旋转TIG电弧焊缝曲面自适应控制方法及系统

旋转tig电弧焊缝曲面自适应控制方法及系统
技术领域
1.本发明涉及焊接领域，具体的涉及一种旋转tig电弧焊缝曲面自适应控制方法及系统。


背景技术：

2.目前我国工件修复当中的自由曲面识别过程，主要是通过旋转电弧对工件表面进行不间断的扫描采样，将采样信息经过转化处理后得到工件表面的特征信息，进而完成工件自由曲面的识别，该方法的优点在于旋转电弧扫描频率高、机械振动小。但由于普通旋转电弧在进行扫描采样时，其电弧旋转半径不能根据工件表面状况而实时改变，导致旋转电弧采样效率受限，而且需要配合高度复杂的算法对采样数据进行处理才能完成对工件自由曲面的识别，导致现有技术对复杂工件的曲面识别速度慢、精度低、修复效率不高。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种旋转tig电弧焊缝曲面自适应控制方法及系统，能够解决现有技术在复杂工件自由曲面识别中电弧旋转半径不可实时调节、曲面识别速度慢、精度低、修复效率不高的问题。
4.根据本发明第一方面实施例的旋转tig电弧焊缝曲面自适应控制方法，包括以下步骤：
5.s100、旋转机构带动tig焊枪绕待焊接的工件旋转，励磁装置产生磁场控制电弧进行工件坡口扫描，采集焊枪位置信号和电弧电压信号；
6.s200、利用bowyer—watson算法对工件表面进行三角形网面剖分，将对应的电弧电压信号和焊枪位置信号进行信息融合，得到工件表面曲面特征信息；
7.s300、将工件表面曲面特征信息与平整曲面信息作对比，调整该位置电弧旋转速度，使得溶液铺展曲面变得平整。
8.根据本发明第一方面实施例的旋转tig电弧焊缝曲面自适应控制方法，至少具有如下技术效果：本发明实施方式通过旋转机构和励磁装置产生的磁场控制电弧进行工件坡口扫描，由位置传感器和电压传感器分别采集位置信号和电弧电压信号，对位置信号和电弧电压信号进行信息融合识别工件表面曲面特征，进而对工件表面进行有效的修护。
9.本发明实施方式将tig焊枪与旋转机构结合起来，使得电弧在发生旋转时不仅仅搅拌熔池修复工件表面，还能及时采集到焊枪旋转时的位置信息，同时施加磁场能够改变电弧偏移的距离，增加了采样数据的同时也能提高采样效率，从而提高识别工件表面的形貌特征的精度；利用bowyer—watson算法进行工件表面的三角形网面剖分，提高了拟合工件表面的精度，增加了曲面识别速度，提高了修复效率，还能够大大改善焊接工人的工作环境。
10.根据本发明的一些实施例，所述步骤s100的具体步骤为：旋转机构带动tig焊枪转动，当tig焊枪旋转到位置传感器的截面，位置传感器会记录此时tig焊枪的位置获得焊枪
位置信号，并启动励磁装置的电源，依次通过不同大小的电流产生不同强度的磁场，使得电弧逐渐偏移到旋转的中心位置，与此同时电压传感器与电流变化时间同步采集电弧电压信号。
11.根据本发明的一些实施例，所述步骤s200的具体步骤为：
12.s201、在每个特点的截面，采集不同径向距离的电弧电压信号；
13.s202、利用bowyer—watson算法获取任意两个相邻截面距离最近的三个点生成三角形网面，并将这三个点的电弧电压信号和位置信息进行信息融合计算出三角形网面的垂直法向量。
14.根据本发明的一些实施例，所述步骤s300的具体步骤为：将三角形网面的垂直法向量与平整平面的法向量相乘；如果得到的结果为1，则说明该网面为平整，如果得到的结果不为1，则说明该网面不平整，然后通过励磁装置交替产生不同方向的横向磁场控制电弧对不平整的曲面进行旋转搅拌，直到计算出来的的值为1。
15.根据本发明第二方面实施例的旋转tig电弧焊缝曲面自适应控制系统，包括：旋转焊接单元，所述旋转焊接单元包括旋转机构和tig焊枪，所述tig焊枪安装在旋转机构上以用于绕焊缝转动，所述旋转机构上设置有位置传感器以用于采集tig焊枪位置信号；励磁装置，所述励磁装置安装在所述tig焊枪的周围以用于产生磁场控制电弧偏转角度对工件表面进行径向扫描；电压传感器，所述电压传感器用于采集电弧电压信号；信号分析系统，所述信号分析系统用于接收电弧电压信号和tig焊枪位置信号，并将电弧电压信号和焊枪位置信号进行信息融合，通过bowyer—watson算法对工件表面进行曲面识别，将得到的曲面信息反馈到旋转机构，调整该位置电弧旋转速度，使得溶液铺展曲面变得平整。
16.根据本发明第二方面实施例的旋转tig电弧焊缝曲面自适应控制系统，至少具有如下技术效果：本发明实施方式通过旋转机构和励磁装置产生的磁场控制电弧进行工件坡口扫描，由位置传感器和电压传感器分别采集位置信号和电弧电压信号，对位置信号和电弧电压信号进行信息融合识别工件表面曲面特征，进而对工件表面进行有效的修护。
17.本发明实施方式将tig焊枪与旋转机构结合起来，使得电弧在发生旋转时不仅仅搅拌熔池修复工件表面，还能及时采集到焊枪旋转时的位置信息，同时施加磁场能够改变电弧偏移的距离，增加了采样数据的同时也能提高采样效率，从而提高识别工件表面的形貌特征的精度；利用bowyer—watson算法进行工件表面的三角形网面剖分，提高了拟合工件表面的精度，增加了曲面识别速度，提高了修复效率，还能够大大改善焊接工人的工作环境。
18.根据本发明的一些实施例，所述旋转机构包括电机、支撑连杆和环形套筒，所述tig焊枪固定在支撑连杆的一端，所述支撑连杆的另一端与所述电机的转动轴相连以用于带动tig焊枪转动，所述电机的转轴外套设有环形套筒，所述环形套筒的中心轴线与所述电机的转轴的中心轴向重合，所述位置传感器分布在环形套筒上。
19.根据本发明的一些实施例，所述位置传感器位于环形套筒的多个水平面上，环形套筒每个水平面的外壁上均匀分布有8个位置传感器。
20.根据本发明的一些实施例，所述励磁装置为两个，每个励磁装置分别包括两个相对设置的励磁线圈和励磁电源，所述励磁电源连接对应励磁线圈，两对所述励磁线圈皆安装tig焊枪附近且两对励磁线圈的中轴线互相垂直。
21.根据本发明的一些实施例，所述信号分析系统通过bowyer—watson算法对工件表面进行曲面识别。
22.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
23.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
24.图1为本发明实施例中旋转tig电弧焊缝曲面自适应控制系统的结构示意图；
25.图2为本发明实施例中电弧偏转扫描工件表面示意图；
26.图3为本发明实施例中励磁装置的电流-时间示意图；
27.图4为本发明实施例中四个励磁线圈的通电顺序示意图；
28.图5为本发明实施例中工件表面的网面剖分示意图。
29.附图标号
30.电机100、支撑连杆110、端盖120、环形套筒130、tig焊枪200、位置传感器300、励磁装置400。
具体实施方式
31.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
32.在发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
33.在发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
34.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
35.参考图1，一种旋转tig电弧焊缝曲面自适应控制系统，包括旋转焊接单元、位置传感器300、励磁装置400、电压传感器和信号分析系统。其中，旋转焊接单元包括旋转机构和tig焊枪200，旋转机构包括电机100、弯折的支撑连杆110和环形套筒130，电机100的转轴上端固定有端盖120，端盖120随转轴同步转动，tig焊枪200通过支撑连杆110的固定在端盖120的侧边，从而带动tig焊枪200转动，tig焊枪200与电机100转轴的轴中心倾向θ度，电机100的转轴下端套设有环形套筒130，环形套筒130的中心轴线与电机100的转轴的中心轴向重合。环形套筒130外壁的同一水平高度上以一定角度α等角度安装(360/α)个位置传感器
300，本实施例中同一水平高度安装有8个位置传感器300，也就是α取45，并且在环形套筒130的下段和中段分别环绕有一圈位置传感器300，可以更精确的获取tig焊枪200的位置信息。
36.励磁装置400为两个，每个励磁装置400分别包括两个相对设置的励磁线圈和励磁电源，励磁电源连接对应励磁线圈，两对励磁线圈皆安装tig焊枪200附近且两对励磁线圈的中轴线互相垂直，以用于产生磁场控制电弧偏转角度对工件表面进行径向扫描，励磁装置400由一对励磁线圈和一个励磁电源组成，励磁装置400为两个，两对励磁线圈皆安装tig焊枪200附近且两对励磁线圈的中轴线互相垂直，本实施例中电压传感器为霍尔传感器，其作用是采集电弧的电压信号，信号分析系统由服务器组成，将位置传感器300和霍尔传感器采集的信号进行信息融合对零件表面进行曲面识别，将得到的曲面信息反馈到旋转机构，调整该位置电弧旋转速度，使得溶液铺展曲面变得平整。
37.本发明还涉及一种应用上述系统的旋转tig电弧焊缝曲面自适应控制方法，包括以下步骤：
38.s100、旋转机构带动tig焊枪200绕待焊接的工件旋转，励磁装置400产生磁场控制电弧进行工件坡口扫描，采集焊枪位置信号和电弧电压信号；
39.本发明的信号采集原理为：电机100通电后通过转轴带动支撑连杆110、tig焊枪200和磁感线圈一起旋转，当tig焊枪200旋转到位置传感器300的截面，位置传感器300会记录此时tig焊枪200的位置，并传输信号启动励磁电源，依次通过不同大小的电流产生不同强度的磁场，使得电弧逐渐偏移到旋转的中心位置，与此同时霍尔传感器与电流变化时间同步采集电弧电压信号，由于电磁反映速度远远大于机械式旋转速度，当tig焊枪200旋转到不同位置传感器300的截面，霍尔传感器快速采集到该截面径向距离的电弧电压信号。图3表示电弧在径向方向上的控制电弧的摆动幅度，电流大小不同电弧摆动的幅度也就不同。
40.s200、信号分析系统利用bowyer—watson算法对工件表面进行三角形网面剖分，将对应的电弧电压信号和焊枪位置信号进行信息融合，得到工件表面曲面特征信息；
41.s300、将工件表面曲面特征信息与平整曲面信息作对比，调整该位置电弧旋转速度，使得溶液铺展曲面变得平整，工件表面曲面特征信息与平整曲面信息为对应曲面的法向量。
42.信号分析系统采用的信号分析方法具体为：在每个特点的截面，采集不同径向距离的电弧电压信号，利用bowyer—watson算法获取任意两个相邻截面距离最近的三个点生成三角形网面，并将这三个点的电弧电压信号和位置信息进行信息融合计算出这个三角形网面的垂直法向量，将计算值与平整曲面的法向量进行对比，调整电弧的旋转速度。图4表示四个励磁线圈通电的顺序，使得电弧发生旋转,搅拌熔池。
43.具体如下：参考图5，利用bowyer—watson算法生成相邻的三个点进行三角形网面剖分，将每个三角形网面的三点的位置信息和电弧电压信号就进行信息融合生成三个动态离散点坐标分别为m(r1，θ1，v1)、n(r2，θ2，v2)、p(r3，θ3，v3)，计算方法为：在每个霍尔传感器径向方向上电弧会采集四个点，这些采集的点的数据为电弧电压，信号分析系统会按顺序依次储存这些点，bowyer-watson算法是一种逐点插入法，基本思路是先由存储的点集生成一初始网格，再根据delaunay剖分原理，逐次向网格内加点,并重新连接生成新网格，直到所有点添加完毕。利用这三个点的数据计算出这个三角形网面的法向量信息o(r，θ，v),
计算方式为
44.设法向量为n，直线p1p2和直线p1p3由三点中的任意两点构成，法向量同时垂直于直线p1p2和p1p3，因此法向量由以下公式计算：
[0045][0046]
a＝(y
2-y1)*(z
3-z1)-(y
3-y1)*(z
2-z1)
[0047]
b＝(z
2-z1)*(x
3-x1)-(z
3-z1)*(x
2-x1)
[0048]
c＝(x
2-x1)*(y
3-y1)-(x
3-x1)*(y
2-y1)
[0049]
将平整面的法向量t(t1，t2，t3)与计算得到的法向量o(r，θ，v)相乘，计算公式如下：
[0050]
a＝o
·
t＝r2*t1+θ2*t2+v2*t3，如果得到的结果a为1，则说明该网面为平整，如果得到的结果a不为1，则说明该网面不平整，此时两对磁极交替产生不同方向的横向磁场，交替的磁场将控制电弧对不平整的曲面进行旋转搅拌，直到计算出来的a的值为1。平整面的法向量是事先测出工件外壁的曲率然后得到平整面的法向t(t1，t2，t3)。
[0051]
本发明的工作原理为
[0052]
参考图1和图2，当一对磁感线圈通电时，一个为n极，一个为s极，在tig焊枪200两侧形成横向磁场，当tig焊枪200起弧后，弧柱中的等离子切割磁感线产生洛伦兹力指向径向方向，当洛伦兹力指向径向外方向电弧，电弧将向外偏移，当洛伦兹力指向径向内方向，电弧将向内偏移；当tig焊枪200位置发生移动，磁感线圈仍然依次产生不同磁感应强度的横向磁场，当tig焊枪200旋转一个周期，每个界面的径向方向上电弧电压信息被有效提取，获取了零件表面的形貌特征，从而能有效的调整焊枪旋转速度，使得零件表面能够被有效修复。
[0053]
综上所述，本发明将tig焊枪200与旋转机构结合起来，使得电弧在发生旋转时不仅仅搅拌熔池修复零件表面，还能及时采集到焊枪旋转时的位置信息，同时施加磁场能够改变电弧偏移的距离，增加了采样数据的同时也能提高采样效率，从而提高识别零件表面的形貌特征的精度；利用bowyer—watson算法进行零件表面的三角形网面剖分，提高了拟合零件表面的精度，这种曲面自适应控制方法也大大改善了焊接工人的工作环境。
[0054]
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。