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1、微机控制窄间隙熔化极脉冲氩弧焊焊缝自动跟踪系统第1O卷第4期l989年12月焊接HANrIEXUEBAO哆l7Vo1.10No.4DeCemberl98g制窄间隙熔化极脉氩弧焊焊缝自动跟踪系统陆依成讲师陈建江硕士王震激教授钱聚瑛副教授朱余荣工程师(西安酉工L大学)摘要小直径厚壁钢管窄伺隙熔化极脉冲氩弧焊的生产实际出盎,设计了一私以窄间隙坡口棱边为轨迹的新型跟踪传感器光电数字传感器.该传感器用坡口棱边效应,将间隙中光源发出的连续光信号离散成数字形式的光信号,而能定量皓出偏移量的大小-具有跟踪精度高,占用焊缝周围空刚,电路简单,抗干扰能力强等特点.采用这种新型的光电数字传感器,配咀单板计算为主体蛆
2、成实时艰踪控制系统,并使跟踪与焊抢摆动体化,有效地宴现T对小直径厚壁钢管窄司隙焊高精度焊缝跟踪和保证良好的桐J熔台.weihat,gen主题词微机焊接跟跨0序言在厚板超厚板焊接领域中采用窄间隙焊,由于具有许多突出的优点,近十几年来已引起国内外焊接界的高度重视.但窄间隙焊采用的坡口阐隙窄而深,给焊接质量控制带来了一定的困难,其主要问题之一是:如果侧壁熔合不良,将会影响到焊接接头的机械性能,特别是疲劳和冷冲击性能.为此,人们做了大量的试验研究工作,如采用摆动焊丝,焊枪或电弧,优化焊接规范参数选择等,虽然都有利于改善侧壁熔合,但是大量的资料介绍表明,焊接过程出现焊丝不对中是导致产生侧壁熔合不良的主要
3、原因.此,在窄间隙焊时如何实现可靠的焊缝跟踪,是保证获得高质量焊缝的一个十分重要的问题.4期微机控制窄间隙溶化极脉冲氩弧焊焊缝自动跟踪系统229目前,烊缝自动跟踪系统中用得较多的是机械跟踪,电磁跟踪,光电跟踪等方法.各种方法都有各自的优点和相应的适用对象,除了各自本身存在的局限性不利于对小直径厚壁钢管的雍间隙焊实现商精度跟踪外,还都具h彳下的婵同问题:(1)跟踪中所用的传感器都只能定性检测出焊缝偏移方向,而不能准确地检测出偏移量的大小.因此,可认为这些传感器均于定性的,这样就易造成网纠偏不足时不能毖时反映跟踪欠调或在超调时产生系统振荡.(2)传感器聚终输出的信号是模拟信号,抗干扰能力较弱.由于
4、焊接过程各种电磁干扰较大,从而往往影响实际的跟踪精度,使低亍传感器的灵敏崖.此外,用计算机进行控制时,必需通过模数转换才能实现与计算机相联接,增加了控制系统的复杂性.山此看出:若能设计一种L定量检测偏移量的数字传感器将为精确跟踪开辟一条新路.本文的主要工作就是研制这样f自传感器,并用微机进行控制,使红跟踪的同时实现焊枪摆动,从而有效地锵决窄闯隙焊的侧壁熔合问题:l光电数字传感器弹缝跟踪技术的发展,在某种意义上说是取决于传感器的发展.作者从工作可靠,精匪高,电路简单,抗干扰麓力等要求出发,结合小直径(内径50ram左右)厚壁(50mm)钢管的窄间隙焊实际情况,设计了一种光电数字传感器,其工作原理
5、如图1所示:H萎号fJ棱边I(光纤头)I光信号l转换lI图l光电披宇传蒜器工作原理图传感器由光导纤维及数字标准亿电路两大部分组成.光纤的头部信息采集器,用于采集,离散信号j光纤的其余部分用于传导光信号,这样可使电路部分远离焊接区域.用光纤传导,不仅使传感器占用焊接区域空间小,有利于在空间窄小情况下的焊缝跟踪,而且能有效地抵抗焊接区域内存在的电,磁干扰,增强了抗干扰能力.每个信息采集器由若干层相同厚度的光纤薄层组成,每层后部札成柬与光敏元件(如光电池)及相应电路相联接.当信息采集器置于坡口侧壁棱边上时,山于棱边作,位于坡口间隙内的光纤层接受间隙中光源的光照(图2).使相对应的光电池产生相应的输出
6、电压,经放大电路放大并标准化后输出给计算机以相适应的标准l电平.而那些被棱边遮挡住的光纤层,由于不受光照,则对应输出为0.很显然,输出结果只可能有0和1两种状态,形成了数字化结果.这就是说,利用坡口侧壁棱边的作用,佑息采集器将光信号离散成了数字化光信号.1以上分析可知,传感器输出为1的个数就表示处于坡中的光纤层数,它准确地反映出信息采集器与坡200焊接侧蛙棱边的柏对他置,通过检测的结果用以控制蛘蝗在坡口旧比置,从而实现群缝自动跟踪=显然.传感器的精度直接取决于每层光纤的厚鹱,每层厚度越小.刚灵敏度越高,而从实际使用要求出发,本传感器选定每层光纤厚0耍为0.2mm这样,单个采集器的精度就是O.2
7、mm,已能满址烨缝跟踪的需要.靠息采集器取!的光特0经过光也池转换成数字l信号,无需进行模数转换.当光饵的光强足够时,光纤层受光螅是I古会造成在光电池输出的电信上产生很大差别,通常可达10倍.这样,放火电路不必考虑电路的零漂,线性性等同题,电路简啦,仅需进行简单的放大并转换成能与计算机榴联l0卷田2信息采籀的示意田的标准化电平即可.并且由于0.l信号差大,大大地提高了抗干扰能力.因此,这种传感器具有下特点:(1)能定量检测出焊缝的偏移量,跟踪时随动性好,不会产生欠调或振荡.t2)精度高.传感器精度为O.2ram.(3)抗干扰能力强.这是因为数字信号较模拟信号抗干扰能力强碍多,并且采用光纤传输信
8、号,不受焊缝附近的强电磁干扰影响,这对保证精度及稳定可靠性提供了良好的基础.(4)由于是数字信号,放大电路简单,无需模数转换,这样既简化了接口电路,又有利于提高采样速度.(5)由于采用光导纤维传输信号,仪需将体积较小的信息采集器置于焊缝附近,这对于空间窄小情下的焊缝跟踪较为有利.2系统工作原理为了有效地解决窄间隙焊的删蹙熔合问题,最好的方案是同时实现焊枪摆动和跟踪.若将摆动和跟踪台用一套机构,刑会使机械装置太为简化,节省占用空间.因此,在本研究工作中为了保证高精度跟踪并实现跟踪与摆动一体化,选用了步进电机,井由TP80l单板机进行数据处理和实时控制.这样,整个系统如图3所示,各部分工作碌理如下
9、:2.1信息采集若仅川一个信息采集器采集信息,虽能检测出沿缝备点的轴向位移,但这样的跟踪仪能保证焊枪离所采样的侧壁距离保持不变,而能保证焊枪位于坡口正中.由于在焊4期毁机控_制笮间隙熔化毂脉冲氩弧焊焊缝自动跟踪系统231接过程一f一(特圳灶,始焊接旧翦,二层内)间隙宽度会柏:热应力作川下发生变化此外,安装工件尉难于使同隙宽度滑往向均匀分,这样就会为这些问题1【_影响跟踪精度,上至造成小踪失效.要解决造些问题,有效的办法是采用两个采袋器对称置于坡两圳从埘保证焊丝始终处于坡口正中其对中过程蜘1,:起始时,在微机控制下使蹦信息采集器自动调整到对称状态(图3),假定此时每个信息采集器均有层光纤接受光照
10、,则输出状态为图3勇I统工作原理图1-?一l00n在此后的焊接过程L】,焊缝(或坡日)相对于信息采集器向右偏移了0.2trim,则状态就变为0011100一0一ln+1该状态表明产生数字偏差信,JJlJ坡口相对于信息采集器出现丁轴向位移.很显然,左,右两信息采集器输出的为l个数之差正比于坡口相对于信息采集器的偏移:女.在此,信息采集器相对左移0.2ram,对应的为1的个数之差是N=(.+1)一(一1)=2即产生j2个数字之差:反过来可推算得偏移量(6)6=(一)x0.1(mm)式r_1,分别代袭左,右信息采集器输出1的个数,而偏移量正或负则代表柏对的偏移方向.上述袭达式表明一个数字盈对应0.1
11、mm相对位移,亦即两个信息采集器合用时,其检测精度比采单个信息采集器提高1倍(为0.1mm).这样的精度优于目前常用的其他跟踪传感器,为高精度跟踪提供了可能.此外,l自于采用步进电机,其转过的角度(即运行步数)唯一取决于所给的脉冲个数.因此在传感器检测并r算机算出偏移量后,只需给定一次脉冲个数,便可使倍息采集器fH到对称状态,随动性好,不易出现失调或振荡.232惺接lO卷2.2延时;l于空问限制,信息采集器与焊枪不能安装在同一径向位置.因此,准确跟踪还必须延时.1于采用计算机控制,借助于硬,软什桕结台的方法呵较为方便地实现延时计算机将检测到的确移信息(方向和偏移量)为依据,在驱动两信息采集器作
12、牛应调整的同时,将该息贮入内存进行保存,此时焊枪不作与此对应的调整,直到信息采集器采样时的位置移动到焊丝所处的位置时,再将内存中的数据取出以驱动焊枪作相应的调整.其问的延时时间山硬件测取焊接速度来保证.2.3摆动与对中在焊接过程若小需蛰纠偏,则拖动焊枪的电机在计算机的硬,软件控制下交替进行正,反转,以驱动焊枪摆动,其摆动频率和摆幅可由软件方便地调节.当焊枪需作对中调整时,计算机将对应单元的偏移信息取出并发出纠偏指令,使焊枪在摆动过中插入一调整量.调整结束后,焊枪自动恢复摆动,但摆动中心已由0点移到0点.调整过程女14所示.2.4记忆跟踪随着已焊层数的不断增加,光源离信息采集器的距离变近,坡口作
13、用减弱,但由于窄间隙焊是多层循环焊接,当焊接到一定层数后,实际检测表明其间隙宽度和沿缝各点的轴向位移量不再发生变OA=0A与摆CD为插的调墼量C+DA=AtB=图4摆动,对中调节示意围化.因而在随后的焊接过程中,只需按先前测定的焊枪移动轨迹运动,就能实现跟踪.在本系统中由于采用计算机控制,借助于计算机的记忆能力可方便地实现这种记忆跟踪,从而解决了最后几层的跟踪问题.3系统功能及试验结果本系统各部分在计算机控制下协调工作,具有下列主要功能:(1)有进行数据采样跟踪和数据记忆跟踪两种功能,各自的跟踪层数可由操作者给定.(2)能显示,记忆焊接层数和过程中两信息采集器各自为1的个数,从而显示和记忆跟踪
14、的动态过程.t3)能够根据各层不同的焊接速发确定延时时间及相应的采样频率.朔截机控窜问隙熔化极脉冲氩弧浑焊缝自动跟踪系统233(4)蚪接过程中园其他原因暂停焊接过程时,能白功处于停机等待状态,并显示整个焊接的浮#L数.当暂停结束又继续焊接时,能自动恢复继续跟踪,从而保证了跟踪与焊接的协调干lf延I对的准确性.术系统经过现场使用考校和部级鉴定表明:整个系统操作,使用方便,跟踪精度ji.斟5盟焊接小直径厚避钢管第一层焊遭的跟踪轨迹,其灵敏度和反应速度等均能满足焊缝跟踪的要求.百i笔图5焊接小直径厚璧钢管的第一层焊道的躁踪动态孰遗此外,整个系统仅需稍作修改便可应用于具有对接缝焊接的焊缝自动跟踪场台,
15、有较好的推广应尉价值.4结论本工作所研制的光电数字传感器,能定量检测出小直径厚壁钢管窄间隙焊过程的焊缝偏移量,具有精度高,抗干扰能力强,占用空间小等优点,为焊缝自动跟踪开辟了一条新路.配以微型计算机控制,整个系统既能进行数据采样跟踪,又能进行数据记忆跟踪,并可实现焊枪摆动与跟踪一体亿.经过生产现场使用,达到了有效的实现焊缝自动跟踪和改善窄问隙焊焊缝侧壁熔合的目的.本系统可望在其他对接形式的焊缝跟踪中推广应用.(t989革1月18日收到韧稿)参考文献J饯聚珙等.小直径超厚壁管窄间隙焊接工艺的研究.第五届全国焊接学术会议论文选集(第四集),1986.2PMGonsetltandPBlanceOpt
16、iguide-ANewOpticalJointTrackingDeviceWeldinglournal,1983(9)3潘际銮等.焊缝棱边双向激光自动跟踪系统的研究.焊接,1984(2)4秦积荣等.光电检测原理及应川.国防工业出版社,1985.5j.q明德.微型计算机硬件软件及其应用.清华大学出版社,1984.23厚接学KMICROCOMPUTERWELDJOINTRACKNGCONTR0I1NARROWGAPWITHPCMIGWF【IDINGLe(lRTernYicheng.Mas!e?()henianfiang.kofessorWangZfencheng,Associ#,ecSSO)Oic
17、;m.EngineerZr.(Norlhe,esternPolgtechnicalUnilersiy)Abstract0等In0rdertogetasoundweldinnarrowgapwelding.newtrackingsensorthephotoelectricaldigitsensor,hasbeendeveloped.Thissensorhastheadvantagesofhicontrollingaccuracy,lessspacetakingsimplyconstructedcircuitandpowerfulantiinterference.Withthehelpofthee
18、dgeeffectof卜groove,thesensorcanconverttheconfinnoaspholosignalintodigitsignalndgetthedeviationofweldingtorchquantitatively.Bycombininglhenewsensorwithamicrocomputerasthemainbody,areal一1imetrackingcontrolsystemcnbemade.Thissystemeffectivelyensureshi曲acctlrac)rtrackingandcompletesidewallJusioninnarrowgapwelding.KeywordsMicrocomputerWeldingtracklg