傳感器在焊接中的應(yīng)用

傳感器在焊接中的應(yīng)用引言 在本學(xué)期，我們學(xué)習(xí)了熱加工與測(cè)試技術(shù)這門(mén)課。了解到了許多傳感器在現(xiàn)代的生產(chǎn)以及生活中起著越來(lái)越重要的作用。當(dāng)然，對(duì)電弧焊來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)焊接的智能化，很重要的點(diǎn)就是傳感器技術(shù)的應(yīng)用。在焊接過(guò)程中，首先應(yīng)該使電弧與焊縫對(duì)中，這是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。隨著焊接自動(dòng)化的發(fā)展，焊接傳感器顯得越來(lái)越重要。一、焊接傳感器及應(yīng)用定義：對(duì)于電弧焊用的傳感器，目前還沒(méi)有明確的定義。一般認(rèn)為：檢測(cè)工件接頭的位置。坡口的形狀、有無(wú)障礙物和定位等構(gòu)件狀態(tài)及檢測(cè)焊絲伸出長(zhǎng)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(cè)的結(jié)果轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置，都可以稱(chēng)為電弧焊?jìng)鞲衅?。在電弧焊中，焊接傳感器按照使用目的，可分為三?lèi)：第一類(lèi)傳感器：主要用于檢測(cè)構(gòu)件位置。坡口位置或焊縫中心線位置以達(dá)到焊縫位置自動(dòng)跟蹤的目的，簡(jiǎn)稱(chēng)為焊縫位置自動(dòng)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(duì)傳感器概況的介紹主要是對(duì)焊縫位置自動(dòng)跟蹤傳感器而言第二類(lèi)傳感器：主要是在焊接過(guò)程中用以自動(dòng)檢測(cè)焊接條件（例如坡口尺寸等)以實(shí)時(shí)自動(dòng)控制焊接工藝參數(shù)來(lái)適應(yīng)每一時(shí)刻的焊接狀況，稱(chēng)為焊接條件實(shí)時(shí)跟蹤傳感器 第三類(lèi)傳感器：可同時(shí)完成上述兩項(xiàng)功能，它也僅占焊接傳感器使用總量的10% 焊縫自動(dòng)跟蹤傳感器系統(tǒng) 焊縫自動(dòng)跟蹤傳感器系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)處理器和伺服裝置三部分組成。1.傳感器檢測(cè)到的信息，經(jīng)處理后最終用于推動(dòng)伺服裝置以便對(duì)焊接位置進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的自動(dòng)跟蹤。從傳感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來(lái)看，它是以電弧(焊炬)相對(duì)于焊縫(坡口)中心位置的偏差作為被調(diào)量。以焊炬位移量作為操作量的閉環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)電弧相對(duì)于焊縫中心位置發(fā)生偏差時(shí)，傳感器能自動(dòng)檢測(cè)出這一偏差，輸出信號(hào)，實(shí)時(shí)地調(diào)整焊炬運(yùn)動(dòng)，使之準(zhǔn)確地與焊縫對(duì)中.實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常要求同時(shí)進(jìn)行焊炬左右位置和高低位置的自動(dòng)跟蹤。這種雙向焊縫跟蹤系統(tǒng)更具有實(shí)用價(jià)值。 2.信號(hào)處理器對(duì)傳送來(lái)的電信號(hào)進(jìn)行處理，包括去除噪聲干擾，將調(diào)制信號(hào)解調(diào)、放大及運(yùn)算，最后經(jīng)功率放大部分輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)給伺服裝置。 3.伺服裝置是一個(gè)小型的電動(dòng)伺服控制系統(tǒng)，它一般采用伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。機(jī)械傳感器的跟蹤原理 機(jī)械傳感器是一種接觸式傳感器。它以導(dǎo)桿或?qū)л喸诤妇媲胺教綔y(cè)焊縫的位置。它分為機(jī)械式和機(jī)械電子式兩種。前者是靠焊縫形狀對(duì)導(dǎo)桿(輪)的強(qiáng)制力來(lái)導(dǎo)向，后者是當(dāng)焊炬與焊縫中心線發(fā)生偏離時(shí)，導(dǎo)桿經(jīng)電子裝置發(fā)出信號(hào)(它能表示偏離的大小與方向)再控制驅(qū)動(dòng)裝置使焊炬及傳感器恢復(fù)正確位置，此時(shí)傳感器輸出信號(hào)為零，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤。機(jī)械傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍 機(jī)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(chǎng)合，但由于它是靠導(dǎo)桿(輪)與工件的接觸來(lái)導(dǎo)向，故運(yùn)行時(shí)容易失去跟蹤點(diǎn)(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(dǎo)桿(輪)的磨損也要影響傳感器的精度。由于機(jī)械傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，不怕電弧的磁。光、煙塵、飛濺等干擾，故巳應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際。 電磁感應(yīng)式傳感器電磁感應(yīng)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(shí)質(zhì)上是共用初級(jí)線圈的兩個(gè)變壓器，繞在中柱上的初級(jí)線圈通以交流電壓Uy，兩個(gè)次級(jí)線圈為反極性串聯(lián)，輸出電壓U0=U1-U2當(dāng)傳感器對(duì)準(zhǔn)焊縫中心時(shí)，主磁通在兩個(gè)側(cè)柱的分配相等，即：兩個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)電勢(shì)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(gè)側(cè)柱的分配不相等，即：則次級(jí)有一個(gè)差動(dòng)信號(hào)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(shí)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(diǎn)低，飽和磁通密度隨溫度變化的敏感性大，故使用時(shí)要采取適當(dāng)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(guò)高則靈敏度降低，過(guò)低則容易受工件高低不平及振動(dòng)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(yīng)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的傳感器。形成渦流必須具備下列兩個(gè)條件：1、存在交變磁場(chǎng)；2、導(dǎo)體處于交變磁場(chǎng)中。渦流式傳感器組成：1、產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的通電線圈何至于線圈附近因而處于交變磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體兩部分組成。其中金屬導(dǎo)體也可以是被測(cè)對(duì)象本身。 渦流傳感器的特點(diǎn)：體積小巧，所有的金屬材料焊接時(shí)都能使用，當(dāng)然焊接非沃磁材料時(shí)靈敏度較低，由于密封很好而可用于水下焊接跟蹤。 光學(xué)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(lèi)焊縫自動(dòng)跟蹤傳感器。據(jù)統(tǒng)計(jì)，焊工在手弧焊操作時(shí)，有80%的信息來(lái)自視覺(jué)，因而用光學(xué)方法進(jìn)行焊縫檢測(cè)是最有前途的跟蹤方法之一。光電傳感器：凡存跟蹤信號(hào)的獲取過(guò)程中進(jìn)行了由光信號(hào)到電信號(hào)轉(zhuǎn)換的傳感器統(tǒng)稱(chēng)為光電式傳感器。按光源特征分類(lèi)有白光、激光和紅外三種，按檢測(cè)特征分有單光點(diǎn)式傳感器和視覺(jué)傳感器兩類(lèi)。(面陣CCD)攝像機(jī)傳感器 攝象機(jī)傳感器一般有兩種工作方式，一為結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(chēng)結(jié)構(gòu)光該光帶位于焊炬前方，以450方向斜射在工件上，攝象機(jī)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(chēng)三維傳感器。由微機(jī)對(duì)圖象進(jìn)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(shí)間較長(zhǎng)，一股約0.3 s處理一幅圖象。跟蹤特點(diǎn)：由于跟蹤信號(hào)直接取自電弧，故沒(méi)有傳感器位置的附加導(dǎo)前誤差同時(shí)它能測(cè)量熔池寬度等參數(shù)，能對(duì)焊接規(guī)范進(jìn)行自動(dòng)控制，故其功能很強(qiáng)。2直接拍攝電弧式將攝象機(jī)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(duì)焊縫中心的偏移量，從而輸出跟蹤信號(hào)。電弧傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍 由于該傳感器主要是從電弧擺動(dòng)到左右兩端取電流信號(hào)，故要求接頭為具有對(duì)稱(chēng)坡口的對(duì)接或?yàn)槎∽纸宇^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(hào)準(zhǔn)確它不能用交流弧焊電源，當(dāng)采用高精度晶體管弧焊電源時(shí)，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(guò)渡氣體保護(hù)焊，在CO2焊的短路過(guò)渡情況下，要采取措施解決焊接電流脈動(dòng)很大而仍要保證信號(hào)檢測(cè)的穩(wěn)定性問(wèn)題。該傳感器的跟蹤信號(hào)是由電弧本身取出，并且沒(méi)有傳感器位置導(dǎo)前的誤差，它可以進(jìn)行高低和左右的雙向自動(dòng)跟蹤，它不怕電弧的飛濺煙，光等干擾，它巳成功地應(yīng)用于弧焊機(jī)器人及一般自動(dòng)焊機(jī)的焊縫自動(dòng)跟蹤。二、焊接傳感器技術(shù)的應(yīng)用狀況長(zhǎng)期以來(lái)，許多國(guó)內(nèi)外的焊接工作者對(duì)焊接傳感器進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，并將研究成果應(yīng)用到實(shí)際的生產(chǎn)中。目前，絕大部分的弧焊機(jī)器人都安裝了擺動(dòng)式電弧傳感器，如德國(guó)CLOOS的ROMAT 76SW型機(jī)器人和日本松下的Pana-Robo 型機(jī)器人就安裝了擺動(dòng)式電弧傳感器。旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的應(yīng)用也越來(lái)越普遍，如清華大學(xué)研制的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器應(yīng)用于東風(fēng)汽車(chē)公司的汽車(chē)貯氣筒環(huán)縫的自動(dòng)焊中，韓國(guó)的HAN GIL Autowelding公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器可用于弧焊機(jī)器人和自動(dòng)焊中，。日本松下的YA-11KMR51型弧焊機(jī)器人也安裝了旋轉(zhuǎn)電弧傳感器。 三、發(fā)展展望 焊接傳感器作為一種實(shí)時(shí)傳感的器件與其它類(lèi)型的傳感器相比，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、成本低、響應(yīng)快，是焊接技術(shù)的一個(gè)重要的發(fā)展方向，具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用