用于焊接機器人的磁控電弧焊縫跟蹤傳感器

1、用于焊接機器人的磁控電弧焊縫跟蹤傳感器華婧，孫瑩，敖靜，張熙翔，崔健（湘潭大學(xué)，機械工程學(xué)院，湘潭，411105 ）摘要：針對目前機械式電弧傳感器普遍存在的易磨損、噪聲大且穩(wěn)定性差等問題，提出了將磁場控制電弧的技術(shù)應(yīng)用于焊縫跟蹤；設(shè)計了磁控電弧傳感器，對其基本原理進行了詳細(xì)闡述，并依據(jù)電磁場理論和磁控電弧規(guī)律分析了相關(guān)影響參數(shù)，通過對傳感器的改進，從而更好地實現(xiàn)對焊縫的跟蹤。關(guān)鍵詞：焊接機器人，磁控，焊縫跟蹤，傳感器，縱向交流磁場中圖分類號：TG409序言 焊縫跟蹤作為一門綜合性應(yīng)用技術(shù)，具有多學(xué)科交叉融合的特點，包括電子技術(shù)、計算機、焊接、結(jié)構(gòu)、材料、流體、光學(xué)、電磁等學(xué)科。國內(nèi)外眾多研究工

2、作者投入到這一領(lǐng)域進行研究，從示教型焊接機器人到程序控制焊接系統(tǒng)，再到移動式自動焊縫跟蹤技術(shù)，焊接自動化的每一次進步都顯著提高了生產(chǎn)效率。焊接技術(shù)的自動化、柔性化與智能化是未來焊接技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。 1、電弧傳感焊縫跟蹤技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展?fàn)顩r焊縫自動跟蹤方面，傳感器提供著系統(tǒng)賴以進行處理和控制所必須的有關(guān)焊縫的信息。我們研究電弧傳感器就是要從焊接電弧信號中提取出能夠?qū)崟r并準(zhǔn)確反映焊炬與焊縫中心的偏移變化信號，并將此信號采集出來，作為氣體保護焊焊縫自動跟蹤系統(tǒng)的輸入信號，即焊縫自動跟蹤系統(tǒng)的傳感信號。在國內(nèi)研究電弧傳感器的先驅(qū)者中有清華大學(xué)潘際鑾院士1。潘院士首次建立起電弧傳感器的動、靜態(tài)物

3、理數(shù)學(xué)模型，且成功研究出新型MIG焊接電弧控制法 “QH-ARC法”。國外，日本NKK公司發(fā)明了一種旋轉(zhuǎn)電弧式傳感器2。韓國的C.H.Kim研制出一種轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)比較簡單的電弧式傳感器3。 Tseng和Savage4研究了TIG焊外加磁場時導(dǎo)致電弧擺動，對HY-80鋼焊縫微觀組織和熱裂紋的影響。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)勵磁頻率為l Hz左右時，焊縫區(qū)組織晶粒的大小和熱裂紋傾向大大降低。湘潭大學(xué)焊接實驗室，針對自動化焊接技術(shù)的迫切需求，開展焊接過程自動化及機器人焊接技術(shù)、數(shù)字化焊機聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等方面研究，突破焊縫跟蹤技術(shù)，針對其機構(gòu)設(shè)計的穩(wěn)定性以及可控性等問題，根據(jù)運動特點推導(dǎo)出焊炬的運動學(xué)模型，由旋轉(zhuǎn)電弧焊縫跟蹤原

4、理應(yīng)用進行焊縫跟蹤仿真5，實現(xiàn)了機構(gòu)設(shè)計以及控制方法對焊縫跟蹤的影響。2：焊接機器人的發(fā)展趨勢 (1)多傳感器信息智能融和技術(shù)單一傳感信號難以保證輸入信息的準(zhǔn)確性和可靠性，利用各種傳感信息，獲得對環(huán)境的正確理解，使機器人系統(tǒng)具有容錯性。(2)虛擬現(xiàn)實技術(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)是基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術(shù)，實現(xiàn)機器人的虛擬遙操作和人機交互。(3)多智能焊接機器人系統(tǒng)多個機器人主體間具有共同的目標(biāo)，完成相互關(guān)聯(lián)的任務(wù)。各智能體之間相互通信、彼此協(xié)調(diào)工作，共同完成復(fù)雜的業(yè)務(wù)。(4)智能化控制技術(shù)在跟蹤系統(tǒng)中引入模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、遺傳算法等先進的智能控制技術(shù)是提高焊接機器人控制精度

5、的一個必然趨勢，它能使焊接機器人具有一定智能行為。第一章 磁控焊縫跟蹤機器人傳感器電氣系統(tǒng)設(shè)計磁控焊縫跟蹤機器人的工作原理：首先通過電磁控制電弧擺動，實現(xiàn)電弧對焊縫坡口的掃描，采用霍爾電流傳感器電流傳感器將包含焊縫現(xiàn)狀和位置消息的焊接電流信號采集出來，利用有效的濾波電路，排除干擾信號，將有效信息提取并且放大，依靠單片機采集處理這些有效信息，得到實時的焊縫偏差信息，再根據(jù)單片機的輸出信號控制歩進電機PWM驅(qū)動電路，以驅(qū)動十字滑架實現(xiàn)焊縫的識別跟蹤。單片機系統(tǒng)處理驅(qū)動焊槍十字滑架PWM產(chǎn)生電路霍爾電流傳感信號采集硬件電路處理圖1-1一、磁控焊縫跟蹤系統(tǒng)電器系統(tǒng)設(shè)計本文所設(shè)計研發(fā)的焊縫跟蹤系統(tǒng)主要針

6、對平焊V型焊縫。因此，為了實現(xiàn)在焊縫跟蹤過程中對焊接電源的控制，本次設(shè)計對原有的焊接控制柜進行了相應(yīng)的改造，增加了焊接電源的切換開關(guān)。本文所設(shè)計的磁控焊縫跟蹤系統(tǒng)焊縫跟蹤部分的系統(tǒng)布局主要由圖1-2所示圖1-2 機器人焊件系統(tǒng)組成通過上圖可以看出，本次設(shè)計的焊縫跟蹤系統(tǒng)將主要由執(zhí)行機構(gòu)和控制系統(tǒng)兩大部分組成。1）磁場的發(fā)生裝置 我們選用LM386集成功率放大器作為焊接實驗過程中的集成放大電路。LM386的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。具有靜態(tài)功耗低，約為4mA，可用于電池供電；工作電壓范圍寬，4-12V或5-18V；外圍元件少；電壓增益可調(diào)，20-200；低失真度等特性；其次，在應(yīng)用

7、方面，主要應(yīng)用于低電壓消費類產(chǎn)品。為使外圍元件達到最少，電壓增益內(nèi)置為20。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調(diào)為任意值，直至200。輸入端以地為參考，同時輸出端被自動偏置到電源電壓的一半，在6V電源電壓下，它的靜態(tài)功耗僅為24mW，使得LM386特別適用于電池供電的場合。以下是幾種典型的LM386應(yīng)用放大電路：圖1-3 LM386應(yīng)用電路圖之增益=20圖1-4 LM386應(yīng)用電路圖之增益=200圖1-5 LM386應(yīng)用電路圖之增益=50圖1-6 LM386應(yīng)用電路圖之低頻提升放大器通過對各種電路的分析測量，以及聯(lián)系到影響焊接過程穩(wěn)定性，焊縫成形，焊接缺陷等問題。我們大致

8、得出相應(yīng)的結(jié)論。針對LM386是一種低電壓通用型低頻集成功率放大器。由于該電路功耗低、允許的電源電壓范圍寬、通頻帶寬、外接元件少,廣泛用于收錄音機、對講機、電視伴音等系統(tǒng)中。同時LM386具有溫度穩(wěn)定性好，電源利用率高，功率較低，非線性失真較小等優(yōu)點，將其運用到焊接可以極大的提高電源利用率，焊接過程穩(wěn)定，焊縫缺陷少等特點。相比于其他的集成放大電路，更有利于焊接工藝過程的優(yōu)化和改進。同時它也可以構(gòu)成各種保護電路，如過流保護，過熱保護以及過壓保護等也集成在芯片內(nèi)部，使焊接過程更加平穩(wěn)，安全。減小因電流過大造成的飛濺損失。調(diào)節(jié)性和精度也得到了很大程度的提高。（LM386集成電路放大器如下圖所示）圖1

9、-7 LM386集成功率放大器2） A/D采樣電路A/D轉(zhuǎn)化電路，亦稱“模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器”，簡稱“模數(shù)轉(zhuǎn)換器”。將模擬量或連續(xù)變化的量進行量化（離散化），轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量的電路。A/D變換包含三個部分：抽樣、量化和編碼。一般情況下，量化和編碼是同時完成的。抽樣是將模擬信號在時間上離散化的過程；量化是將模擬信號在幅度上離散化的過程；編碼是指將每個量化后的樣值用一定的二進制代碼來表示。A/D轉(zhuǎn)換的原理是基于二值化平切割法，利用數(shù)字脈沖填充的方式進行測量。二值化處理將檢波得到的光電信息整形為脈沖信號，以利于計算機進行數(shù)字信號處理。一般有兩種設(shè)計方案可供選擇。一種是采用模擬二值化電路加計數(shù)器的方法實現(xiàn)

10、輸出信號的二值化，其優(yōu)點是電路成本低廉，轉(zhuǎn)換速度快，易于實現(xiàn)。但這種方案具有明顯的缺點：模擬二值化電路易受干擾，且體積較大，轉(zhuǎn)換精度較低，不利于集成。另一種A/D轉(zhuǎn)換方案是將經(jīng)過放大濾波預(yù)處理后的輸出信號首先通過高速A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)化為與模擬信號相應(yīng)的、能夠反應(yīng)圖像灰度變化的數(shù)字量，以提高測量精度和分辨率，再送入CPLD中進行軟件二值化處理。在這種情況下，模擬二值化電路由軟件二值化算法（位移提取算法的主要部分）加以替代。例如一個基于PC104標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的16位16個單端輸入通道/8個差分輸入通道的A/D采樣電路，電路原理框圖如下所示：圖1-8電路原理框圖A/D采樣電路的幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)是多路模擬開關(guān)

11、、程控放大器、A/D采樣芯片和電源電路。同時A/D采樣電路中重要的技術(shù)指標(biāo)有：分辨率 指數(shù)字量變化一個最小量時模擬信號的變化量，定義為滿刻度與2n的比值。分辨率又稱精度，通常以數(shù)字信號的位數(shù)來表示。轉(zhuǎn)換速率 是指完成一次從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字的A/D轉(zhuǎn)換所需的時間的倒數(shù)。積分型A/D的轉(zhuǎn)換時間是毫秒級屬低速A/D，逐次比較型A/D是微秒級屬中速A/D，全并行/串并行型A/D可達到納秒級。采樣時間則是另外一個概念，是指兩次轉(zhuǎn)換的間隔。為了保證轉(zhuǎn)換的正確完成，采樣速率 必須小于或等于轉(zhuǎn)換速率。因此有人習(xí)慣上將轉(zhuǎn)換速率在數(shù)值上等同于采樣速率也是可以接受的。常用單位是ksps和Msps，表示每秒采樣千/百萬

12、次。量化誤差 由于A/D的有限分辨率而引起的誤差，即有限分辨率A/D的階梯狀轉(zhuǎn)移特性曲線與無限分辨率A/D（理想AD）的轉(zhuǎn)移特性曲線（直線）之間的最大偏差。通常是1個或半個最小數(shù)字量的模擬變化量，表示為1LSB、1/2LSB。偏移誤差 輸入信號為零時輸出信號不為零的值，可外接電位器調(diào)至最小。3）控制系統(tǒng)與執(zhí)行機構(gòu)之間的硬件連接 本次設(shè)計的控制系統(tǒng)主要為計算機控制系統(tǒng)，以計算機控制為中心形成一套閉環(huán)式的焊縫跟蹤系統(tǒng)，由計算機根據(jù)采集到的信息發(fā)出相應(yīng)的控制指令給執(zhí)行機構(gòu)，使其完成焊縫糾偏運動，而本次的執(zhí)行機構(gòu)主要由焊機和焊接機器人構(gòu)成，但是為了使焊接過程更加智能化，使控制系統(tǒng)也可以控制視覺傳感系統(tǒng)

13、電源開關(guān)。 首先要采集焊接過程中各個階段的信號，由于起弧信號和峰值信號因為是極值可以更加容易地采集到，所以首先采集極值信號中的起弧信號來判斷是否起弧成功，而磁控傳感器是否可以采集圖像就是由峰值信號確定的?；惦娏?、峰值電流和送絲速度這些關(guān)系到跟蹤精度的信息也需要在焊接過程中被控制系統(tǒng)實時地采集到，起到了對焊接生產(chǎn)的實時檢測作用。因此，為了滿足上文中所提出的想法，在本次設(shè)計中將控制系統(tǒng)與焊接電源之間進行信號連接。連接方式如圖1-9所示。數(shù)據(jù)采集PCI-1762的功能為實時采集到起弧信號和峰值信號，如表1所示，PCI-1762數(shù)據(jù)采卡的具體信息。采集到信號之后對信號進行分析，最后將分析得到的焊接生

14、產(chǎn)所需的基值電流、峰值電流等數(shù)據(jù)傳輸給執(zhí)行機構(gòu)的控制系統(tǒng)，完成對焊接過程的檢測功能。圖1-9控制與焊接電源及送絲機控制器信號交流圖表1 PCI-1762 基本參數(shù)控制系統(tǒng)與機器人控制系統(tǒng)如圖1-10所示控制系統(tǒng)與機器人控制柜的信號連接關(guān)系主要是通過專用輸入口進行連接的。傳感功能輸入即為視覺傳感系統(tǒng)，通過實時的計算偏差值而完成對焊槍的糾偏。專用輸入輸出口則是為控制系統(tǒng)對機器人焊接過程中各個部件傳輸指令的通道。圖1-10 控制系統(tǒng)與焊接機器人信號交流圖4）執(zhí)行結(jié)構(gòu)信息在本次設(shè)計的焊縫跟蹤系統(tǒng)中主要是由機器人作為執(zhí)行機構(gòu)。在本次研發(fā)機器人焊縫跟蹤系統(tǒng)中，采用由我國新松公司自主研發(fā)的M10C型機器人和

15、該公司配套生產(chǎn)的JM-56型送絲機和CS-501型送絲裝置。所設(shè)計的人機界面和對于執(zhí)行機構(gòu)的控制方式主要通過C語言進行編寫，實現(xiàn)了在焊接過程中實時地對焊接機器人的控制。2.1.2焊縫跟蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計1）計算機與執(zhí)行機構(gòu)通信 通信的主要作用是將PC機分析處理出的數(shù)據(jù)傳輸給機器人控制系統(tǒng)中。基于MATLAB圖像處理軟件對采集到的圖像進行處理分析得出偏差值，再基于之前的標(biāo)定結(jié)果得出在實際環(huán)境中機器人手臂末端的焊槍與焊縫中心點的偏差值，最后由控制系統(tǒng)基于得出的實際生產(chǎn)中焊縫偏差值來制定指令傳輸給執(zhí)行機構(gòu)。2）使用串口技術(shù)編程 C+提供的MSComm是Windows運行系統(tǒng)下自帶的串行通信編程Activ

16、eX控件，通過對于串口接口的收發(fā)信息功能完成通訊。現(xiàn)在常用的串口通訊技術(shù)主要使用以下兩種辦法進行傳輸數(shù)據(jù)的，第一種就是基于ActiveX控件;第二種就是通過API進行函數(shù)通信。而本次設(shè)計所使用的正是ActiveX控件，該方法的優(yōu)點為:編程較為簡單且結(jié)構(gòu)清晰，而缺點則是靈活度較差;API通信函數(shù)的優(yōu)缺點與ActiveX控件基本相反，但是根據(jù)本次設(shè)計的環(huán)境只需選用簡單的ActiveX控件編程即可。下面將會詳細(xì)介紹在本次設(shè)計中是如何使用ActmeX控件完成通訊的6 7。步驟如下:（1）在工程中添加控件 在本次設(shè)計中，所使用的控件為Class Wizard，在下表2記錄了本次設(shè)計的設(shè)置屬性極其相關(guān)變量

17、類型。表2 控件及屬性設(shè)置情況(2)初始化串口 首先需要對串口設(shè)置初始化語句，由于初始化語句的設(shè)定，可以方便對后續(xù)的串口控件的設(shè)定以及對于串口通訊的調(diào)節(jié)。本次設(shè)計的代碼如下: int port=4; m_ ctrlComm.SetCommPort(port); m_ ctrlComm.SetSettings("9600,N,8,1”); m_ ctrlComm.SetInBufferSize(1024); m_ ctrlComm.SetOutBufferSize(1024); m_ ctrlComm.SetPortOpen(true); m_ ctrlComm.SetInBuffer

18、Count(0); m_ ctrlComm.SetOutBufferCount(0); m_ ctrlComm.SetInputLen(0); m_ ctrlComm.SetInputMode(1); m_ ctrlComm.SetRThreshold(1); m_ ctrlComm.SetSThreshold(0); （3)數(shù)據(jù)收發(fā) 對于數(shù)據(jù)收發(fā)功能本次設(shè)計采用MSComm控件，它的作用對串口接收到的數(shù)據(jù)進行處理以及分析，然而隨著焊接過程的進行，串口接口會不斷接收到新的數(shù)據(jù)，程序會根據(jù)新接收的數(shù)據(jù)自動調(diào)用函數(shù)進行處理。以下為在函數(shù)中新添加的程序: void CComDlg:OnButtonM

19、anualsend) UpdateData(TRUE); m ctrlComm.SetOutput(COleVariant(m_ strEditTXData);上文介紹的內(nèi)容為手動收發(fā)數(shù)據(jù)，但是要想實現(xiàn)自動化的焊縫跟蹤就需要自動自動識別數(shù)據(jù)并且自動運行收發(fā)功能，也就是當(dāng)程序運行時，需要有一個實時的響應(yīng)程序，也就是本次設(shè)計的OnTimer()語句;只需要在定時響應(yīng)中斷之前完成上文所介紹的一系列操作即可，最后通過m_ ctrlComm.SetOutput(COleVariant(m_ data)把焊槍的偏差數(shù)據(jù)發(fā)送給機器人控制系統(tǒng)中的接收程序。3）機器人控制模塊 根據(jù)上文所介紹的內(nèi)容還不足以完成自

20、動化焊縫跟蹤，還需要設(shè)計一個機器人控制模塊。首先編寫程序控制機器人手臂運行的軌跡，使其焊槍前端會自行運動到焊縫的起弧處。這樣在焊接開始和運動時就可以一方面接收計算機分析處理之后得到的信息而另一方面由于之前的機器人手臂路徑規(guī)劃，可以快速達到焊接位置，這樣就方便了計算機對于機器人手臂下一步軌跡的規(guī)劃。 本實驗使用為新松公司自主研發(fā)的sRHloc型機器人，RAPID語言為該機器人控制系統(tǒng)自帶的計算機語言，該語言與其他計算機語言相比較為簡單。在使用RAPID語言進行編程之前只需要有其它計算機語言的編寫基礎(chǔ)即可，這樣就可以快速且準(zhǔn)確的編寫出本次設(shè)計需要的程序。 RAPID語言不但提供了大量的應(yīng)用指令，還

21、有很多指令為特定的某一功能指令，這樣一個具有高靈活度的語言可以發(fā)揮機器人運行的無限潛能8 在對新松機器人進行編程的同時，還可以考慮通過一些輔助手段編程進而完成實驗所需，不過對于機器人手臂也可以通過示教器進行控制，在編程結(jié)束之后將編好的文件通過網(wǎng)線傳輸給機器人控制系統(tǒng)中，在本次實驗中連接計算機和機器人控制柜的就是簡單的一根網(wǎng)線，為了增加焊接效率也就是提高焊縫跟蹤的實時性，本次數(shù)據(jù)傳輸所就是使用FTP方式。RAPID程序類型有三種:procedures, functions和trap routines oprocedure即子程序;function返回一個特殊類型的值;trap routines是

22、一種響應(yīng)中斷方法，可以在設(shè)定好的程序中添加定時響應(yīng)程序，比如:當(dāng)焊接進行到某一部分時，可以自動進行程序中斷9 數(shù)據(jù)類型有三種:constant, variable和persistent其中constant代表了一個靜態(tài)值，只能手動的賦值。variable并不是靜態(tài)值，通過它可以對正在運行的程序中的變量進行賦值。persistent可以描述為一個“永久”的值。而這個值如果被確定保存下來之后，就會不可更改，變?yōu)榫庉嫵绦虻某跏贾怠?如圖1-11所顯示的就是為本次程序設(shè)計的基本思路和工作流程。在實現(xiàn)自動跟蹤糾偏之前對起弧點進行示教操作。如流程圖1-11所示，在打開串口并且定義好初始量之后，通過示教或者

23、定義編程方式將焊槍移到焊縫起弧點處，于此同時視覺系統(tǒng)己經(jīng)開始采集焊縫圖像并且進行圖像處理并且完成對偏差值的計算，最后將偏差值導(dǎo)入到機器人控制系統(tǒng)中，改變離線編程的路徑，使焊槍一直沿著焊縫中心線進行運動，完成焊接的糾偏運動。以下為本次設(shè)計焊槍基于偏差值而調(diào)整的程序。程序源代碼如下:PROC main()Close com;Open "com3:",comBin;C1earIOBuff com;MoveJ p10,v200,fine,tool0;WriteStrBin com,"0"WaitTime

24、 3;RXData:=ReadStrBin(com,22);  Close com;xData:=StrPart(RXData,1,ll);ok:=StrToVal(xData,xdis);yData:=StrPart(RXData,12,11);ok:=StrToVal(yData,ydis);pos0:=Offs(p10,xdis,ydis,0);MoveL p20,v100,fine,tool0;.ENDPROC 圖1-11 焊槍運動原理圖第二章 磁控焊縫跟蹤磁控頭結(jié)構(gòu)設(shè)計一、焊縫跟蹤磁控頭三維設(shè)計圖我們設(shè)計的磁控電弧焊縫跟蹤傳感器具有以

25、下優(yōu)點：1） 磁控電弧焊縫跟蹤傳感器磁場發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計具有結(jié)構(gòu)小巧，加工容易，拆卸方便，控制精度高的優(yōu)點。（磁控焊縫跟蹤傳感器磁場發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計三維、二維圖如下圖2-1、圖2-2所示。）圖2-1 磁控電弧焊縫跟蹤傳感器磁場發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)二維示圖圖2-2 磁控電弧焊縫跟蹤傳感器磁場發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)三維示圖二、磁控頭加縱向 交流磁場仿真模擬1）理論上，在理想條件下，電極不會漏磁，但由于線圈之間有一定的縫隙，縫隙之間形成小的電磁體，形成閉合的磁感應(yīng)線，在空中形成漏磁，進而在焊接的時候造成磁偏吹，影響焊縫質(zhì)量，因此，要想實現(xiàn)高質(zhì)量的焊縫必須解決電極漏磁的問題。該裝置考慮到這個因素，采用活動、可旋轉(zhuǎn)

26、的電極和縱向磁場較好的改善了漏磁。由于磁控電弧傳感器的勵磁電流是一定頻率的正弦電流，產(chǎn)生的磁場是交流縱向磁場，故可利用有限元軟件中的二維諧波磁場分析對該磁場進行分析，模型所涉及的媒質(zhì)有勵磁線圈、導(dǎo)磁鐵芯、開放的空間。傳感器縱向磁場的有限元軟件摸擬結(jié)果如下圖所示：圖2-3 傳感器縱向磁場磁場分布-有限元仿真模擬示意圖由以上的仿真模擬圖可以看出：在改用該裝置并且采用縱向磁場進行焊接較好的改善了漏磁，使得漏磁減少。小結(jié)：磁場發(fā)生裝置中的結(jié)構(gòu)設(shè)計是整個磁控電弧傳感器中非常重要的部分，它的作用是給勵磁線圈通以交變的電流，在兩個磁極間產(chǎn)生縱向磁場。該裝置主要由勵磁線圈、套筒、基板、磁極等組成。該裝置與焊槍

27、一體化設(shè)計，整個裝置通過緊固板用螺釘固定在焊槍上，拆卸和調(diào)整位置都十分的方便。兩個磁極固定在基板上的調(diào)整槽內(nèi)，套筒套在磁極上。2） 外加縱向磁場可以使電弧中的帶電粒子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，從而產(chǎn)生“束弧”作用。且對縱向磁場進行調(diào)控,就能對電弧形態(tài)進行控制,從而控制焊縫的熔寬和熔深。 如裝置簡圖2-4 所示，在外加縱向磁場作用下，由于電弧存在橫向速度的分量，電弧中帶電粒子的運動將變成平行磁力線的螺旋運動，在合適的磁場強度和分布下，將導(dǎo)致電弧整體旋轉(zhuǎn)。外加磁場強度越大，螺旋的半徑越小。因此縱向磁場可以限制電弧的擴散，起到對弧柱的壓縮作用，使電弧能量更集中，增加焊縫熔深。外加均勻的縱向磁場能夠使等離子能量分

28、布更均勻。圖2-4 縱向磁場產(chǎn)生模型 由于采用焊接或切割等工藝的工件往往是鐵磁性材料，因此在外加磁場的焊接或切割等工藝中，必須分析工件對磁場分布的影響進行分析,。因此我們運用限元分析軟件COMSOL仿真模擬了磁感線分布(如圖2-5所示)和磁場大小分布云圖（如圖2-6（a）和圖2-6（b）所示），可以看出主要的磁場分布中心附近，且縱向磁場方向By為主導(dǎo)方向。圖2-5 磁感線分布圖（a)(b)圖2-6（a）上、（b）下磁場大小分布云圖 在焊接過程中引入縱向磁場,由于帶電粒子(以電子為例進行分析)電子存在徑向運動,速度為vr ,即電子作切割磁力線運動,因而產(chǎn)生洛侖茲力FLt。在FLt作用下,電子產(chǎn)生

29、切向速度分量vt ,電子的這種切向運動,是因為切割磁力線的運動而在徑向產(chǎn)生一洛侖茲力FLr ,同時,電子在切向速vt 作用下繞軸線旋轉(zhuǎn),因旋轉(zhuǎn)便產(chǎn)生離心力FLx ,各力大小分別為: FLt = qvrB ; FLr = qvtB ; FLx = (mv2t) /r(式中B 為磁場強度; vr 為徑向速度; r 為電子旋轉(zhuǎn)半徑) 因此,電子在電場和磁場共同作用下的受力狀況及電子運動的速度分量如圖2-7所示。電子的運動軌跡為繞軸線的螺旋線,如圖2-8所示。最后電子達到陽極。 圖2-7 電子在電場和磁場共同作用下的受力圖圖2-8 縱向磁場作用下電子運動軌跡 上述綜合運動的結(jié)果是帶電粒子沿軸向方向的螺

30、旋運動。有徑向運動的帶電粒子受到磁場力的制約變成圓周運動,而且速度值增大。,也可以分析出負(fù)離子的運動為從陰極到陽極的繞軸線收縮的螺旋管運動,最后負(fù)離子在陽極(鎢極)處集中。這樣, 不僅約束了帶電粒子的徑向擴散,而且等離子體的總體動能增大,且電子和正離子的螺旋管運動對外加縱向磁場有一定的削弱作用。不同磁場大小對電弧形態(tài)影響也不同。 當(dāng)B較小時，F(xiàn)Lt=qvrB,由此產(chǎn)生的電子的切向速度vt 較小,FLr = qvtB ,則FLr因B和vt 較小所以更小。這表明,與無外加磁場的情況相比,電子增加了慢速的繞軸線的旋轉(zhuǎn)運動,因為,此時電子運動軸向速度vz 較大,所以電子的旋轉(zhuǎn)可能不到一周就達到電極區(qū)。

31、另外,與無磁場時電弧相比,因B 較小,電子在徑向增加的FLr 和離心力FLx非常小,因而只能引起電弧的輕微發(fā)散。電弧中心區(qū)的壓力pmax 以及中心區(qū)電流密度jmax 略有下降,能量密度分布也只是稍有改變?？傊?B 較小時, 電弧形態(tài)基本不變。 當(dāng)磁場B增強時,FLt明顯增大, vt 增大,FLr增大,FLx = (mvt2) /r ,即FLx增大更快,這樣,電子在繞軸線高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生離心運動,離心運動的結(jié)果使電子向電弧邊緣集中。由于電子對正離子的吸引作用,正離子也向邊緣集中,使得電弧中心壓力和電流密度進一步降低,而邊緣處則進一步增大。當(dāng)B達到臨界值B臨,中心處壓力p為0,B > B臨,電

32、弧中帶電粒子在離心力作用下在一圓環(huán)區(qū)域內(nèi)集中,壓力p出現(xiàn)明顯的雙峰,電弧形成空心電弧?？招牟糠謳щ娏Ｗ訕O少,可視為0,此時電流密度也出現(xiàn)類似p的雙峰。這時的能量密度分布同樣地出現(xiàn)雙峰而與無外加磁場作用時電弧能量密度分布有明顯差別。電弧形態(tài)及壓力分布如圖2-9所示。圖2-9 縱向磁場作用下電弧形態(tài) 由前述可知,引入縱向磁場可以使電弧形態(tài),包括電弧壓力、電流密度、能量分布發(fā)生改變。因此,對縱向磁場進行控制,就能對電弧形態(tài)進行控制,從而控制焊縫的熔寬和熔深。當(dāng)磁場B 交替變化時,因?qū)θ鄢亟饘儆袛嚢枳饔?即可以控制熔池金屬的結(jié)晶過程,改善焊縫的組織和性能。第三章 小結(jié)（1） 運用AtuoCAD和Pro

33、/Engineer對磁控傳感器外觀進行二維.三維的設(shè)計。為制作成型提 供理論基礎(chǔ)。（2） 對磁場的發(fā)生裝置的激勵電路加以改進。使整個裝置更好的調(diào)節(jié)勵磁電流和勵磁頻率，方便控制。（3） 運用有限元軟件COMSOL對外加縱向磁場時電磁場進行了仿真和模擬。結(jié)合仿真結(jié)果對外加縱向磁場對電弧影響的進行了分析。并且通過多次的具體實驗室操作，采集焊接電流實時的信號（即焊縫跟蹤偏差信號），分析磁控傳感器的磁場對焊接電弧狀態(tài)的影響規(guī)律，解決磁場對電弧造成的影響。參考文獻1 潘際鑾. 新型自動焊接跟蹤系統(tǒng)J. 機械工程學(xué)報. 1980(1): 1-14.2 H.Nomuar, Y.Sugitnai. Trend of Research and Development welding Automation in JapanC. First Euorpean Conference on Joining Technology, 1991,11.3 C.H.Kim. A study on sensors for automatic welding of 3-D seam in ship hull assemblyD. Korea: Korea Advanced Institu