焊缝自动跟踪系统的设计

焊缝自动跟踪系统的设计

0804104班曲竹闽张宁

一、设计内容

有一块铁板上有一条裂缝，要求设计一套装置，能够自动沿缝运动，以便将裂缝焊好。设计过程中应充分考虑焊接时产生的光和热对系统运行的影响，设计的装置能够沿缝从头到尾运动一边就认为可以把焊缝焊好。设置的装置能适应的铁板尺寸由设计者确定，但原则上应适应任意裂缝。系统工作前可人工辅助，但一旦工作应自动完成任务。

二、摘要

本论文将设计一套可以自动跟踪焊缝的焊接系统，详细讨论焊接过程中常用的机械结构、传感器、执行机构、控制方法等问题，并详细叙述系统中各部件的选择和整套系统的工作过程和工作原理。

关键字：自动跟踪传感器执行机构控制系统

三、正文

（一）系统功能概述

本套系统只设置了一个开关，即启动系统开关。在焊接之前，需要人为将需要焊接的有裂缝的铁板放置在焊接平台上，并用固定装

置加以固定。之后开启启动系统开关，系统会自动初始化，并将焊

接小车（焊枪和传感器等装置固定在一起形成的装置）运动到（0，

0）点。之后系统开始扫描，扫描过程中系统会驱动焊接小车扫描铁

板，扫描结束后，系统会自动驱动焊接小车回到（0，0）点。焊接

小车返回零点后，系统会自动开始焊接。焊接过程中系统会驱动小

车沿焊缝运动，直至焊接小车运动到铁板边沿。焊接技术后，系统

自动回到初始化状态，等待下一次指令。使用者可等待铁板冷却后

松开夹紧装置，将铁板取下。

（二）系统设计方案

在焊接系统设计的过程中，我们考虑到焊接时会产生大量的热和强光，会对系统造成十分强烈的干扰，所以在自动跟踪系统的传感器方面，

我们选择了非接触式传感器，以避免由于焊接过程中产生的光和热影响

传感器的正常工作。然而，由于焊接环境不确定，使用何种焊接工艺亦

不确定，所以我们根据所查资料，设计了2套自动跟踪焊缝的焊接系统，以便使用者根据不同的情况加以选择。2套焊接系统的主体结构均相同，只是在传感器的选择方面一种使用了超声波传感器，而另一种使用了

CCD光学传感器。

方案一：

如图1所示，本焊接系统为双层长方体结构，长1米，宽0.5米，高1米。下层为平面工作台，工作台上配有相应的机械夹紧装置，以保证

在焊接过程中铁板的稳定性；上层为两条相互垂直的导轨机构，分别为

x方向导轨和y方向导轨，用于系统的坐标定位。焊接小车固定在y方向

导轨之上，而y方向导轨可沿x方向导轨在x方向水平自由运动，这样

可以实现焊枪在x-y平面任意位置的自由运动。

X方向上的导轨驱动机构为步进电机，安装于Y方向上导轨内侧，使其可以沿X方向移动，调节Y方向导轨的移动速度。Y方向上的导轨驱动机构为无刷直流伺服电机，安装于焊接小车上，使其可以沿Y方向移动，均匀调节行走驱动的小车速度，即实现对焊接速度的调节。

将被测铁板水平放置在检测系统（即下层工作台）中，运动超声波检测（UT）技术，进行裂缝的形状，位置，大小的检测和定位的过程：

图1 焊接系统结构图

1、将超声波探头（2个）安装在探头架上。采取左右两边一边一个，以用来校正和确定检测精度和确保设备的灵敏度。

2、调节该探头显示通道，在被测铁板上按水平方向调节扫描速度。

3、移动时探头到被测焊缝的距离等于缺陷回波在整个回波中的距离（此距离由该探头检测的范围精度确定，具体原理后面详细讲解）。

4、设置缺陷回波的图像显示精度，至少应包括一半焊缝宽度和热影响区5mm以上。以正确的寻找到要进行焊接的焊缝，不会被其铁板内部细小的裂缝或其他不确定因素的干扰而造成焊接时的不稳定。可以更好的提高设备的精度和可靠性。同时根据有关标准规定调节设备灵敏度，并调节缺陷波闸门高度，使人工缺陷能够自动记录（移动时要保证探头至焊缝的距离与实际检测是一致）

5、在被测铁板边启动电机移动探头，使探头对着铁板平行移动，移动速度应近似于焊接成型速度，找到缺陷回波，并进行记录。

6、往复移动探头，记录焊缝边缘回波的高度和边缘回波与缺陷波闸门相

对位置，以便于在检测中对设备灵敏度及探头位置进行监控，进一步确保检测扫描的准确性和稳定性。

7、在正常检测时，应时刻注意使焊缝边缘回波高度达到标定时的高度，并且一旦设备灵敏度降低或探头移动造成边缘回波漂移时（即两个探头检测的数据图像出现较明显的偏差），仪器会自动报警，操作人员应当重新调整。

补充：第1,2,3,4步骤为第一次运行时设定的，以后运行都会参照第一次参数运行，如需要进行修改，则再重新按照步骤修改一遍。

8、将超声波传感器得到的裂缝信号（宽度，长度，位置）传回计算机，经过计算机处理后返回控制系统。（具体系统后面会介绍）

9、根据控制系统返回的偏差信号，控制相应的电机按照要求的转速进行运转和前行，从而控制焊接小车按照规定的路径（焊缝的位置）进行移动和焊接，并且超声波传感器不断进行扫描和控制，返回其反馈信号，不断调节焊接小车的路径，令其严格按照先前扫描的位置进行焊接，以提高焊接的准确性和可靠性。

10、当焊接小车运行到铁板边缘，即路径运行结束，则控制停止焊枪和传感器运行，并且控制焊接小车运行到坐标(0.0)位置，然后停止电机运行，提醒焊接结束（比如用灯或者响铃）。

11、系统进入待机状态，等待下一次指令。

方案二：

如图1所示，焊接系统仍采用为双层长方体结构，长1米，宽0,5米，高1米。下层为平面工作台，工作台上配有相应的机械夹紧装置，以保证在焊接过程中铁板的稳定性；上层为两条相互垂直的导轨机构，分别为x方向导轨和y方向导轨，用于系统的坐标定位。焊接小车固定在y方向磁吸柔性轨道之上，而y方向导轨可沿x方向导轨在x方向水平自由运动，这样可以实现焊枪在x-y平面任意位置的自由运动。

X方向上的导轨驱动机构为步进电机，安装于Y方向上导轨内侧，使其可以沿X方向移动，调节Y方向导轨的移动速度。Y方向上的导轨驱动机构为无刷直流伺服电机，安装于焊接小车上，使其可以沿Y方向移动，均匀调节行走驱动的小车速度，即实现对焊接速度的调节。

在焊接小车的同一平面内，固定CCD摄像机，用以在前期对焊缝的扫描定位和焊接过程中对焊道的扫描纠正，以提高焊接过程的准确性和可靠性。调节CCD摄像机显示通道，并且调节扫描速度。设置显示图像的精度，以确保能正确的寻找到要进行焊接的焊缝，而不会出现漏检和错检，而造成焊接时的不稳定。可以更好的提高设备的精度和可靠性。

本套系统的工作过程如下：

1、将有裂痕的铁板固定在工作台上，铁板一边应与x方向平行且顶点

落在工作台的（0，0）点，这样可以确保扫描时是从铁板的边缘开始扫描的。

2、启动焊接系统开关，焊接系统开始运作，计算机会根据预定程序输

出信号驱动电机，将自动将焊枪定位在工作台的（0，0）点。

3、开始扫描裂缝，计算机根据相关程序给出信号，驱动电机运动，并

同时驱动CCD传感器开始扫描，确定裂缝上特征点坐标的方法为：固定焊枪在y方向的位移为零，使焊枪在x方向预先以设定好的速度沿