第4章 焊接傳感器-2機(jī)械、數(shù)字

1、主講教師主講教師: : 陳銀銀陳銀銀1582480778315824807783第四章第四章 焊接自動(dòng)化傳感技術(shù)焊接自動(dòng)化傳感技術(shù)一、機(jī)械傳感器一、機(jī)械傳感器 1.機(jī)械傳感器的跟蹤原理機(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)焊縫位置，見(jiàn)圖4.4。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)械電子式傳感器可按機(jī)電信號(hào)轉(zhuǎn)換方式分為(圖4.5).機(jī)械機(jī)械開(kāi)關(guān)式開(kāi)關(guān)式機(jī)

2、械-開(kāi)關(guān)式傳感器的觸桿中部用鉸鏈固定在傳感器盒內(nèi)，下端伸進(jìn)坡口當(dāng)焊嘴偏離焊縫中心時(shí)，觸桿向一側(cè)偏轉(zhuǎn)此觸桿上端接通一微動(dòng)開(kāi)關(guān)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使傳感器回到平衡位置。此時(shí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，保證焊嘴對(duì)準(zhǔn)焊縫。 機(jī)械機(jī)械差動(dòng)變壓器式差動(dòng)變壓器式機(jī)械差動(dòng)變壓器式傳感器見(jiàn)圖4.5b。它由一具有可滑動(dòng)鐵心的差動(dòng)變壓器組成。初級(jí)電壓為Uy，兩個(gè)次級(jí)線圈反極性串聯(lián)。當(dāng)水平滑動(dòng)的鐵心處在中間位置時(shí)，兩個(gè)次級(jí)線圈的感應(yīng)電勢(shì)相等，故總輸出電壓u0=0，此即為平衡狀態(tài)，傳感器的觸桿下端伸入坡口內(nèi)，當(dāng)傳感器位置與焊縫坡口中心發(fā)生偏差時(shí)，觸桿直接帶動(dòng)鐵心移動(dòng)，使兩個(gè)次級(jí)線圈的感應(yīng)電勢(shì)不等，而輸出一個(gè)極性取決于偏差方向，

3、大小取決于偏差量的U0信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟綜。 機(jī)械機(jī)械光電式光電式機(jī)械光電式傳感器見(jiàn)圖4.5c它與機(jī)械開(kāi)關(guān)式相似，但在觸桿的上端裝有一個(gè)發(fā)光二極管當(dāng)焊嘴偏離焊縫中心使觸桿偏轉(zhuǎn)時(shí)，光束指向兩個(gè)光電接收管中之一,此兩個(gè)光電管就象開(kāi)關(guān)一樣接通電動(dòng)機(jī)的控制電路,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，

4、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。 二、電磁感應(yīng)式傳感器二、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(簡(jiǎn)稱：電磁傳惑器)和高頻式(簡(jiǎn)稱渦流傳感器)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，見(jiàn)圖4.6，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

5、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。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。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

6、V。漏磁抑制式傳感器如圖4.7a所示。當(dāng)錯(cuò)邊引起增加時(shí)，也同時(shí)增加：減少時(shí)，也同時(shí)減少的增加和的減少就能抑制錯(cuò)邊所產(chǎn)生的干擾信號(hào)，為了使傳感器緊湊，其結(jié)構(gòu)可如圖4.7b所示，它也稱為五柱三線圈式電磁傳感器。1. 漏磁抑制式（缺點(diǎn)及修正方法）2211212電勢(shì)抑制式電勢(shì)抑制式傳感器如圖4.8所示也稱五柱五線圈式中間鐵柱繞初級(jí)線圈，兩側(cè)鐵柱分別繞有完全對(duì)稱的四個(gè)次級(jí)線圈其接法如圖所示。次級(jí)總的輸出信號(hào)電動(dòng)勢(shì)E0=(e1-e2)-(e2-e3)當(dāng)存在錯(cuò)邊時(shí)，例如y10，輸出信號(hào)驅(qū)使馬達(dá)動(dòng)作，使傳感器和焊炬自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)焊縫中心。傳感器的靈敏度曲線見(jiàn)圖36-11b，信號(hào)的極性與大小決定于偏離焊縫中心的方向和

7、偏移量。渦流傳感器的工作原理渦流傳感器的工作原理四、光學(xué)傳感器四、光學(xué)傳感器光電傳感器光電傳感器：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)稱為光電式傳感器按光源特征分類(lèi)有白光，激光，紅外三種，按檢測(cè)特征分有單光點(diǎn)式傳感器單光點(diǎn)式傳感器和視覺(jué)傳感器視覺(jué)傳感器兩類(lèi)。前者以半個(gè)或幾個(gè)光電接收管為檢測(cè)元件，習(xí)慣上也簡(jiǎn)稱為光學(xué)傳感器光學(xué)傳感器視覺(jué)傳感器視覺(jué)傳感器則以集成光電器件在視場(chǎng)范圍進(jìn)行掃描檢測(cè)，顯然它必須要用微機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，本節(jié)介紹幾種較成熟的光學(xué)傳感器，視覺(jué)傳感器則在下一節(jié)敘述。 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

8、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一1、跟蹤白線的光學(xué)傳感器（旁側(cè)）、跟蹤白線的光學(xué)傳感器（旁側(cè)）它的跟蹤基準(zhǔn)是用白漆在鋼板接縫一側(cè)畫(huà)出與焊縫平行的寬為12mm的白線，如圖4.2a，當(dāng)入射光照在白線上時(shí)，反射光很強(qiáng)，溴鎢燈光源經(jīng)透鏡在鋼板上形成一個(gè)長(zhǎng)方形光斑，這光斑又經(jīng)透鏡系統(tǒng)在光電元件接收屏上形成一個(gè)放大了的反射光斑。 光電元件屏上安裝二只光電接收管，當(dāng)鋼板上的白線位于光斑中心位置時(shí)(圖4.2b)光斑的中心帶很亮，二只光電管受光面積相等，它們的輸出信號(hào)也相等，當(dāng)白線偏于光斑中心一側(cè)時(shí)(圖4.2 c，d)，兩光電管的輸出不等，其差值即可作為左右跟

9、蹤信號(hào)，它的檢測(cè)精度取決于焊嘴高度誤差和白線與焊縫的平行度等，其優(yōu)點(diǎn)是傳感器安裝在焊炬?zhèn)让娑苌页郊拥膶?dǎo)前跟蹤誤差。應(yīng)用：應(yīng)用：適用于不同的接頭型式(對(duì)接，搭接)和不同的坡口型式 (包括有一定間隙的I型坡口)，它適用于碳鋼。不銹鋼, 銅、鋁等各種金屬的焊接，此外，它在焊前可以自動(dòng)尋找跟蹤基準(zhǔn)，因而操作十分方便。當(dāng)采用機(jī)械屏蔽和輔加濾光片等措施后，可有效地消除弧光干擾。因而可應(yīng)用于埋弧焊或明弧焊。左右跟蹤精度土0.3mm由于用光導(dǎo)纖維將激光管與傳感器分離。傳感器尺寸僅為25x50 x68mm。 激光傳感器位于電弧前方，和焊炬一起固定于隨動(dòng)機(jī)構(gòu)上，示意圖見(jiàn)圖4.13，He-Ne激光器發(fā)出的光束，

10、通過(guò)光導(dǎo)纖維進(jìn)入傳感器，在平行于焊接方向的平面內(nèi)以一定角度投射于工件上，其反射光被光電接收屏所接收，接收屏由多個(gè)光電接收管組成，它們形成一個(gè)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，分別發(fā)出左右和高低的跟蹤信號(hào)，最簡(jiǎn)單的點(diǎn)陣由三個(gè)光電管組成。2、跟蹤棱邊的激光雙向跟蹤傳感器（無(wú)輔助工作）、跟蹤棱邊的激光雙向跟蹤傳感器（無(wú)輔助工作）原理：原理：該傳感器“焊縫的坡口棱邊為跟蹤基準(zhǔn)，可同時(shí)發(fā)出左右和高低兩個(gè)方向的跟蹤信號(hào)。1 1三管點(diǎn)陣屏式激光傳感器三管點(diǎn)陣屏式激光傳感器(1) 橫向跟蹤原理 橫向跟蹤的原理見(jiàn)圖4.14，設(shè)焊炬及傳感器的高度處于正常位置，則反射光主要由G1管接收，如果光點(diǎn)打在鋼板上(圖4.14b)，意味著焊絲和傳感

11、器位置偏右了，此時(shí)G1接收的信號(hào)很強(qiáng)，可以得到用“1”表示的輸出電壓信號(hào)作為橫向跟蹤的指令，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)隨動(dòng)機(jī)構(gòu)向左運(yùn)動(dòng)，趨向平衡位置(使傳感器返回棱邊位置)，如果光點(diǎn)打在坡口內(nèi)(圖36-14c)，此時(shí)G1幾乎接收不到反射光信號(hào)，此時(shí)也可以得到用“0”表示的輸出電壓信號(hào)作為橫向跟蹤指令，但電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向相反，使機(jī)構(gòu)向右運(yùn)動(dòng)而趨向平衡位置，若光點(diǎn)正好打在棱邊上(圖4.14a)，則G1信號(hào)處在上下閾值之間的死區(qū)內(nèi)，此時(shí)不發(fā)出跟蹤指令，系統(tǒng)靜止于平衡位置，焊前通過(guò)手動(dòng)微調(diào)機(jī)構(gòu)，保證此時(shí)焊絲正好對(duì)準(zhǔn)坡口中心，當(dāng)存在干擾使焊絲偏離坡口中心時(shí)，焊絲和傳感器一起自動(dòng)返回平衡位置，它是一個(gè)位置反饋隨動(dòng)系統(tǒng)，具有

12、死區(qū)以保證其穩(wěn)定。高低跟蹤原理高低跟蹤原理 高低跟蹤的原理見(jiàn)圖4.15，當(dāng)焊炬位置偏高時(shí)，入射光點(diǎn)為A點(diǎn)，此時(shí)G4管接收的信號(hào)很強(qiáng)，而G3管的信號(hào)很弱當(dāng)焊炬位置偏低時(shí)，入射光點(diǎn)為A，點(diǎn)G4信號(hào)很弱而G3的信號(hào)很強(qiáng)，將G3,G4的信號(hào)差動(dòng)輸入放大，即可得到+1或-1的高低跟蹤指令，當(dāng)焊炬為正常高度時(shí)，光束入射點(diǎn)為A，反射光主要為Gl所接收，而G3，G4接收的信號(hào)很小，沒(méi)有高低跟蹤指令而保持正常高度，直流電機(jī)采用開(kāi)關(guān)式兩位控制方式，其線路框圖見(jiàn)圖4.16。2六管點(diǎn)陣屏式激光傳感器六管點(diǎn)陣屏式激光傳感器傳感器采用六管點(diǎn)陣接收屏，目的是提高靈敏度及擴(kuò)大跟蹤范圍，如圖4.17所示，橫向跟蹤時(shí)，原只有G1管起作用，當(dāng)光點(diǎn)打在坡口內(nèi)時(shí)，應(yīng)該輸出0狀態(tài)，但因光點(diǎn)的散射，使Gl仍能收到一些信號(hào)，現(xiàn)G2也能收到信號(hào)將G1、G2接成差動(dòng)輸入方式，使輸出電壓急劇下降而大大提高橫向跟蹤的可靠性和靈敏度，當(dāng)光點(diǎn)打在鋼板上時(shí)，