用于窄间隙脉冲电弧焊接的PLC控制系统及控制方法

用于窄间隙脉冲电弧焊接的plc控制系统及控制方法
技术领域
1.本发明涉及一种针对机械驱动式窄间隙脉冲电弧焊接的plc(可编程控制器件、programmable logic controller)控制系统及控制系统，属于焊接技术领域。


背景技术：

2.窄间隙焊接方法是一种高效、高质量、低成本的厚板金属结构件焊接制造方法。为解决窄间隙坡口侧壁的熔透问题，国内外研究者通过特制焊丝、机械驱动、磁控、多电极等途径使电弧产生坡口横向运动，先后开发了多种窄间隙焊接工艺，代表性的有：蛇形焊丝焊接法、高速旋转电弧焊接法、摇动电弧焊接法、超窄间隙焊接法、双丝窄间隙法等。其中，由于机械驱动式窄间隙电弧焊方法的电弧位置与电弧热力分布可控性强，应用较为广泛，其关键在于精准控制电弧移动轨迹。
3.采用脉冲电弧焊接时，焊接电流发生周期性脉动，基值期焊接电流用于维持电弧燃烧，而峰值期焊接电流可促进熔滴过渡和焊丝熔化。与直流电弧相比，脉冲电弧焊接电流的规律性变化还促使熔池发生周期性振荡，有利于细化焊缝金属晶粒。脉冲电弧与窄间隙焊接方法的结合，可进一步降低窄间隙焊接热输入，改善焊接接头组织(尤其是接头热影响区)，提高接头力学性能。
4.公开号为cn102398100b，名称为“摇动电弧窄间隙焊接系统的控制方法及装置”的中国发明专利中，公开了一种采用互连双单片机控制的摇动电弧窄间隙焊接系统控制方法及装置，通过第一单片机分时设定不同摇动工艺参数并发送给第二单片机，第二单片机检测电弧摇动轨迹中点和电弧摇动频率，控制电弧按预定轨迹摇动，实现摇动电弧窄间隙焊接过程数字化控制。其缺点是：
①
所述双单片机系统不能很好地抵御大电流焊接时的强电磁空间干扰；
②
所述双单片机系统的功能单一，不能实现焊炬自动定位、焊接过程监控及焊缝跟踪等功能，现场应用适应性不强。
5.公开号为cn110977109a，名称为“一种适用于超窄间隙的gtaw焊接系统及焊接方法”的中国发明专利申请中，公开了一种采用非轴对称钨极旋转的超窄间隙gtaw方法及系统，在小于6mm的坡口间隙条件下，获得侧壁熔合良好的非熔化极窄间隙气保焊接头。其不足之处是：
①
在长时间焊接后，所述非轴对称钨极端部容易出现烧损，从而影响电弧的有效旋转半径，最终出现侧壁熔透不良问题；
②
所述方法的电弧轨迹单一，系统功能较少，在变间隙坡口焊接时的适应性不强。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为克服现有窄间隙焊接控制器抗干扰能力差、焊接参数调节不便利、电弧运动控制精度不高、焊接适应性不强、功能单一的问题和缺陷，针对窄间隙脉冲电弧焊接，提出一种抗干扰能力强、焊接参数调节方便、电弧运动控制精度高、工程实用性强、环境适应性好的plc控制系统及方法，通过plc和触摸屏互相配合，实现对机械驱动式窄间隙脉冲电弧焊接过程的数字化精确控制，并利用脉冲电流检测器控制摄像机采集电弧干扰
小的焊接区域图像，用于窄间隙脉冲电弧焊接过程的可视化监控、焊缝偏差视觉检测与跟踪控制。
7.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
8.一种用于窄间隙脉冲电弧焊接的plc控制系统，包括plc、触摸屏、驱动器组、通讯模块、焊接电源、窄间隙焊炬、焊丝、摄像机、脉冲电流检测器、d/a模块、图像采集卡、计算机、工件以及装有焊炬横向调节电机、焊炬高度调节电机和工件拖动电机的焊接操作机，所述工件设有坡口，所述坡口包括坡口左侧壁和坡口右侧壁和底面，焊接时，所述导电杆和所述导电嘴带着所述焊丝伸入所述坡口内，所述焊丝与所述工件之间产生电弧。
9.所述plc用于存储和控制，所述触摸屏用于设定并同步显示电弧能量参数和电弧运动参数，所述驱动器组用于驱动所述焊炬横向调节电机、所述焊炬高度调节电机和所述工件拖动电机以及所述电弧驱动电机，所述通讯模块用于所述plc与所述焊接电源之间通讯，并实时采集的脉冲焊接电流ia和电弧电压，所述窄间隙焊炬固连在所述焊接操作机上，并由所述焊炬横向调节电机和所述焊炬高度调节电机共同驱动，所述窄间隙焊炬包含电弧驱动电机、电弧速度检测器、焊接馈电块、导电杆和导电嘴，其中所述电弧速度检测器和所述焊接馈电块都套装在所述电弧驱动电机轴上，所述电弧速度检测器检测焊接时所述电弧的运动速度并输出的所述电弧速度脉冲信号，所述导电杆的上端与所述焊接馈电块导电固连，所述导电杆的下端与所述导电嘴导电固连，所述焊丝从所述窄间隙焊炬上端穿入，并从所述导电嘴下端斜向伸出，所述电弧驱动电机用于驱动所述焊丝旋转；所述plc分别与触摸屏、通讯模块和计算机通讯连接，所述plc的高速脉冲输入接口与所述电弧速度检测器电连接，所述plc的输出接口分别与所述驱动器组、所述脉冲电流检测器和所述d/a模块电相接；所述通讯模块与所述焊接电源通讯连接，所述通讯模块与所述脉冲电流检测器电连接；所述驱动器组分别与所述焊接操作机上的所述焊炬横向调节电机、所述焊炬高度调节电机和所述工件拖动电机以及所述窄间隙焊炬上的所述电弧驱动电机电连接；所述焊接电源的两个输出端分别与所述焊接馈电块和所述工件电连接，所述焊接电源通过所述焊接馈电块为电弧提供电能。
10.所述摄像机的外触发接口与所述脉冲电流检测器电连接，根据所述plc输出的电弧位置信号pa、电弧模式信号am以及从所述d/a模块输出的参考电流i
r1
和i
r2
，所述脉冲电流检测器检测脉冲焊接电流ia，并在脉冲焊接电流ia下降沿且靠近基值处输出摄像机外部触发信号控制所述摄像机，所述摄像机还通过数据线与所述图像采集卡相连，所述图像采集卡同时又与所述计算机相接，所述摄像机采集坡口中的所述导电杆和所述焊丝处的图像，经所述图像采集卡传送给所述计算机进行图像处理，然后传送给所述plc。
11.进一步，所述的脉冲电流检测器包含电流信号开关、位置信号开关、比较器一、比较器二、焊接电流编码器、焊接电流译码器和触发器；其中所述电流信号开关的输入端分别与通讯模块和所述位置信号开关电连接，所述位置信号开关的输入端与所述plc电连接，其输出端还与所述触发器电连接；所述比较器一和所述比较器二的同向输入端与所述电流信号开关的输出端电连接，二者的反向输入端与所述d/a模块电连接，其输出端与所述焊接电流编码器的输入端电连接；所述焊接电流编码器的输出端与所述焊接电流译码器的输入端电连接，所述焊接电流译码器的输出端与所述触发器的输入端电连接，而所述触发器的输出与所述摄像机外部触发接口电连接。
12.本发明还提供上述用于窄间隙脉冲电弧焊接的plc控制系统的控制方法，包括如下步骤：
13.步骤一、在所述触摸屏上设定并同步显示电弧能量参数和电弧运动参数，然后实时传送给所述plc存储，其中已设定好的电弧能量参数被所述plc经所述通讯模块同步传送给所述焊接电源，并通过所述驱动器组驱动所述焊接操作机上的所述焊炬高度调节电机，设定所述窄间隙焊炬的焊炬高度h；
14.步骤二、利用所述摄像机采集坡口中的所述导电杆图像，经所述图像采集卡传送给所述计算机进行图像处理，分别提取所述导电杆外壁到坡口左侧壁和坡口右侧壁的横向距离l1和l2，计算所述窄间隙焊炬的横向定位调节量|l
1-l2|/2并发送给所述plc，然后由所述plc控制所述驱动器组驱动所述焊接操作机上的所述焊炬横向调节电机，带动所述窄间隙焊炬向横向距离l1和l2中值较大的一侧移动|l
1-l2|/2，实现所述窄间隙焊炬的焊前横向定位；
15.步骤三、通过所述plc控制所述驱动器组驱动所述窄间隙焊炬上的所述电弧驱动电机，带动所述导电嘴下端斜向伸出所述焊丝做低速旋转运动，同时利用所述摄像机采集坡口中的所述焊丝图像，经所述图像采集卡传送给所述计算机进行图像处理，分别提取所述焊丝端部到所述坡口左侧壁和所述坡口右侧壁的横向距离l3和l4，当横向距离l3和l4相等时，所述计算机向所述plc发送定位完成信号，通过所述驱动器组控制所述窄间隙焊炬上的所述电弧驱动电机停转，此时所述焊丝正好指向焊接正前方或正后方，其端部所在位置为电弧运动轨迹起始点，实现所述焊丝端部的焊前定位；
16.步骤四、焊接开始后，所述plc首先通过所述通讯模块控制所述焊接电源提前送焊接保护气体并引燃焊接电弧，然后控制所述驱动器组转动所述窄间隙焊炬上的所述电弧驱动电机，使所述焊丝端部的所述焊接电弧按设定电弧运动参数移动，同时驱动所述焊接操作机上的所述工件拖动电机，使所述工件以焊接速度vw向焊接前方移动；所述plc接收所述通讯模块实时采集的脉冲焊接电流ia和电弧电压，并根据所述电弧速度检测器输出的所述电弧速度脉冲信号检测所述电弧的平均运动速度，然后传送给所述触摸屏实时显示；根据所述plc输出的电弧位置信号pa、电弧模式信号am以及从所述d/a模块输出的参考电流i
r1
和i
r2
，所述脉冲电流检测器检测脉冲焊接电流ia，并在脉冲焊接电流ia下降沿且靠近基值处输出摄像机外部触发信号，控制所述摄像机采集电弧干扰小的焊接区域图像，用于焊接过程实时监控与焊缝偏差检测，直至焊接过程结束。
17.进一步，步骤一中，所述电弧能量参数包括电弧模式、焊接电流、电弧电压、提前送气时间、滞后停气时间、电弧推力，其中电弧模式包含脉冲电弧和直流电弧；所述电弧运动参数除焊接速度vw外，还包含电弧运动轨迹及其参数，所述电弧运动轨迹又包括直线移动、圆弧往复摇动、直线往复摆动和单向旋转，所述中圆弧往复摇动的轨迹参数包含摇动频率、摇动角度α1、摇动半径r1、两侧停留时间和加减速时间，所述直线往复摆动的轨迹参数包含摆动频率、摆动幅值d、两侧停留时间和加减速时间，所述单向旋转的轨迹参数包含旋转频率、旋转方向、旋转半径r2、两侧停留时间和加减速时间。
18.进一步，步骤二中，所述窄间隙焊炬的焊前横向定位方法，还可以先通过所述plc控制所述驱动器组驱动焊接操作机上的焊炬横向调节电机正向转动，当所述导电杆外壁与所述坡口左侧壁或所述坡口右侧壁接触时，所述焊接电源通过所述通讯模块向所述plc发
送接触短路信号，然后所述plc控制所述驱动器组驱动焊接操作机上的焊炬横向调节电机反向转动，带动所述窄间隙焊炬向所述坡口右侧壁或所述坡口左侧壁移动，同时记录所述导电杆外壁与所述坡口右侧壁或所述坡口左侧壁接触时所述窄间隙焊炬的横向移动距离l5，最后由所述plc控制所述驱动器组再次驱动焊接操作机上的焊炬横向调节电机正向转动，带动所述窄间隙焊炬向所述坡口左侧壁或所述坡口右侧壁移动l5/2，实现所述窄间隙焊炬的焊前横向定位。
19.进一步，步骤三中，所述焊丝端部的焊前定位方法，还可以在所述窄间隙焊炬装配过程中，使套装在所述电弧驱动电机轴上的所述电弧速度检测器在所述焊丝正好指向焊接正前方或正后方时，输出一个脉冲上升沿或一个脉冲下降沿；焊前，利用所述plc控制所述窄间隙焊炬上的所述电弧驱动电机带动所述导电嘴下端伸出的所述焊丝一起转动，当所述plc检测到所述电弧速度检测器输出的一个脉冲上升沿或一个脉冲下降沿时，控制所述窄间隙焊炬上的所述电弧驱动电机停转，此时所述焊丝正好指向焊接正前方或正后方，其端部所在位置为电弧运动轨迹起始点，从而实现所述焊丝端部的焊前定位。
20.进一步，步骤四中，所述脉冲电流检测器的工作原理具体包括以下步骤：
21.步骤1、所述脉冲电流检测器通过所述比较器一和所述比较器二的反向输入端，接收所述plc从所述d/a模块输出的参考电流i
r1
和参考电流i
r2
；
22.步骤2、当电弧模式为脉冲电弧时，所述plc输出电弧模式信号am，控制所述位置信号开关的触点
①
和触点
③
闭合，所述plc输出的电弧位置信号pa控制所述电流信号开关闭合，使所述比较器一和所述比较器二的同向输入端接收所述通讯模块输出的脉冲焊接电流ia；
23.步骤3、所述焊接电流编码器对所述比较器一和所述比较器二的输出结果进行编码，当脉冲焊接电流ia处于下降沿且靠近基值时，使焊接电流编码从“01”变为“00”，此时所述焊接电流译码器控制所述触发器输出摄像机外部触发信号，用于所述控制摄像机采集电弧干扰小的焊接区域图像；当电弧模式为直流电弧时，所述plc输出电弧模式信号am，控制所述位置信号开关的触点
①
和触点
②
闭合，所述plc输出的电弧位置信号pa直接控制所述触发器输出摄像机外部触发信号。
24.进一步，所述步骤四中，所述的窄间隙焊接过程中，所述计算机还对焊接区域图像进行实时处理，提取焊缝偏差信息并传送给所述plc，结合所述通讯模块采集的电弧电压，由所述plc控制所述驱动器组驱动所述焊接操作机上的所述焊炬横向调节电机和所述焊炬高度调节电机，实时调节所述窄间隙焊炬与坡口的相对位置，使所述窄间隙焊炬上导电杆中心投影点位于坡口中心线上，且保持高度一定，实现窄间隙焊接过程中的焊缝跟踪控制。
25.进一步，步骤四中，当电弧运动轨迹为直线移动时，所述电弧速度检测器无信号输出，此时所述电弧的平均运动速度即为焊接速度vw；当电弧运动轨迹为圆弧往复摇动时，所述电弧速度检测器在每个完整的电弧运动周期tr中输出两个完整的电弧速度脉冲信号，所述plc通过检测连续三个脉冲上升沿或连续三个脉冲下降沿间隔时间的倒数，即可获得所述电弧的实际摇动频率；当电弧运动轨迹为单向旋转时，所述电弧速度检测器在每个完整的电弧运动周期tr中输出一个完整的电弧速度脉冲信号，plc通过检测连续两个脉冲上升沿或连续两个脉冲下降沿间隔时间的倒数，即可获得所述电弧的实际旋转频率；当电弧运动轨迹为直线往复摆动时，所述plc通过读取所述焊炬横向调节电机内部实时记录的转动
数据来检测所述电弧的实际摆动频率；通过对实际摇动频率或实际旋转频率或实际摆动频率进行均值滤波，最终检测出所述电弧的平均运动速度。
26.进一步，当采用所述的焊丝端部焊前定位方法时，所述的窄间隙脉冲电弧焊接的plc控制方法步骤中，还可以先进行所述焊丝端部焊前定位，然后再进行所述窄间隙焊炬的焊前横向定位。
27.进一步，当电弧模式为脉冲电弧时，所述plc通过d/a模块输出的参考电流i
r1
比脉冲焊接电流ia的基值大30～50a，参考电流i
r2
比脉冲焊接电流ia的基值大5～20a。
28.与现有技术相比，本发明的主要显著优点和有益效果是：
29.1、本发明采用plc作为窄间隙脉冲电弧焊接的控制系统核心，省去了许多分离元件，在简化控制电路的同时提高了系统抗干扰能力，同时基于触摸屏的参数可视化设定较好地实现了人机系统交互，使系统操作更加便利直观、功能更加丰富多样；
30.2、本发明将plc控制系统与视觉传感系统相结合，通过图像处理可快速实现窄间隙焊炬和焊丝端部的焊前定位，还可实时监控焊接过程、焊缝偏差提取和焊缝跟踪控制，增强了机械驱动式电弧窄间隙气保焊的工程适用性；
31.3、本发明的脉冲电流检测器，可用于精准触发摄像机采集处于脉冲焊接电流基值期附近的焊接区域图像，有效降低了焊接弧光干扰，可辅助提高基于视觉传感的焊接过程监控质量和焊缝偏差检测精度。
32.4、本发明大量应用通讯技术，简化了系统主要硬件之间的连接，提高了系统整体的响应速度，增强了系统升级改造的灵活性。
附图说明
33.图1为本发明实施例中窄间隙脉冲电弧焊接的plc控制系统原理图；
34.图2为本发明实施例中圆弧往复摇动轨迹示意图；
35.图3为本发明实施例中直线往复摆动轨迹示意图；
36.图4为本发明实施例中单向旋转轨迹示意图(以顺时针旋转为例)；
37.图5为本发明实施例中基于图像处理的窄间隙焊炬焊前定位方法原理图；
38.图6为本发明实施例中导电杆外壁与坡口左侧壁接触示意图；
39.图7为本发明实施例中导电杆外壁与坡口右侧壁接触示意图；
40.图8为本发明实施例中基于图像处理的焊丝端部焊前定位方法原理图；
41.图9为本发明实施例中圆弧往复摇动时的电弧运动周期检测原理图；
42.图10为本发明实施例中单向旋转时的电弧运动周期检测原理图；
43.图11为本发明实施例中脉冲电流检测器结构原理图；
44.图12为本发明实施例中脉冲焊接电流编码原理图；
45.图中：1、plc，2、触摸屏，3、驱动器组，4、通讯模块，5、焊接电源，6、窄间隙焊炬，6a、电弧驱动电机，6b、电弧速度检测器，6c、焊接馈电块，7、导电杆，8、导电嘴，9、焊接保护气体，10、焊丝，11、电弧，12、摄像机，13、脉冲电流检测器，14、d/a模块，15、图像采集卡，16、计算机，17、工件，18、工件拖动电机，19、焊炬横向调节电机，20、焊炬高度调节电机，21、电弧速度脉冲信号，22、摄像机外部触发脉冲信号，26、焊接操作机；h、焊炬高度，ia、脉冲焊接电流，i
r1
、i
r2
、参考电流，pa、电弧位置信号，am、电弧模式信号；7a、7c、导电杆中心投影点，17a、
坡口左侧壁，17b、坡口右侧壁，17c、坡口中心线，23、圆弧往复摇动轨迹，24、直线往复摆动轨迹，25、单向旋转轨迹；α1、摇动角度，r1、摇动半径，d、摆动幅值，r2、旋转半径；7b、导电杆外壁，21a、21b、21c、电弧速度检测器输出脉冲信号21的上升沿，13a、电流信号开关，13b、比较器一，13c、比较器二，13d、焊接电流编码器，13e、焊接电流译码器，13f、触发器，13g、位置信号开关；
①
、
②
、
③
、位置信号开关触点；l1、导电杆外壁到坡口左侧壁横向距离，l2、导电杆外壁到坡口右侧壁横向距离，l3、焊丝端部到坡口左侧壁横向距离，l4、焊丝端部到坡口右侧壁横向距离，l5、窄间隙焊炬横向移动距离，tr、电弧运动周期。
具体实施方式
46.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不限于下述实施例，凡采用等同替换或等效变换形式获得的技术方案，均在本发明保护范围之内。
47.如图1和图5所示，本发明的一种用于窄间隙脉冲电弧焊接的plc控制系统，包括plc1、触摸屏2、驱动器组3、通讯模块4、焊接电源5、窄间隙焊炬6、焊接保护气体9、焊丝10、摄像机12、脉冲电流检测器13、d/a模块14、图像采集卡15、计算机16、工件17以及装有焊炬横向调节电机19、焊炬高度调节电机20和工件拖动电机18的焊接操作机26，所述工件17设有坡口，所述坡口包括坡口左侧壁17a和坡口右侧壁17b和底面，焊接时，所述导电杆7和所述导电嘴8带着所述焊丝10伸入所述坡口内，所述焊丝10与所述工件17之间产生电弧11。
48.所述plc1用于存储和控制，所述触摸屏2用于设定并同步显示电弧能量参数和电弧运动参数，所述驱动器组3用于驱动所述焊炬横向调节电机19、所述焊炬高度调节电机20和所述工件拖动电机18以及所述电弧驱动电机6a，所述通讯模块4用于所述plc1与所述焊接电源5之间通讯，并实时采集的脉冲焊接电流ia和电弧电压，所述窄间隙焊炬6固连在所述焊接操作机26上，并由所述焊炬横向调节电机19和所述焊炬高度调节电机20共同驱动，所述窄间隙焊炬6包含电弧驱动电机6a、电弧速度检测器6b、焊接馈电块6c、导电杆7和导电嘴8，其中所述电弧速度检测器6b和所述焊接馈电块6c都套装在所述电弧驱动电机6a轴上，所述电弧速度检测器6b检测焊接时所述电弧11的运动速度并输出的所述电弧速度脉冲信号21，所述导电杆7的上端与所述焊接馈电块6c导电固连，所述导电杆7的下端与所述导电嘴8导电固连，所述焊丝10从所述窄间隙焊炬6上端穿入，并从所述导电嘴8下端斜向伸出，所述电弧驱动电机6a用于驱动所述焊丝10旋转；所述plc1分别与触摸屏2、通讯模块4和计算机16通讯连接，所述plc1的高速脉冲输入接口与所述电弧速度检测器6b电连接，所述plc1的输出接口分别与所述驱动器组3、所述脉冲电流检测器13和所述d/a模块14电相接；所述通讯模块4与所述焊接电源5通讯连接，所述通讯模块4与所述脉冲电流检测器13电连接；所述驱动器组3分别与所述焊接操作机26上的所述焊炬横向调节电机19、所述焊炬高度调节电机20和所述工件拖动电机18以及所述窄间隙焊炬6上的所述电弧驱动电机6a电连接；所述焊接电源5的两个输出端分别与所述焊接馈电块6c和所述工件17电连接，所述焊接电源5通过所述焊接馈电块6c为电弧11提供电能，所述焊接电源5内部还包含有送丝机构。
49.为使所述焊丝10从所述导电嘴8下端斜向伸出，所述导电杆7可以为一种直导电杆或折弯式导电杆。当所述导电杆7为直导电杆时，其下端的导电嘴连接孔为同心螺纹孔或偏心螺纹孔或斜向螺纹孔，所述导电嘴8为常规导电嘴或一种焊丝伸出口偏心的偏心导电嘴。
通过选用不同折弯角度的折弯式导电杆或不同偏心距螺纹孔的直导电杆、或不同角度斜向螺纹孔的直导电杆，同时选配不同长度的普通导电嘴或不同偏心距的偏心导电嘴，可以方便地调节所述焊丝10从所述导电嘴8下端斜向伸出角度，使所述电弧11在窄间隙焊接过程中能以一定的运动半径周期性地偏向所述工件17的坡口左侧壁17a和坡口右侧壁17b，用以解决窄间隙焊接坡口侧壁熔透问题。
50.所述摄像机12的外触发接口与所述脉冲电流检测器13电连接，根据所述plc1输出的电弧位置信号pa、电弧模式信号am以及从所述d/a模块14输出的参考电流i
r1
和i
r2
，所述脉冲电流检测器13检测脉冲焊接电流ia，并在脉冲焊接电流ia下降沿且靠近基值处输出摄像机外部触发信号22控制所述摄像机12，所述摄像机12还通过数据线与所述图像采集卡15相连，所述图像采集卡15同时又与所述计算机16相接，所述摄像机12采集坡口中的所述导电杆7和所述焊丝10处的图像，经所述图像采集卡15传送给所述计算机16进行图像处理，然后传送给所述plc1。
51.所述工件17位于所述焊接操作机26工作台上，转动所述焊接操作机26上的所述工件拖动电机18，可带动所述工件17以焊接速度vw向焊接前方移动。
52.如图11所示，所述的脉冲电流检测器13包含电流信号开关13a、位置信号开关13g、比较器一13b、比较器二13c、焊接电流编码器13d、焊接电流译码器13e和触发器13f；其中所述电流信号开关13a的输入端分别与通讯模块4和所述位置信号开关13g电连接，所述位置信号开关13g的输入端与所述plc1电连接，其输出端还与所述触发器13f电连接；所述比较器一13b和所述比较器二13c的同向输入端与所述电流信号开关13a的输出端电连接，二者的反向输入端与所述d/a模块14电连接，其输出端与所述焊接电流编码器13d的输入端电连接；所述焊接电流编码器13d的输出端与所述焊接电流译码器13e的输入端电连接，所述焊接电流译码器13e的输出端与所述触发器13f的输入端电连接，而所述触发器13f的输出与所述摄像机12外部触发接口电连接。
53.本发明的一种用于窄间隙脉冲电弧焊接的plc控制系统的控制方法，其总体技术方案是，焊前在所述触摸屏2上设定焊接工艺参数并实时传送给所述plc1，然后所述plc1控制所述摄像机12采集坡口中的图像，分别进行基于图像处理的所述窄间隙焊炬6和所述焊丝10端部的焊前定位；焊接开始后，所述plc1控制电弧11按设定工艺参数以一定轨迹运动，同时控制所述摄像机12采集脉冲焊接电流ia下降沿且靠近基值处的焊接区域图像，用于窄间隙脉冲电弧焊接过程的实时监控。窄间隙脉冲电弧焊接的plc控制系统的焊缝跟踪功能开启时，所述计算机16还对焊接区域图像进行实时处理，提取焊缝偏差信息并传送给所述plc1；根据接收的焊缝偏差信息和所述通讯模块4采集的电弧电压，所述plc1控制驱动器组3驱动所述焊接操作机26上的所述焊炬横向调节电机19和所述焊炬高度调节电机20，实时调节所述窄间隙焊炬6与所述工件17坡口的相对位置，使窄间隙焊接过程中导电杆中心投影点7a或7c始终位于坡口中心线17c上，且高度保持一定。
54.具体包括如下步骤：
55.步骤一、如图1所示，在所述触摸屏2上设定并同步显示电弧能量参数和电弧运动参数，然后实时传送给所述plc1存储，其中已设定好的电弧能量参数被所述plc1经所述通讯模块4同步传送给所述焊接电源5，并通过所述驱动器组3驱动所述焊接操作机26上的所述焊炬高度调节电机20，设定所述窄间隙焊炬6的焊炬高度h。
56.步骤二、如图1和图5所示，利用所述摄像机12采集坡口中的所述导电杆7图像，经所述图像采集卡15传送给所述计算机16进行图像处理，分别提取所述导电杆外壁7b到坡口左侧壁17a和坡口右侧壁17b的横向距离l1和l2，计算所述窄间隙焊炬6的横向定位调节量|l
1-l2|/2并发送给所述plc1，然后由所述plc1控制所述驱动器组3驱动所述焊接操作机26上的所述焊炬横向调节电机19，带动所述窄间隙焊炬6向横向距离l1和l2中值较大的一侧移动|l
1-l2|/2，实现所述窄间隙焊炬6的焊前横向定位。
57.步骤三、如图1和图8所示，通过所述plc1控制所述驱动器组3驱动所述窄间隙焊炬6上的所述电弧驱动电机6a，带动所述导电嘴8下端斜向伸出所述焊丝10做低速旋转运动，同时利用所述摄像机12采集坡口中的所述焊丝10图像，经所述图像采集卡15传送给所述计算机16进行图像处理，分别提取所述焊丝10端部到所述坡口左侧壁17a和所述坡口右侧壁17b的横向距离l3和l4，当横向距离l3和l4相等时，所述计算机16向所述plc1发送定位完成信号，通过所述驱动器组3控制所述窄间隙焊炬6上的所述电弧驱动电机6a停转，此时所述焊丝10正好指向焊接正前方或正后方，其端部所在位置为电弧运动轨迹起始点，实现所述焊丝10端部的焊前定位；
58.步骤四、如图1所示，焊接开始后，所述plc1首先通过所述通讯模块4控制所述焊接电源5提前送焊接保护气体9并引燃焊接电弧11，然后控制所述驱动器组3转动所述窄间隙焊炬6上的所述电弧驱动电机6a，使所述焊丝10端部的所述焊接电弧11按设定电弧运动参数移动，同时驱动所述焊接操作机26上的所述工件拖动电机18，使所述工件17以焊接速度vw向焊接前方移动；所述plc1接收所述通讯模块4实时采集的脉冲焊接电流ia和电弧电压，并根据所述电弧速度检测器6b输出的所述电弧速度脉冲信号21检测所述电弧11的平均运动速度，然后所述plc1将所述电弧11的平均运动速度，与脉冲焊接电流ia和电弧电压一起送入所述触摸屏2实时显示；根据所述plc1输出的电弧位置信号pa、电弧模式信号am以及从所述d/a模块14输出的参考电流i
r1
和i
r2
，所述脉冲电流检测器13检测脉冲焊接电流ia，并在脉冲焊接电流ia下降沿且靠近基值处输出摄像机外部触发信号22，控制所述摄像机12采集电弧干扰小的焊接区域图像，用于焊接过程实时监控和焊缝偏差检测，直至焊接过程结束。
59.步骤一中，如图1、图2、图3和图4所示，所述电弧能量参数包括电弧模式、焊接电流、电弧电压、提前送气时间、滞后停气时间、电弧推力，其中电弧模式包含脉冲电弧和直流电弧；所述电弧运动参数除焊接速度vw外，还包含电弧运动轨迹及其参数，所述电弧运动轨迹又包括直线移动、圆弧往复摇动23、直线往复摆动24和单向旋转25，所述中圆弧往复摇动23的轨迹参数包含摇动频率、摇动角度α1、摇动半径r1、两侧停留时间和加减速时间，所述直线往复摆动24的轨迹参数包含摆动频率、摆动幅值d、两侧停留时间和加减速时间，所述单向旋转25的轨迹参数包含旋转频率、旋转方向、旋转半径r2、两侧停留时间和加减速时间。
60.当电弧运动轨迹为圆弧往复摇动23时，如图2所示，所述电弧11从所述坡口右侧壁17b附近摇动到所述坡口左侧壁17a附近后，所述窄间隙焊炬6的导电杆中心投影点7a沿焊接方向向前移动到导电杆中心投影点7c处，此时电弧运动轨迹为电弧11绕导电杆7中心往复摇动与沿焊接方向直线移动的复合运动轨迹，可调的电弧运动参数除了焊接速度vw之外，还有摇动频率、摇动角度α1、摇动半径r1、两侧停留时间和摇动加减速时间。当电弧运动轨迹为直线往复摆动24时，如图3所示，此时电弧运动轨迹为电弧11在坡口横向的往复摆动与沿焊接方向直线移动的复合运动轨迹，可调的电弧运动参数除了焊接速度vw之外，还有
摆动频率、摆动幅值d、两侧停留时间和摆动加减速时间。当电弧运动轨迹为单向旋转25时，如图4所示，此时电弧运动轨迹为电弧11绕导电杆7中心旋转与沿焊接方向直线移动的复合运动轨迹，可调的电弧运动参数除了焊接速度vw之外，还有旋转频率、旋转方向、旋转半径r2、两侧停留时间和加减速时间。上述电弧运动轨迹参数中，圆弧往复摇动23的摇动半径r1和单向旋转25旋转半径r2的大小取决于选配导电杆7和导电嘴8的结构尺寸，以及焊炬高度h。当导电杆7和导电嘴8确定后，圆弧往复摇动23的摇动半径r1和单向旋转25旋转半径r2随着焊炬高度h的增大而增大。
61.步骤二中，如图1、图6和图7所示，所述窄间隙焊炬6的焊前横向定位方法，还可以通过接触传感来实现窄间隙焊炬6的焊前横向定位，首先通过所述plc1控制所述驱动器组3驱动焊接操作机26上的焊炬横向调节电机19正向转动，当所述导电杆外壁7b与所述坡口左侧壁17a或所述坡口右侧壁17b接触时，所述焊接电源5通过所述通讯模块4向所述plc1发送接触短路信号，然后所述plc1控制所述驱动器组3驱动焊接操作机26上的焊炬横向调节电机19反向转动，带动所述窄间隙焊炬6向所述坡口右侧壁17b或所述坡口左侧壁17a移动，同时记录所述导电杆外壁7b与所述坡口右侧壁17b或所述坡口左侧壁17a接触时所述窄间隙焊炬6的横向移动距离l5，最后由所述plc1控制所述驱动器组3再次驱动焊接操作机26上的焊炬横向调节电机19正向转动，带动所述窄间隙焊炬6向所述坡口左侧壁17a或所述坡口右侧壁17b移动l5/2，实现所述窄间隙焊炬6的焊前横向定位；上述基于接触传感的窄间隙焊炬6焊前横向定位方法实施过程中，也可以让所述plc1首先控制所述驱动器组3驱动所述焊接操作机26上的焊炬横向调节电机19反向转动，带动所述窄间隙焊炬6向坡口右侧壁17b移动。当所述导电杆外壁7b与坡口右侧壁17b发生短路接触时，所述plc1在接收到该短路信号后控制所述驱动器组3驱动所述焊接操作机26上的所述焊炬横向调节电机19正向转动，带动所述窄间隙焊炬6向坡口左侧壁17a移动，同时记录导电杆外壁7b与坡口左侧壁17a发生短路接触时所述窄间隙焊炬6的横向移动距离l5。最后，由所述plc1控制驱动器组3再次驱动焊接操作机26上的焊炬横向调节电机19反向转动，带动所述窄间隙焊炬6向坡口右侧壁17b移动l5/2，最终实现所述窄间隙焊炬6的焊前横向定位。
62.步骤三中，如图1、图9和图10，所述焊丝10端部的焊前定位方法，还可以通过所述plc1检测所述窄间隙焊炬6上所述电弧速度检测器6b输出的电弧速度脉冲信号21来实现。具体在所述窄间隙焊炬6装配过程中，使套装在所述电弧驱动电机6a轴上的所述电弧速度检测器6b在所述焊丝10正好指向焊接正前方或正后方时，输出一个脉冲上升沿21a或21b或21c或一个脉冲下降沿；焊前，利用所述plc1控制所述窄间隙焊炬6上的所述电弧驱动电机6a带动所述导电嘴8下端伸出的所述焊丝10一起转动，当所述plc1检测到所述电弧速度检测器6b输出的一个脉冲上升沿21a或21b或21c或一个脉冲下降沿时，控制所述窄间隙焊炬6上的所述电弧驱动电机6a停转，此时所述焊丝10正好指向焊接正前方或正后方，其端部所在位置为电弧运动轨迹起始点，从而实现所述焊丝10端部的焊前定位。实施这种焊丝10端部焊前定位方法所用的电弧速度检测器6b，可以为一种绝对式编码器，还可以为光电开关与光栅组成的光电传感器，还可以为接近开关与金属感应块组成的开关传感器。由于这种焊丝10端部的焊前定位方法可以在窄间隙焊炬6装配过程中实现，且无需检测焊丝10端部在工件17坡口中的位置，因而此时本发明还可以先采用这种方法进行焊丝10端部焊前定位，然后再进行窄间隙焊炬6的焊前横向定位。此外，当导电杆7为一种直导电杆、且导电嘴8
为普通直导电嘴时，所述焊丝10端部的焊前定位可省略。
63.当采用这种焊丝10端部焊前定位方法时，所述的窄间隙脉冲电弧焊接的plc控制方法步骤中，还可以先进行所述焊丝10端部焊前定位，然后再进行所述窄间隙焊炬6的焊前横向定位。
64.步骤四中，如图1、图2、图3和图4所示，所述的窄间隙焊接过程中，所述计算机16还对焊接区域图像进行实时处理，提取焊缝偏差信息并传送给所述plc1，结合所述通讯模块4采集的电弧电压，由所述plc1控制所述驱动器组3驱动所述焊接操作机26上的所述焊炬横向调节电机19和所述焊炬高度调节电机20，实时调节所述窄间隙焊炬6与坡口的相对位置，使所述窄间隙焊炬6上导电杆中心投影点7a位于坡口中心线17c上，且保持高度一定，实现窄间隙焊接过程中的焊缝跟踪控制。
65.步骤四中，如图1、图9和图10所示，当电弧运动轨迹为直线移动时，焊接过程中电弧11相对窄间隙焊炬6静止，仅沿工件17坡口中心线17c以焊接速度vw向焊接前方移动，所述电弧速度检测器6b无信号输出，所述plc1检测的电弧运动周期tr为零，在忽略焊接变形和焊缝偏差时，电弧11相对于工件17坡口横向瞬时位置始终位于坡口中心线17c上，此时所述电弧11的平均运动速度即为焊接速度vw。
66.步骤四中，如图1、图2、图9和图10所示，当电弧运动轨迹为圆弧往复摇动23时，焊接开始后，窄间隙焊炬6上的电弧驱动电机6a直接驱动导电杆7和导电嘴8，带动焊丝10端部的电弧11做相对窄间隙焊炬6的圆弧形往复摇动，电弧11以焊接速度vw向焊接前方移动的同时，还以圆弧摇动半径r1周期性地摇动到坡口左侧壁17a和坡口右侧壁17b处，并可在坡口左侧壁17a和坡口右侧壁17b处按设定的两侧停留时间做短暂停留，以便能够充分熔透坡口左侧壁17a和坡口右侧壁17b。所述电弧速度检测器6b在每个完整的电弧运动周期tr中输出两个完整的电弧速度脉冲信号21，所述plc1通过检测连续三个脉冲上升沿21a到21c或连续三个脉冲下降沿间隔时间的倒数，即可获得所述电弧11的实际摇动频率。
67.步骤四中，如图1、图3、图9和图10所示，当电弧运动轨迹为直线往复摆动24时，焊接开始后，焊接操作机26上的焊炬横向调节电机19带动窄间隙焊炬6整体按设定参数做相对工件17坡口横向的直线往复摆动。电弧11以焊接速度vw向焊接前方移动的同时，还以摆动幅值d周期性地直线摆动到坡口左侧壁17a和坡口右侧壁17b处，并可在坡口左侧壁17a和坡口右侧壁17b处按设定的两侧停留时间做短暂停留，以便能够充分熔透坡口左侧壁17a和坡口右侧壁17b。此时，plc1直接读取焊接操作机26上焊炬横向调节电机19内部实时记录的转动数据，来检测电弧11的实际摆动频率，对该实际摆动频率均值滤波后即可得到电弧11的平均运动速度。
68.步骤四中，如图1、图4、图9和图10所示，当电弧运动轨迹为单向旋转25时，焊接开始后，窄间隙焊炬6上的电弧驱动电机6a直接驱动导电杆7和导电嘴8，带动焊丝10端部的电弧11做相对窄间隙焊炬6的单向圆弧旋转运动。电弧11以焊接速度vw向焊接前方移动的同时，还以旋转半径r2周期性圆弧旋转，并可在坡口左侧壁17a和坡口右侧壁17b处按设定的两侧停留时间做短暂停留，以便能够充分熔透坡口左侧壁17a和坡口右侧壁17b。所述电弧速度检测器6b在每个完整的电弧运动周期tr中输出一个完整的电弧速度脉冲信号21，plc1通过检测连续两个脉冲上升沿21a和21b，或21b和21c或连续两个脉冲下降沿间隔时间的倒数，即可获得所述电弧11的实际旋转频率。最终，plc1将反映电弧11平均运动速度的平均摇
动频率或平均摆动频率或平均旋转频率送入触摸屏2实时显示。
69.此外，根据焊前设定的摇动半径r1或旋转半径r2，以及对应圆弧往复摇动或单向圆弧旋转时电弧驱动电机6a内部记录的转动角位移，或直线摆动幅值d和焊炬横向调节电机19内部记录的转动角位移，plc1还可以检测出电弧11相对工件17坡口的横向瞬时位置，并在触摸屏2上实时显示出来。
70.为实现窄间隙脉冲电弧焊接过程的实时监控和焊缝跟踪控制，本发明还通过脉冲电流检测器13输出摄像机外部触发脉冲信号22，来控制摄像机12采集电弧11干扰小的焊接区域图像，利用图像处理技术来实时监控窄间隙脉冲电弧焊接过程并检测焊缝偏差，以便控制窄间隙脉冲电弧焊接质量。
71.如图1和图11所示，步骤四中，所述脉冲电流检测器13的工作原理具体包括以下步骤：
72.步骤1、所述脉冲电流检测器13通过所述比较器一13b和所述比较器二13c的反向输入端，接收所述plc1从所述d/a模块14输出的参考电流i
r1
和参考电流i
r2
；
73.步骤2、当电弧模式为脉冲电弧时，所述plc1输出电弧模式信号am，控制所述位置信号开关13g的触点
①
和触点
③
闭合，所述plc1输出的电弧位置信号pa控制所述电流信号开关13a闭合，使所述比较器一13b和所述比较器二13c的同向输入端接收所述通讯模块4输出的脉冲焊接电流ia；
74.步骤3、所述焊接电流编码器13d对所述比较器一13b和所述比较器二13c的输出结果进行编码，如图12所示，当脉冲焊接电流ia处于下降沿且靠近基值时，使焊接电流编码从“01”变为“00”，此时所述焊接电流译码器13e控制所述触发器13f输出摄像机外部触发信号22，用于所述控制摄像机12采集电弧干扰小的焊接区域图像；当电弧模式为直流电弧时，所述plc1输出电弧模式信号am，控制所述位置信号开关13g的触点
①
和触点
②
闭合，所述plc1输出的电弧位置信号pa直接控制所述触发器13f输出摄像机外部触发信号22。
75.对于脉冲电弧而言，脉冲基值期的焊接电流ia主要用于维持电弧11稳定燃烧，此时电弧11弧光较弱、轮廓较小；脉冲峰值期的焊接电流ia主要用于促进熔滴过渡和焊丝熔化，此时电弧11弧光强、轮廓大。相应地，焊接区域图像在脉冲焊接电流ia基值期受到的弧光干扰噪声小，利用摄像机12采集此时的焊接区域图像，可以有效地去除焊接电弧11的弧光干扰。为此，plc1根据通讯模块4实时采集的脉冲焊接电流ia，通过d/a模块14向脉冲电流检测器13内部比较器一13b和比较器二13c的反向输入端输出参考电流i
r1
和参考电流i
r2
，其中参考电流i
r1
比脉冲焊接电流ia的基值大30～50a，参考电流i
r2
比脉冲焊接电流ia的基值大5～20a。根据比较器一13b和比较器二13c的输出结果，焊接电流编码器13d对对脉冲焊接电流ia进行编码。
76.表1脉冲焊接电流编码真值表
77.电流时刻脉冲焊接电流ia与参考电流i
r1
和i
r2
的关系焊接电流编码t0～t1ia＜i
r1
；ia＜i
r2
00t1～t2ia≤i
r1
；ia≥i
r2
01t2～t3ia＞i
r1
；ia＞i
r2
11t3～t4ia≤i
r1
；ia≥i
r2
01t4～t5ia＜i
r1
；ia＜i
r2
00
t5～t6ia≤i
r1
；ia≥i
r2
01
78.如图12所示为焊接电流编码器13d的工作原理，其编码对应真值表见表1所示。在t0～t1期间，脉冲焊接电流ia均小于参考电流i
r1
和参考电流i
r2
(即ia＜i
r1
，ia＜i
r2
)，此时焊接电流编码器13d将脉冲焊接电流ia编为“00”；在t1～t2期间，脉冲焊接电流ia小于等于参考电流i
r1
、大于等于参考电流i
r2
(即ia≤i
r1
，ia≥i
r2
)，此时焊接电流编码器13d将脉冲焊接电流ia编为“01”；在t2～t3期间，脉冲焊接电流ia均大于参考电流i
r1
和参考电流i
r2
(即ia＞i
r1
，ia＞i
r2
)，此时焊接电流编码器13d将脉冲焊接电流ia编为“11”；在t3～t4期间，脉冲焊接电流ia小于等于参考电流i
r1
、大于等于参考电流i
r2
(即ia≤i
r1
，ia≥i
r2
)，此时焊接电流编码器13d将脉冲焊接电流ia编为“01”；在t4～t5期间，脉冲焊接电流ia均小于参考电流i
r1
和参考电流i
r2
(即ia＜i
r1
，ia＜i
r2
)，此时焊接电流编码器13d将脉冲焊接电流ia编为“00”；在t5～t6期间，脉冲焊接电流ia小于等于参考电流i
r1
、大于等于参考电流i
r2
(即ia≤i
r1
，ia≥i
r2
)，此时焊接电流编码器13d将焊接电流ia编为“01”。
79.对于脉冲焊接电流ia的一个完整脉冲周期(如t1～t5)，脉冲焊接电流ia在脉冲下降沿且靠近基值处(如t4时刻附近)，脉冲电弧11轮廓逐渐变小，弧光逐渐减弱。相应地，焊接电流编码器13d对焊接电流ia的编码从“01”变为“00”。焊接电流译码器13e检测到焊接电流编码器13d输出的焊接电流ia编码从“01”变为“00”后，控制触发器13f输出摄像机外部触发信号22，用于摄像机12采集此时受电弧11干扰小的焊接区域图像。
80.与脉冲电弧焊接不同，直流电弧稳定焊接时的电流通常不会发生周期性规律变化，因而焊接区域图像中的电弧11轮廓大小和弧光强度相对稳定。因此，当采用本发明采集窄间隙直流电弧焊接区域图像时，plc1输出电弧模式信号am，将控制位置信号开关13g的触点
①
和触点
②
闭合；此时，触发器13f无需检测焊接电流译码器13e的译码结果，而是直接根据电弧位置信号pa输出摄像机外部触发脉冲信号22。
81.当本发明系统的焊缝跟踪功能打开后，计算机16还对焊接区域图像进行实时处理，提取焊缝偏差信息并传送给plc1。结合通讯模块4采集的电弧电压，plc1控制驱动器组3转动焊炬横向调节电机19和焊炬高度调节电机20，实时调节窄间隙焊炬6与坡口的相对位置，使窄间隙焊炬6上导电杆中心投影点7a(或7c)在焊接过程中始终位于坡口中心线17c上，且保持高度一定，实现窄间隙焊接过程中的焊缝跟踪控制。
82.此外，通过简单变换，本发明所述的窄间隙脉冲电弧焊接的plc控制方法及系统即可用于非熔化极窄间隙气体保护焊接中。
83.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。