焊接过程自动化技术.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除焊接过程自动化技术随着科学技术的发展，焊接已经从简单的构件连接方法和毛坯制造手段发展成为制造行业中的一项基础的工艺和生产尺寸精确的制成品的生产手段。因此，保证焊接产品质量的稳定性和提高生产率已是焊接生产发展亟待解决的问题。电子技术和计算机技术的发展为焊接过程自动化提供了十分有利的技术基础，并已渗透到焊接领域中，取得了很多成果。焊接过程自动化已成为焊接技术的生长点之一，越来越得到企业界的重视。第一节 电弧焊自动控制技术焊接过程自动化广义地可理解为包括从备料、切割、装配、焊接、检验等工序组成的一个焊接产品生产全过程的自动化。只有实现了这一全过程的机械化和自动化才能得到稳定的焊接产品质量和均衡的生产节奏，同时获得较高的劳动生产率。弧焊自动控制主要有电源输出特性控制和自动跟踪控制，主要内容如下。一、弧焊电源输出特性控制1. 弧焊电源的输出外特性控制传统的弧焊电源外特性有平特性、恒流特性及陡降特性三种，如图1所示。随着对焊接工艺过程稳定性要求的提高，特别是晶体管电源、逆变电源的出现，使弧焊电源的可控性大大提高。为了更好地满足工艺要求常将几种简单的外特性组合起来，构成了复杂的外特性。图2是一种适合于熔化极脉冲氩弧焊的多折线外特性。它的各个线段的作用分述于下。 点为空载电压，约55V。 bc段用以控制维弧电流。它与纵坐标间有一不大的夹角，使得在维弧期间弧长越长或电弧电压越高时，维弧电流越大，这对稳弧有重要作用。 cd段用以确定弧长。它的斜率大于电弧静特性的斜率。虽然电弧的工作点不能在它上面保持稳定，然而也不能使工作点在bc、de两线段间快速跳跃导致电弧不稳。实际上，这段静态外特性在焊接过程中并不出现，这只是一个快速的过渡过程。 de段用以使电弧保持恒定的脉冲电流。 ef段和fg段用以控制短路电流，以保证短路起弧。为了实现电弧的工作点在维弧和脉冲电流之间快速变，采用了动态多折线外特性。如图2所示，在电源外特性的斜率大于电弧静特性斜率的情况下，电弧工作点的移动速度取决于两者斜率之差，差值越大，则移动越快。为此使cd段在动态变化时分别绕c点或d点转动改变其斜率，其工作过程如下。假如电弧的工作点在bc段上，由于处于维弧电流段电流很小，只能保持电弧燃烧而焊丝不熔化。随着焊丝的送进，弧长缩短，工作点下移。当工作点到达c点的瞬间，cd段先以逆变时针方向绕c点快速扫描，造成很大的斜率，迫使电弧工作点迅速跳离c点而到达d点。然后cd段再以顺时针方向逐渐扫回到原来的静态斜率。此时在d点脉冲电流的作用下迅速形成射流过渡。此时焊丝的熔化速度大于送丝速度，电弧逐渐拉长，工作点升高。当工作点到达de段与cd段交点的瞬间，cd段绕d点以逆时针方向扫描，迫使电弧的工作点由d点跳到c点，然后cd段再以顺时针方向逐渐回扫。如此交替工作实现了熔滴的脉冲射流过渡。采用这种输出特性控制的焊机具有以下的特点。 焊接电弧能随时自行确定脉冲时间及维弧时间，使得在很宽广的电流调节范围内脉冲频率改变不大。能够自动适应送丝速度的任意变化，并迅速响应任何弧长扰动而始终维持电弧稳定，飞溅极少。 弧长能精确地自动控制，其数值由多折线外特性上c点的参数来调节。 维弧电流小，脉冲电流大，脉冲效果明显，焊接过程稳定，焊缝成形优良。 可用于射流过渡焊铝，比亚射流过渡更为优越。焊接电流可调节的范围大大增加。例如采用直径2mm的铝焊丝，焊接电流的范围为65350A。2. 弧焊电源的输出波形控制波形控制是对弧焊电源输出特性控制的又一个重要方面。采用电流波形控制会给工艺上带来很多优点。有文献曾指出，采用波形控制是减少CO2焊飞溅的一个重要而又有前途的措施。由于CO2焊飞溅产生的原因，主要是由于熔滴与熔池的瞬间短路以及短路后期液态金属小桥的爆炸。因此，尽管对CO2焊实施电流波形控制的方案有多种，但是不管采用哪种方案都应该保证以下因素。 在燃弧初期应有较大的电流输出，以保证焊缝的熔深。 在燃弧后期应减小电流输出，以保证熔滴与熔池稳定短路，避免由于瞬间短路造成飞溅。 在短路前期应有较大的电流输出，以缩短短路时间。 在短路后期应减小电流输出，以保证液态金属小桥柔顺断开，减少飞溅。对电弧燃烧各个时期的区分，则可以通过监测电弧电压或短路后的回路电阻等加以判别。图3是CO2焊采用电流波形控制时电流电压的实测波形。表1是采用图3所示的电流波形控制与采用普通平特性控制的实验结果的对比。由实验结果看出，无论是焊缝成形还是溅率，采用电流波形控制均优于普通的平特性控制。表1 采用电流波形控制与普通平特性控制的实验结果控 制 方 法采用电流波形控制采用普通平特性控制熔滴过渡频率/Hz瞬时短路频率/Hz熔滴过渡周期变异系数一秒种燃弧能量/kJ平均燃弧功率/kW飞溅率/余高系数（B/a）6300.242.272.950.463.08108430.531.712.326.612.54二、电弧焊的自动跟踪控制在焊接过程中，首先应该使电弧与焊缝对中，这是保证焊接质量的关键。随着焊接自动化的发展，焊缝自动跟踪用传感器显得越来越重要。例如弧焊机器人虽能按预先编制的程序沿一定的轨迹运动，但即使是由“示教”而得来的轨迹，也未必总是焊缝的实际位置。这种差异是由于批量生产中工件的加工误差，焊接过程中的热变形、夹具的不精确以及轨迹程序本身的不甚精确等因素所综合造成的。因此焊缝的实时自动跟踪成为国内外焊接界非常重视的课题，焊缝自动跟踪传感器的研究也就占据了焊接传感器的主导地位。为了提高焊接过程的自动化程度，除了控制电弧对焊缝的自动跟踪之外，还应实时控制焊接质量。为此需要在焊接过程中检测焊接坡口的状况，如宽度、深度、面积等；以及检测焊接熔池的状况，如熔宽、熔深和背面焊道的成形等，以便能实时地调整焊接参数，保证良好的焊接质量，这就是智能化焊接，是焊接自动化的发展方向。由此又研究发展了可用于此类目的的各种传感器。但它们目前在焊接传感器中所占的比例要远小于跟踪用传感器。1. 光电传感器光电传感器是目前研究得最多的一类焊缝自动跟踪传感器。这类传感器在应用时又分为两类：一类是接触式光电传感器；另一类是非接触式光电传感器。（1）接触式光电传感器 这类传感器与非接触光电传感器相比，具有安装方便、成本低、抗干扰能力强的特点；但也存在探针易磨损的不足。使用时将机头和传感器固定在一起，利用杠杆在焊枪的前方探测焊缝位置。在杠杆上端安装发光管，其接收光电管通常是安排两组，如图4所示。当焊缝位置发生变化时，杠杆带动发光管沿x，y轴发生偏移，由于发光管偏离中心位置，光敏接收管的输出就会发生变化，进而通过控制系统来调整焊枪位置，实现焊缝的高度和横向跟踪。（2）非接触式光电传感器非接触式光电传感器的结构形式很多，这里仅举一例说明这类传感器的应用。图5为一跟踪棱边的光电传感器的示意。它是以U形或V形坡口的棱边作为跟踪的基准。在使用中传感器位于电弧的前方和焊枪一起固定于随动机构上，入射光在平行于焊接方向的平面内以一定角度投射到工件上，其反射光被光电接收屏所接收。接收屏由多个光电管G组成点阵结构，分别发出左右和高低的跟踪信号，其工作原理如下。图5是采用G1、G3、G4三个光电接收管的简单结构。G1管主给出横向偏差信号，G3、G4管则主要给出高度方向的偏差信号。当焊枪和传感器处于正常位置时，反射光主要由G1管接收。当位置发生偏移，入射光打在钢板上时图6(b)，由于散射光减少，使G1管接收的光强大大增加，其输出为“1”，驱动调节机构使机头向左运动返回平衡位置。当入射光打在坡口内图6(c)时，G1几乎接收不到反射光信号，其输出为“0”，驱动调节机构反向，使机头向右运动返回平衡位置。当入射光正好射在棱边上，见图6(a)，则G1的输出处于上下阈值之间的死区内，驱动机构不动作。当焊枪的高度发生变化时，如图7所示，则G3、G4的输出反射信号会发生变化。当焊枪变低时，G3的输出增加；当焊枪变高时，G4的输出增加。由此可以得到高度方向的偏差信号，驱动相应的调整机构进行调整。在实用中为了提高灵敏度和扩大跟踪范围，防止误动作，可以增加光电接收管的数量。这种跟踪方式的不足是，由于传感器安装在焊枪的前方，可能会出现导前误差，在处理偏差信号时要加以消除。2. CCD视觉传感器CCD(Charge-Coupled Devices)即电荷耦合器件，是一种半导体集成光电敏感元件，其功能和摄像管类似，但与传统的真空管式光导摄像管相比，有体积小巧，耐震动，无高压等一系列优点，且其制造工艺和一般半导体集成电路的制造工艺相比并不十分复杂，因而自20世纪70年代以来获得了飞速的发展。CCD则能进行平面成像，用它制成的摄像机传感器功能最强，计算机的信息处理量也很大，能测出焊缝位置和缝隙宽度。（1）CCD的基本工作原理 半导体绝缘表面上覆以金属膜能形成电容器（MOS电容器）。当金属极加正电压时，P型硅的多数载流子被排斥而形成势阱，它能束缚电子而形成电荷包，见图8。所谓CCD就是紧密排列在半导体绝缘表面上的电容器，它可以用来贮存和转移以电荷包形式出现的信号。硅半导体有光电效应，当它受光照射时，产生的自由电子与光强成正比。故由许多光敏单元组成的CCD可作为像感元件。（2）CCD摄像机传感器 摄像机传感器一般有两种工作方式：一为结构光式，即把外加光源做成一条或多条窄光带形状，另一种为直接拍摄电弧的方式。 结构光式 传感器的光源可以是激光或白光，它被做成一条或多条窄带形状，故称结构光。该光带位于焊炬前方，以45方向斜射在工件上，见图9。摄像机在工件正上方，拍摄到光带和工件的交线，其图形如图10所示。此图形能反映坡口的形状、深浅，能求出工件的三维尺寸，故称三维传感器。由微机对图像进行处理后，可求出焊缝位置及坡口尺寸。由于信息量大，故处理时间较长，一般约0.3s处理一幅图像。 直接拍摄电弧式 将摄像机置于电弧前方，直接拍摄电绵以、熔池、焊丝等图像。如图11所示。所得的图形是倒像。下部的黑色凸起是焊丝，上部的白色凸起是焊缝缝隙， 大块白色区域是熔池。由图可求出焊丝对焊缝中心的偏移量，从而输出跟踪信号。由于跟踪信号直接取自电弧，故没有传感器位置的附加导前误差。同时它能测量熔池宽度等参数，能对焊接规范进行自动控制，故其功能很强。（3）激光扫描传感器 这是一个精密的电子光学仪器系统，它能探测坡口的高度尺寸。 工作原理 激光扫描传感器的工作原理见图12，He-Ne激光束打在工件上，光点经过透镜在线阵CCD元件上成像。由于透镜平面与激光束成一倾斜角度，故不同工件高度位置的光点对应于水平安放着的CCD元件上不同的成像点。即A1对应成像点B1，A2对应成像点B2。换句话说，不同工件高度位置的反射光点，一一对应于CCD上感光的光敏元件的号码。由CCD输出的光电信号图可确定感光元件的号码，从而探测出工件的高度位置，当激光束进行扫描时，即可探测坡口形状。激光扫描传感器结构如图13所示。激光束从水平方向射到扫描轴的镜子上再射到工件上，从工件上反射的光经扫描轴的另一镜子射到透镜并在线阵CCD元件上成像。扫描在马达正反转驱动下不地来回转动，而使激光束在工件焊缝处横向扫描。马达转角决定扫描范围，扫描频率为10Hz，测量高度位置的精度为0.2mm。激光束在电弧前方约35mm处。它已用于弧焊机器人的焊缝自动跟踪，还可以进行焊接规范自动控制。 激光扫描传感器的信号处理 该传感器的信号处理流程见图14。激光器加上电源后，扫描马达正反转动。CCD探测出在每个扫描角度时的工件高度r，经坐标变换把极坐标r，变成直角坐标x，y，并显示出光点的扫描图形，即坡口形状。然后计算坡口中心位置以进行焊缝自动跟踪（控制机器人各轴的运动），还可以计算坡口的面积以进行焊接规范的自动控制。这是具有智能的最新一代的传感器。3. 超声传感器（1）超声传感器的工作原理 利用超声波脉冲在金属内传播时的界面反射现象，可以接收到反射波脉冲。由入射反射波脉冲的行程，即可测得界面位置。一般用横波探头作为焊缝跟踪传感器，见图15。当探头离钢板接缝边缘的位置发生左右变化时，接收到的反射波脉冲的时间就发生变化。探头与焊炬刚性固定，当焊炬与焊缝对中时，探头的位置发邓为平衡位置，其对应的声程（时间）即为标准声程。当焊炬偏离焊缝中心时，其获得的声程与标准声程之差即为左右跟踪信号。由于流动的液体不传播横波，超声波不可能透射到焊接熔池中去，即它在固液界面也要反射。利用这一特性就能测量熔池深度，见图16。两横波探头置于焊缝两侧，它们是两套彼此独立的系统，因此不需要对称配置。当熔深减小时，声程长度增大；熔深增大时，声程变短。与预定的标准声程作比较即可实时测量及反馈控制熔深。用两套系统的好处是：若有一探头由于钢板表面粗糙而暂时不能接触时，第二个探头还在跟踪和控制熔深。可在工业上应用的超声波焊缝跟踪及熔深控制器的外形见图17。由于它放在电弧的侧面，故没有传感器导前的跟踪附加误差。超声传感器的测量精度主要取决于超声波的频率。一般用1.25MHz和2.5MHz的晶体。频率越高则误差越小。目前已有5MHz的晶体，声程长度测量总精度达到1mm。（2）超声传感器的适用范围 它可用于钢和铝等材料的焊接，板厚一般要10mm，材料越厚则系统工作越好。由于探头要求与工件表面可靠接触，故要求工件表面平整。它不怕电弧的电磁、光、烟尘等干扰，且兼有焊缝跟踪和熔深控制的可能，故是一种很有前途的传感器。能用于自动焊机和弧焊机器人。当然，如果机器人要焊接薄板工件，则超声传感器需进一步改善。4. 电弧传感器（1）电弧传感器的工作原理 电弧传感器的被检测信号是在焊炬与工件相对位置变化时，由电弧自身电参数的变化中提取的。在等速送丝，采用水平外特性焊接电源的系统中，可通过电弧摆动或并列双丝的电弧电流的变化来获得检测信号，其工作原理如下：当焊炬离工件的距离发生变化时见图18(a)弧长即发生变化，例如由01，则稳态焊接电流也要变化。其调节过程为：当电弧突然拉长时，电弧工作点从A0移到A1图18(b)。但电弧自身调节作用（使焊丝熔化速度减慢）将力图使电弧工作点复原（使弧长恢复）。但此时焊丝干伸长度增加，即主回路的电阻加大（在细丝大电流密谋焊接时，尤为显著），故焊接电流I0比原始电流I0要小，见图18(c)。此时新的静态工作点A0的电弧长度也比原始弧长0有所增加。换句话说，当焊炬离工件距离增大时，静态焊接电流要减小ID，弧长要增加。反之，若距离减小则电流加大，弧长减小。（2）摆动电弧双向跟踪传感器及系统 在V形坡口对接焊或丁字接头焊接时，利用机头作横向摆动，由左右两边干伸长度的变化情况，可求出焊缝左右和高低的跟踪信号，见图19。在焊炬与坡口中心对中时，机头摆到左右两侧的干伸长度相等，故ILIR，见图19(a)。若焊炬与坡口不对中，则ILIR，见图19(b)。IL与IR之差的大小和正负，就可以作为输出信号来判断焊炬的横向位置。例如IL与IR差为负，则焊炬偏在坡口右面。利用这两个电流之和，就可反映焊炬的高低位置。若IL+IRIG。则焊炬位置偏低（IG为给定值）。反之则焊炬位置偏高。这样就可以进行焊炬的高低跟踪。跟踪系统示意图如图20所示，机头上共安装三个直流电机。M2为横向跟踪的驱动电机，M1为高低跟踪的电机，M3通过凸轮C使焊炬摆动，摆动频率约3Hz，焊丝横向摆幅约46mm。M3的另一端有一对无触点开关K，当焊丝摆至左、右两端时，各输出一脉冲信号送入控制器，命令测量电流数值（以分流器电压来表示）。经过加、减运算后送入比较器，与给定值进行比较。用左右两端电流信号之差（ULUR）控制横向跟踪、信号之和（UL+UR）控制高低跟踪。（3）并列双丝电弧传感器 利用两个并列的电弧施焊时，也可由它们焊炬位置的变化来提取电流信号，见图21。两个电弧彼此独立，但可共用同一平特性焊接电源。由图21(a)可看出，焊炬的中心线未对准坡口中心时，其左右两焊丝具有不同的干伸长度，因而将造成不相等的焊接电流。根据两个电流之差即可进行左右跟踪和进行高低跟踪。图21(b)为线路示意图。（4）