高速旋转电弧旋转电弧 2
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2013-8-21 16
旋转电弧传感器原理
K是在相应条件下的静态增益, K 、T1、T2、T3 均可通过对焊炬高度 H 施加正弦激励, 检测电流的幅度响应和相位响应来求得.
电弧传感器频率特性
2013-8-21 17
旋转电弧传感器原理
上图分别为一阶惯环节电源( 晶体管开关电源, L = 0. 2mH 为焊接回 路串电感值) 和可控硅整流CO2 焊接电源的I ～H 幅频与相频特性。其 结果表明，在一定范围内,当H 的变化频率增加时,电流变化增益也增大, 也就是说电弧传感器的灵敏更高, 但频率继续增高则会因电源的动态品 质的限制而致使传感系统增益下降,Tp 值越大增益下降越明显;CO2 焊 时, 其电源—电弧传感系统结构因短路过渡工艺对电源动特性的要求不 同而有所不同, 并影响到系统增益,但CO2 焊电弧弧柱的电位梯度较 MIG/ MAG 焊高, 系统增益并无明显的下降。所以一般情况, 考虑到焊 接生产中的电弧传感适用性, 为获得高的电弧传感灵敏度, 提高跟踪精 度和系统的动特性, 电弧传感器的扫描频率应当能达到30Hz, 扫描频率 和宽度方便可调, 以适用不同焊接工艺要求。 根据电弧传感器的动静态数学模型可知，欲提高传感器的灵敏度，必 须提高电弧在坡口上的扫描频率，高速旋转扫描电弧传感器的能提高电 弧在坡口上的扫描频率，提高传感器的灵敏度。
2013-8-21
18
旋转电弧传感器组成
1.旋转机构 2.焊接电源 3.送丝机构 4.霍尔元件传感器 5.偏心机构
2013-8-21
19
旋转电弧传感器组成
旋转电弧传感器采用空心轴电机 直接驱动，在空心轴的上端，通 过同轴安装同心轴承支撑导电杆， 在空心轴的下端安装调心轴承， 导电杆安装于该轴承内孔中，偏 心量由滑块来调节，偏心质量的 平衡有调心块来完成。 当电机转动的时，下调心轴承将 拨动导电杆作为圆锥母线电机轴 线作公转，即作圆锥摆动。气、 水管线可直接连接到下端，焊丝 直接连接到导电杆的上端。
2013-8-21
12
电弧传感器原理
电源电弧系统的静态模型
2013-8-21
13
旋转电弧传感器工作原理
焊缝跟踪原理
焊枪对中V形坡
焊枪右偏
如图V形坡口焊缝跟踪，焊炬以半径r在坡口顺时针扫描。 F,B,R,L分别表示旋转电弧位于熔池的前、后、左、右4个方向。 左图是焊炬与V形坡口对中扫描，右图焊炬偏向右边。二者的 弧长变化如下图：
摆动式扫描电弧传感器
当电弧在坡口中摆动时，焊丝端部与母材之间距离随焊炬对中位置而变化，它会引 起焊接电流与电压的变化。由于受机械方面限制，摆动式电弧传感器的摆动频率一般 较低，限制了在高速和薄板搭接接头焊接中的应用。在弧焊其他参数相同的条件下， 摆动频率越高，摆动式电弧传感器的灵敏度越高。
旋转式扫描电弧传感器
2013-8-21
8
电弧传感器的分类
并列双丝电弧传感器
摆动电弧传感器
2013-8-21
9
电弧传感器原理
电弧传感器原理
利用焊炬与工件距离的变化而引起焊接参数的变化，来探测焊炬高度和左 右偏差。
弧长与焊接电流的关系
2013-8-21
10
电弧传感器原理
弧焊过程的静态模型
静态模型是指气氛、焊材、电源参数、送丝速度以及焊炬工件的 距离都不变，电弧稳定燃烧的条件下，各物理量之间的关系。根据 电弧稳定燃烧必备条件，可建立7个物理量的相互关系，表达式为： 电源特性：通常MIG/MAG焊采用平或缓降外特性，在其工作点附近可 表示为： U=U0-KPI 式中U-电源输出端电压；I-输出电流；U0-等效空载电压；KP-下降率。 干拉伸长压降： US=KslsI 电弧电压: Ua=Kala+KbI+Uc 熔化速率： vm=Km+KήI2ls+Cm 当电弧稳定燃烧时，焊丝熔化速率与送丝速率vf应相等，故有 vm=vf 电势平衡： U=Ua+Us 焊炬高度： H=la+ls 对上面七个关系式进行求解，可以得到焊炬工件距离与电弧电流间的 关系： H=L0+K0+K1I-1+K3I-2+K4vfI-2 式中各系数L0，K0~K4均为与电源外特性、焊接材料、气氛等有关的常
2013-8-21
21
传感器转速控制
单片机控制PWM闭环调速系统框图
P0.3口输出PWM波，经光电隔离后，再通过PWM驱动芯片 L298N，驱动电动机。C51外部中断INT0入口用于速度反馈 信号的采集。
2013-8-21
22
谢谢
2013-8-21
23
旋转电弧传感器 Rotating Arc Sensor
2013-8-21
1
焊接机器人
2013-8-21
2
焊接机器人的应用
平面折角焊接
平面弯曲角焊接
2013-8-21
3
焊接机器人的应用
直角焊缝焊接
直线焊缝焊接
2013-8-21
4
高速旋转电弧传感器
2013-8-21
5
电弧传感器
电弧传感器是让电弧随焊炬在坡口内横 向扫描时，弧长变化引起的电弧参数的 变化来获得焊缝坡口信息，它不同于其 它任何一种现有的传感器，它不是一个 独立于焊接电弧-电源系统之外的东西， 而是与电弧-电源特性密切相关的一部分
2013-8-21
20
旋转电弧传感器组成
光码盘
在电弧扫描传感器中加入递进光码盘， 光码盘形状如图所示，光码盘外圈为64 个分度齿，内圈为1个分度齿，这样， 可以产生两个脉冲信号，分别把2个光 耦开关一个置于浅槽，一个置于内圈的 分度齿处。光码盘旋转1周与浅槽对应 的光耦开光导通64次，输出64个脉冲， 用于测定焊炬相对于坡口的角位移。这 些脉冲信号将输入计算机的数据采集卡 作为焊接电流采集的触发脉冲。与深槽 对应的光电耦合开关导通1次，输出一 个脉冲，用于转速的闭环控制。
2013-8-21 11
电弧传感器原理
数。这个方程就是弧焊过程的静态数学模型，公式中的各常数可通 过实验求得的数据和线性回归的办法求出。例如，在电流外特性为 Us=38v,Kp=2.25V/100A的情况下，分别改变焊炬高度及送丝速度 vf，测量焊接电流。然后根据这些数据进行线性回归，可得出下式： H=-189+0.015I+5.11x104I-1-2.89x106I-2+99.01I-1vf-1.63x10-4vf 该式说明了H与I之间的非线性关系，但若用泰勒级数展开。可以证 明，二阶以上各项系数实际上均甚微小，可忽略不计。故可取一阶 展开式如下： H=(-0.36+6.39x10-4vf )I+（86.3-2.39x10-2vf） 由此可见，H与I实际上可视为线性关系并可以用通式表示为： H=(a1+b1vf )I+(a2+b2vf ) 实验证明直接采用上式，以实验数据回归所得结果可准确地反映 客观规律，因而上式可视为所求静态数学模型的近似表达式。
2013-8-21
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旋转电弧传感来自百度文库原理
电弧动态数学模型
频域传感模型 焊炬高度H(s)的变化引起焊接电流I(s)的变化的传递函数G(s),在理 论上可表示为 G(s)=I(s)/H(s)=Ka(S+Kr)P(s)/(1-KnP(s))S+KqP(s)+ Kt 其中Ka,Kn,Kq, Kr为与电源外特性、焊接材料、电弧气氛有关的常数, P(s) 为电源的动态外特性, 当电源外特性为一阶惯性环节时: P(s)= Po /(TpS+ 1) , 式( 1) 可简化为: G( s) = I ( s)/H ( s)= K{（1+T1S）/(1+T2S ) (1+T3S )}这就是电 弧传感器电弧传感器数学动态模型。
2013-8-21
6
电弧传感器的优势
抗弧光、高温及强磁场能力很强 不需要在焊枪上附加任何其他传感装置 便可实现对破口的状态、焊炬的高度等 信息的实时传感（也就是说传感器和焊 枪是一体） 不怕电弧的飞溅、烟尘、成本低
2013-8-21
7
电弧传感器的分类
并列双丝电弧传感器
利用两个彼此独立的并列电弧对工件施焊，当焊枪的中心线未对准坡口中心时，其作 用焊丝具有不同的干伸长度，对于平外特性电源将造成两个电流不相等，因此根据两 个电流差值即可判别焊炬横向位置并实现跟踪。
2013-8-21
14
旋转电弧传感器原理
焊缝跟踪原理
电弧弧长变化
焊炬与V形坡口对中的电弧长度变化如上图虚线所示，焊炬偏向 右，弧长的波形不对称。电弧的弧长变化会引起电流的变化，焊 炬对中的电弧电流的波形也对称，右偏的电弧电流的波形不对称， 对两边电弧电流积分相减将得到一个负值，既偏差为负。通过波 形分析得出，利用电弧旋转扫描可以得到焊炬相对坡口的横向偏 差与高度偏差。
旋转电弧传感器原理
K是在相应条件下的静态增益, K 、T1、T2、T3 均可通过对焊炬高度 H 施加正弦激励, 检测电流的幅度响应和相位响应来求得.
电弧传感器频率特性
2013-8-21 17
旋转电弧传感器原理
上图分别为一阶惯环节电源( 晶体管开关电源, L = 0. 2mH 为焊接回 路串电感值) 和可控硅整流CO2 焊接电源的I ～H 幅频与相频特性。其 结果表明，在一定范围内,当H 的变化频率增加时,电流变化增益也增大, 也就是说电弧传感器的灵敏更高, 但频率继续增高则会因电源的动态品 质的限制而致使传感系统增益下降,Tp 值越大增益下降越明显;CO2 焊 时, 其电源—电弧传感系统结构因短路过渡工艺对电源动特性的要求不 同而有所不同, 并影响到系统增益,但CO2 焊电弧弧柱的电位梯度较 MIG/ MAG 焊高, 系统增益并无明显的下降。所以一般情况, 考虑到焊 接生产中的电弧传感适用性, 为获得高的电弧传感灵敏度, 提高跟踪精 度和系统的动特性, 电弧传感器的扫描频率应当能达到30Hz, 扫描频率 和宽度方便可调, 以适用不同焊接工艺要求。 根据电弧传感器的动静态数学模型可知，欲提高传感器的灵敏度，必 须提高电弧在坡口上的扫描频率，高速旋转扫描电弧传感器的能提高电 弧在坡口上的扫描频率，提高传感器的灵敏度。
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旋转电弧传感器组成
1.旋转机构 2.焊接电源 3.送丝机构 4.霍尔元件传感器 5.偏心机构
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旋转电弧传感器组成
旋转电弧传感器采用空心轴电机 直接驱动，在空心轴的上端，通 过同轴安装同心轴承支撑导电杆， 在空心轴的下端安装调心轴承， 导电杆安装于该轴承内孔中，偏 心量由滑块来调节，偏心质量的 平衡有调心块来完成。 当电机转动的时，下调心轴承将 拨动导电杆作为圆锥母线电机轴 线作公转，即作圆锥摆动。气、 水管线可直接连接到下端，焊丝 直接连接到导电杆的上端。
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电弧传感器原理
电源电弧系统的静态模型
2013-8-21
13
旋转电弧传感器工作原理
焊缝跟踪原理
焊枪对中V形坡
焊枪右偏
如图V形坡口焊缝跟踪，焊炬以半径r在坡口顺时针扫描。 F,B,R,L分别表示旋转电弧位于熔池的前、后、左、右4个方向。 左图是焊炬与V形坡口对中扫描，右图焊炬偏向右边。二者的 弧长变化如下图：
摆动式扫描电弧传感器
当电弧在坡口中摆动时，焊丝端部与母材之间距离随焊炬对中位置而变化，它会引 起焊接电流与电压的变化。由于受机械方面限制，摆动式电弧传感器的摆动频率一般 较低，限制了在高速和薄板搭接接头焊接中的应用。在弧焊其他参数相同的条件下， 摆动频率越高，摆动式电弧传感器的灵敏度越高。
旋转式扫描电弧传感器
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电弧传感器的分类
并列双丝电弧传感器
摆动电弧传感器
2013-8-21
9
电弧传感器原理
电弧传感器原理
利用焊炬与工件距离的变化而引起焊接参数的变化，来探测焊炬高度和左 右偏差。
弧长与焊接电流的关系
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10
电弧传感器原理
弧焊过程的静态模型
静态模型是指气氛、焊材、电源参数、送丝速度以及焊炬工件的 距离都不变，电弧稳定燃烧的条件下，各物理量之间的关系。根据 电弧稳定燃烧必备条件，可建立7个物理量的相互关系，表达式为： 电源特性：通常MIG/MAG焊采用平或缓降外特性，在其工作点附近可 表示为： U=U0-KPI 式中U-电源输出端电压；I-输出电流；U0-等效空载电压；KP-下降率。 干拉伸长压降： US=KslsI 电弧电压: Ua=Kala+KbI+Uc 熔化速率： vm=Km+KήI2ls+Cm 当电弧稳定燃烧时，焊丝熔化速率与送丝速率vf应相等，故有 vm=vf 电势平衡： U=Ua+Us 焊炬高度： H=la+ls 对上面七个关系式进行求解，可以得到焊炬工件距离与电弧电流间的 关系： H=L0+K0+K1I-1+K3I-2+K4vfI-2 式中各系数L0，K0~K4均为与电源外特性、焊接材料、气氛等有关的常
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传感器转速控制
单片机控制PWM闭环调速系统框图
P0.3口输出PWM波，经光电隔离后，再通过PWM驱动芯片 L298N，驱动电动机。C51外部中断INT0入口用于速度反馈 信号的采集。
2013-8-21
22
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焊接机器人
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平面折角焊接
平面弯曲角焊接
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高速旋转电弧传感器
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电弧传感器
电弧传感器是让电弧随焊炬在坡口内横 向扫描时，弧长变化引起的电弧参数的 变化来获得焊缝坡口信息，它不同于其 它任何一种现有的传感器，它不是一个 独立于焊接电弧-电源系统之外的东西， 而是与电弧-电源特性密切相关的一部分
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旋转电弧传感器组成
光码盘
在电弧扫描传感器中加入递进光码盘， 光码盘形状如图所示，光码盘外圈为64 个分度齿，内圈为1个分度齿，这样， 可以产生两个脉冲信号，分别把2个光 耦开关一个置于浅槽，一个置于内圈的 分度齿处。光码盘旋转1周与浅槽对应 的光耦开光导通64次，输出64个脉冲， 用于测定焊炬相对于坡口的角位移。这 些脉冲信号将输入计算机的数据采集卡 作为焊接电流采集的触发脉冲。与深槽 对应的光电耦合开关导通1次，输出一 个脉冲，用于转速的闭环控制。
2013-8-21 11
电弧传感器原理
数。这个方程就是弧焊过程的静态数学模型，公式中的各常数可通 过实验求得的数据和线性回归的办法求出。例如，在电流外特性为 Us=38v,Kp=2.25V/100A的情况下，分别改变焊炬高度及送丝速度 vf，测量焊接电流。然后根据这些数据进行线性回归，可得出下式： H=-189+0.015I+5.11x104I-1-2.89x106I-2+99.01I-1vf-1.63x10-4vf 该式说明了H与I之间的非线性关系，但若用泰勒级数展开。可以证 明，二阶以上各项系数实际上均甚微小，可忽略不计。故可取一阶 展开式如下： H=(-0.36+6.39x10-4vf )I+（86.3-2.39x10-2vf） 由此可见，H与I实际上可视为线性关系并可以用通式表示为： H=(a1+b1vf )I+(a2+b2vf ) 实验证明直接采用上式，以实验数据回归所得结果可准确地反映 客观规律，因而上式可视为所求静态数学模型的近似表达式。
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旋转电弧传感来自百度文库原理
电弧动态数学模型
频域传感模型 焊炬高度H(s)的变化引起焊接电流I(s)的变化的传递函数G(s),在理 论上可表示为 G(s)=I(s)/H(s)=Ka(S+Kr)P(s)/(1-KnP(s))S+KqP(s)+ Kt 其中Ka,Kn,Kq, Kr为与电源外特性、焊接材料、电弧气氛有关的常数, P(s) 为电源的动态外特性, 当电源外特性为一阶惯性环节时: P(s)= Po /(TpS+ 1) , 式( 1) 可简化为: G( s) = I ( s)/H ( s)= K{（1+T1S）/(1+T2S ) (1+T3S )}这就是电 弧传感器电弧传感器数学动态模型。
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电弧传感器的优势
抗弧光、高温及强磁场能力很强 不需要在焊枪上附加任何其他传感装置 便可实现对破口的状态、焊炬的高度等 信息的实时传感（也就是说传感器和焊 枪是一体） 不怕电弧的飞溅、烟尘、成本低
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电弧传感器的分类
并列双丝电弧传感器
利用两个彼此独立的并列电弧对工件施焊，当焊枪的中心线未对准坡口中心时，其作 用焊丝具有不同的干伸长度，对于平外特性电源将造成两个电流不相等，因此根据两 个电流差值即可判别焊炬横向位置并实现跟踪。
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旋转电弧传感器原理
焊缝跟踪原理
电弧弧长变化
焊炬与V形坡口对中的电弧长度变化如上图虚线所示，焊炬偏向 右，弧长的波形不对称。电弧的弧长变化会引起电流的变化，焊 炬对中的电弧电流的波形也对称，右偏的电弧电流的波形不对称， 对两边电弧电流积分相减将得到一个负值，既偏差为负。通过波 形分析得出，利用电弧旋转扫描可以得到焊炬相对坡口的横向偏 差与高度偏差。