高速旋转电弧旋转电弧 2

旋转电弧传感器

RotatingArcSensor

1/14/20231焊接机器人

1/14/20232焊接机器人的应用平面折角焊接平面弯曲角焊接1/14/20233焊接机器人的应用直角焊缝焊接直线焊缝焊接1/14/20234高速旋转电弧传感器1/14/20235

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1/14/20236

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1/14/20237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。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1/14/20238电弧传感器的分类并列双丝电弧传感器摆动电弧传感器1/14/20239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。焊炬与工件的距离引起电弧的变化弧长与焊接电流的关系1/14/202310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1/14/202311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。1/14/202312电弧传感器原理电源电弧系统的静态模型1/14/202313旋转电弧传感器工作原理焊枪对中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：焊缝跟踪原理1/14/202314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。1/14/202315旋转电弧传感器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。1/14/202316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1/14/202317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。1/14/202318旋转电弧传感器组成旋转机构焊接电源送丝机构霍尔元件传感器偏心机构1/14/202319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。1/14/202320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