《第四章焊接传感器.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第四章焊接传感器.ppt（104页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四章 焊接传感器,1、背景,电弧焊来说，要实现其自动控制，进而实现焊接的智能化，很重要的点就是传感器的使用,在焊接过程中，首先应该使电弧与焊缝对中，这是保证焊接质量的关键。随着焊接自动化的发展，焊缝自动跟踪用传感器显得越来越重要,为了提高焊接过程的自动化程度除了控制电弧对焊缝的自动跟踪之外，还应实时控制焊接质量为此需要在焊接过程中检测焊接坡口的状况，如宽度、深度、面积等；以及检测焊接熔池的状况，如熔宽，熔深和背面焊道的成形等以便能实时地调整焊接参数，保证良好的焊接质量这就是智能化焊接，是焊接自动化的发展方向,二、焊接传感器概述,定义： 对于电弧焊用的传感器，目前还没有明确的定义。一般认为：检
2、测工件接头的位置坡口的形状、有无障碍物和定位等构件状态及检测焊丝伸出长度，电弧和熔池状况，焊道外观等焊接固有特性和状态并将检测的结果转换为电信号的装置，都称为电弧焊传感器,在电弧焊中，焊接传感器按照使用目的，可分为三类： 第一类传感器主要用于检测构件位置。坡口位置或焊缝中心线位置以达到焊缝位置自动跟踪的目的，简称为焊缝位置自动跟踪传感器它约占焊接传感器使用总量的80因此本节对传感器概况的介绍主要是对焊缝位置自动跟踪传感器而言 第二类传感器主要是在焊接过程中用以自动检测焊接条件（例如坡口尺寸等)以实时自动控制焊接工艺参数来适应每一时刻的焊接状况，称为焊接条件实时跟踪传感器,第三类传感器可同时完成
3、上述两项功能，它也仅占焊接传感器使用总量的10%,焊缝位置自动跟踪传感器的分类,焊缝位置自动跟踪传感器可按很多方式分类。,焊缝自动跟踪传感器的附加跟踪误差,原因：一般情况下，焊缝自动跟踪传感器所检测到的标志点与要控制的电弧中心点之间有一定的距离，这一距离将带来附加的跟踪误差，因为传感器是与焊嘴刚性固定在一起的，现分别介绍如下。,1电弧摆动式 它从电弧摆动的自身电参数的变化中。找出焊缝自动跟踪信号，因此传感器的检测点就是电弧中心点。在实时跟踪控制中没有附加的跟踪误差。,2传感器固定于焊嘴的侧面见图4.2a，由于辅助跟踪基准线平行于焊缝中心线，故左右跟踪的检测点与电弧中心点的距离没有附加的跟踪误差
4、，若线不平行，则带来附加误差。,图4.2,3. 传感器固定于焊嘴的前方 见图4.2b，传感器检测出焊缝中心点的位置，导前于焊嘴一段距离，这种分离带来的附加跟踪误差与焊缝形状有关。,(1)焊缝为直线 可通过传感器与焊嘴位置的初始调整，来消除附加误差，其方法是：将焊嘴的初始位置对准焊缝中心后，调整传感器的横向位置，使之输出信号为零，由于焊缝是直线，故在焊接过程中传感器检测点的偏移量恒等于焊嘴与焊缝中心的偏移量，因而没有附加的跟踪误差。,(2)圆筒的环缝焊接 若焊缝的坡口加工能保证环缝中心线本身是在一个平面上并且该平面垂直于圆筒的轴线，则由于转胎不精确而造成的工件轴向位移，可以由焊缝跟踪系统来自动跟
5、随，且不带来附加跟踪误差。,(3)焊缝为曲线见图，显然传感器检测点的偏移量不等于焊嘴距焊缝中心的偏移且以检测点来替代跟踪点(电弧处)必然会带来附加跟踪误差。焊缝曲率越大则附加误差越大消除此误差的方法之一是，为左右跟踪作两套伺服机构，即传感器与焊嘴分别驱动，传感器在A点检测出偏差信号，使伺服机构2即刻动作，令传感器回到平衡位置此偏差信号延时再送给伺服机构1，即等到焊嘴达到A点时，才进行跟踪，消除偏差。,焊缝自动跟踪传感器系统 焊缝自动跟踪传感器系统由传感器、信号处理器和伺服装置三部分组成， 1.传感器检测到的信息，经处理后最终用于推动伺服装置以便对焊接位置进行适时调整，实现焊接过程的自动跟踪。
6、从传感器系统的结构来看，它是以电弧(焊炬)相对于焊缝(坡口)中心位置的偏差作为被调量。以焊炬位移量作为操作量的闭环控制系统。当电弧相对于焊缝中心位置发生偏差时，传感器能自动检测出这一偏差，输出信号，实时地调整焊炬运动，使之准确地与焊缝对中. 实际生产中经常要求同时进行焊炬左右位置和高低位置的自动跟踪。这种双向焊缝跟踪系统更具有实用价值。,2.信号处理器 信号处理器对传送来的电信号进行处理，包括去除噪声干扰，将调制信号解调、放大及运算，最后经功率放大部分输出驱动信号给伺服装置。,3.伺服装置是一个小型的电动伺服控制系统，它一般采用伺服电机、步进电机等,二、机械传感器,1.机械传感器的跟踪原理 机
7、械传感器是一种接触式传感器。它以导杆或导轮在焊炬前方探测焊缝位置，见图4.4。它分为机械式和机械电子式两种。前者是靠焊缝形状对导杆(轮)的强制力来导向，后者是当焊炬与焊缝中心线发生偏离时，导杆经电子装置发出信号(它能表示偏离的大小与方向)再控制驱动装置使焊炬及传感器恢复正确位置，此时传感器输出信号为零，实现自动跟踪。机械电子式传感器可按机电信号转换方式分为(图4.5).,机械开关式 见图4.5a机械-开关式传感器的触杆中部用铰链固定在传感器盒内，下端伸进坡口当焊嘴偏离焊缝中心时，触杆向一侧偏转此触杆上端接通一微动开关，驱动电动机转动，使传感器回到平衡位置。此时开关断开，电动机停转，保证焊嘴对准
8、焊缝。,机械差动变压器式 机械差动变压器式传感器见图4.5b。它由一具有可滑动铁心的差动变压器组成。初级电压为Uy，两个次级线圈反极性串联。当水平滑动的铁心处在中间位置时，两个次级线圈的感应电势相等，故总输出电压u0=0，此即为平衡状态，传感器的触杆下端伸入坡口内，当传感器位置与焊缝坡口中心发生偏差时，触杆直接带动铁心移动，使两个次级线圈的感应电势不等，而输出一个极性取决于偏差方向，大小取决于偏差量的U0信号，实现自动跟综。,机械光电式 机械光电式传感器见图4.5c它与机械开关式相似，但在触杆的上端装有一个发光二极管当焊嘴偏离焊缝中心使触杆偏转时，光束指向两个光电接收管中之一,此两个光电管就象
9、开关一样接通电动机的控制电路,实现自动跟踪。,机械传感器的特点及应用范围 机械式传感器比较便宜，适用于各种焊接力法和各种金属材料的焊接场合，但由于它是靠导杆(轮)与工件的接触来导向，故运行时容易失去跟踪点(因坡口或缝隙的加工装配不均匀性引起)，为避免此情况，往往要限制焊接速度不能太快，此外，导杆(轮)的磨损也要影响传感器的精度。由于机械传感器结构简单，维护方便，不怕电弧的磁。光、烟尘、飞溅等干扰，故巳应用于生产实际。,二、电磁感应式传感器,电磁感应式跟踪传感器是一种非接触式传感器，它可按频率分为普通频率式(简称：电磁传惑器)和高频式(简称涡流传感器)两种，电磁传感器的频率低于10 kHz，涡流
10、传感器的频率则力30160kHz。,电磁传感器的工作原理 电磁传感器实质上是共用初级线圈的两个变压器，见图4.6，绕在中柱上的初级线圈通以交流电压Uy，两个次级线圈为反极性串联，输出电压U0=U1-U2当传感器对准焊缝中心时，主磁通在两个侧柱的分配相等，即，两个次级线圈感应电势相同，故总的输出电压U0=0若传感器偏离焊缝中心,则主磁通在两个侧柱的分配不相等，即，则次级有一个差动信号输出。,这种高频电源可采用晶体管多谐振荡器，铁心可采用硅钢片或电阻率高的铁氧体材料后者因其居里点低，饱和磁通密度随温度变化的敏感性大，故使用时要采取适当降温隔热措施提高工作稳定性。 传感器的安装高度一般取1015 m
11、m，安装过高则灵敏度降低，过低则容易受工件高低不平及振动等因素影响而使工作可靠性降低。,U0的极性 (相位)和大小取决于传感器与焊缝中心偏差的方向和大小，这种传感器的灵敏度取决于电源频率和电压，铁心材料和尺寸、传感器高度等因素，为了缩小传感器体积和提高抵抗焊接时电磁干扰的能力，一般电源频率取6l0kHz、电压U0 = 20 V。,漏磁抑制式传感器如图4.7a所示。当错边引起增加时，也同时增加：减少时，也同时减少的增加和的减少就能抑制错边所产生的干扰信号，为了使传感器紧凑，其结构可如图4.7b所示，它也称为五柱三线圈式电磁传感器。,1. 漏磁抑制式（缺点及修正方法）,2电势抑制式 电势抑制式传感
12、器如图4.8所示也称五柱五线圈式中间铁柱绕初级线圈，两侧铁柱分别绕有完全对称的四个次级线圈其接法如图所示。次级总的输出信号电动势E0=(e1-e2)-(e2-e3)当存在错边时，例如y1y2，则e2,e3增加，e1,e4减少它们的一增一减，相互补偿，就能减少错边对输出信号的影响。,三、电涡流传感器,定义：涡流: 金属导体至于变化着的磁场中，导体内就会产生感生电流，这种电流像水中的漩涡那样在导体内转圈，所以称之为电涡流或涡流。,形成涡流必须具备下列两个条件：1、存在交变磁场；2、导体处于交变磁场中。,涡流式传感器组成：1、产生交变磁场的通电线圈何至于线圈附近因而处于交变磁场中的金属导体两部分组成
13、。其中金属导体也可以是被测对象本身。,涡流传感器：就是在这种涡流效应的基础上奖励起来的传感器。,涡流传感器的特点 上述电磁式传感器易受强大焊接电流的电磁干扰，且体积较大此外它只适用于工件是铁磁材料涡流传感器则由于其频率甚高而能克服这些缺点。,涡流传感器的特点是体积小巧，所有的金属材料焊接时都能使用，当然焊接非沃磁材料时灵敏度较低，由于密封很好而可用于水下焊接跟踪。,其结构见图4.10，在初级线圈）上加高频电流(f=30120kHz)，次级线圈2、3反极性串联其工作原理见图4.11a，初级高额电流产生高频主磁通，它在工件表面产生涡流，此涡流所生的磁力线要削弱主磁通，因而影响到次级的感应电势e2,
14、e3,涡流强则使e2,e3减小。注意到涡流不能穿过工件边界的缝隙(图36-11a)，故涡流在工件两边的分布与线圈1和工件的对中情况有关，若线圈1与工件对中，则两边涡流对称分布。次级感应电势e2e3,此时传感器输出信号E0=e2-e3=0，即为平衡状态。若线圈1与工件不对中，例如偏左面则左边工件的涡流强，e3减小，则E0=e2-e30，输出信号驱使马达动作，使传感器和焊炬自动对准焊缝中心。传感器的灵敏度曲线见图36-11b，信号的极性与大小决定于偏离焊缝中心的方向和偏移量。,涡流传感器的工作原理,四、光学传感器 光电式传感器(包括激光，红外传感器)是目前研究最多的一类焊缝自动跟踪传感器。据统计，
15、焊工在手弧焊操作时，有80%的信息来自视觉，因而用光学方法进行焊缝检测是最有前途的跟踪方法之一,光电传感器：凡存跟踪信号的获取过程中进行了由光信号到电信号转换的传感器统称为光电式传感器,按光源特征分类有白光，激光，红外三种，按检测特征分有单光点式传感器和视觉传感器两类。 前者以半个或几个光电接收管为检测元件，习惯上也简称为光学传感器,视觉传感器则以集成光电器件在视场范围进行扫描检测，显然它必须要用微机进行信号处理，本节介绍几种较成熟的光学传感器，视觉传感器则在下一节叙述。,1、跟踪白线的光学传感器（旁侧） 它的跟踪基准是用白漆在钢板接缝一侧画出与焊缝平行的宽为12mm的白线，如图4.2a，当入
16、射光照在白线上时，反射光很强，溴钨灯光源经透镜在钢板上形成一个长方形光斑，这光斑又经透镜系统在光电元件接收屏上形成一个放大了的反射光斑，光电元件屏上图4.12,安装二只光电接收管，当钢板上的白线位于光斑中心位置时(图4.2b)光斑的中心带很亮，二只光电管受光面积相等，它们的输出信号也相等，当白线偏于光斑中心一侧时(图4.2 c，d)，两光电管的输出不等，其差值即可作为左右跟踪信号，它的检测精度取决于焊嘴高度误差和白线与焊缝的平行度等，其优点是传感器安装在焊炬侧面而能梢除附加的导前跟踪误差。,应用：适用于不同的接头型式(对接，搭接)和不同的坡口型式 (包括有一定间隙的I型坡口)，它适用于碳钢。不锈钢, 铜、铝等各种金属的焊接，此外，它在焊前可以自动寻找跟踪基准，因而操作十分方便。当采用机械屏蔽和辅加滤光片等措施后，可有效地消除弧光干扰。因而可应用于埋弧焊或明弧焊。左右跟踪精度土0.3mm由于用光导纤维将激光管与传感器分离。传感器尺寸仅为25x50 x68mm。 激光传感器位于电弧前方，和焊炬一起固定于随动机构上，示意图见图4.13，He-Ne激光器发出的光束，通过光导纤维进入
