1、高速旋转电弧传感焊缝偏差信息识别的研究48 传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)2007 年第 26 卷第 8期高速旋转电弧传感焊缝偏差信息识别的研究贾剑平,张华,叶建雄(南昌大学机械电子研究所,江西南昌 330031)摘要:以空心轴电机直接驱动的高速旋转电弧传感器是焊接应用中使用的一种传感器,国内外将它应用于焊缝跟踪系统中,并进行了大量的研究.介绍了该传感器的结构与工作原理,阐述了采用特征谐波检测法识别焊缝偏差信号的方法.利用该方法对 V 形坡口进行了金属熔化极气体保护电弧焊(MIG)的跟踪试验,试验结果验证了所用方法的有效性.关键词:旋
2、转电弧;焊缝跟踪;特征谐波;偏差;传感器中图分类号:TG409 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2007)08-0048-03StudyonidentifyingseamdeviationinformationbasedonhighspeedrotatingarcweldingsensorJIAJianping,ZHANGHua,YEJianxiong(MechatronicsResearchInstitute,NanchangUniversity,Nanchang330031,China)Abstract:Thehighspeedrotatingarcweldingsensor
3、drivedbymotorwithhlowshaftisusedinseamtrackingsystem.Itisusedinseamtrackingsystemandstudiedbothathomeandabroad.Thestructureandworkingtheoryofthearcsensorareintroduced.Themethodofidentifyingsignalsoftheseamdeviationbythecharacteristicharmonicdetectionmethodisexpounded.TrackingexperimentofMIGonVshapew
4、eldinggrooveismadewiththismethod,andtheexperimentresultvalidatesthevalidityofthismethod.Keywords:rotatingarc;seamtracking;characteristicharmonic;deviation;sensor0 引言在焊缝跟踪系统中,传感器是关键,它决定着整个系统对焊缝的跟踪精度.焊接用的传感器有很多,主要有直接电弧式,接触式,非接触式 3 大类.其中,电弧传感器具有许多优点,它不需要在焊枪上附加任何其他传感装置便可实现对坡口状态,焊炬高度等信息的实时传感.其跟踪信号是由电弧本身取
5、出,检测点即焊接点,没有传感器的导前误差,抗弧光干扰能力强,因此,得到很大的发展.电弧传感器有摆动式和旋转式 2 种.与摆动扫描式电弧传感器相比较,旋转扫描式电弧传感器的频率较高,具有较好的灵敏度.1 高速旋转电弧传感器的结构与工作原理1.1 传感器的结构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,通过同轴安装的同心轴承支撑导电杆,在空心轴的下端偏心安装调心轴承,导电杆安装于该轴承内孑 L 中,偏心量由滑块来调节,偏心质量的平衡由调心块完成,其结构如图 1 所示.当电机转动时,下调心轴承将拨动导电杆作为圆锥母线绕电机轴线作公转,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
6、导电杆的上端.电弧扫描传感器机构中加入递进式光电码盘,光码盘形状如图 2(a)所示,光码盘外圈为 64 个分度齿,内圈为 1 个分度齿,这样,可产生 2 个脉冲信号,外圈产生的脉冲信号反映旋转的瞬时位置,内圈产生的脉冲信号反映旋转速度,并且,可以作为旋转的起点位置.2 个脉冲信号的波形分别如图 2(b),(C)所示.配重块图 1 高速旋转扫描电弧传感器结构Fig1Structurediagramofhighspeedrotatingarcsensor收稿日期:2007-01-11基金项目:国家自然科学基金资助项目(59875034);江西省自然科学基金资助项目(550079)第 8 期贾剑平,
7、等:高速旋转电弧传感焊缝偏差信息识别的研究 49(a)光码盘外形图(a)shapeofphotodiskU(b)转速信号(b)rotatingsignal珊_眦(c)位置信号(c)positionsignal图 2 光码盘外形图,转速信号及位置信号波形图Fig2Shapediagramofphotodisk,waveformdiagramofrotatingsignalandpositionsignal高速旋转扫描电弧传感器的主要技术指标为:频率030Hz 之间任意可调,扫描半径 03.5mm 可调,质量为1.4kg,电弧在圆周上的角位置可准确识别,并与采集信息同步输出,水,电气方便输入.这一
8、设计结构轻巧,省去了传动齿轮,摩擦力矩减小,运行可靠性大为提高.1.2 旋转电孤传感原理旋转电弧传感是包括旋转机构,焊接电源,送丝机构,霍尔传感器等在内的整个传感系统.其原理是通过坡口扫描,利用焊炬高度变化而引起焊接电流变化来获得反映焊缝坡口的截面几何信息,同时,获得反映焊炬偏离焊缝坡口中心线的横向距离 e.从信号处理的角度来说 ,焊炬的位置(h,e)和坡口形式在焊炬旋转扫描激励下被调制成焊炬高度的变化 h(t),经过电源一电弧的传感作用,变成焊接电流信号,(t),如图 3(a),(b)所示,焊炬位置的高度变化信号与焊接电流信号之间的变换关系由传感系统的传递函数决定.Co)焊炬位置信号传递(b
9、)transferofpositionsignal图 3 旋转电弧传感原理图Fig3Principlediagramofrotatingarcsensor由于传感系统 G(S)对传输信号的影响,因此,电弧扫描频率对电流响应信号的相位存在影响,在焊接参数为电压 3OV,电流为 240A,焊接速度为 50cm/min 时,扫描频率分别为 8,l5,24Hz 时的电流响应相位变化的实际结果分别为+30.,-10.,-40.左右,因此 ,在低频和高频时,相位均存在较大的超前或滞后,在 l5Hz 时,电流信号才较为真实地反映了焊炬高度的变化.2 焊缝偏差信息的识别2.1 信号的预处理要精确跟踪焊缝的关键
10、就是要从电流变化信号中提取焊枪偏离焊缝的大小.实际焊接过程中,不可避免地存在干扰,如果采集的电流信号不经过滤波处理,将难以提取出焊缝偏差.所以,信号滤波成为电弧信号处理的重要内容,滤波的目的在于突出电流信号中的有用信息,同时,抑制信号中的噪声干扰,从而改善信号的品质,便于信号分析和处理.数字滤波方法主要有平均滤波,中值滤波和形态滤波.对熔化极惰性气体保护焊(MIG)和熔化极混合气体保护电弧焊(MAG)中使用电弧传感而言,采用多圈平均的滤波方法对随机噪声有较好的去除效果.另外,熔池对焊缝识别也存在很大的影响,而且,这种影响不是随机干扰,而是一种能引起焊接电流有规律变化的干扰.因此,引入一个调整因
11、子对数据进行加权校正,从而达到减少干扰的目的.实际熔池很难用精确的表达式来描述,但简化后可表述为:堆敷表面在左右方向是一个平面,在前后方向上线性下降,这样,由于熔池的影响,使电流信号沿着纵向产生变化,如图 4(a)所示,图中,虚线即为熔池的干扰,对于每一个特定的空间位置,选取适当的调整因子对数据进行加权,即,(k)=,(k).,图 4(b)显示了电流信号经过加权处理以后的电流波形的变化情况.从图中可以看出:经过加权处理后,熔池的影响明显减小.量趔粤心量趔罂心采样序列(a)没权处理的结果(a)resultwithoutweighting采样序列(b)加权处理后的结果(b)resultwithwe
12、ighting图 4 加权处理的结果Fig4Resultsofweighting2.2 焊缝偏差信息识别焊缝偏差信息的识别包括左右方向和高低方向上的偏差识别.对于高低方向上的偏差识别比较简单,在给定的照器传感器与微系统第 26 卷焊接电压和送丝速度下,焊接平均电流,和高度日成比例关系,其关系可表达为:=kl+6 其中,b 为常数,O,根据平均电流的变化即可获得焊炬高度的变化.旋转电弧传感器每扫描一周采集 64 个焊接电流值,假设,(n)为实时采集的数值,则一周的电流平均值为=击薹,(n)假设给定电流值为,那么,焊接电流的偏差为 AI=,d 一,反映了焊炬高度与给定的焊炬高度之差及偏差方向.若
13、A/0,焊炬偏下;AI0,焊炬偏上.从而获取高低方向上的偏差信息.对于左右偏差信息的识别相对复杂些,采用特征谐波检测法.由旋转电弧传感器的基本原理可知,旋转扫描传感器得到的焊接电流信号包含了焊接坡口的信息,通过对电弧传感的信号进行时域到频域的变换,在频域内研究因坡口及偏差引起的焊接电流频率分量,可获得焊炬的偏差L 一 1Lr2sln()1T+(k-1)04sinOsin(耵+kO) 一I 一兰一一L(k-1)耵从式(3)可以看出 :焊炬高度变化的各次谐波幅值是 0的函数,也就是偏差 e 的函数 .由于信号能量集中体现于低次谐波部分,而 0 次谐波体现信号的直流分量,因此,主要考虑 1,2,3
14、次谐波,随着偏差 e 从负到正变化,V 形坡口的一次谐波从正到负变化,基本是线性关系,谐波幅值反映了偏差的变化.这样,就可以通过电流信号的谐波幅值来检测左右偏差 e 的大小.特征谐波的幅值由偏差的大小决定,偏差的方向则是根据特征谐波的相位 0=0 或者 0=耵(幅值为负) 来判断 ,但是,在实际检测到的响应信号中,0与以下几个因素有关:i)系统的传递函数 e(s):根据扫描频率的不同,特征谐波的相位产生移动(超前或滞后)0;2)焊缝与焊接方向的夹角 Oe:高度信号的特征谐波相位不再是 0 而是,这将反映到电流信号中;(3)跟踪调节的影响:跟踪时焊炬左右调整,焊缝与焊接运动方向存在变化的夹角 0
15、.实际上和 0 只有一种会发生,这样,0 最终可以表示为:开环为 0i=+,闭环为 01=+.试验数据表明:在扫描频率小于 50Hz 时,可以认为 10l45.,一般情况下,焊缝的偏角 10I45.,那么,最终的相角变化不会超过正负 90.范围,这样,就可以抛开相位的定量计算而通过定性判断确定偏差的方向.由此可见,坡口偏差由焊接电流的特征谐波反映,特征谐波的幅值反映偏差大小,相位反映偏差的方向,当相位 Oi 满足 f0f90.时,焊缝偏右; 反之,当相位 0.满足 10I90.时,焊缝偏左.3 焊缝偏差检测的试验验证为了验证特征谐坡检测法在焊缝偏差信息识别中的正确性,设计了一个试验,在焊接速度
16、一定时,相对于焊缝位信息.对于 V 形坡口焊炬高度变化的数学表达式为h(t,0)=一 JCOSCOt+sin0Jr?tanOt=r-(COStot+sinO)r?tan,ItIT/4+O/to【-4-(COStot+sinO)r?tan,ltI+O/oJ(2)其中,0=aresin(e/r),一 1T/20/2,=21v/T, 图中,各符号的物理意义为:e 为焊炬与焊缝中心的偏差,为导电嘴端面到焊接工件底面的距离,r 为焊炬扫描半径,为反映了坡口的角度.周期函数 h(t,0)可用傅立叶级数的形式表示,即.(t,)=了 ao+(c.s+bksin).其=)c0s(bk=(t,O)?sin()dx
17、.由于 h(,0) 为偶函数 ,因此,b=0, 可求出,即一二二!:.(3)(k-4-1)ITJ置,焊炬斜线穿越焊接坡口,偏差由+3mm 逐渐变为 0,然后,逐渐变为-3mm,如图 5 所示.焊接起始点为 A 点 ,结束点为点,坡口型式为 V 形坡口.采用一次特征谐坡法对采集的焊接电流进行偏差处理,计算的偏差值如图 6 所示,从图中可看出:该方法能很好地检测出偏差变化的趋势,达到准确识别焊缝的目的.g堡BA 一焊接方向图 5 焊接路线示意图Fig5Schematicdiagramofweldingroute采样周期/s图 6 一次谐波检测法偏差计算结果Fig6Deviationdetectin
18、gresultoffirstharmonic4 结论采用空心轴电机驱动的高速旋转电弧传感器具有结构设计轻巧,运行可靠等优点.采用特征谐波检测法能够准确识别焊缝偏差,结合相应的控制算法,如模糊控制等可以得到较满意的控制效果.研究成果为高速旋转电弧传感器的广泛应用打下了理论基础.(下转第 54 页)传感器与微系统第 26 卷首先,通过八位置标定算法对磁航向输出进行补偿,补偿前后误差对比曲线如图 3 所示,由图可以看出:经过标定后磁航向输出精度得到大幅的提高.j 型糊足转台指示值,(.)图 3 磁航向补偿前后误差对比Fig3Errorcomparisonofmagneticcoursebeforea
19、ndaftercompensation导航系统静态连续运行了 60min,由监控计算机接收数据并保存,通过对导航结果的分析,导航结果误差的方差如表 1 所示,由实验数据可知,总体姿态误差小于 0.1.,速度误差小于 0.5m/s,位置误差小于 10m.在实验室静态测试的基础上,围绕南航本部校区进行了动态跑车实验,导航结果中北向速度,东向速度与 GPS数据对比曲线如图 4,图 5 所示.由图看出:组合导航系统的导航结果均与 GPs 保持一致 ,2 次重复跑车轨迹基本重合,导航系统动态特性好.由动态和静态测试结果可见,系统导航精度较高,达到了工程实际应用的需要.表 1 导航结果误差方差(1)Tab
20、1Varianceofnavigationresulterror横滚俯仰航向北向速度东向速度地向速度经度纬度高度(.)(.)(.)(m?s)(m?s)(m?s)(.)(.)(m)0.040.070.050.020.050.472.1103.91091魁剥?叵时间,s北向速度变化对比曲线暑昌.叵时间/s图 5 东向速度变化对比曲线Fig5Comparisoncurveofeastspeed5 结论本文以双 CPU 导航计算机为硬件平台,从实际应用的角度出发,研究并实现磁航向辅助的$INS/GPS 组合导航系统,采用二阶阻尼算法实现航向角误差的连续修正,系统通过静态和动态测试,实验结果验证了算法的
21、可行性,完全满足导航系统的高精度和实时性的要求.整个系统硬件设计简单,成本低,软件设计方便可靠,降低了系统的开发成本和缩短了系统的开发周期,对于导航系统在微小型领域的应用具有实际意义,目前,该系统已交付用户使用,效果良好.参考文献:1AnthonyLawrece.ModemineiMtechnology:navigation,guidanceandcontrolM.NewYork:Spring,1998:5-17.2薛志宏,刘建业 .基于 DSP 和单片机的双 CPU 导航计算机设计J. 嵌入式系统,2003(4):54-57.3戴明桢,周建江 .TMS320C4DSP 结构,原理及应用M. 北京:北京航空航天大学出版社,2001:61-90.
