新型埋弧焊焊缝跟踪系统的信号处理方法

所谓电流 —电压双控检测法就是当根据焊接电 流或电弧电压单独检测出来的焊缝的偏差小于某一 给定的偏差 Eo 时 ,由于偏差值过小 ,无法保证调节 机构及时响应而影响跟踪精度的情况下 ,利用物理 学中的波形叠加原理 ,综合焊接电流和电弧电压两 者 ,使两者形成优化配置 ,相当于在相同的焊接条件 下放大偏差值 Ei ,这有利于提高执行机构响应速度 和跟踪精度 。
1 焊接电流和电弧电压波形
从电弧传感器中采样得到的焊接电流和电弧电 压信号的原始波形如图 1a和图 1c所示 。因焊接过 程是一个多因素的复杂过程 ,即使排除偶尔的引弧 断弧过程 ,其焊接电流和电弧电压波形都是杂乱无 章的 ,含有丰富的谐波以及噪声干扰和短路尖峰脉 冲 。这种原始的采样波形并不是所需要的波形 ,必 须首先从硬件电路方面处理焊接电弧信号 。经过放
05 Hz; 焊 丝 H08M n2 Si; 焊 剂 431; 试 块 材 料 45钢 。电流传感器的放大倍数 200; 电压传感器的
图 3 不同 K值的仿真波形 F ig. 3 S im u la ting w a ve fo rm o f d iffe re n t va lue o f K
反映焊炬横向对中的情况 , 即横向偏差的大小 , 同
时 ,电弧高度的变化也反映了电弧电压的变化 [ 2 ] 。
首先利用目前国内外最常用的积分差值法来分析焊
接电流和电弧电压的变化 。焊接时 ,电弧横向摆动
扫描 V 形坡口焊缝 ,先做几点假设 。
(1) 焊炬在 V 形坡口焊缝正上方摆动是均匀
的。
(2)
采样点在焊缝的左端从
U0 = U i + KIi ,
(3)
式中 : U0 为输出信号 ; U i 为输入电弧电压信号 ; Ii 为
输入焊接电流信号 ; K为调整因子 , K值大小依据不
同的情况而定 。图 2是这种方案的仿真模型 。当系
统焊接时的干扰较小时 , K值取接近 1, 随着焊接时
干扰的不断增大 , K值取得越来越小 。这主要是因为
MATLAB 是目前比较流行的一种科学计算软 件 。在 MATLAB 中可实现工程计算 、算法研究 、建模 和仿真 、数据分析及可视化 、应用程序开发等功能 。 其中的 Simulink子库是一个建模仿真 、分析各种物 理和数学系统的软件 ,具有相对独立的功能和使用 方法 。而且是在 W indow s界面下工作 ,所以对控制 系统 的 方 块 图 编 辑 、绘 制 很 方 便 [ 3, 4 ] 。文 中 利 用 MATLAB 语言提供的动态系统仿真工具 Simulink对 电流 —电压双控检测法进行仿真分析 ,研究不同情 况下的调整因子对检测效果的影响 。
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焊 接 学 报
第 27卷
图 1 焊接电弧信号波形 F ig. 1 S igna l w a ve fo rm o f w e ld ing a rc
211 电弧摆动焊缝横向偏差传感信息处理
根据电弧传感器的原理 ,在埋弧焊焊接电源为
下降外特性的条件下 ,电弧摆动横向扫描焊缝坡口
时 ,电流变化反映电弧在坡口两侧的相对高度 ,也就
究 [ J ]. 焊接学报 , 1999, 20 ( 3) : 153 - 157. [ 4 ] 陈桂明 ,张明照 ,戚红雨 ,等. 应用 MATLAB 建模与仿真 [M ]. 北
π +θ1
式中 : Ei 为一个周期内电弧电流的偏差 ; K1 为比例因
数 ,ΔI的变化一定意义上正比于焊缝偏差的大小 。
焊炬高度变化的积分差值为
∫ ∫ ΔH =
π -θ0
h ( t) d ( t) -
θ0
π2 -θ1
h ( t) d ( t) = K2 Ev , (2)
π +θ1
式中 : Ev 为一个周期内电弧电压的偏差 ; K2 为比例
θ 0
开始
,采样区间
为
[θ0
,π
-
θ 0
]。
(3)
采样点在焊缝的右端从
θ 0
开始
,采样区间
为
[π
+θ1
,
2π
-
θ 1
]。
(4)
规定
θ 0
=θ1 。
由此 ,得到电流信号的积分差值为
∫ ∫ ΔI =
π -θ0
i ( t) d ( t) -
θ0
π2 -θ1
i ( t) d ( t) = K1 Ei , ( 1)
(1) 将电流 —电压双控检测法引入直接电弧式 埋弧焊焊缝自动跟踪系统 ,提高了系统的稳定性 。
(2) 采用 MATLAB 仿真可以模拟焊接电流和电 弧电压叠加后的信号波形 ,有利于焊缝偏差值的测 定 ,且计算机仿真结果和焊接工艺试验结果是基本 一致的 。
(3) 与传统的直接电流检偏法跟踪系统相比 , 焊缝跟踪精度从 1 mm 提高到了 0. 6 mm。
(湘潭大学 机械工程学院 , 湖南 湘潭 411105)
摘 要 : 基于直接电弧式传感器埋弧焊焊缝自动跟踪系统 ,针对传统的焊接电流检偏 法精度不高的缺点 ,提出了一种全新的电弧信号处理方法和控制策略 ,即电流 —电压双 控检测法 。并利用 MATLAB提供的仿真工具建立了仿真模型 ,研究了不同情况下的调 整因子对检测效果的影响 ,并得出仿真波形 。经试验验证 ,将仿真结果与试验结果相比 较 ,两者基本达到一致 ,焊缝跟踪精度得到了显著地提高 ,从而为研究埋弧焊焊缝自动 跟踪系统提供一个强有力的工具 。 关键词 : 埋弧焊 ; 电流 —电压双控检测法 ; MATLAB仿真 中图分类号 : TG409 文献标识码 : A 文章编号 : 0253 - 360X (2006) 07 - 053 - 04
第 7期
洪 波 ,等 :新型埋弧焊焊缝跟踪系统的信号处理方法
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2. 4 仿真模型的建立与结果分析
运用电流 —电压双控检测法的最终目的是为了
放大焊缝偏差值 ,提高信号的信噪比 。简单的把焊
接电流或者电弧电压用放大器放大 ,虽然可相对放
大焊缝偏差值 ,但同时也减小了信噪比 ,不利于焊缝
特征信息的提取 。
2 焊接电弧信号的处理
对于直接电弧传感式埋弧焊焊缝自动跟踪系统 的研究 ,传统的控制方法通常是通过不同的手段提 取焊缝位置的焊接电流偏差 ,根据焊接电流偏差来 调节执行机构以达到焊缝纠偏的目的 ,即常说的电 流检偏法 。但对一个时变 、多因数 、非线性复杂系统 而言 ,仅靠单独采用传统的电流检偏法或单独采用 弧压检偏法均难以实现精确的焊缝跟踪信号的处理 和控制 。为了提高跟踪的准确性 ,作者在电流检偏 法的基础上 ,提出了一种全新的控制方法 ,将电流 — 电压双控 检 测 法 引 入 到 埋 弧 焊 焊 缝 自 动 跟 踪 系 统 中。
收稿日期 : 2005 - 06 - 07
大和光电隔离以及滤波后的焊接电流和电弧电压采 样波形如图 1b和图 1d 所示 ,这种信号波形基本上 能把电弧位置的特征信息反映出来 。图 1中焊接电 流 650 A;电弧电压 29 V;焊枪摆动频率 3. 05 Hz;焊 丝 H08M n2 Si; 焊剂 431; 试块材料 45 钢 。电流传感 器的放大倍数 200;电压传感器的放大倍数 10。
第 27 卷 第 7 期 2 0 0 6年 7月
焊 接 学 报
TRANSACTIONS OF THE CH INA W ELD ING INSTITUTION
Vol. 27 No. 7 July 2 0 0 6
新型埋弧焊焊缝跟踪系统的信号处理方法
洪 波 , 黄 俊 , 潘际銮 , 屈岳波
洪 波
0 序 言
焊接过程的自动化和智能化是未来焊接技术的 发展方向 [ 1 ] 。埋弧焊作为最早获得应用的机械化焊 接方法在工业生产中应用非常广泛 。随着生产自动 化和智能化的发展 ,对焊接的要求也越来越高 ,为了 得到高质量的焊缝 ,必须进行焊缝自动跟踪 。直接 电弧式传感器对焊接过程中的强光 、电 、磁场以及噪 声等干扰不敏感 ,而且成本低廉 ,具有广泛的发展前 途 。文中主要研究了基于直接电弧式传感器埋弧焊 焊缝自动跟踪系统 ,提出了一种全新的电弧信号处 理方法和控制策略 ,即电流 —电压双控检测法 ,并利 用 MATLAB 提供的仿真工具建立了仿真模型 ,研究 了不同情况下的调整因子对检测效果的影响 。经试 验结果证明 ,该系统能可靠地实现焊缝的自动跟踪 , 与传统控制方法相比 ,焊缝跟踪精度得到了显著地 提高 。
因数 ,ΔH的变化直接反映了电弧电压的变化 。
K1 和 K2 的整定和取值 ,可根据试验中的具体情
况调整 ,因为在实际的焊接过程中 , 电弧负载要受到 熔滴过渡 、短路 、送丝抖动 、焊剂阻力等的影响 。 2. 2 电流 —电压双控检测法的应用
由于埋弧焊焊接电源的外特性为下降特性 , 在 相同的焊接条件下 ,电弧弧长 Δl变化相同时 ,电弧电 压的变化比焊接电流的变化要明显一些 。换句话 说 ,在相同的焊接条件下 , 电弧弧长 Δl变化相同时 , 由电弧电压检测出来的焊缝偏差值总是大于由焊接 电流检测出来的焊缝偏差值 。在对焊接电弧信号进 行处理和控制时 , 首先根据焊接电流在一个周期内 扫描坡口得到焊缝偏差值 Ei 与给定的偏差值 E0 相 比较 ,若 Ei > E0 , 则执行焊接电流控制程序 ; 若 Ei < E0 ,则切换转入利用电弧电压检测焊缝偏差 ; 若此时 焊缝偏差值 Ev > E0 , 则执行电弧电压控制程序 ;若还 是满足 Ev < E0 , 则切换转入利用电流 —电压双控检 测法检测焊缝偏差 ,进行控制 。 2. 3 电流 —电压双控检测法的 MATLAB 仿真
放大倍数 10。可以看出计算机仿真结果与焊接工艺 试验结果基本一致 。这种方案在原有的基础上不但
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焊 接 学 报
放大了焊缝偏差值 ,而且充分考虑到了系统干扰带 来的误差 ,实时性也好 。