《智能焊接制造基础》习题及答案 第3章习题参考答案

第3章智能焊接传感技术习题与思考题参考答案1.什么是传感器？传感器在智能焊接制造中的作用是什么？答题思路：先答教材定义+基本组成；再从信息采集‑信号变换‑反馈控制‑质量保障四个层面阐述焊接场景作用。答题要点1）定义：传感器是把被测量按一定规律转换为电信号的测量装置；一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路组成，部分需要辅助电源。2）作用：采集焊接过程、设备运行物理量（电流、电压、位移、温度、力等）；输出电信号供传输、处理、存储；反馈焊接状态，实现监测与闭环控制，提升自动化、智能化水平，保障焊接质量。2．智能焊接制造中常用的传感器有哪些？答题思路：按本章小节顺序罗列，按被测物理量分类列举，无需展开原理。答题要点电流电压传感器（霍尔）、位置传感器（涡流式、霍尔式、光电式）、位移/速度传感器（光栅尺、增量/绝对编码器）、温度传感器（热电偶、红外辐射）、力传感器（压电式、应变式）、智能传感器。3．焊接电流、电压传感器在智能焊接制造中的作用，常用电流传感器的工作原理是什么？答题思路：先写作用（检测‑反馈‑监控‑数字化）；再写霍尔效应基础，分别简述两类霍尔电流传感器核心机理。答题要点1）作用：实时检测焊接电流、电压；为焊接电源闭环控制提供反馈信号；监控电弧状态；原始模拟信号需数字化，用于网络传输、记录、质量分析。2）常用：霍尔电流传感器，分直测式、LEM磁场平衡式。直测式：被测电流产生磁场作用霍尔元件，输出霍尔电压，经放大换算被测电流；-LEM（磁场平衡/零磁通）：被测电流产生磁通，二次线圈产生反向补偿磁通实现动态零磁通；由补偿电流安匝数推算一次被测电流。4．智能焊接制造中，什么情况下需要采用位置、速度、位移传感器。结合生产实际合理选择传感器，并绘出系统的方块图，叙述其控制原理。答题思路：先梳理应用工况；区分开关量位置检测、连续位移速度检测，分别选型；闭环框图按“被控对象‑传感‑信号处理‑控制器‑驱动‑被控对象”；说明给定值与反馈比较的闭环逻辑。答题要点1）使用场景：焊枪/工件到位定位、工位转换、焊枪行走速度控制、直线/旋转机构位移控制、机器人运动限位、原点回零。2）选型示例：仅判断到位（开关量）：涡流式、霍尔、光电位置传感器；需要连续位移、速度：光栅尺（直线）、编码器（旋转，可换算直线）。3）方块图组成：执行机构（电机/工作台）→传感器→信号处理→控制器→驱动→执行机构闭环。4）控制原理：传感器采集位置/速度信号，送入控制器与设定值对比，偏差输出驱动执行机构，实现到位停止或恒速运动。绘图提示：被控对象（焊枪/工作台）→传感器→信号调理→控制器→伺服驱动→被控对象。5．光电编码器的工作原理及特点。结合智能焊接制造实际，举例说明其应用。答题思路：简述光电光栅转换机理；区分增量、绝对编码器共性特点；举1‑2个焊接实例，说明编码器检测什么物理量。答题要点1）原理：光源、码盘（动光栅）、固定光栅、光电接收器件；码盘随转轴转动，透光/不透光交替，光电元件输出脉冲信号。增量输出脉冲序列；绝对输出位置编码。2）特点：数字输出；增量可测转速、相对转角，可辨向；绝对可直接输出绝对位置；分辨率由码盘刻线/码道决定。3）焊接应用：环缝焊机卡盘转速检测；转盘焊接工位角度定位；丝杠机构把旋转转为直线位移检测；焊接机器人关节角度检测。6．绝对编码器与增量编码器的异同点有哪些？它们在焊接自动化应用中的适用范围？举例说明，并绘出相应的系统结构图，叙述其工作原理。答题思路：先相同点，再对比输出、断电特性、码盘；再分别写焊接场景实例；框图：转轴‑编码器‑信号处理‑控制器‑驱动电机。答题要点相同点：均为光电数字编码器，利用光栅光电转换；均可测转角、转速；可配合同步机构间接测直线位移。不同点1）输出：增量输出脉冲序列（相对位移）；绝对输出与位置一一对应的编码（格雷码/二进制）。2）断电：增量断电丢失位置，需要原点；绝对断电保存位置。3）码盘：增量单圈主要一圈光栅；绝对多圈同心码道。4）辨向：增量依靠A/B相相位差辨向；绝对直接读取编码得到位置。适用范围增量编码器：转速控制、相对位移测量；环缝焊机转速、丝杠驱动直缝焊接速度检测。绝对编码器：需要断电记忆位置、点到点精准定位；机器人关节、多工位转盘定位。绘图提示：电机‑联轴器‑编码器‑信号处理‑控制器‑伺服驱动‑电机闭环。7．在智能焊接制造中，可以采用哪些传感器进行焊接工件转速的控制？绘出结构框图，并说明检测原理。答题思路：确定传感器；画出闭环框图；核心逻辑：转速→脉冲频率→反馈‑比较‑调节。答题要点1）传感器：增量光电编码器（主流）；也可磁编码器。2）框图：驱动电机‑工件卡盘；电机轴安装编码器；编码器输出脉冲→频率‑电压转换/计数→控制器与给定转速比较→输出控制驱动电机。3）原理：工件转速与电机转速成正比；编码器输出脉冲频率和转速成正比；检测脉冲频率得到实际转速，与设定转速比较，闭环调节，维持工件恒转速（环缝焊接）。8．在智能焊接制造中如何进行直线位移的检测？选择传感器，绘出系统结构图，并说明检测原理。答题思路：分两种技术路线；分别说明传感器、信号转换；框图区分直接测量（光栅尺）、间接测量（编码器‑丝杠）。答题要点1）方案一：光栅尺，直接测直线位移。原理：固定光栅+移动光栅；光源‑受光器件；移动产生脉冲，计数得到位移；A/B相辨向。适合高精度直线机构。2）方案二：增量编码器+丝杠/齿轮齿条，旋转量换算直线位移。原理：直线运动转为旋转；编码器输出脉冲；依据丝杠导程，脉冲数换算直线位移；需要外部原点信号。框图提示：①工作台‑光栅尺‑信号处理‑控制器；②工作台‑丝杠‑编码器‑信号处理‑控制器。9．在智能焊接制造中，温度传感器的作用是什么，在哪些地方需要采用温度传感器。答题思路：先作用（监测‑工艺控制‑质量评价）；再分别列出典型工艺场景，区分热电偶接触、红外非接触适用工况。答题要点1）作用：采集工件、焊缝温度信号；为工艺闭环提供依据；控制预热、层间温度；监测温度场，评估接头质量；记录工艺数据。2）应用场合：①热电偶：焊缝附近工件接触测温，分析焊接温度场；②红外辐射（非接触）：电弧增材/堆焊层间温度监控；焊前预热测温；高温工件远距离测温。10.在智能焊接制造中，压力传感器的作用是什么，在哪些地方需要采用压力传感器。答题思路：作用从力检测、闭环控制、安全监测；再列举焊接工装、机器人、构件应力监测场景。答题要点1）作用：采集压力、夹紧力、焊接应力；信号反馈，实现力闭环；防止工件夹持过载；监测焊接构件应力；保证装夹可靠性。教材重点为应变式、压电式力传感器。2）应用：焊接工装夹具夹紧力检测；机器人焊接末端接触力；电弧力测试；大型焊接结构焊缝应力应变监测；压力容器焊接构件服役压力监测。11．智能传感器与普通传感器有什么区别，智能传感器在智能焊接制造中的应用有什么特点？答题思路：对比普通、智能传感器内部结构与功能；再结合焊接环境（强电磁干扰、多参数）说明应用特点。答题要点1）区别：普通传感器：仅完成非电量转模拟电信号；无内置数据处理；需外部电路做放大、A/D；无自检、存储、通信。智能传感器：集成敏感元件、信号调理、微处理器；具备数据处理、自检自诊断、存储、数字通信；可软件补偿漂移；多参量检测；输出数字信号，支持网络化。2）焊接应用特点：多焊接参量同步采集；在线自检；数据就地预处理；支持工业互联网上传；适应焊接强干扰环境；用于焊接过程监测、参数自适应控制、焊接结构在线服役监控。12.在焊接机器人焊缝跟踪系统中，可以选用哪些传感器？绘制系统框图并说明原理。答题思路：以本章学过的位置传感器为基础；框图遵循：焊缝‑传感器‑信号处理‑机器人控制器‑机器人执行机构；核心逻辑：检测偏移‑计算偏差‑实时修正焊枪位置。答题要点1）可选传感器类别：位置类、光电、激光视觉（拓展，本章所学：光电式、霍尔、涡流式位置传感器；实际工程常用激光视觉）。基于本章内容：光电、涡流式接近传感器可做接触式/接近式焊缝位置感知