2 1 焊接部分 1 焊接电源 本研究所用的焊机为北京时代公司生产的型号为w s m 2 0 0 多功能氩弧焊 机 采用i g b t 逆变技术 允许电压波动范围宽 在2 0 以内 输出空载电压 5 0 到7 0 伏 输入电压单相2 2 0 v 电流在5 2 0 0 a 内可调 高频引弧 脉冲频 率在o l o i i z 之内可调 功率因数为0 9 3 效率为9 0 绝缘等级为f 级 冷 却方式为风冷 外形尺寸为4 5 5 x 2 1 4 x 3 4 0 m m 重量为ll k g 有过压 欠压 1 0 第2 章t i g 焊硬件系统的建立 过流 过热保护 焊接性能良好 频率响应快 焊接电流稳定 适用于除铝 镁及其合金外的多种金属的焊接 按下焊枪开关后 有氩气喷出 焊枪对工件 放电 即可顺利引弧 2 旋转电弧传感器 本研究采用的电弧传感器 3 0 j 如图2 5 所示 它起到传感电弧电压和充当焊枪 的作用 工作时夹持钨极 传导焊接电流并输送保护气体 它有以下特点 采 用的陶瓷喷嘴可与钨极之间绝缘 带有水冷装置 最大旋转半径为2 m m 可以 通过调节偏心机构中偏心块的位置调节旋转半径 最大焊接电流为3 0 0 a 钨针 直径随钨极夹套的大小而定 内部的电机采用永磁式直流力矩电机 具有软机 械特性 可调速范围宽 当负载转矩为一定值时 改变电机两端电压即可调速 轴承选用氧化锆全陶瓷调心球轴承 可使外壳与电机等导电物体绝缘 内部还 有一个光码盘和两个光电耦合开关组成的测位测速装置 以测定电机的转速和 焊炬的角位移 图2 5t i g 焊旋转电弧传感器实物图 3 焊接小车 小车放置在钢架直线导轨上 可以直线行走 小车由一台博山电机厂生产 的型号为7 0 s z 5 8 的电磁式直流伺服电机驱动 转矩1 4 7 m n m 转速6 0 0 0 r m i n 功率9 2 w 电压1 1 0 v 电枢电流不大于1 2 a 通过改变阻值来改变电机的电压 从而可以控制小车的运动速度 试验测得 当给定电压为1 3 v 时 小车的行进 速度为3 1 6 m m s 为可调节的最小速度 小车调速控制箱实物如图2 6 所示 第2 章t i g 焊硬件系统的建立 4 送丝机构 黪蔫 罐彩潮謦m 蔫醺 一一 一 图2 6 焊接小车调速箱 图2 7 送丝机构 对实验室已有的上海电焊机厂生产的s 6 2 a 型焊机进行改造作为系统的送 丝机 拆掉s 6 2 a 型焊机的焊枪和冷却管 装上送丝管 送丝速度可调 使用 的电机型号为7 0 s z 5 4 直流电机 输出转速7 5 0 r m i n 输出转矩5 0 0 m n m 额定 功率5 5 w 额定转速3 0 0 0 r m i n 额定电压1 1 0 v 电枢电流不大于0 8 a 送丝机构由送丝机 送丝管 导嘴和控制送丝机速度的控制箱组成 送丝 弯管和导嘴均为根据实验要求自行设计 焊接时 焊丝从焊接方向的前方送入 控制箱可控制送丝的开始和结束以及调节送丝速度 该送丝机构的实物图如图 1 2 第2 章t i g 焊硬件系统的建立 2 7 所示 送丝机构的安装位置必须和焊接方向一致 2 2 2 信号采集部分 为采集电弧电压信号 从旋转电弧传感器上端导电杆处引出弧压采集线路 依次接入断路开关 电压隔离传感器 低通滤波器 差分电路 再进入数据采 集卡 焊接过程中焊接电流较大 约在1 0 0 a 左右 电压隔离传感器只采集电压 信号 中间没有焊接电流通过 它的输出电压在0 5 v 范围内 输出电流随负载 电阻的改变而改变 信号采集流程图如图2 8 所示 传感器 图2 8 信号采集流程图 1 断路开关 型号为d z 4 7 6 0c 1 0 小型断路器 可以在正常情况下不频繁地通断电器装 置和照明线路 用在本系统中的作用是 为避免高频引弧时干扰源产生的高频 高压对系统元器件的破坏 起弧前断开断路开关 电弧稳定后合上开关 让弧 压信号进入信号采集系统 对系统起到保护作用 弧压采集的接地线路上也要 接一个断路开关 实物如图2 9 所示 图2 9 断路器实物图 1 3 第2 章t i g 焊硬件系统的建立 2 电压隔离传感器 电弧电压信号经电压隔离传感器变为0 5 v 的范围 本研究中的电压隔离传 感器 为武汉精量电子有限公司生产的 型号为j l d a 4 u 2 p 2 输入电压范围为 d c o 一1 0 0 v 输出电压范围为d c 0 5 v 1 2 v 供电 输入信号和输出信号可 隔离且成线性比例关系 精度高 试验测得 输入端接 1 5 v 信号时 可准确地 输出0 7 5 v 电压信号 电压信号检测原理图如图2 1 0 所示 信号处理 隔禹放大输出 图2 1 0 电压信号检测原理框图 电压信号一般用电阻降压处理 由一个隔离电源向前置放大器供电 隔离 原理常用的有两种方案 一种是采用线性光耦隔离技术 一种是采用调制解调 技术 输入输出完全隔离 此传感器可以把高电压信号和低压数据采集完全隔 离 避免系统受到强信号的干扰 从而提高系统的可靠性 实物如图2 1 1 所示 图2 1 1 光电隔离电压传感器实物图 3 前置电路 由于焊机逆变电源会产生高频干扰 电弧电压信号不能直接进入采集卡 中间有一个隔离的问题 试验测定 t i g 焊的电弧电压一般在2 0 v 以内 在本 研究中设计了二阶低通滤波电路以滤去高频分量 芯片l m 3 2 4 3 1 是带有真差动输入的运算放大器 每封装含4 个运算放大器 可工作在3 v 到3 2 v 的电源下 静态电流较小 偏置电流低 短路保护输出 共 模范围扩展到负电源 有内部补偿功能 输入端具有静电保护功能 有5 个引 出脚 包括2 个信号输入端 正负电源端和1 个输出端 二阶低通滤波电路 3 3 3j 中的运算放大器选用芯片l m 3 2 4 n 电路如图2 1 2 1 4 第2 章t i g 焊硬件系统的建立 所示 截止频率计算公式如下 1 o o2 丽 2 2 r 1 0 k q c i o o n f 则电路的截止频率为1 0 0 0 h z 本研究中电弧传感器的扫描频率为1 8 h z 左右 用软件m u l t i s i m l 0 1 仿真了 当输入振幅为2 5 v p 输入频率分别为1 4h z 2 0h z 4 0h z 6 0h z 1 0 0h z 1 5 0h z 2 0 0h z 时的情况 结果显示 输出波形和输入波形基本一致 没有变 形 输出电压在0 5 v 图2 1 3 为当频率为2 0h z 和2 0 0 0 h z 时的仿真结果 频 率为2 0h z 时 输入与输出波形基本一致 频率为2 0 0 0 h z 时幅值已衰减许多 可以说明此电路能够滤除高频干扰 实物图如图2 1 4 所示 图2 1 2 二阶低通滤波电路 t 2 t i 9 7 9 2 8 4 1 2 8 1v b 1 3 im v 时问轴 德道i j 夏遵8 比例5 0 0 惦 d i vi 比例5y d i v 比铡5v d w 一 x 位置0y 位置 o y 位置 瓣 妻爨黪襄黥2 黪群 髯囊 荔麓 i 静缓虢 黪 瓣 r 鞋鲞暖r 翟r 可 f 2 t 1 l1 9 9 6 2 3m s 1 0 5 5 2m v 4 75 1 2m v 时间鞠 比例 o m 晰 位置0 通道a 比例5v 埘v y 位置0 a 2 0 h zc o 2 0 0 0 h z 图2 1 3 不同输入频率时电路仿真结果 1 5 第2 章t i g 焊硬件系统的建立 燃 獬懈 4 4 4 一 7 j 辫鬻笼 誓 一 鬟鬻爹i 鬻 图2 1 4 低通滤波电路实物图 4 转速信号整形电路 从光耦出来的转速信号经过整形电路整形后进入采集卡 以采集较准确的 转速信号 芯片为c d 4 0 9 3 有4 个与非门 供电电源为 1 2 v s u w e i 接头 的4 脚和6 脚分别接光耦的正负端和电源的正负极 发光二极管导通且发光 光码盘每随电机旋转一周 光码盘上的深槽对应的光耦导通一次 不导通时光 耦的c 端处于高电平 则芯片4 0 9 3 的6 脚处于高电平 5 脚接电源处于高电平 5 脚和6 脚与非后 4 脚输出低电平 光耦的e 端接电源的地端 导通时光耦的 c 端处于低电平 则芯片4 0 9 3 的6 脚处于低电平 5 脚接电源处于高电平 5 脚和6 脚与非后 4 脚输出高电平 电路原理图如图2 1 5 所示 实物如图2 1 6 图2 1 5 转速信号整形电路原理图 1 6 第2 章t i g 焊硬件系统的建立 图2 1 6 转速信号整形电路板实物图 5 数据采集卡 采集卡实物如图2 1 7 所示 图2 1 7p c i 8 1 9 1 数据采集卡 采用北京阿尔泰科技公司研制的p c i 8 1 9 1 数据采集卡 主要参数如下 转 换精度1 6 位 最高采样速率2 5 0 k h z 3 2 通道单端模拟输入和1 6 通道双端模拟 输入 软件选择采样通道数 模拟输入隔离电压2 5 0 0 v r m s 1 m i n 软件内部触 1 7 第2 章t i g 焊硬件系统的建立 发和硬件后触发 模拟输入阻抗1 0 兆欧 8 k 字f i f o 存储器 可实现连续 异 步 与分组 伪同步 采集 双端输入方式是指使用正负两个通道实现某个信号的输入 该方式也叫差 分输入方式 主要应用在干扰较大 通道数相对较少的场合 根据差分输入方 式的需要 电压信号采集线路进入采集卡之前要经过一个前置电路 如图2 18 所示 电阻采用1 0 0 k 可以有效抑制共模干扰信号 提高采集精度 图2 1 8 模拟电压差分输入 6 工控机 控制主机为研华公司生产的型号为a t b l l l l 6 4 1 的原装工业控制p c 机 主 要配置为 6 1 0 机箱 2 5 0 w 电源 p c a 6 1 1 4 p 4 底板 4 个p c i 7 个i s a 插槽 p c a 6 0 1 0 v g 主板 集成显卡 1 个千兆网卡 e 5 3 0 0 双核c p u 主频2 6 g 内存4 3 硬盘3 2 0 g 2 2 3 控制部分 1 光电隔离i o 板 型号为a c 4 0 6 4 如图所示 可广泛应用于各种数字量控制 数字量电平变 换及输入输出 2 4 路隔离数字输入输出 一路输入支持隔离中断 扁平电缆连 接 从工控机中计算处理出的偏差信号经a c 4 0 6 4 i o 板 再进入电机驱动电路 板 控制十字滑块的动作 i o 板上输出口的2 1 2 2 2 3 2 4 脚分别与驱动电 路的l 2 3 4 路信号连接 2 5 脚接地并与驱动电路板上的地线连接 其地址 设定由跳线和输出口共同决定 在此选择2 1 2 4 引脚输出四路信号控制十字滑 块电机的运动 跳线设置如图2 1 9 中所示 输出地址为2 2 2 l g 第2 章t i g 焊硬件系统的建立 图2 1 9 光电隔离i o 板a c 4 0 6 4 2 控制焊枪动作的控制箱 该控制箱集成了给送丝机构供电的开关 控制焊枪动作的电机驱动电路板 变压器 手动控制焊枪位置按钮以及连接线 图2 2 0 十字滑块电机驱动电路原理图 电机驱动电路原理图如图2 2 0 所示 整个原理图主要由三部分组成 一部 分是两路2 2 0 v 交流电经变压器降成低压交流电 再经整流 滤波 稳压 再滤 1 9 第2 章t 1 g 焊硬件系统的建立 波后输出较稳定的1 5 v 直流电 分别给十字滑块的上下和左右电机供电 一部 分是由2 2 0 v 交流电经变压器降成低压交流电 经整流 滤波 稳压 再滤波后 得到5 v 直流电 给电路板上的芯片供电 另一部分是电机的控制电路 从工控 机中输出的4 路控制信号1 2 3 4 经由四2 输入与非门组成的芯片c d 4 0 1 1 三态输出缓冲门7 4 h c l 2 6 可控光电耦合器t l p 5 2 1 4 场效应管i r f 5 4 0 n 等芯 片作用后控制电机相应的动作 以进行焊缝跟踪 控制箱面板上有上 下 左 右四个按钮 可手动调整十字滑块的上下左右四个方向的动作 控制真值表如 附表1 所示 控制箱如图2 2 1 所示 图2 2 1 十字滑块电机控制箱 3 十字滑块 十字滑块上的电机采用d g 1 2 型带减速器航空电机 其额定值为 电压2 7 v 力矩1 5 k g c m 约为1 4 7 n m 转速3 8 r p m 具有刹闸机构 停车速度快 采用 滚动导轨 摩擦力小 运动自如 整个硬件系统外观图如图2 2 2 所示 誊 搿 癌 钆 茹 t j i 誊 缀 一 i i 荔灞j t 麓 jji 誊 麓 懑 i 黪 麓 j 尹 麓 图2 2 2 硬件系统实物图 2 0 第2 章t i g 焊硬件系统的建立 2 3 焊接系统软件界面 t i g 焊焊缝跟踪软件基于v i s u a lc 平台编程实现 v i s u a lc 是微软公司 的c 开发工具 具有集成的开发环境 整合了微软视窗程式设计和便利的调 试出错工具 t i g 焊焊缝跟踪软件分为两大部分 位置式p i d 控制系统和基于 遗传算法参数整定位置式p i d 控制系统 先用位置式p i d 控制系统对十字滑块 的高度方向电机和横向电机进行初步调节 再用位置式p i d 控制系统对十字滑 块的高度方向电机进行细致调节 用基于遗传算法参数整定位置式p i d 控制系 统对横向电机进行细致调节 软件界面如图2 2 3 所示 界面分为四部分 1 实时显示 包括滤波波形显示和焊接过程误差曲线显示两个静态文本 框和当前电压显示 当前横向偏差显示两个编辑框 2 手动控制 包括向上 向下 向左 向右 停止按钮 用于手动调节 焊枪的初始位置 3 焊缝跟踪 包括启动p i d 和参数整定按钮 启动p i d 按钮用于建立线 程p t h r e a d p i d 线程入口函数为t h r e a d f u n c p i d 参数整定按钮用于建立线程 p t h r e a d 线程入口函数为t h r e a d f u n c 4 p i d 参数 用于输入十字滑块高度和横向电机的p i d 控制参数 沁 蝴 j 熙 i l 孑 署 r至 t 矿 一 1 当掣n 一 图2 2 3t i g 焊焊缝跟踪系统界面 2 1 第2 章t i g 焊硬件系统的建立 2 4 本章小结 1 分析了电弧信息传感的基本原理和t i g 焊稳弧以后电弧电压和电弧长度 的关系 2 设计制作了十字滑块电机驱动电路板 光耦速度位置信号整形电路板和 低通滤波电路板 概括叙述了整个系统的结构和工作过程 研究了硬件系统中 每一个组成器件的性能和在系统中所起的作用 3 软件基于v i s u a lc 平台编程实现 设计了软件界面 界面分为四部分 分别描述了每一部分的功能 第3 章信号预处理及焊缝偏差信息识别 第3 章信号预处理及焊缝偏差信息识别 信号滤波是电弧传感信号处理中的一个重要环节 信号滤波有模拟滤波和 数字数字两种方法 由于模拟滤波后的信号存在相移的缺点 而对于焊缝跟踪 来说 弧压信号与焊缝位置的对应关系非常重要 所以要求模拟滤波电路的时 间常数非常小 这就影响了滤波电路的实际效果 因此采用数字滤波效果更好 岬5 1 在微机控制系统的输入信号中 一般均含有各种来自被测信号源本身或 外界噪声干扰 为了进行准确地测量和控制 必须消除被测信号中的噪声和干 扰 对于随机干扰 可以用数字滤波方法予以滤除或削弱 所谓数字滤波 即通过一些程序计算减少干扰信号在有用信号中的比重 以便于对有用信号的分析和处理 3 6 1 数字滤波不需要硬件 可靠性高 稳定性 好 可以根据不同信号采用不同的滤波方法 目前偏差识别的方法有很多 华南理工大学的曾松盛等人 3 7 利用基于支持 向量回归机的l a p l a c e 特征映射进行维数约简 可提高焊缝偏差的精度 文献 3 8 将b p 神经网络应用于焊缝位置识别 建立了数学模型 并对数学模型进行了检 验 本实验室曾采用区间积分法和特征谐波法进行焊缝偏差信息识别 3 o 取 得了良好的效果 3 1电弧电压信号的预处理 t i g 焊在高频引弧时 高频高压击穿空气形成电弧 瞬间会造成电网电压波 形畸变 焊接过程中 提取到的焊接电压信号除了有用的坡口特征信息外还有 干扰信号 这些干扰信号的存在会影响弧压信号的采集和处理 继而影响到偏 差识别和焊缝跟踪 4 l 4