傳感器在焊接中的應用

傳感器在焊接中的應用引言 在本學期，我們學習了熱加工與測試技術這門課。了解到了許多傳感器在現(xiàn)代的生產以及生活中起著越來越重要的作用。當然，對電弧焊來說，要實現(xiàn)其自動控制，進而實現(xiàn)焊接的智能化，很重要的點就是傳感器技術的應用。在焊接過程中，首先應該使電弧與焊縫對中，這是保證焊接質量的關鍵。隨著焊接自動化的發(fā)展，焊接傳感器顯得越來越重要。一、焊接傳感器及應用定義：對于電弧焊用的傳感器，目前還沒有明確的定義。一般認為：檢測工件接頭的位置。坡口的形狀、有無障礙物和定位等構件狀態(tài)及檢測焊絲伸出長度，電弧和熔池狀況，焊道外觀等焊接固有特性和狀態(tài)并將檢測的結果轉換為電信號的裝置，都可以稱為電弧焊傳感器。在電弧焊中，焊接傳感器按照使用目的，可分為三類：第一類傳感器：主要用于檢測構件位置。坡口位置或焊縫中心線位置以達到焊縫位置自動跟蹤的目的，簡稱為焊縫位置自動跟蹤傳感器它約占焊接傳感器使用總量的80因此本節(jié)對傳感器概況的介紹主要是對焊縫位置自動跟蹤傳感器而言第二類傳感器：主要是在焊接過程中用以自動檢測焊接條件（例如坡口尺寸等)以實時自動控制焊接工藝參數(shù)來適應每一時刻的焊接狀況，稱為焊接條件實時跟蹤傳感器 第三類傳感器：可同時完成上述兩項功能，它也僅占焊接傳感器使用總量的10% 焊縫自動跟蹤傳感器系統(tǒng) 焊縫自動跟蹤傳感器系統(tǒng)由傳感器、信號處理器和伺服裝置三部分組成。1.傳感器檢測到的信息，經處理后最終用于推動伺服裝置以便對焊接位置進行適時調整，實現(xiàn)焊接過程的自動跟蹤。從傳感器系統(tǒng)的結構來看，它是以電弧(焊炬)相對于焊縫(坡口)中心位置的偏差作為被調量。以焊炬位移量作為操作量的閉環(huán)控制系統(tǒng)。當電弧相對于焊縫中心位置發(fā)生偏差時，傳感器能自動檢測出這一偏差，輸出信號，實時地調整焊炬運動，使之準確地與焊縫對中.實際生產中經常要求同時進行焊炬左右位置和高低位置的自動跟蹤。這種雙向焊縫跟蹤系統(tǒng)更具有實用價值。 2.信號處理器對傳送來的電信號進行處理，包括去除噪聲干擾，將調制信號解調、放大及運算，最后經功率放大部分輸出驅動信號給伺服裝置。 3.伺服裝置是一個小型的電動伺服控制系統(tǒng)，它一般采用伺服電機、步進電機等。機械傳感器的跟蹤原理 機械傳感器是一種接觸式傳感器。它以導桿或導輪在焊炬前方探測焊縫的位置。它分為機械式和機械電子式兩種。前者是靠焊縫形狀對導桿(輪)的強制力來導向，后者是當焊炬與焊縫中心線發(fā)生偏離時，導桿經電子裝置發(fā)出信號(它能表示偏離的大小與方向)再控制驅動裝置使焊炬及傳感器恢復正確位置，此時傳感器輸出信號為零，實現(xiàn)自動跟蹤。機械傳感器的特點及應用范圍 機械式傳感器比較便宜，適用于各種焊接力法和各種金屬材料的焊接場合，但由于它是靠導桿(輪)與工件的接觸來導向，故運行時容易失去跟蹤點(因坡口或縫隙的加工裝配不均勻性引起)，為避免此情況，往往要限制焊接速度不能太快，此外，導桿(輪)的磨損也要影響傳感器的精度。由于機械傳感器結構簡單，維護方便，不怕電弧的磁。光、煙塵、飛濺等干擾，故巳應用于生產實際。 電磁感應式傳感器電磁感應式跟蹤傳感器是一種非接觸式傳感器，它可按頻率分為普通頻率式和高頻式兩種，電磁傳感器的頻率低于10 kHz，渦流傳感器的頻率則力30160kHz。 電磁傳感器的工作原理 電磁傳感器實質上是共用初級線圈的兩個變壓器，繞在中柱上的初級線圈通以交流電壓Uy，兩個次級線圈為反極性串聯(lián)，輸出電壓U0=U1-U2當傳感器對準焊縫中心時，主磁通在兩個側柱的分配相等，即：兩個次級線圈感應電勢相同，故總的輸出電壓U0=0若傳感器偏離焊縫中心,則主磁通在兩個側柱的分配不相等，即：則次級有一個差動信號輸出。U0的極性 (相位)和大小取決于傳感器與焊縫中心偏差的方向和大小，這種傳感器的靈敏度取決于電源頻率和電壓，鐵心材料和尺寸、傳感器高度等因素，為了縮小傳感器體積和提高抵抗焊接時電磁干擾的能力，一般電源頻率取6l0kHz、電壓U0 = 20 V。這種高頻電源可采用晶體管多諧振蕩器，鐵心可采用硅鋼片或電阻率高的鐵氧體材料后者因其居里點低，飽和磁通密度隨溫度變化的敏感性大，故使用時要采取適當降溫隔熱措施提高工作穩(wěn)定性。傳感器的安裝高度一般取1015 mm，安裝過高則靈敏度降低，過低則容易受工件高低不平及振動等因素影響而使工作可靠性降低。渦流傳感器渦流傳感器就是在渦流效應的基礎上建立起來的傳感器。形成渦流必須具備下列兩個條件：1、存在交變磁場；2、導體處于交變磁場中。渦流式傳感器組成：1、產生交變磁場的通電線圈何至于線圈附近因而處于交變磁場中的金屬導體兩部分組成。其中金屬導體也可以是被測對象本身。 渦流傳感器的特點：體積小巧，所有的金屬材料焊接時都能使用，當然焊接非沃磁材料時靈敏度較低，由于密封很好而可用于水下焊接跟蹤。 光學傳感器 光電式傳感器(包括激光，紅外傳感器)是目前研究最多的一類焊縫自動跟蹤傳感器。據(jù)統(tǒng)計，焊工在手弧焊操作時，有80%的信息來自視覺，因而用光學方法進行焊縫檢測是最有前途的跟蹤方法之一。光電傳感器：凡存跟蹤信號的獲取過程中進行了由光信號到電信號轉換的傳感器統(tǒng)稱為光電式傳感器。按光源特征分類有白光、激光和紅外三種，按檢測特征分有單光點式傳感器和視覺傳感器兩類。(面陣CCD)攝像機傳感器 攝象機傳感器一般有兩種工作方式，一為結構光式，即把外加光源作成一條或多條窄光帶形狀另一種為直接拍攝電弧的方式。1結構光式 傳感器的光源可以是激光或白光，它被作成一條或多條窄帶形狀，故稱結構光該光帶位于焊炬前方，以450方向斜射在工件上，攝象機在工件正上方，拍攝到光帶和工件的交線能反映坡口的形狀，深淺，能求出工件的三維尺寸，故稱三維傳感器。由微機對圖象進行處理后，可求出焊縫位置及坡口尺寸由于信息量大，故處理時間較長，一股約0.3 s處理一幅圖象。跟蹤特點：由于跟蹤信號直接取自電弧，故沒有傳感器位置的附加導前誤差同時它能測量熔池寬度等參數(shù)，能對焊接規(guī)范進行自動控制，故其功能很強。2直接拍攝電弧式將攝象機置于電弧前方，從450角度直接拍攝電弧，熔池，焊絲等圖象。所得的圖形是倒象，下部的黑色凸起是焊絲，上部的白色凸起是焊縫縫隙，大塊白色區(qū)域是熔池由圖可求出焊絲對焊縫中心的偏移量，從而輸出跟蹤信號。電弧傳感器的特點及應用范圍 由于該傳感器主要是從電弧擺動到左右兩端取電流信號，故要求接頭為具有對稱坡口的對接或為丁字接頭或厚板搭接，它適用于等速送絲。水平外特性電源的焊接系統(tǒng)。為了使電流信號準確它不能用交流弧焊電源，當采用高精度晶體管弧焊電源時，該傳感器也可用于12mm管板搭接焊的跟蹤系統(tǒng)，它適用于射流過渡氣體保護焊，在CO2焊的短路過渡情況下，要采取措施解決焊接電流脈動很大而仍要保證信號檢測的穩(wěn)定性問題。該傳感器的跟蹤信號是由電弧本身取出，并且沒有傳感器位置導前的誤差，它可以進行高低和左右的雙向自動跟蹤，它不怕電弧的飛濺煙，光等干擾，它巳成功地應用于弧焊機器人及一般自動焊機的焊縫自動跟蹤。二、焊接傳感器技術的應用狀況長期以來，許多國內外的焊接工作者對焊接傳感器進行了深入細致的研究，并將研究成果應用到實際的生產中。目前，絕大部分的弧焊機器人都安裝了擺動式電弧傳感器，如德國CLOOS的ROMAT 76SW型機器人和日本松下的Pana-Robo 型機器人就安裝了擺動式電弧傳感器。旋轉電弧傳感器的應用也越來越普遍，如清華大學研制的旋轉電弧傳感器應用于東風汽車公司的汽車貯氣筒環(huán)縫的自動焊中，韓國的HAN GIL Autowelding公司生產的旋轉電弧傳感器可用于弧焊機器人和自動焊中，。日本松下的YA-11KMR51型弧焊機器人也安裝了旋轉電弧傳感器。 三、發(fā)展展望 焊接傳感器作為一種實時傳感的器件與其它類型的傳感器相比，結構較簡單、成本低、響應快，是焊接技術的一個重要的發(fā)展方向，具有廣闊的發(fā)展空間和應用