电磁传感跟踪系统.docx
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电磁传感跟踪系统.docx
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电磁传感跟踪系统
一.前 言
埋弧焊以其自动化程度高、生产效率高、焊缝成形好、没有弧光辐射等优点广泛地应用于石油化工和压力容器等的制造中。
但是由于电弧及所焊焊道不易观察,为了保证焊机机头对准焊缝中心,焊前必须认真调整焊机机头与焊缝中心位置,即使这样准确性仍难以保证。
由于焊前加工偏差(如错边)、因焊丝的实际对中位置被焊剂埋住,而不易准确观察调整以及装配时难以保证坡口间隙一致,使得焊丝在焊接过程中不能始终对准焊缝中心等原因,容易造成焊缝位置的偏差。
另外,工件表面的不平度和工件装配时的椭圆度等,也会造成焊机机头与工件表面距离的波动,使焊接参数发生变化;实践表明,因焊丝与坡口侧壁之间的距离调节不当容易造成咬边、夹渣及未熔合等焊接缺陷。
由于埋弧焊系统庞大,在容易施焊的位置可以通过人工干预的办法判断焊丝偏移方向并做出调整决策,但在工作条件恶劣或需要预热的场合,就需用机械导轨引导焊接小车的行走,而内环缝焊接时,常利用悬臂式焊接架和滚轮支架等焊接辅助机械实现位置调节,这样焊接时轴向移动现象较严重,产生的偏差较大。
种种原因使埋弧焊的焊缝自动跟踪成为迫近需要解决的问题。
本文根据跟踪系统中所用传感器的不同对埋弧焊焊缝跟踪系统进行了分类,介绍其重要组成部分的发展现状并对以后的发展趋势做了预测。
1 埋弧焊焊缝跟踪系统原理
所谓焊缝跟踪,即以焊炬为被控对象,电弧(焊炬)相对于焊缝中心位置的偏差作为被调量,通过机械、电磁、激光、视觉等多种传感测量手段,控制焊炬使其在整个焊接过程中始终与焊缝对口。
实现精确的焊缝跟踪是保证自动焊接质量的关键。
埋弧焊由于电弧在焊剂中燃烧,进行实际焊接时,需要工人注意观察焊枪是否偏离焊缝中心,若有偏离需要进行实时调整,使焊枪始终与焊缝中心对准。
这样就使埋弧焊的应用范围受到限制(比如在高温、有毒、高空、狭窄空间等恶劣条件下的应用)。
为了使埋弧焊的应用范围更广泛,有必要实现埋弧焊的焊缝自动跟踪。
考察目前研究的各种焊缝跟踪系统的结构可知,一般的自动跟踪系统都是由传感器、控制器和执行机构组成,组成结构如图1所示。
图1 埋弧焊焊缝跟踪系统工作框图
传感器获取的是焊炬偏离焊线位置的偏差信息,并把该信息转换为相应大小的数据,控制算法根据控制理论由获得的偏差信号得到控制信号,然后把控制信号送给执行机构,执行机构根据接收到的指令信息实施相应的纠偏动作,从而达到精确跟踪的目的。
多数情况下焊炬与传感器相连,传感器检测出的是熔池前端焊线的变动干扰,也就是说在焊炬相对于焊线没有位置变动时,传感器已经检测出下一个位置时焊炬与焊线的位置变动,因此这种控制属于前馈控制;焊缝跟踪系统的被控量是在垂直于焊接方向上焊炬相对于焊线位置的距离,而焊线的变动既不是参考输入也不是反馈信号,因此这是一种干扰,控制系统的输入随焊线的变动而变化;另外,由于焊线本身又是不确定的,使系统随之具有了随动性,所以焊缝跟踪系统属于一种前馈随动系统,需要设计一控制器来补偿这种干扰。
对于其它的干扰,例如执行机构传动过程中摩擦所造成的跟踪误差,也需考虑在内以尽量提高跟踪精度。
由于控制系统能实时检测焊缝与焊炬的位置关系,通过一定的控制算法可实现对偏移焊炬的实时纠偏,大大增强了跟踪的精度,加之控制系统具有反馈功能,使系统不但具有了智能性,还使系统的抗外界干扰能力得到提高。
2 埋弧焊焊缝跟踪系统分类
从控制系统结构来看,由焊缝偏差信号传感及其提取、纠偏控制算法、跟踪执行机构组成的埋弧焊跟踪系统是以电弧(焊炬)相对于焊缝(坡口)中心位置的偏差作为被调量,焊炬位移量为操作量的闭环控制系统。
在整个闭环控制系统中关键部分是传感器。
传感器是能感受规定的被测量并能转换成可用信号,实现信息的检测、转换和传输的器件或装置。
发达国家弧焊传感器有80%以上是用于焊缝跟踪的,目前用于焊缝跟踪的较多是直接电弧式、机械接触式和非接触式三种。
根据埋弧焊焊缝跟踪系统中所用传感器的不同将跟踪系统大致分类如图2所示。
图2 埋弧焊焊缝跟踪系统分类图
二.设计方案
应用涡流传感器,建立了薄板自动跟踪系统如图所示.该系统在五自由度直角坐标式弧焊机器人的基础上,采用PC机为中央控制机.振荡电路是将电源的直流电能,转变成一定频率的交流信号的电路。
作用是产生交流电振荡,作为信号源.焊接时,涡流传感器在焊枪的前方50mm处,获取焊缝的横向和纵向的位置偏差信息,通过数据采集卡送入计算机进行存储和处理,当焊枪行进到该位置时,通过执行机构调整焊枪位置,使之自动跟踪焊缝.
如图所示,焊缝跟踪装置的结构由横向调节丝杠和高度方向调节丝杠两部分组成,以实现在焊接过程中对焊枪左右和上下的调节。
三传感器的选择
1电磁感应式涡流传感器
电磁感应式跟踪传感器是一种非接触式传感器,它的构造非常简单,在焊接生产过程中,常用来进行焊缝跟踪或是检测机械变化(如检测位置或错位),按频率分为普通频率式(简称电磁传感器)和高频式(简称涡流传感器)两种,电磁传感器的频率低于10kHz,涡流传感器的频率则为30kHz~160kHz.下面介绍电磁传感器的工作原理:
1.1.电磁传感器
电磁传感器实质上是共用初级线圈的两个变压器,如图3。
绕在中柱上的初级线圈通以交流电压Uy,两个次初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Φ1=Φ2。
两个次线圈感应电势相同,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Φ1≠Φ2,则次级有一个差动信号输出。
U0的极性(相位)和大小取决于传感器与焊缝中心的偏差的方向和大小。
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6~10kHz、电压取20V左右。
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化材料。
传感器的安装高度一般取10~15mm,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而使工作可靠性降低。
a)正常时b)错边时
图3.电磁传感器原理图
这种传感器的问题是对工件装配时的错边很敏感。
例如在图3b中,即使传感器对中良好,主磁通在两侧柱的分配也因错边的影响而不均匀,导致产生误信号。
因此设计时应设法抑制这种干扰信号,尽量消除,并提高其灵敏度。
1.2.涡流传感器
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。
其结构见图4在初级线圈1上加高频电流(户30~120kHz),
图4涡流传感器结构示意图
1—初级线圈2、3—次级线圈
次级线圈2、3反极性串联。
其工作原理见图3a。
初级高频电流产生高频主磁通,它在工件表面产生涡流。
此涡流所产生的磁力线要削弱主磁通,因而影响到次级的感应电势e2、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5a),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Ⅱ与工件对中,则两边涡流对称分布,次级感应电势e2=e3。
此时传感器输出信号丑。
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,则左边输出信号驱使电动机动作,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5b,信号的极性与大小决定于偏离焊缝中心的方向和偏移量。
图5涡流传感器工作原理
a)涡流分布b)灵敏曲线U-信号电压
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,当然焊接非铁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。
1.3.DWQZ系列电涡流传感器
DWQZ型系列电涡流传感器可应用于易燃、易爆等危险场所,使用时必须和关联设备LB896齐纳安全栅配套使用。
产品防爆标志为ExiaⅡCT2~T5,防爆合格证号为GYB06901。
产品标准为Q/ZH6112-2006。
DWQZ型系列电涡流传感器由DWQZ探头、DWQZ延伸电缆、DWQZ前置器三部份组成。
DWQZ系列探头
探头由电感、保护罩、不锈钢壳体、高频电缆、高频接头等组成,根据不同的测量范围,可以选用不同直径规格(如:
Φ8mm、Φ11mm、Φ25mm)的探头;根据不同的安装要求,可以选用不同安装方式(如:
正装、反装、无螺纹)和1m或0.5m电缆长度的探头。
DWQZ系列延伸电缆
延伸电缆的两端都安装有SMA自锁插头,其中一头配备了防油保护套,专用于保护自锁插头不受油污介质污染,以提高系统可靠性。
延伸电缆长度可分为4m、4.5m、8m、8.5m四种。
DWQZ系列前置器
前置器是系统的核心部分,它包括了整个传感器系统的振荡、线性检波、滤波、线性补偿、放大等电路,与延伸电缆、探头一起构成各种规格的DWQZ型电涡流传感器。
拫据配用探头的直径规格,DWQZ前置器分为Φ8mm、Φ11mm、Φ25mm三种规格,根据系统电缆总长(探头电缆长度+延伸电缆长度),每种规格又分为5m、9m二种类型。
DWQZ系列电涡流传感器主要技术参数:
传感器型号
DWQZΦ8mm
(DWQZiΦ8mm)
DWQZΦ11mm
(DWQZiΦ11mm)
DWQZΦ25mm
(DWQZiΦ25mm)
探头直径(mm)
8
11
27.1
静态线性范围(mm)
2
4
12.7
静态灵敏度(V/mm)≤1.0%
8
4
0.8
静态幅值线性度
±2.0%
±5.0%
动态幅值线性度
±10%
静态零值误差
0.5%
静态幅值稳定度
0.5%
动态参考灵敏度误差
3.0%
静态幅值重复性
1.0%
频率响应
0~5KHz(0.5dB)
系统温漂
0.1%
测量范围中点间隙(mm)±5%
1.8
3
9
测量范围中点电压(V)±5%
-10
-10
-7.08
被测物材料、形状
金属材料,基准材料为45#钢,轴,平面,轴上测量盘
轴的直径不小于(mm)
80
——
——
测量盘直径不小于(mm)
18
30
70
电源电压(V)
-20~26Vdc
功耗(mA)
12
12
15
输出负载
10KΩ
标定时环境温度
(20±5)℃
存储
温度
前置器
-35℃~+100℃
探头
-40℃~+177℃
电缆
-40℃~+177℃
使用
温度
前置器
-30℃~+70℃
探头
-40℃~+150℃
电缆
-40℃~+150℃
系统总重(标准配置)
500g±3%
700g±3%
系统电缆总长±10%
5m或9m
延伸电缆长度±5%
4m、4.5m、8m、8.5m
探头电缆长度±5%
1m、0.5m
相对湿度(具有接头保护时,无浸水)
100%冷凝
海拔高度限制
<2000m
危险工作环境(DWQZi系列)
ⅡA~ⅡC级、T2~T5组爆炸性气体混合物的0区、1区、2区危险场所
外壳防护等级
不低于IP20
传感器外壳最高表面温度
不得超过135℃。
绝缘电阻
>500MΩ
绝缘强度
>500V
结合任务书的要求选用DWQZiΦ11mm型传感器。
其主要性能指标为:
静态线性范围4.0mm,静态幅值线性度分辨率±2.0%,动态幅值线性度±10%,灵敏度4mv/μm。
此传感器能对被侧物实行非接触量并具有灵敏度高、频率范围宽、线形范围大,对环境温度及介质影响不敏感、工作稳定可靠等一系列优点。
四丝杠、导轨、步进电机的选择
1丝杠的选择
本系统中,丝杠螺母及滑块配合使用,其中丝杠与齿轮相啮合,带动滑块滑动。
根据以上步进电机的选择以及丝杠受力状况,初步设定横向调节丝杠的直径为12mm,长度为200mm,工作长度为180mm,高度调节丝杠的直径为12mm,长度为220mm,工作长度为200mm,螺距设计为2mm,工作速度大约为2mm/s。
预选滚珠丝杠,其参数如下:
公称直径:
=12mm
基本导程:
=2mm
钢球直径:
=1.588mm
螺旋升角:
3°2′
圈数
列数:
1
3
额定动载荷:
=310KC
额定静载荷:
=820KG
长度:
=200mm
参照机械设计手册滚动螺旋副的寿命要求设丝杠的寿命为15000小时
结合工作速度与丝杠的螺距可知丝杠的转速为60转/分
滑动部分质量大约为6KG
=
=57.6N
fdf
Pmax=1.2
1.0
6
9.8=70.56N
2导轨的选择
滚动直线导轨副
GGC微型滚动导轨副具有以下特点:
(1)一体极薄型,尺寸小、
(2)钢球直径大,寿命长
(3)可以取代滚柱交叉导轨
GGC微型滚动直线导轨副尺寸系列
结合丝杠尺寸选择型号为GGC7BAK的滚动直线导轨。
其主要尺寸为B1=25mm。
L3=30mm。
B4=14mm。
导轨的长度为200mm。
选用的材料为钢与铸铁,参照常用材料摩擦系数表可知取二者之间的摩擦系数为0.16(为了保证电机能带动丝杠进而带动滑块和焊枪的一起运动,取值时考虑无润滑的情况,因为这时产生的摩擦阻力有最大值,)
常用材料摩擦系数
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
摩擦副材料摩擦系数μ
无润滑有润滑
────────────────────────
钢-钢0.15*0.1-0.12*
0.10.05-0.1
钢-软钢0.20.1-0.2
钢-不淬火的T80.150.03
钢-铸铁0.2-0.3*0.05-0.15
0.16-0.18
钢-黄铜0.190.03
钢-青铜0.15-0.180.1-0.15*
0.07
钢-铝0.170.02
钢-轴承合金0.20.04
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
注:
1.表中滑动摩擦系数是试验数值,只能作为近似计算参考.
2.表中带"*"者为静摩擦系数.
3步进电动机
步进电动机是一种将电脉冲信号变换成角位移的执行元件,由专用电源供给电脉冲。
每输入一个脉冲就前进一步,故其位移量与脉冲数成正比,它的转速与脉冲频率成正比。
它响应速度快,而且可以直接用数字信号控制,故特别适合于微机控制的场合。
除此之外步进电机还具有以下一些优点:
(1)无刷:
步进电机是无刷结构电机,与带有换向器和电刷等易损部件
的传统有刷电机相比而言可靠性更高;
(2)与负载无关:
不超载时步进电机能够按照设定的速度运行;
(3)动态响应快:
易于启动、停止和反转;
(4)保持转矩:
停止时能够自锁;
(5)无累积误差:
虽然步进电机每转动一步的角位移与标称的步距角具
有一定的误差(3~5%),但是转动一周后累积的误差和为零。
(6)步距角与环境无关:
步进电机的固有步距角是由本身构造决定的,与温度、电压、电流等使用环境无关。
(7)易于控制:
只需控制脉冲的频率和个数,即可达到定位、调速目的。
(8)价格低廉:
步进电机相对于同样用于定位领域交、直流伺服电机而言
具有较高的性价比。
正是由于这些优点,使得由步进电机及其驱动控制器构成的开环数控定位系统,既具有较高的控制精度,良好的控制性能,又能稳定可靠地工作。
与同样应用于定位领域的交、直流伺服电机构成闭环伺服系统相比较而言,主要优势在于性价比高和驱动控制简单,但是性能上却具有以下明显的不足之处:
(1)低速转动时振动和噪声都比较大;
(2)输出力矩随着转动速度的升高而降低;
(3)启动频率不能太高,否则会堵转并伴随有呼啸声;
(4)速度突变较大时存在丢步和过冲现象;
(5)最高运动速度较低,且高速运转时输出力矩小。
(6)开环控制,不能保证实际转动的角度与设想的完全一致。
虽然步进电机有这些缺点,但是并不影响其在经济型的数控装置上的使用。
现在比较常用的步进电机主要有磁阻式步进电机(反应式)BF,感应子式永磁式步进电机BYG,永磁式步进电机BY和电磁式步进电机BD。
反应式步进电机一般为三相,可实现大转矩输出,其步距角小,起动和运行频率较高,断电时无定位转距,步进角一般为0.75度1.5度。
如图所示:
F为轴向力,将其在法向和切向上进行受力分解为F2与F1,在对法向力F2进行受力分解为F3,F4,f为摩擦阻力,G为重力,N为支持力,λ为螺旋升角。
受力分析结果为:
F2=FSinλF3=F2CosλF4=F2Sinλ
f=μNN=F4+GF3-f=0
其结果为:
F=
=
=183.65N
转距M=183.65
12
m=0.22038N·m
根据运算结果选择磁阻式步进电动机的参数如下:
型号:
55BF001
相数:
3
步距角(°):
7.5
电压/V:
27
相电流/A:
2.5
最大静转矩/(N·m):
0.245
空载起动频率/(step/s):
850
空载运行频率/(step/s):
电感/mH:
27.6
电阻/Ω:
1.2
分配方式:
三相六拍
外形尺寸/mm:
φ55×60
质量/kg:
0.65
采用反应式步进电机和GGC7BAK滚动直线导轨。
由步进电机带动滚珠丝杠实现直线位移,从而完成进给运动。
选用GGC7BAK滚动导轨是因为它可以减少导轨间的摩擦阻力,便于工作台实现精确和微量移动,且润滑方法简单。
五 位移方向的判别———相敏检波电路
传感器测量线圈的输出是交流信号,无论是执行机构还是指示仪表都需要一个能反映方向的输出极性可变的直流信号.采用相敏检波电路来同时实现减法运算和方向判别.相敏检波电路如图6所示,N21和N22中的E21和E22经D1,D2,D3,D4整流后经R01和R02输出.由电磁感应原理,E21和E22中的感应电动势为交流信号.正半周时,N21所产生的E21形成的电流回路I21经A,D1,R01,D至C;N22所产生的电动势E22形成的电流回路I22经B,D3,R02,D至C.USC=I21R01-I22R02.取R01=R02=R0,则USC=(I21-I22)R0;同理,负半周时同样为USC=(I21-I22)R0.这样,当焊缝左偏时,I21>I22,USC输出为正.当焊缝右偏时,I21 图6相敏检波电路 因为其输出有正有负,这给后面的信号处理带来了一定的困难,而这输出的正负却反映了焊缝的偏移方向,如果经过整流,滤波处理之后,负向上的波形可以消除掉,但其方向的判断将变的没有意义。 因此将上述方法稍加改变,对两个线圈的感应电势作为两个单独的输出分别进行数据处理,送入A/D转换,在单片机里进行比较处理,其比较的结果反映了焊缝的方向。 如输出大于零为焊缝左偏,输出小于零为焊缝右偏,输出为零则表示焊缝对中。 图7改进的相敏检波电路 六单片机控制 1.单片机硬件设计 焊缝跟踪系统单片机硬件设计示意图如下图8所示: 图8.单片机硬件设计示意图 步进电机控制系统 该系统由程序逻辑、光电隔离电路、功率放大电路及电流限制等基本单元构成。 步进电机的功率驱动 步进电机型号为55BF001,工作方式为三相六拍。 步距角为7.5°,最大静转矩为0.245N·m,工作电压为27V,每相静态电流为2.5A,供给步进电机各相绕组。 8031单片机的P1口作为控制端口,根据步进电机的通电分配方式,输出控制字节,经一定时间延时,产生占空比为1: 1的矩形波,经驱动电源功率放大后,可分别控制横向及高度方向步进电机的三相绕组的通电状态,驱动步进电机按指定方向和速度运转,由于通过程序设置进行分时驱动,所以两台步进电机的功率驱动电路共用一个电源。 图9步进电机驱动电路原理图 为了有效抑制干扰,提高系统的可靠性,采用图10所示的光电耦合电路。 它一方面实现了单片机与外部电路不同电平的转换,切断了单片机与步进电机驱动系统地线的分别连接,以防止处于大电流、感性负载下工作的驱动电路产生的干扰信号过线路串入,影响单片机的正常工作。 图10光电耦合电路 2.跟踪方向及速度的调节 焊缝跟踪方向及速度的调节是通过步进电机的运行方向和速度来实现的。 通过8031单片机P1端口的P1.0—P1.2输出驱动机头高度运动的步进电机A、B、C三相绕组通电,为“0”时通电。 根据步进电机的特性,只要按一定的逻辑程序。 使8031单片机P1口的信号输出端P1.0—P1.2,P1.3—P1.5按照选定的步进电机以指定的通电状态顺序送出控制字节,便可控制步进电机的各相绕组按给定的通电顺序通电,驱动步进电机顺时针或逆时针方向运转,从而使焊机机头左右或上下运动,以达到焊缝跟踪的目的。 当采用三相步进电机按三相六拍方式运转时,其通电状态变换顺序如图11。 AABBBCCCA 图11通电状态变换顺序 步进电机的相和控制方式确定后,P1.0—P1.5的输出数据变化规律也就确定,一般称为输出模型。 输出模型是以数据的形式存放在只读程序存储器EPROM中,使P1口输出不同的值来选择不同方向的步进电机和决定步进电机的转动方向。 横向和高度方向上的步进电机按三相六拍工作时,工作状态真值表及输出波形分别见表1和图12。 只要8031单片机执行传送指令将表1中的数据顺序取出,送往 图128031单片机P1口输出的波形 P1输出端口,每输出一个控制状态字,步进电机转动一步,连续输出,步进电机连续运行,倒序输出,步进电机反向运行,没有输出则步进电机停止运行。 因此根据机头位置相对于焊缝中心及确定的机头高度的偏量与偏差方向,便可驱动步进电机正转或反转,拖动焊机机不断调整其左右或上下位置实现焊缝跟踪。 表1横向与高度方向步进电机(三相六拍)状态图 P1口状态 通电绕组 控制状态字 P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 高度方向 0 0 0 0 0 0 0 1 机头向上正转 A 机头想下反转 01H 0 0 0 0 0 0 1 1 AB 03H 0 0 0 0 0 0 1 0 B 02H 0 0 0 0 0 1 1 0 BC 06H 0 0 0 0 0 1 0 0 C 04H 0 0 0 0 0 1 0 1 CA 05H 横向 0 0 0 0 1 0 0 0 机头向左正转 A 机头向右正转 08H 0 0 0 1 1 0 0 0 AB 18H 0 0 0 1 0 0 0 0 B 10H 0 0 1 1 0 0 0 0 BC 30H 0 0 1 0 0 0 0 0 C 20H 0 0 1 0 1 0 0
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