基于纵向磁场控制TIG焊电弧的V型坡口焊缝跟踪方法

摘要

本发明涉及一种基于纵向磁场控制TIG焊电弧的V型坡口焊缝跟踪方法，该系统包括焊枪，支架，励磁线圈，电压传感器，计算机，传感器保护装置，共发射极电路装置。其特征在于：该系统由纵向磁场发生装置产生所需磁场，磁场发生装置由直流电源为励磁线圈提供稳定的励磁电流，使焊接电弧中的带电粒子进行高速旋转，增大电弧传导电流所经的路程，使电弧电压随着外加纵向磁场磁感应强度的增加而升高。将输入电压经过共发射极放大电路放大电压信号，其中电压传感器一端连接在焊枪上，一端连接在工件上。通过电压传感器提取电弧经过放大后的电压信号，经计算机分析处理，不断调整焊枪位置，使焊枪对准焊缝中心位置。本发明整个焊缝跟踪结构简单，可操作性强，相对传统焊缝跟踪系统更为简单，系统数据处理也相对来说更简单。

权利要求

1.一种基于纵向磁场控制TIG焊电弧的V型坡口焊缝跟踪方法，主要用于解决焊缝跟踪中系统结构复杂，定位不精准的问题，其特征在于：焊缝跟踪系统包括焊枪，支架，励磁线圈，电压传感器，计算机，传感器保护装置，共发射极电路装置，其中，焊枪与励磁线圈通过支架固定在一起，便于随焊缝位置移动，实现对工件表面扫描，励磁线圈电源采用直流电源，并采用四个同样的励磁线圈对称的分布于焊枪左右两侧，所述励磁线圈两个在工件上方，两个在工件下方，便于提取焊缝电压信号；采用单独控制焊枪两侧励磁线圈的方法分别产生通过TIG焊电弧左右两侧的纵向磁场，焊枪励磁线圈为两边间隔开启，在焊枪左侧部分施加磁场，电弧电压信号经过共发射极放大电路放大后，再根据电压传感器获取电弧左侧电压值U1，然后将焊枪右侧电弧部分施加纵向磁场，经共发射极电路放大后，通过电压传感器获得U2，将获得的电压值输入所述计算机进行数据分析处理，将U1与U2对比，若U1U2时，焊枪处于焊缝右侧，此时焊枪需要左移，当U1＝U2时，此时，焊枪的工作点最佳，焊缝成型效果最佳。

说明书

基于纵向磁场控制TIG焊电弧的V型坡口焊缝跟踪方法

技术领域

[0001] 本发明涉及焊接自动化技术领域，具体设计一种基于纵向磁场、电压传感器与共发射极放大电路的焊缝跟踪方法。

背景技术

[0002] 在机械制造技术领域中，焊接技术一直是重要的研究领域。而焊接技术处理在发展的过程中对焊接质量以及焊接的经济效益具备较高的要求,焊接工艺正在朝着专业化以及自动化的方向发展。焊接自动化技术属于传统化机械技术以及现代化科学技术之间的结合,在焊接的过程当中一定要进行严格的监督以及控制,这样才可以保障焊接质量。随着焊接技术逐渐趋向智能化、自动化发展。随着对焊接质量和效率要求的提高，人工焊接成本的提髙，焊接机器人成为了一种实际应用最普遍的工业机器人，各行业对焊接机器人的需求量非常高，同时也对焊接机器人适应环境的能力和自动化程度提出了更高的要求。

[0003] 外加磁场焊接技术是近些年来发展起来的一种新型焊接技术，在焊接过程中将外加磁场作用在电弧上，将影响电弧中带电粒子的运动形式和电弧形态。由于磁场具有附属装置简单，投入成本少，效率高，消耗能源低等特点，并可以显著地改善焊接接头质量，因此，利用外加磁场控制焊接过程具有广泛的应用前景和重要的研究价值。

[0004] 综上所述，可以采用纵向磁场精准控制，完善焊缝跟踪系统和方法来实现焊接机器人的自动焊缝跟踪，提高焊缝跟踪精准度。

发明内容

[0005] 本发明的目的是通过控制纵向磁场进而控制带电粒子的旋转，再通过对比电压值获取焊枪与焊缝之间的偏差。该发明操作简单，焊缝跟踪精准。该系统包括焊枪，支架，励磁线圈，电压传感器，计算机，传感器保护装置，共发射极放大电路装置。结构简单，焊缝跟踪精度高。

[0006] 一种基于纵向磁场控制TIG焊电弧的V型坡口焊缝跟踪方法，其特征在于：该系统由纵向磁场发生装置产生所需磁场，磁场发生装置由直流电源为励磁线圈提供稳定的励磁电流。通过共发射极放大电路放大电压信号。其中电压传感器一端连接在焊枪上，一端连接在工件上。通过电压传感器提取放大后的电弧电压信号，经计算机分析处理，不断调整焊枪位置，使焊枪对准焊缝中心位置。

[0007] 具体方法如下：

[0008] 本装置由支架固定焊枪与励磁线圈，为了避免焊接过程中的火花、飞溅等对检测装置的损害，电压传感器附近设有传感器保护装置。由直流电源为励磁线圈提供稳定的励磁电流，将支架上部左端励磁线圈通电，此时将产生纵向磁场。再将支架下部左端励磁线圈通电，除该励磁线圈产生的磁感线，还将有一部分磁感线从支架上部左端励磁线圈穿过工件，到支架下部左端励磁线圈。从而产生穿过 TIG焊电弧左半部分的纵向磁场。通过共发射极放大电路放大电压信号，再根据电压传感器获取电弧电压值U1。同理，再将支架上部右端励磁线圈通电和下部右端励磁线圈通电，除励磁线圈自身产生的磁感线，还将有一部分磁感线从支架上部右端励磁线圈穿过工件，到支架下部右端励磁线圈。从而产生穿过电弧右半部分的纵向磁场。通过共发射极放大电路放大电压信号，再根据电压传感器获取电弧电压值U2。针对V型坡口形貌，再将U1与U2值输入计算机，根据U1与 U2大小对比获取焊缝左右偏差，调节焊枪位置，实现实时焊缝跟踪。

[0009] 本发明的优点在于：本发明整个焊缝跟踪结构简单，可操作性强，相对传统焊缝跟踪系统更为简单，系统数据处理也相对来说更简单，在纵向磁场的基础上，单独控制电弧左右两侧纵向磁场，基于共发射极电路的信号放大、电压传感器的信号提取与计算机信号处理，从而实现焊缝的精准跟踪。

附图说明

[0010] 图1为本发明的整体机构图；

[0011] 图2为在V型坡口不施加纵向磁场的焊接电弧图；

[0012] 图3为在V型坡口焊缝左侧给电弧右侧施加纵向磁场的焊接电弧图；

[0013] 图4为在V型坡口焊缝左侧给电弧左侧施加纵向磁场的焊接电弧图；

[0014] 图5为在V型坡口焊缝右侧给电弧右侧施加纵向磁场的焊接电弧图；

[0015] 图6为在V型坡口焊缝右侧给电弧左侧施加纵向磁场的焊接电弧图；

[0016] 图7为本发明根据计算机处理电压信号从而实现焊缝跟踪的函数图；

[0017] 图8为共发射极放大电路。

[0018] 图1中：1‑支架，2‑励磁线圈，3‑焊枪，4‑工件，5‑共发射极放大电路，6‑ 电压传感器，7‑计算机。

[0019] 图8中，C1‑输入电容，C2‑输出电容，VT‑三极管，RB‑基极偏置电阻,RC‑ 集电极负载电阻。

具体实施方式

[0020] 为了更好的表达本发明的技术方案与有益成果，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述。

[0021] 本发明的一种基于纵向磁场控制TIG焊电弧的V型坡口焊缝跟踪方法的系统机构图如图1所示，它主要解决焊缝跟踪系统结构复杂，定位不精准等问题。其特征在于:该系统包括支架，焊枪，励磁线圈，传感器保护装置，电压传感器，共发射极电路装置，计算机。其中，焊枪与励磁线圈通过支架固定在一起，便于随焊缝位置移动，实现对工件表面扫描。而电压传感器一端连接焊枪，一端连接工件，便于提取焊缝电压信号。电压传感器与计算机相连，便于处理电压信号，提取焊缝偏差。本发明分开控制电弧左右两侧纵向磁场，使焊缝跟踪效果更准确，系统结构更简单高效。

[0022] 无外加磁场时，电弧中的带电粒子分别受纵向电场，横向电场以及浓度差异产生的扩散运动场的作用。电弧中的电子由于以上各力场的共同作用产生定向运动，产生如图2所示的电弧形态。当施加恒定纵向磁场后，电弧形态发生变化。在纵向磁场中，带电粒子在洛伦兹力的作用下做旋转运动，而在旋转运动的作用下，旋转产生的离心力促使整个电弧等离子流偏离电弧中心，便形成钟罩型空心电弧。

[0023] 当施加外加恒定纵向磁场时，由于焊接电弧中的带电粒子进行高速旋转，这种高速的漂移旋转运动使电弧传导电流所经的路程增大，实际相当于增大了电弧长度。因此，随着外加纵向磁场磁感应强度的增加，电弧电压将会升高。在外加恒定纵向磁场的作用下，焊接电弧高速旋转，使周围气体介质对电弧的冷却作用加强，电弧弧柱的电场强度增大，也会导致电弧电压增大。

[0024] 对于共发射极放射电路，如图8所示，其中1、3端是输入，2、3端是输出。 3端是公共点。三极管用来实现电流放大。集电极负载电阻RC可以将三极管集电极电流的变化转变为电压变化，以实现电压放大。基极偏置电阻RB可以为放大电路提供静态工作点。耦合电容C1和C2可以隔直流通交流。

[0025] 实施例：如图1、3、4、5、6、7所示，具体说明焊枪姿态调整过程。

[0026] 由直流电源为励磁线圈提供稳定的励磁电流，将支架上部左端励磁线圈通电，此时将产生纵向磁场。再将支架下部左端励磁线圈通电，除该励磁线圈产生的磁感线，还将有一部分磁感线从支架上部左端励磁线圈穿过工件，到支架下部左端励磁线圈，从而产生穿过电弧左半部分的纵向磁场。同理，再将支架上部右端励磁线圈通电和下部右端励磁线圈通电，除励磁线圈自身产生的磁感线，还将有一部分磁感线从支架上部右端励磁线圈穿过工件，到支架下部右端励磁线圈。从而产生穿过电弧右半部分的纵向磁场。

[0027] 将焊枪左侧电弧部分施加纵向磁场，通过共发射极放大电路放大电压信号，根据电压传感器获取放大后的电弧电压值U1。再将焊枪右侧电弧部分施加纵向磁场，通过共发射极放大电路放大电压信号，根据电压传感器获得电弧电压U2。将U1与U2对比，若U1U2，则焊枪处于焊缝右侧，如图5、6所示，此时电弧左侧电弧粒子运动轨迹较长，产生的电压更大。其中5为给焊枪右侧电弧施加纵向磁场电弧所产生的变化，6为给焊枪左侧电弧施加纵向磁场电弧所产生的变化。

[0028] 当U1U2时，焊枪处于焊缝右侧，此时焊枪需要左移。将每次移动后测得的U1和U2输入计算机中，进行数据分析与处理，如图7所示，经过不断调整，电弧两侧电压不断趋近于相等。当U1＝U2时，此时，焊枪的工作点最佳，焊缝成型效果最佳。