（材料加工工程专业论文）co2焊接超声传感焊缝跟踪技术的研究.pdf

天津大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着现代焊接技术的蓬勃发展，焊接过程自动化已成为提高产 品质量和生产效率的关键，其中焊缝跟踪技术是实现焊接过程自动化 的重要环节。研制性能良好，经济实用的焊缝跟踪系统已经成为焊 接自动化领域研究的前沿课题。寸 本文将超声传感技术引入c 0 ，焊接焊缝跟踪中，进行了c 0 。焊接超 声传感焊缝跟踪系统的研究。通过对a r 、c 0 。等气体介质对超声波 信号的影响的研究，发现c 0 ：对超声波信号衰减严重，因此，提出 了防止c 0 ，影响的方法。在设计焊缝跟踪系统时，采用了f u z z y p 双模控制理论，并通过计算机仿真研究，确定了c 0 。焊接焊缝跟踪 f u z z y p 控制的规则和参数。 试验表明，在采取一定的措施后超声传感焊缝跟踪技术能够运 用f c o ，焊接焊缝自动跟踪中，采用计算机仿真方法确定的f u z z y p 双模控制规则和参数是正确的；所研制的c 0 ：焊接超声传感焊缝跟 踪系统能够满足实际焊接焊缝跟踪需要。4 一 关键词：c o 。焊接。超声波传感彰仿真焊缝跟耐f u z z y p 控制v 一”、l l _ 、 天津大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o f w e l d i n gt e c h n o l o g y ，t h ea u t o m a t i o n o f w e l d i n gp r o c e s sh a sb e e n c r i t i c a lt ot h ei m p r o v e m e n to fw e l d i n gp r o d u c t a n dt h ei n c r e m e n to f w e l d i n gp r o d u c t i v i t y , m a k i n gt h er e s e a r c ho f s e a m t r a c k i n gt e c h n o l o g y a n u n p r e c e d e n t e ds i g n i f i c a n c e t od e v e l o ph i g h - p e r f o r m a n c ea n dc o s t e f f e c t i v es e a mt r a c k i n gs y s t e mh a sb e c o m et h e l a t e s tr e s e a r c hs u b j e c ti nw e l d i n ga u t o m a t i o n i nt h i sp a p e r s ，t h et e c h n o l o g yo fu l t r a s o n i cs e n s o ri si n t r o d u c e di n t o s e a m t r a c k i n gs y s t e mi nt h ec 0 2w e l d i n gp r o c e s sa n d t h ed e v e l o p m e n to f s e a m t r a c k i n gs y s t e m w i t hu l t r a s o n i cs e n s o ri nc 0 2 w e l d i n g i sp r e s e n t e d t h r o u g he x p e r i m e n t s ，t h ee f f l u e n c e o fs u c hg a s e sa sa r ，c 0 2e t c o n u l t r a s o n i cs e n s o ri st e s t e da n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h eu l t r a s o n i cs i g n a l a t t e n u a t e g r e a t l y i n c 0 2 t h e nt h em e a s u r e s a r et a k e nt o p r o t e c t t h e u l t r a s o n i cs e n s o rs i g n a lf r o mb e i n ge f f e c t e db yc 0 2t om a k et h es e a m t r a c k i n gs y s t e m w o r k n o r m a l l y a t t h es a m et i m e ，f u z z y - pc o n t r o lt h e o r y i sa d o p t e di nt h es e a m t r a c k i n gs y s t e m b ym e a n s o f c o m p u t e rs i m u l a t i o n ， t h e o p t i m i z e d c o n t r o lr u l e sa n d p a r a m e t e r s o ff u z z y - pc o n t r o la r e o b t a i n e df o rt h es y s t e m t h er e s e a r c ha n de x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a tu l t r a s o n i cs e n s o rs e a m t r a c k i n gs y s t e mc a nb eu s e di nc 0 2w e l d i n gw i t hs o m ep r o t e c t i o n sa n d t h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rs i m u l a t i o nt ot h e a c q u i s i t i o n o ff u z z y - p c o n t r o lr u l e sa n dp a r a m e t e r si sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e t h ec 0 2 w e l d i n g s e a mt r a c k i n gs y s t e mw i t hu l t r a s o n i cs e n s o rw h i c hh a sb e e nd e v e l o p e d c a nm e e tt h en e e do f p r a c t i c a lw e l d i n gs e a mt r a c k i n gt a s k k e yw o r d s ：c 0 2w e l d i n g ，u l t r a s o n i cs e n s o r , s i m u l a t i o n ，s e a mt r a c k i n g ， f u z z y pc o n t r 0 1 1 l 飞， 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 焊接是现代制造领域中的重要工艺方法之一。焊接生产的自动化和智能化 是保证焊接质量，降低生产成本，提高生产效率，改善劳动条件的重要手段。 随着先进制造技术的发展，焊接自动化和智能化的研究和应用已成为现代化工 业生产中迫切需要解决的问题。近年来，由于窄间隙自动焊、全位置自动焊、 螺旋管自动焊等焊接自动化的发展，特别是弧焊机器人的应用发展，使焊缝自 动跟踪系统成为焊接自动控制领域研究的前沿课题。各种类型的焊缝跟踪传感 器的研制以及各种自动控制技术的应用得到了迅猛地发展。 焊缝自动跟踪系统研究的关键是焊缝跟踪传感器和先进的自动控制技术。 目前焊缝自动跟踪传感器的种类很多，研究较多的传感器主要有光学传感器和 超声波传感器。与光学传感器相比，虽然超声波传感器的分辨率稍差但它却具 有成本低、抗干扰能力强等特点，因此，超声波焊缝跟踪传感器在低成本自动 化方面具有广泛的应用前景。 本章将介绍目前国内外焊接跟踪技术的发展现状，并着重讲述超声波传感 器在焊缝跟踪领域的研究状况。 1 1 焊缝跟踪控制技术的发展现状 焊接过程是一个时变、多因素、非线性的复杂系统。强烈的弧光、电网电 压的波动、焊接参数的波动、工件表面的变形及周围环境的干扰使得传统的控 制方法难以实现焊缝的精确跟踪。随着传感器和信号处理技术的进步以及各种 先进的控制技术的出现，焊接工作者开始寻求将人工智能的控制方法引入焊缝 自动跟踪系统，这些人工智能方法主要包括专家系统、神经网络控制和模糊控 制等。 1 9 9 2 年美国的l y n c h ，p m 和b ep a s o ，j 提出了面向对象的智能控制机构。 它将一个智能控制问题分解成传感器、传感器管理器和控制器三部分。每一个 对象都从一个类中初始化，都从一个类结构中得到数据、函数和知识。此外， 每一个对象在系统运行时会更新与各自特定的状态相关的数据。这种新的独立 智能且面向对象机构的包括许多优点：系统构造的灵活性、可运用普通类别为 具体的控制应用软件建立起有效的部件、鲁棒性。他们对视觉传感器的弧焊机 器人焊缝跟踪系统进行了研究。采用分层的模块化内嵌式智能控制设计焊缝缝 跟踪系统。系统包含三类主要的对象类型：传感器、传感器管理器、控制器。 每一对象都有其内嵌的智能，每一对象都是从更简单范围更广泛的基类部件上 建立起的。而这些基类部件采用面向对象实例的分层模块进行分类，每个传 感器的智能行为受本身的表述范围限制。其中传感器管理器用于传递和纠正送 给控制器的传感器信息，还在传感器管理器的智能模块中实现了焊缝的不连续 识别、焊缝过渡及焊缝突变等。 许多焊接学者尝试研究了一些弧焊工艺的动静态数学模型，试图获得比较 精确的跟踪控制。但是焊接中强干扰、多变量等特殊条件使这些模型无法描述 焊接生产的实际过程，因而控制模型的自适应和鲁棒性受到限制。随着模糊技 术的发展，模糊控制的优点在焊接自动控制中逐渐得到体现，因为模糊控制不 象经典控制理论那样需要建立精确的数学模型，而是建立在专家和娴熟焊工经 天津人学颇j ：学位论文第一章绪论 验基础上的具有反映人脑思考特点的控制方法。采用参数自调整、自学习模糊 控制器可使焊缝跟踪系统具有很好的自适应能力。1 9 8 5 年保加利亚的l a k o v d i m i t e r 对模糊控制自适应弧焊机器人进行了研究，提出用模糊模型描述弧焊 机器人的一些不确定性因素。该机器人为示教机器人，借助激光焊缝跟踪传感 器，它能按示教内容对焊缝进行跟踪，实验结果表明采用模糊集概念可以进行 在线评估、预测和控制。1 9 8 9 年日本的u r a k a m s 等人研制了基于模糊控制的 弧焊机器人焊缝跟踪系统，利用电弧传感器检测焊炬与焊缝之问的相对位置， 进行焊缝跟踪。在针对于明亮的电弧、高温、有毒烟尘和气体等干扰，他们根 据语言设计规则设计了模糊滤波器和模糊控制器，与其他一般的控制器相比， 陔控制器控制效采更佳。1 9 9 3 年韩圆的k i m j w 在c o ：气体保护焊中，分别采 用简单模糊控制器和自组织模糊控制器进行焊缝自动跟踪控制，采取了特殊信 号处理方法从焊接电流中获取焊炬位置信息，并按角度偏差设计系统的控制规 则，实现了模糊控制和自组织模糊控制。近年来天津火学将f u z z y p 控制应用 于超声传感焊缝跟踪系统，该系统采用非接触式超声波传感器。采用公式法设 计了系统的模糊控制规则，在焊缝跟踪中可以自动实现比例控制和参数自调整 模糊控制的切换，在埋弧自动焊| j 取得了较好的跟踪控制效果。 神经网络是一个具有高度非线性的大规模的连续时问动力系统，其主要特 征是时间连续的动态性、网络的全局作用、大规模并行分布处理及高度的鲁棒 性和学习联想能力。实际焊接跟踪中情况千差万别系统设计时不可能面面俱 到。因此一个好的跟踪系统应该能具有信息存储、良好的自学自组织能力、强 有力的容错推理功能，根据现场采集的数据，适时作出判断。1 9 9 3 年日本的 k a n e k o ，y a s u y o s h i 等采用c c d 和激光作为传感器将人工神经网络的方法引入焊 缝跟踪中，在检测熔池深度时结合模糊控制，并将此跟踪方法运用于管道和飞 机的焊接中，通过实验修正其神经网络和模糊控制器的合理性。1 9 9 5 年日本的 o h s h i m a ，k e n j i 等先对m i g 焊和c 0 ，短路过渡焊接中焊丝的熔化现象进行考察， 然后建立数值仿真从中获得神经网络的训练数据。电弧传感器经训练后可达到 预期的性能，并可用于t 型接头的焊缝跟踪。1 9 9 4 年德国汉堡大学的k r e f t ，l 和s c h e l l e r w 提出建立在面向数据的焊缝跟踪系统的新方法，其控制的核心 元件就是人工神经网络，借助于神经网络可训练性、抽象能力和容差能力的特 点，该方法简化了焊接中的许多过程，与传统的方法相比使这个控制系统具有 很大的优点：通过分析新过程的参数和程序，系统可以从新的焊接过程及其随 后的人工神经网络的自学习获得参考数据进而更换控制系统参数。1 9 9 4 年只本 的s u g a ，y 等将神经网络控制运用于视觉传感焊缝跟踪系统。在将视图传给神 经网络之前用l o g 过滤器过滤视图提高焊缝图形的质量，然后产生一个二元图 象，最后将二元图象用于人t 神经嘲络，可获得鲁棒性较强的控制系统。1 9 9 3 年美囡a k b a y ，k u n t e rs 等在航天飞机外壳焊接的焊缝跟踪系统中采用神经网 络控制的可行性进行了研究。它将焊缝上小同点的方化作为一个一：元数据集合， 每一个集合都成为神经网络的洲练数据。从焊接区域视图的扶度值l j 获取榆测 数据利用阈值方法区分原始图象的暗区，刘1 j 种焊接模板的图象用上述方法 进行可行性实验，发现在所有的情况卜神经网络都能成功的榆测到焊缝的位置 乖l i 方向。 在焊缝自动跟踪技术方面，智能化将成为这一领域的一片广阔的大地。智能 控制系统f i 仅能进行外界信号的测量和转换，而且还具柯畦忆、存储、解析及 统计处理等功能。和任何控制系统一样，焊缝跟踪系统也需要检测冗件即传感 2 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 器存在。随着人们对焊接质量要求的不断提高和各种传感技术的不断发展和完 善，焊接中的精度高、响应速度快的传感器将会得到更加广泛的应用。 1 2 超声传感跟踪系统的研究情况 1 2 1 接被式趣声波传感器 波传感器 头 图1 - 1 两个斜探头置于电极两侧进行熔深检测 焊接中应用的超声波传感器包括接触式超声波传感器和非接触式超声波传 感器两种类型。8 0 年代初，英国的f e n nr 在研究超声波控制熔深时，首先想 到了将超声波应用于焊缝跟踪。检测原理如图卜1 所示 1 ，将两个超声波探头 置于与焊缝等距离的左右两侧，同时发出具有相同性质的超声波。根据接收的 超声波的声程就可以控制焊接熔深，将两个超声波的回波信号进行对比，就可以 确定焊缝的偏离方向和大小。但这一研究当时尚处于及初始阶段，当传感器倾 斜5 。时，就接收不到钢板反射回来的回波信号，而且采用该传感器要求板材 具有一定的厚度( l o m m ) ，为提高跟踪精度还要求大大提高超声波的发射频率。 实际焊接生产中也不易满足超声波探头与工件之间接触的可靠性。多年来英国 的b r u n e l 大学一直致力于将超声波传感系统同时应用于熔深控制和焊缝跟踪这 方面的工作，在1 9 9 7 年建立起焊接质量控制和评估系统，该系统采用多功能超 声传感器不仅可以控制熔深、进行跟踪焊缝而且能实时检测焊缝缺陷，其焊缝 跟踪精度达到0 3 啪l 2 j 。 图1 2 系统原理方块图 近十年来，超声波传感器用于焊缝跟踪的研究主要集中在非接触式超声波 传感器。图卜2 是一个典型的超声波传感器焊缝跟踪系统( 此系统应用于船体 焊接的焊缝环境识别) 。跟踪系统采用两个超声波传感器。一个发射超声波， 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 工作的指令。r o m 和r a m 等为8 0 8 5 的外围扩展电路，系统一旦通电工作后，固化 在r o m 的程序就开始工作，数据的读入和写出在r a m 内进行。主机在处理跟踪任 务的同时能显示焊枪前方的工件形状。 非接触超声波传感器在焊缝跟踪中存在两种形式：聚焦式超声波传感器和非 聚焦式超声波传感器。两种传感器的焊缝识别方法也不相同，聚焦超声波是在焊 枪前方的焊缝左右进行扫描的方法检测焊缝，而非聚焦超声波采用在焊枪前方旋 转的方法检测焊缝。 8 0 年代末，美国的c h a r l e su m e a g u k w 等人对非聚焦超声波传感器进行了研 究。采用这种超声波传感器的最小要求是焊接工件能在4 5 。方向反射回波信号， 焊缝的偏差在超声波声束的覆盖范围内，v 型坡口焊缝和搭接接头焊缝都能很好的 满足这一要求。图卜3 为焊缝跟踪的装置图 4 。超声波传感器处于焊枪前方 图1 - 3焊缝检测装置图图1 - 4 焊缝偏差几何示意图 的焊缝上面，并沿一条垂直于焊缝的轴线旋转，传感器在旋转过程中始终与工件 成4 5 。角，并且旋转轴的中心线与超声波声束中心线交于工件的表面。传感器的 旋转轴处于焊枪的正前方，代表着焊枪的即时位置( 俯视图上焊枪和旋转轴中心 线都处于焊缝的切线上，以焊咀为切点) 。传感器在旋转过程中总有一个时刻超 声波声束处于坡口的法线方向即图1 - 4 的位置，特点是此时传感器的回波信号最 强，而且传感器和其旋转的中心轴线组成的平面恰好垂直与焊缝方向。焊缝的偏 差可以表示为： j d = g - - 瓶万可 ( 1 1 ) 其中，j d 焊缝偏差 r 超声波传感器的旋转半径 r ，传感器检测到的从探头到坡口之间的距离 d 坡口中心线到焊缝棱边的距离 h 传感器到工件表面的垂直高度 聚焦超声波传感器采用扫描焊缝的方法检测焊缝偏差。与非聚焦超声波传感 器相反，这种传感器不要求整个焊缝笼罩在超声波的声束以内，而是力求将超声 波的声束聚焦以后“点”击在工件的表面，声束越小则检测精度越高。因此，一 般在普通超声波探头前加球面声透镜来达到聚焦的目的，这种情况下的超声波的 发射频率也比较高。超声波发射信号和接收信号的时间差将作为焊缝的纵向信 息，传感器在焊缝左右两侧进行扫描后得到的超声波发射和接收的次数差( 即点 数差) 将作为焊缝的横向偏差信号。天津大学几年来在非接触超声传感的焊缝自 蕊灌，涵 4 天津大学顿士学位论文 第一章绪论 的纵向信息，传感器在焊缝左右两侧进行扫描后得到的超声波发射和接收的次 数差( 即点数差) 将作为焊缝的横向偏差信号。天津大学几年来在非接触超声 传感的焊缝自动跟踪系统的研究，已经进行了许多卓有成效的工作。其跟踪系 统的传感器置于焊枪前方，扫描机构带着传感器在工件上方沿着水平( 左右) 方向做扫描运动。传感器向焊件发射超声波检测信号，遇到工件表面后，超声 波的检测信号被反射回来，并由超声波传感器接收，经处理后得到的矩形波脉 冲检测信号。然后由超声波从发射到接收之间的时间可以计算出传感器与焊件 之间的垂直距离，由扫描的左右点数差可以计算焊缝横向偏差- 。 超声波传感器在焊接生产已经上得到一定的应用，但主要运用在埋弧焊和 水下机器人焊接。如九十年代日本的s u g a ，y a s u o 将超声波传感器用于水下机 器人湿焊，水下湿焊主要解决了在正常跟踪速度下超声波传感器检测的速度问 题。跟踪时机器人可以沿x 和y 两个方向运动，超声传感器沿x 方向运动，探 头直径9 m 。超声波的频率为5 删z ，在水下离探头5 0 m m 远处超声波声束大小约 为2 m m 。用这种超声波检测的方法可适用于大多数钢板，但当母材表面状况差 时，机器人有可能会作出误判，跟踪误差到达为0 5 m m 。 1 3 本文研究内容 目前国内外对超声传感焊缝跟踪的研究大都集中在弧焊机器人特别是水下 机器人焊接上或者在埋弧自动焊上。无论水下焊接或者埋弧焊其电弧弧光和气 体介质等对超声波的发射和接收没有太大的影响，但是随着c 0 2 焊接等气体保 护焊接的推广。气体保护焊自动跟踪问题也被提上日程。鉴于天津大学多年来 在超声传感焊缝跟踪领域的所取得成果，本文就以下几方面提出了进一步研究： 1 进行气体保护焊焊缝自动跟踪技术的研究，重点开展气体介质对超声波 传播的影响机理和规律的研究。 2 进行c 0 ，焊接超声传感焊缝自动跟踪系统的研究。 3 将f u z z y - p 控制理论引入到c 0 ，焊接超声传感焊缝自动跟踪系统中，进 行f u z z y - p 控制的计算机仿真研究，确定其控制方法和规则。 4 完善系统的控制软件，尤其是软件的抗干扰能力。 1 4 本章小结 本章概述了焊缝跟踪技术的发展现状，扼要介绍了专家系统、模糊控制和 神经网络三种智能控制方法。论述了超声波传感器在焊缝跟踪中的研究情况， 包括超声波传感器的类型和相应的检测原理和跟踪方法。在此基础上，提出了 本文的研究内容。 第二章c 0 2 焊接焊缝跟踪超声波传感技术 c o ，焊接是一种高效节能的焊接工艺方法。随着焊接自动化的发展，c o ：焊 接得到了越来越广泛的应用。超声波传感焊缝跟踪技术虽然得到了很快的发展， 但是其主要研究和应用是在水下焊接或埋弧自动焊中。在这些研究和应用中， 电弧光、气体介质等干扰因素对超声波传感信号的影响较小，因此取得了较好 的跟踪效果。而在c 0 ，焊接中，电弧、气体介质、飞溅等干扰因素对超声传感 焊缝检测影响较大。如何在c o 。焊接以及其它气体保护自动焊中采用超声波传 感器进行焊缝跟踪成为本课题研究的主要内容之。 2 1 介质对超声波传感信号的影响 在非接触超声波传感焊缝跟踪中，超声波信号要通过气体介质进行信号的 传输。不同的气体介质对超声波传输的影响不同，其主要影响是对超声波传感 信号的衰减。在气体保护电弧焊中，保护气体主要有氩气( a r ) 、二氧化碳气 ( c o ，) ，因此，在气体保护焊的焊缝跟踪中，非接触式超声传感器工作的介质 主要是空气、a r 、c o ，等气体。 为了弄清不同气体介质对超声波信号传输的影响，采用试验方法进行了研 究。试验装置的原理图如图2 1 所示。非接触式超声波传感器位于焊枪的前方， 采用左右扫描方式进行焊缝检测，当焊缝出现偏差时利用调整机构进行调整。 试验主要看传感器在各种介质情况下能否正常工作。超声波传感器的超声波频 率( f ) 为0 5 m h z ，焦距( f ) 为7 5 n r a ，焦点直径( d ) 为0 5 m m ，机头行走速度 ( v ，) 为2 8 m h ，焊枪和超声波传感器之间的距离( l ) 可调。 试验是这样进行的：在焊枪中通各种保护气体的条件下，调整l ，获得在 各个l 下，超声波焊缝跟踪系统可以正常工作的最大保护气体流量( q ) 。为了 减少其它因素的影响，在此试验中没有引燃焊接电弧。 图2 - 1 实验装置原理图 2 1 1 氩气余质 氩气对超声波信号传输影响的试验结果如表2 1 所示。可见，氩气对超声 波信号的传输有一定的影响，这主要是因为氩气的声阻抗与空气的声阻抗不同， 而目前采用的非接触式超声波传感器进行的声阻抗匹配是选择的与空气的声阻 抗匹配。因此，当氩气进入到超声波传感器传输空问时，必定加大超声波信号 赫融 6 的衰减，从而使跟踪系统无法正常工作。但是该种影响随着焊枪与传感器距离 的增加可以减弱。因此，在氩弧焊中，根据气体流量的大小适当增大焊枪与传 感器之间的距离就可以进行焊缝跟踪。 表2 - i 氩气对超声波信号传输的影响 堕煎! ! 幽2塑婴! ! !塑塑! 塑 气体流量( 1 m i n ) l ll l1 41 51 82 02 2 虽然在氩弧焊中，适当增大焊枪与传感器之间的距离可以减少氩气对超声 波信号的影响，但在试验中发现，当在氩气流量改变过程中对超声波信号影响 较大，也就是说在气流状态切换时有很大影响，这说明超声波传输过程要求介 质处于比较稳定的状态。所以在焊缝跟踪时应让氩气通气稳定后在开始跟踪控 制。 2 1 2c 0 ，介质 c 0 ，对超声波信号传输影响的试验结果如表2 2 所示。由此可见，c 0 2 对超 声波信号传输的影响远远大于a r 。即使l 达到1 0 0 r a m ，允许c 0 2 的最大流量也只 有3 1 m i n ，远达不到c o ，焊接时，气体流量应为5 1 5i r a i n 7 1 ( 细丝小规0 范 焊接) 的要求。因此，在c 0 。焊接时，采用增大焊枪与传感器之间的距离的方 法是不能解决问题的。 表2 - 2c 0 对超声波信号传输的影响 距离l ( 咖) 4 0 5 06 07 08 09 0i 0 0 气体流量( 1 m i n ) 11 522333 2 1 3a r + c d ，介质 在气体保护电弧焊中经常采用混合气体，而应用最普遍的是a r + c 0 。因 此，a r + c o 。介质对超声波信号传输的影响也进行了试验。a r + c 0 2 的总气体 流量为1 1 1 i ir ，改变a r 和c 0 2 的比例，观察其影响。当a r 流量稳定下来后， 允许的c o , 流量几乎和2 1 2 的情况差不多。试验结果如表2 3 所示。可见，c o ， 所占比例越大，对超声波信号传输的影响也越大，也就是说，c o 。对超声波传输 的影响比较大。 表2 3 h r + c 0 2 对超声波信号传输的影响 距离l ( 蚴) 4 0 5 06 07 08 09 0i 0 0 c o ，气体所占比例( ) 7 1 01 01 41 71 72 0 2 2c o ，对超声波信号传输影响的原因 超声波在c 仉介质中衰减的原因除了声阻抗不匹配而引起的声波反射外， 还包括气体介质对超声波的吸收和散射。散射衰减的问题比较复杂，它和介质 粒子的形状、尺寸有关外还和散射粒子的微观性质有关。但散射不是c o ，介质 中引起超声波衰减的主要因素。而吸收却是c o 中超声波衰减的主要原因之一。 超声波在介质中传播时，如果一部分声能不可逆地转换成介质的其它形式 的能量时，表现出来就是超声波能量被吸收。也就是说，在声波的压缩阶段介 质温度升高，声波能量转换为介质分子的内能，其能量按照一种叫做驰豫的过 程来进行转换，使分子平动、转动和振动能量达到平衡。而当进入声波膨胀阶 段时，介质内能又不不完全转变为声能，从而造成声能的损耗和超声波传感信 号的衰减。声吸收衰减主要包括切变粘性引起的衰减和热传导引起的衰减。即 。帆= 詈剐町+ 引+ 百3 ( y i 百k ci ( 2 z ) 其中，a 声吸收衰减系 a 。切变粘性引起的衰减系数 吼热传导引起的衰减系数 k 热导系数 c 定压比热 y 压比热与定容比热的比值 玎体积粘滞系数 叩反映了除热传导和切变粘性之外的其它驰豫过程引起的吸收。频率较低 时叩为常数，可以认为声吸收与频率的平方成正比，而在频律较高时，可不是一 个恒量，它随频率的变化而变化。 现代分子声学发现，超声波介质存在两类吸收机构：第一类是超声频率较 高与介质微观结构中某过程本征频率相同时，出现共振吸收( 一般土业测量超 声频率小于共振吸收频率，不会出现这一类吸收) ：第二类是所谓“驰豫吸收”， 即声能从声能向别的形式的能量的转换中，能量改变的速率总是和能量差成正 比的。驰豫过程都需要有一个驰豫时间t ，其儆数m ，称为驰豫频率。超声波 在介质中传播时，切变粘性和热传导过程都是驰豫过程。当超声波频率达到或 者超过介质的驰豫频率时，其吸收将大大增强。如图4 - 2 所示当频率c a ) ( i ) ，时，o 逐渐趋近于 一个常数。 图2 - 2 驰豫过程中吸收系数和频率的关系 在气体保护电弧焊中，非接触式超声传感器的主要工作介质有：空气、a r 、 c 0 2 等气体。表2 - - 4 为常用气体的声吸收系数表，由此可见，c 0 2 气体的对超声 波的吸收最为严重，它的声吸收系数是一般气体的几十倍甚至上百倍。 表2 4 常用气体的吸收系数 气体频率f ( k h z )( 8 f 2 ) 1 0 。1 3 s 2 c m 空气1 3 2 1 4 52 9 4 - 3 9 9 11 5 8 - 1 4 0 81 6 7 - 1 9 9 0 2 6 5 5 - 1 2 1 93 4 9 - 1 9 0 c 0 2 、 5 1 24 6 5 6 42 7 7 9 95 4 0 1 7 82 4 0 a r6 1 22 试验证明当超声波传感器检测区内充满c 0 。气体时，超声波检测到的回波信号 几乎降到零，使超声波传感器根本无法工作。c 0 2 气体对超声波的吸收很强，主 要是与驰豫时间有关。对于像c o ：这样的双原子气体，热驰豫现象发生在很低 的超声波频率内，其驰豫时间为1 0 。至1 0 “秒的数量级，在超声频率达到0 5 删z 的时已经处于驰豫频率范围内，其吸收衰减系数已经到达与频率f ( 或( j ) ) 成正 比的阶段，所以超声波在c o ，介质中的衰减要比其它气体介质中的衰减大得多。 因此，在c o ：焊接中，如何解决气体介质对超声波信号的衰减是超声传感焊缝 跟踪系统应用的关键问题之一。 2 3 降低c o 。对超声波信号传输影响的研究 在c 0 ：焊接中减少c 0 2 对超声波信号的衰减影响，目前主要的措施是采用物 理隔离的方法，例如，加套筒的方法，带“拖布”的挡板方法等等。 2 3 1 套篱法 由于超声波探头的频率和尺寸是一定的，要减小c o ，对超声波的影响只有 将c 0 2 气体尽可能地排出在超声波的声场之外。因此，首先考虑的就是在超声 波探头外围加一个圆柱形的套筒。套筒的底部和母材的距离为5 - 1 0 r a m ，试图以 此将c o ，气体与超声波的传输区域隔离开来。其试验结果如表2 5 所示。 表2 5 套简法试验结果 距离l ( 哪) 4 05 06 07 08 09 0i 0 0 气体流量( 1 m i n ) 11 52233 54 与表2 2 的试验结果相比可知，简单的套筒法对减少c o ，中超声波衰减的 效果不大。这是因为在扫描式超声波传感检测中，超声波传感器左右往复扫描， c o ：气体很容易通过套筒和工件之间的间隙进入超声波的传输区域，从而没有达 到预想的结果。 2 3 2 带“拖毒。的挡板法 既然c o ：可以通过套筒和工件之间的间隙进入超声波的传输范围，为了有 效的隔离c 0 ：气体，在焊枪和传感器之间加一个底部带“拖布”的挡板，机头 行走时挡板下部的拖布紧密地“贴”在工件上。试验结果表明，这种方法可以 有效地隔离c o ：，使超声传感焊缝跟踪系统在c o ：焊接中成为可能，其试验结果 见表2 - 6 。 表2 - 6 带“拖布”的挡板法试验结果 距离l ( m ) 4 05 06 07 08 09 01 0 0 1 01 2气体流量( i m i n ) 8 i 0i 0 由于挡板的存在，这两个近距离的实验无法实现 这种情况下，c 0 2 只能通过拖布底下的焊缝坡口气隙而进入到超声波传输的 区域，所以c 0 2 进入超声波传输空间的可能性太大减少，c 0 2 的影响也大大减少。 这时，若提高焊接速度( 机头行走速度) ，可以在一定程度上进一步减少c 吼的 影响，也就是说，在同样的l 下，可以提高c o ，的气体流量。 2 3 3 套钧+ 鼠赢法 尽管带“拖布”的挡板法可以有效地减少c 0 2 对超声波传输的影响，但是， 该方法的装置较大，拖布必须具有耐火、耐磨、柔软等特性。因此，在实用中 具有一定的局限性。为此，又提出了一种“套筒+ 风扇”的方法。即在原来圆 柱形套筒的上端加一个轴流风扇，使超声波传感器的检测区域周围形成一个“空 9 气罩”，防止c o ，气体进入传感器的检测区域。其装置如图2 3 所示。 图2 3 ( a ) 为最初的装置，由轴流风扇形成的空气气流顺着传感器外围向下 流动，在探头周围形成气体保护罩，用以阻止c o ，气体进入到检测区域。但由 于空气气流在套筒下方向四处发散，很容易引起空气气流的紊乱。而紊乱的空 气气流不仅会使周围的c o ，气体卷入超声波的传输区域，而且紊乱的空气气流 本身也会影响传感器的正常工作。因此将装置进行了改造，改造后的装置如图 2 3 ( b ) 所示。即在图2 - 3 ( a ) 的基础上延长圆柱形套筒，使其底部距离工件5 l o m m 。这样空气气流可以顺着套筒的内壁向下流动，套简起着引导气流的作用， 增大了气体的层流区间，减少了c o 。气体侵入的间隙，从而有效地阻止了c o 。气 体进入到超声波的传输空间。同时，在实际焊接中，套简还可以有效阻挡电弧 的弧光和焊接的飞溅，该方法具有较好的实用价值和应用前景。其试验结果如 表2 7 。 ( a ) 图2 3 传感器顶部安装微型风扇 表2 7 套筒+ 风扇法试验结果 距离l ( 咖) 4 0 5 06 07 0 塑业! ! ! 1 51 71 7气体流量( 1 m i n ) 扫描磁条法是指在焊缝的左侧或右侧铺设一条与焊缝走势一致的磁条，让 超声波传感器扫描磁条而不是焊缝。磁条扫描方法的实质是让磁条模拟焊缝， 通过扫描磁条而获得焊缝的偏差信息。其工作原理如图2 - 4 所示。显然，磁条 是凸出的，而焊缝是凹下的，这可以通过修改指导焊缝跟踪系统的软件来检测磁 图2 - 4 磁条扫描法示意图 工件 条的凸出信息。采用扫描磁条的方法有以下几个优点：( 1 ) 解决了焊缝跟踪中因 传感器和焊枪之间的距离而引起的超前调节的问题，因为此时超声波探头和焊 枪处于焊缝方向同一平面上，磁条的偏差即是对应焊缝的偏差。( 2 ) 解决了多道 焊特别是盖面焊的焊缝跟踪问题，因为无论焊接几道焊缝，只要磁条不动它仍 然体现焊缝的走势。( 3 ) 解决了c o 。气体介质对超声波吸收问题，这主要是因为 在这种情况下，焊枪和超声波探头之间的距离可以在一定范围内随意调节。如 果在探头和焊枪之间增加一个挡板，其效果更佳。( 4 ) 适用于各种坡口的焊缝 跟踪。 试验证明，这种方法是非常有效的，当焊枪和超声波探头之间的距离为1 4 0 i i 】i n 时，c 0 ，气体的流量增大到2 5 1 m i n 时，传感器照样正常工作。 2 4 空气气流大小的影响 由于采用了声阻抗匹配等技术，非接触式超声波传感器在空气处于自然流 动状态时能够正常工作。但是，当超声波处于紊乱的空气气流中或者空气气流 流速较大时，超声波就不能正常工作了。如在传感器侧面或顶上安装一个微小 的轴流电风扇，当电风扇功率较大，气流较快时，跟踪系统不能正常工作。当 减小电风扇功率使气流减慢时，系统能够正常跟踪。由此可见，气体介质的形 态、气流的大小对超声波也有很大影响。在空气介质中，气流越小，气体流动 越稳定，对超声波影响越小。另外，在做c 0 2 气体影响试验时，曾考虑在传感 器周围安装一个圆锥形套筒( 目的是为了减小c 0 。气体进入超声检测区域的可能 性) ，同时在传感器的顶部安装一轴流风扇，当电风扇关闭时，传感器可以正常 工作，而当电风扇接通时，传感器不再正常工作，这也是因为较强的空气气流 在圆锥形套筒内受阻形成紊乱的涡流，从而影响了超声波检测信号的传输。 2 5 本章小结 通过试验分析，指出了在气体保护电弧焊中，保护气体介质使空气式超声 波焊缝跟踪传感器的超声波信号产生衰减，不同的介质对信号的衰减大小不同， 而c 0 2 对信号的衰减尤为严重。分析了各种气体介质使超声波信号衰减的机理 和主要原因。并根据介质的影响提出了进行焊缝跟踪采取的措施，尤其是提出 了防止c 0 2 气体影响的方法：套筒+ 轴流风扇方法，带拖布的挡板方法，磁条跟 踪方法等等。同时指出了气流的形态和大小对超声波信号的传输也存在一定的 影响。、) 第三章c 0 2 焊接焊缝跟踪系统设计 本文选择频率为0 5 m h z 超声波探头作为焊缝自动跟踪系统的传感器，采 用m c s 5 1 系列的8 0 3 1 单片机作为控制系统的c p u ，以参数自调整模糊控制 理论为基础，研制了一套扫描式超声传感焊缝自动跟踪系统【9 1 0 0 。系统的原理 图如图3 - 1 所示，主要包括超声波发射与接收电路、单片机主控电路、功能转 换、显示电路以及机械执行机构等几部分组成。 图3 - 1 超声传感焊缝跟踪系统原理图 l 跟踪原理及焊缝偏差信号检测 跟踪系统的检测装置即超声波传感器置于焊枪前方，利用一机械扫描机构， 使探头在焊缝上方作左右往复运动，通过超声波的发射和接收，8 0 3 1 单片机主 控系统就可以检测出焊枪与焊缝的相对位置( 高低和左右方向) ，然后根据检测 到的位置信息进行焊枪相对于焊缝的高低、左右位置偏差计算，最后通过单片 机输出纠偏信号，步进电机驱动其纠偏调整机械执行机构对焊枪进行高低、左 右方向位置调整，从而实现焊缝自动跟踪。跟踪条件是：焊缝必须处于超声波 正常扫描范围之内；传感器的高度适中使得工件处于超声波传感器焦点附近( 约 为7 5 r a m ) ，以保证跟踪精度。、 3 1 1 焊缝级淘信息检测 设传感器与焊件表面之间的垂直距离为h ，扫描机构带着传感器沿焊件表面 作左右方向扫描运动。传感器向焊件发射超声波检测信号，遇到金属表面后， 超声波检测信号被反射回来，并由超声波传感器接收，经放大检波后输入给整 形电路，得到如图3 2 所示的矩形波脉冲检测信号，可以计算出传感器与焊件之 间的垂直距离h ： h = 学 ( 3 1 ) r q1 、 式中，f 一超声波发射到接收时间 c 超声波在空气介质中的声速 u u l 发射波信号回波一 4 a - 号基准波 j。j 1l f fr r lt ( m s ) 7 jt ll t ( m s ) 图3 2 矩形波脉冲检测信号 当传感器由左向右扫描，在扫描起始点，传感器连续测量若干个检测点的垂 直高度，经数字滤波后得到传感器距离焊件表面垂直高度h 。，设实际传感器与 图3 3 焊缝位置检测原理图 1 、 焊件表面高度方向的偏差为ay ；并设给定的传感器与焊件之间的垂直高度为 h 。，高度方向上允许偏差为h 。 a y = h 。一h 。 ( 3 2 ) 当ay 0 时，表示传感器距离焊件表面的垂直高度大于给定值；反之，当y h 0 时，则根据检测到的偏差 方向和大小，在高度方向进行纠偏调整。 3 1 2 焊缝横向信息检溅 为获得焊缝左右( 横向) 位置的偏差信息，采用寻找棱边的方法。如图3 - 3 所示，其工作原理如下：设传感器在扫描过程中第i 点测得距焊件表面垂直高度 为h t 。预先确定一个门槛值h ，如果满足： 蚓= 阻一h 。i 埘 ( 3 - 3 ) 。 。妊矗tm 则扫描得到的是焊缝左边平面的信息。当传感器扫描到焊缝左棱边的时候，会 出现两种情况。第一种情况是传感器检测不到垂直高度h ；，这是因为对接v 型坡 口斜面把超声波回波信号反射出探头所能检测的范围；第二种情况是该点高度 偏差大于ah ，这是因为传感器已经到达焊缝上方，对接v 或u 型坡口底部低于工 件表面，即： 1 酬= 1 日，一h 9 1 埘 ( 3 4 ) 并且有连续m 个点没有检测到垂直高度值或者检测到的高度值满足( 3 4 ) 式。 则可以判定已经检测到焊缝坡口的左侧棱边。假设系统记录了传感器在焊缝左 侧水平方向上共接受到r 个超声波回波信号，即超声波在焊缝左侧“点”击的 个数。 检测到焊缝坡口后，传感器扫描到焊缝( 坡口) 上方，在焊缝上方就检测 不到垂直高度或者高度值满足( 3 4 ) 式。当传感器发射到第j 次超声波检测信号 其检测到垂直高度为h j 满足；， 。 i a y i = i h 厂小 a x o ( 3 7 ) ( 3 8 ) 控制系统根据检测到的左右偏差的大小和方向进行纠偏调整。 3 2 系统硬件设计 3 2 1 控钠核心硬件 系统硬件部分的核心是以8 0 3 1 为核心的单片机最小控制系统。主要由8 0 3 1 电机驱动l 仁p 1 蕊 a 8 1 2。于 偌 x 1 a l la l e 鐾 a 0 7 2 7 6 4 i = i 口二 x t a l 2 3 ( 3 1 4 ) 1 8 确定了和a ：后模糊控制表也确定了。例如当a 。= o 4 ，q ：= 0 6 可以得到模糊 控制表，见表3 1 。 惑 - 6- 54- 3- 2- 10+ l+ 2+ 3+ 4+ 5+ 6 - 6665544433222l - 55554433322211 - 4544433222110o 一354432211o- 1- 1- 2- 2 - 24433211 0 01- 22- 3 14332210o- 1- 1- 233 - 04322100l- 1- 2- 23- 4 + 13321100- 1- 2- 233- 4 + 2 3 221oo- 1 - 1 2- 3- 3- 4- 4 + 32211o一1- 2- 2- 2- 3- 4- 4- 5 + 4oo- 1- 1- 2- 2- 2- 3- 3- 4- 4- 4- 5 + 51- 1- 2- 2- 2- 3- 3- 3- 44- 55- 5 + 6- 1- 2- 22- 3- 3- 4 - 4- 4- 5- 5 6- 6 3 3 4 模糊控制软件实现 模糊控制的软件以汇编语言编写，采用模块化的编程方法，每一个模块完 成特定的任务。外围设备以查询的方式将数据输入单片机。系统的主程序对工 作状态进行循环查询，调用系统子程序实现相应的功能。主程序流程图如图3 - 8 所示，开机后首先进行程序初始化工作，包括选定工作寄存器区、计数器定时 器工作方式和8 1 5 5 芯片工作方式等。之后，进行调整跟踪判断。手动调整的目 的是将焊机机头调整到合适的位置后再进行跟踪。系统的手动调整包括上下和 左右调整。在上下方向要调整到传感器可以正常工作的范围内，只有在正常工 作的范围内时，系统的显示装置才显示传感器的高度。左右的调整应使焊缝