前置式双探头涡流传感焊缝自动跟踪控制方法
【专利摘要】一种前置式双探头涡流传感焊缝自动跟踪控制方法，它主要是解决现有传统焊缝跟踪传感器存在的控制系统复杂，运算繁杂、控制精度低，体积庞杂，噪声大，易磨损，成本高，适用范围窄等技术问题，并可消除或削弱焊接过程中的错边影响。其技术方案要点是：当双探头涡流传感器的输入电流经前置处理器中各电路的先期处理后，到达双探头涡流传感器头部线圈阻抗Z，由该线圈的测量值与金属板间距离H和相对相对面积S的变化值所构成一电压值信号U输出，从而获得焊接过程中U与H以及U与S的线性关系实现焊缝自动跟踪控制。它主要是用于焊接过程自动控制系统的焊缝自动跟踪。
【专利说明】 前置式双探头涡流传感焊缝自动跟踪控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种焊接控制方法，尤其涉及用于焊接工艺进行焊缝自动跟踪的双探头涡流传感器式焊缝自动跟踪控制方法。
【背景技术】
[0002]焊接过程自动控制系统所要解决的主要问题是焊缝自动跟踪和焊炬的自动控制。目前比较常见的焊缝自动跟踪传感器有激光视觉式、机械接触式和电弧式传感器等，采用机械接触式传感器结构简单，但实时性差，易磨损，精度难以保证；电弧式传感器的焊缝跟踪控制系统中，利用电弧自身作为传感器，实时性强，制造成本低，但控制精度不太高，体积大，噪声大。采用激光式传感器虽然控制精度比较高，但它的成本高，适用范围窄，在某些场合下，即使是激光跟踪也很难满足要求。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种前置式双探头涡流传感焊缝自动跟踪控制方法，它既结构简单，适应性好，又有较高的灵敏度和焊缝质量控制精度，且无需与试件接触，检测速度快，操作简便，运行稳定，寿命长，成本低，便于普及推广。
[0004]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:采用包括安装于焊枪上的双探头涡流传感器，焊接执行装置和焊接控制装置的控制系统，其控制系统中的焊接执行装置包括焊接电源和连接于焊接控制装置的焊枪5，焊接控制装置主要包括双探头涡流传感器，前置处理器，焊接小车和十字滑块，双探头涡流传感器前置于焊枪并置于坡口一侧，双探头涡流传感器有两个探头，探头I I通过高低距离变化采集电压信号，探头II 2通过左右面积变化采集电压信号，该涡流传感器的两个探头能相互补偿，当探头I I和探头II 2的输入电流经前置处理器中各电路的先期处理后，到达双探头涡流传感器探头I I和探头II 2头部线圈阻抗Z，由探头I I头部线圈阻抗Z的测量值与对接金属板4间距离H的变化值所构成一电压值信号U1输出，同时将获得的距离H补偿给探头II 2，消除距离H对探头II 2输出的影响，并且由探头II 2头部线圈阻抗Z的测量值与对接金属板4间相对面积S的变化值所构成一电压值信号U2输出，从而获得焊接过程中电压值信号U与对接金属板4间距离H和相对面积S的线性关系，得出调整信号经驱动控制电路控制焊接执行装置，实现焊缝自动跟踪控制。
[0005]所述前置处理器中设置有信号处理电路、A/Η转换电路、单片机处理电路和驱动控制电路，对输入电流进行先期处理。
[0006]涡流传感器的两个探头能相互补偿，将双探头涡流传感器的探头I I和探头II 2的电压变化通过Istopt进行曲面拟合，选取合适的曲面方程，再进行变量分离，将探头I I的高度补偿给探头II 2，消除距离H对探头II 2的影响，捕捉焊枪5与焊缝的高低左右位置信息，先将采样信号转换为数字信号后输入单片机处理电路，再根据焊缝的偏差量使用Fuzzy一PID控制对焊枪5进行调节,实现焊枪5自动跟踪焊缝。
[0007]双探头涡流传感器置于焊枪前方并偏置于焊枪左侧或右侧，其中探头II 2靠近焊枪，探头I I紧靠探头II 2，探头I I通过高低距离变化采集电压信号，探头II 2通过左右面积变化采集电压信号；通过探头I I获得的高低方向电压信号，通过探头II 2获得的左右方向电压信号，以最小二乘法结合黄金分割法拟合得到U-H和U-S的线性曲线，同时根据采集的电压信号判断焊枪5的位置并作出调整实现焊缝跟踪。
[0008]信号处理电路中是使用硬件滤波加软件滤波相叠加的方式。
[0009]本发明的有益效果是:(1)采用包括安装于焊枪上的双探头涡流传感器，焊接执行装置和焊接控制装置的控制系统，并结合应用双探头涡流传感器非接触的线性化计量特性，实现了一种新的双探头涡流传感器式焊缝自动跟踪控制方法；(2)结合利用双探头涡流传感器非接触的线性化计量特性，将双探头涡流传感器采集的线圈阻抗Z与传感器和金属板间距H和相对面积S的变化信息转换成电压值信号输出，经处理和运算，达到实施焊枪与焊缝之间的位置控制，且控制运行稳定，可靠，实现了焊缝自动跟踪；(3)采用焊接执行装置与焊接控制装置分离，使现有手工焊机的优异性能与双探头涡流传感器的优异性能融为一体，两者的结合极大地提高了系统自动跟踪的准确性，可靠性和焊缝质量；(4)因对传感器的特性进行了调节，导致电压信号与跟随距离和相对面积的变化的输出特性曲线逼近一次曲线，故可对传感器特性曲线进行标定，线性化处理，从而使运算中的计算过程和电路结构极大地简化，降低了系统成本；(5)双探头涡流传感器结构简单，控制精度高，无需与试件接触，检测速度快捷，适应范围扩大；(6)该双探头涡流传感器可以削弱或消除焊接过程中的错边影响；(7)双探头涡流传感器式焊缝自动跟踪控制方法操作简捷，施焊工艺性好，系统跟踪精度高，实用性强，便于普及推广。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为本发明的控制系统结构示意图。
[0011]图2为本发明的双探头涡流传感器工作原理图。
[0012]图中:1-双探头涡流传感器探头I，2-双探头涡流传感器探头II，3-焊接小车，4-金属板，5-焊枪,6-十字滑块。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
[0014]实施例1，本发明采用包括安装于焊枪上的双探头涡流传感器，焊接执行装置和焊接控制装置的控制系统，并结合应用双探头涡流传感器非接触的线性化计量特性，实现一种双探头涡流传感器式焊缝自动跟踪控制方法，其控制系统中的焊接执行装置包括焊接电源和连接于焊接控制装置的焊枪5，焊枪5对准对接焊缝的，即对接金属板4，焊接控制装置主要包括双探头涡流传感器，前置处理器，焊接小车3和十字滑块6，双探头涡流传感器前置于焊枪5并置于坡口一侧，双探头涡流传感器有两个探头，探头I I通过高低距离变化采集电压信号，探头II 2通过左右面积变化采集电压信号，该涡流传感器的两个探头能相互补偿，当探头I I和探头II 2的输入电流经前置处理器中各电路的先期处理后，到达双探头涡流传感器探头I I和探头II 2头部线圈阻抗Z，由探头I I头部线圈阻抗Z的测量值与对接金属板4间距离H的变化值所构成一电压值信号U1输出，同时将获得的距离H补偿给探头II 2，消除距离H对探头II 2输出的影响，并且由探头II 2头部线圈阻抗Z的测量值与对接金属板4间相对面积S的变化值所构成一电压值信号U2输出，从而获得焊接过程中电压值信号U与对接金属板4间距离H和相对面积S的线性关系，得出调整信号经驱动控制电路控制焊接执行装置，实现焊缝自动跟踪控制。参阅图1至图2。
[0015]实施例2，所述前置处理器中设置有信号处理电路、A/Η转换电路、单片机处理电路和驱动控制电路，对输入电流进行先期处理。将双探头涡流传感器采集的信号转换成电压值信号输出，其处理过程中，先经信号处理电路和A/Η转换电路处理后，然后送入单片机处理电路进行软件处理和运算，由单片机处理电路给出调整信号经驱动控制电路控制焊接执行装置，达到实施焊枪5与工件-导体表面之间的位置控制及实时调整，从而实现焊缝自动跟踪。参阅图1至图2,其余同实施例1。
[0016]实施例3，涡流传感器的两个探头能相互补偿，将双探头涡流传感器的探头I I和探头II 2的电压变化通过Istopt进行曲面拟合，选取合适的曲面方程，再进行变量分离，将探头I I的高度补偿给探头II 2，消除距离H对探头II 2的影响，捕捉焊枪5与焊缝的高低左右位置信息，先将采样信号转换为数字信号后输入单片机处理电路，再根据焊缝的偏差量使用Fuzzy — PID控制对焊枪5进行调节，实现焊枪5自动跟踪焊缝。参阅图1至2，其余同上述实施例。
[0017]实施例4，双探头涡流传感器置于焊枪前方并偏置于焊枪左侧或右侧，安装于焊接小车3中十字滑块6上，其中探头II 2靠近焊枪，探头I I紧靠探头II 2，探头I I通过高低距离变化采集电压信号，探头II 2通过左右面积变化采集电压信号；通过探头I I获得的高低方向电压信号，通过探头II 2获得的左右方向电压信号，以最小二乘法结合黄金分割法拟合得到U-H和U-S的线性曲线，同时根据采集的电压信号判断焊枪5的位置并作出调整实现焊缝跟踪。参阅图1至2，其余同上述实施例。
[0018]实施例5，信号处理电路中是使用硬件滤波加软件滤波相叠加的方式。参阅图1至2，其余同上述实施例。
[0019]参见附图1，设置在焊枪5前方并置于坡口一侧双探头涡流传感器，其控制流程为:将双探头涡流传感器同时输出的两路电压值信号U经变量分离后由信号处理电路进行低通滤波和功率放大处理，信号的处理采用硬件滤波加软件滤波相叠加方法，消除焊接过程中由电弧等因素造成的杂波干扰，硬件滤波采用低通滤波电路滤波，软件滤波采用中值滤波和算术均值滤波相结合的方法；然后进入A/Η转换电路将模拟信号转换为数字采样信号，所得数字采样信号进入单片机处理电路，单片机处理电路中采用C51系列单片机并由单片机的处理程序对数字采样信号进行比对分析，并做出判断:焊枪5与焊缝的相对位置是否变化，采用复合Fuzzy — PID控制，即模糊控制和PID并联的控制模式，在位置偏差较大时采用模糊控制，快速响应调整；在位置偏差较小的时候采用传统线性PID控制，细节调整。给出控制信号后，控制信号进入驱动控制电路驱动焊接小车3和十字滑块6中的步进电机对焊枪5位置作出调整，由于焊枪5与双探头涡流传感器相对位置固定，于是在调整焊枪5的同时双探头涡流传感器探头I I与被焊金属板-导体的距离H以及双探头涡流传感器探头II 2与被焊金属板-导体的相对相对面积S也得到了调整，调整后双探头涡流传感器再次采样的信号送入单片机处理电路进行比对分析，如此循环实现了闭环控制，从而使双探头涡流传感器探头I I和双探头涡流传感器探头II 2两端的电压值信号U1和U2输出维持在限定的范围内，即实现双探头涡流传感器探头I I端面到各自所对准的被焊金属板-导体之间距离以及双探头涡流传感器探头II 2到被焊金属板-导体的相对相对面积S保持稳定，从而实现焊枪5对焊缝相对位置的稳定，控制焊枪5对准焊缝，实现了焊枪5与焊缝位置的自动跟踪。
[0020]本发明的工作原理:如附图1所示，前置安装在焊枪一侧的双探头涡流传感器置于对接金属板坡口一侧，两探头置于同一高度，且双探头涡流传感器前端面与对接金属板4表面，即工件-导体表面之间保持垂直，输入的高频振荡电流在探头头部的线圈中产生交变磁场，当调整被焊金属板位置，即工件-导体位置，使导体靠近该磁场时，导体表面会产生感应电流，此感应电流产生的磁场与线圈的交变磁场相互抵制形成阻抗Z，同时当导体平行双探头涡流传感器横向移动的时候，导体表面产生的感应电流会发生变化，其产生的交变磁场也会相应的发生变化。此时，当双探头涡流传感器的探头I I的输入电流经前置处理器中各电路的先期处理后，到达探头I I头部线圈，测量头部线圈阻抗Z与对接金属板4上被焊金属导体间距离H的变化而形成电压值信号U输出。并将距离H补偿给探头II 2，当探头II 2的输入电流经前置处理器中各电路的先期处理后，到达探头II 2头部线圈，测量头部线圈阻抗Z与对接金属板4上被焊金属导体相对面积S的变化而形成电压值信号U输出。如附图2所示，线圈与工件-导体的相互作用原理，将涡流传感器置于金属板上方时，当涡流传感器头部线圈施加高频交变电流I1时，在线圈的四周就会感生出高频交变电磁场H1处于这个交变磁场中的工件-导体内部的近表面就会产生旋转的涡电流i，同理，涡电流也会产生高频交变电磁场H1, H2的方向在任一时刻都与H2的方向相反,从电磁学的角度可以把工件-导体简化为一简单的感应线圈。根据克西荷夫定律，可列出方程组:
【权利要求】
1.一种前置式双探头涡流传感焊缝自动跟踪控制方法，其特征是:双探头涡流传感器有两个探头，探头I (I)通过高低距离变化采集电压信号，探头II (2 )通过左右面积变化采集电压信号，该涡流传感器的两个探头能相互补偿，当探头I (I)和探头II (2)的输入电流经前置处理器中各电路的先期处理后，到达双探头涡流传感器探头I (I)和探头II (2)头部线圈阻抗Z，由探头I (I)头部线圈阻抗Z的测量值与对接金属板(4)间距离H的变化值所构成一电压值信号U1输出，同时将获得的距离H补偿给探头II (2)，消除距离H对探头II(2)输出的影响，并且由探头II (2)头部线圈阻抗Z的测量值与对接金属板(4)间相对面积S的变化值所构成一电压值信号U2输出，从而获得焊接过程中电压值信号U与对接金属板(4)间距离H和相对面积S的线性关系，得出调整信号经驱动控制电路控制焊接执行装置，实现焊缝自动跟踪控制。
2.根据权利要求1所述的前置式双探头涡流传感焊缝自动跟踪控制方法，其特征是:所述前置处理器中设置有信号处理电路、A/Η转换电路、单片机处理电路和驱动控制电路，对输入电流进行先期处理。
3.根据权利要求1所述的前置式双探头涡流传感焊缝自动跟踪控制方法，其特征是:涡流传感器的两个探头能相互补偿，将双探头涡流传感器的探头I (I)和探头II (2)的电压变化通过Istopt进行曲面拟合，选取合适的曲面方程，再进行变量分离，将探头I (I)的高度补偿给探头II (2)，消除距离H对探头II (2)的影响，捕捉焊枪(5)与焊缝的高低左右位置信息，先将采样信号转换为数字信号后输入单片机处理电路，再根据焊缝的偏差量使用Fuzzy — PID控制对焊枪(5 )进行调节，实现焊枪(5 )自动跟踪焊缝。
4.根据权利要求1所述的前置式双探头涡流传感焊缝自动跟踪控制方法，其特征是:双探头涡流传感器置于焊枪前方并偏置于焊枪左侧或右侧，其中探头II (2)靠近焊枪，探头I(I)紧靠探头II (2)，探头I (I)通过高低距离变化采集电压信号，探头II (2)通过左右面积变化采集电压信号；通过探头I (I)获得的高低方向电压信号，通过探头II (2)获得的左右方向电压信号，以最小二乘法结合黄金分割法拟合得到U-H和U-S的线性曲线，同时根据采集的电压信号判断焊枪(5)的位置并作出调整实现焊缝跟踪。
【文档编号】B23K9/127GK104070267SQ201410220615
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年5月23日 优先权日:2014年5月23日
【发明者】洪波, 廖亚华, 洪宇翔, 朱亚飞 申请人:湘潭大学