厚壁管件对接焊数字式传感自动跟踪控制器的研制马彩霞陆依成艾盛朱余荣杨金孝（西北工业大学西 安７１００７２）摘要研制了一种全集成电路数字式传感双向自动跟踪控制器，该控制器可同时实 现横向和纵向双向自动跟踪，跟踪精度高，抗干扰能力强，适用于Ｕ形和Ｖ形坡口的对接焊，且不 受焊接方法和材料的限制。介绍了这种控制器的系统组成、工作原理、性能和使用考核结果。关键 词双向传感器焊缝跟踪自动电弧焊中图号ＴＧ４引言在自动电弧焊跟踪系统的研究中，传感器是十 分重要的，甚至起决定性的作用。目前用得较多的机械跟踪或是最新发展起来的微机控制的光电跟 踪或图像处理，绝大部分采用模拟输出的传感器，这类传感器在使用前需要标定，当使用条件与标 定条件不一致时，就会引起附加误差，使传感器的实际精度下降；在使用中又会出现零点漂移，使 实用中的跟踪系统精度和灵敏度低于传感器的精度和灵敏度。不仅如此，以模拟量输出的传感器， 对信号的检测大都是定性的，这不利于准确地实现跟踪控制；另外，系统的抗干扰能力弱，影响系 统的稳定性和可靠性，难以直接推广应用到实际生产中去。本文从实际生产中需要跟踪系统操作维 修方便，使用稳定可靠和设备成本尽可能低的特点出发，研制了一种全集成电路数字式传感双向自 动跟踪控制器，有效地解决了上述诸问题。１控制器的功能控制器对厚壁件Ｕ形和Ｖ形坡口对接自 动电弧焊，可同时进行横向和纵向焊缝自动跟踪。在跟踪过程中，控制器具有对双向传感器工作状 态、步进电机运行状态及转方向的光电指示和步进电机转动速度及采样频率的数值显示，可清楚表 明整个跟踪过程及各个主要参数。此外，控制的双向电机均可手动控制，满足了初装时调整的要求 。２控制器的工作原理自动跟踪控制器的方块图如图１所示。由传感器输出的数字量信号经过集成 数字电路进行处理，控制步进电机驱动电源，使两个步进电机按信号转动，再由双向滚珠丝杆分别 带动焊枪作横向和纵向移动，从而实现双向跟踪。执行机构中的步进电机步距角为１．５°，对应 滚珠丝杆的螺距为４ｍｍ，这样，两个方向可移动的最小单位量为１／６０ｍｍ，足能满足任何跟 踪精度的要求。另外，步进电机具有的定位、多次起停后无积累误差的特点，与滚珠丝杆滚动摩擦 的高效率性能相配合，使整个系统的控制精度能较好地跟随传感器的精度，从而保证了系统的精度 。下面分别讨论有关部分。图１图２２．１双向数字式传感器２．１．１横向传感器横向传感器采 用光纤结构型式，如图２所示。传感器端部由若干相同厚度的光纤薄层叠成，每层间用不锈钢薄片 分隔，当层数根据需要确定后，就可将其紧固置入一个特制的铝壳中。每层光纤后部扎成束状，套 在有柔性的保护管中，并与光敏元件信相应电路相连。该传感器以焊缝棱边为依据，利用光纤薄层 将连续光信号离散成数字光信号，经光纤传输照射在光敏三极管上，由光敏三极管将离散的光信号 转换为数字电信号输出。这种传感器适用于Ｕ形和Ｖ形坡口对接缝的焊缝跟踪。该传感器的基本工 作原理以Ｕ形坡口为例加以说明。如图３所示，当传感器置于坡口侧壁边上时，由于棱边作用，只 有那些位于坡口间隙内的光纤层能接受到光源的照射，使得相应的光敏三极管有对应的输出，设定 此种状态为“１”态，而那些被棱边遮住的光纤层由于不受光照，对应输出为“０”。显然输出结 果只能有“０”、“１”两种状态，形成了数字化结果。这样所有层（设为ｎ层）同时作用时，输 出结果就是由ｎ位二进制数组成的数字量。很明显，传感器输出为“１”的个数就表示位于坡口中 的光纤层数，而每层厚度已知且均等，因此，根据输出的二进制数可直接得知传感器相对于焊缝的 偏移量。从实际使用要求出发，我们研制的光纤层数为８，每层厚度为０．２ｍｍ（厚度最薄可做 成０．０５ｍｍ）光纤头，已能满足一般焊缝跟踪的要求。２．１．２纵向（高度方向）传感器纵 向传感器设计成机电接触式，如图４所示。图中基准４与焊枪相连，因此，基准与工件之间的距离 变化即反应焊枪高度的变化。焊枪高度变化通过与工件相接触的滚珠推动下浮动杆上下运动，从而 使得两个上浮动杆Ａ０、Ａ１与导电片５接触或脱离接触产生相应的电信号输出。设上浮动杆与导 电片相接触时的输状态为“１”，反之为“０”，显然，其输出结果只可能是两位二进制数的组合 。如设定初始状态为“０１”，即Ａ０杆与导电片相接触，Ａ１杆与导电片脱离，若在此后由于外 加原因，基准（即焊枪）与工件间的距离逐渐变小，即下浮动杆逐渐向上移动，当移动一距离后使 得Ａ１杆开始与导电片相接触，使对应的输出结果由“０１”变成“１１”。利用此状态的变化便 可控制焊枪上提。反过来，当焊枪与工件间距离增大时，Ａ０杆便会脱离接触，使输出状态由“０ １”变成“００”，此信号也可控制电机作下降调整。从上面的分析可知，可直接根据输出的二进 制控制数控制纵向电机的调整，从而实现纵向跟踪。图３图４纵向传感器的反应灵敏度取决于Ａ０ 、Ａ１两杆下端部的高度差△Ｈ（见图４）。当焊枪与工件间距离在Ｈ至Ｈ＋△Ｈ内变化时，整个 机构不作调整，反之则调整。△Ｈ的值可通过调节螺帽方便地调整，这样可根据不同跟踪对象选择 △Ｈ值，以满足对灵敏度的要求。纵向传感器由于下浮动杆是刚性的，不会在传递工件高度变化方 向上产生误差（包括量值和时间上的变化），可见，这种机电数字式传感器既具有机械传感器的可 靠稳定性，又具有足够的精度。不仅如此，由于导电片直接与＋１２Ｖ电源相接，这样，输出结果 的“０”与“１”就为０Ｖ与１２Ｖ，可见高低态电位差别大，高态信号量强，既有很强的抗干扰 能力，又具备足够的带负载能力，不必再经过放大等中间环节，简化了后级处理电路，较多地节约 成本，节省空间。２．２电平处理电路对光纤头接收的数字光信号应由电平处理电路进行处理，考 虑到焊接时各种因素对横向传感器接收光强的影响，设计的电平处理电路如图５所示。该电路光电 转换元件选用光敏三极管，根据其特性参数，其光电流（有光时的电流）与暗电流（无光照射时的 电流）之比为数千至上万倍，这一特性有利于加大光纤在有无光照射时的信号差，这样，既可保证 有足够强的抗光、电干扰的能力，同时又可直接得到满足要求的电平，简化了后级电路。图示电路 在正常室内照度下，Ａ点电位小于０．５Ｖ，而用６Ｖ、０．３Ａ的直流电珠在３０ｃｍ范围内照 射时可使Ａ点电位上升至８Ｖ左右。调整Ｗ１可以在同样照度下较大幅度地改变Ａ点电位，即改变 电路对光强的灵敏度。对Ａ点电位进一步利用电压比较器进行二值化处理，使输出电平更为标准， 电路中比较电压可在０～１２Ｖ范围内调整。另外，为了提高电路的驱动能力，进一步提高电路在 带长线时的抗干扰能力，设置了三极管电压跟随器。２．３信号处理电路该部分电路原理如图６所 示。由前面传感器讨论可知，跟踪系统横向传感器输出８位二进制数，电路采取逐位对称扫描方式 处理。当扫描过程中检测出偏差时，电路即判断偏差的正负确定步进机的转向，并送给步进机驱动 电源所需要的环形分配器，然后，让步进电机工作，同时开始计数，让电机运转到０．２ｍｍ对应 的步数后自动停止。若扫描过程中未检测出偏差则快速扫过，直至全部扫描结束。扫描过程的开始 受采样信号控制。只有当采样信号到来后，上述电路才开始工作，扫描结束后使电路复原，等待下 次采样信号到来后再重新工作，采用采样信号同步控制是为了进一步抑制各种干扰，提高系统的稳 定性。系统的采样频率可以在２次／秒到２次／分范围内无级调节，以供不同跟踪对象时选择。图 ５纵向传感器输出２位二进制数，根据其工作原理可知，仅需用异或处理即可满足要求。其电路原 理见图７。同样，处理过程也受采样信号的控制。图７图８２．４驱动电源驱动电源采用功率放大 电路。它接收来自环形分配器单元拍的电压脉冲信号，并对其进行放大，轮流加于步进机的Ａ相、 Ｂ相和Ｃ相。步进机在驱动脉冲信号作用下，转动一定角度，带动丝杆做角位移，实现对焊枪和双 向传感器直线位移的控制。３使用考核该控制器研制调试后，在窄间隙熔化极脉冲氩弧焊石油钻铤 中进行了焊缝跟踪试用。石油钻铤焊示意图见图８，由于石油钻铤本身直径小、管壁厚、管体长的 结构特点，采用多层焊时，横向和纵向焊缝均有较大的偏差。对此若没有跟踪装置，则必须人工调 节。采用全集成电路双向焊缝自动跟踪控制器后，焊缝偏差得到及时调整，明显提高了焊接过程的 稳定性和焊接质量，同时也提高了焊接的自动化程度。不加跟踪和加跟踪时的偏差数据见表１。经 试用表明，以数字信号输出的双向传感器的灵敏度、精度、动态特性和抗干扰能力等性能理想，横 向跟踪做到了定量控制。研制的焊缝跟踪控制器跟踪精度高，动态响应快，使用稳定可靠，操作简 单。表１不加跟踪和加跟踪时的偏差数据偏差位置偏差值（ｍｍ）不加跟踪加跟踪横向峰值谷值＋ １－１０．２纵向峰值谷值＋２．５－２＋０．５－０．５４结论综上所述，研制的自动跟踪控制 器具有以下特点：（１）采用以数字信号输出的传感器，既可定量给出偏移量的大小（横向），保 证在跟踪过程中不会出现欠调或超调，又具有很强的信号量，有效地提高了抗干扰能力，不必担心 在焊接条件下各种严重的干扰影响，这为保证精度及可靠性提供了良好的条件，同时又简化了后级 处理电路，节约了成本。（２）精度高，能满足不同实际生产对精度的要求。（３）系统结构简单 ，操作、维修、使用方便。（４）横向传感器除可直接利用坡口棱边或焊缝的接缝进行跟踪外，还 可方便地与专门设计的机械头相配合，从而扩大了在实际生产中的使用范围。此外，若配以简单的 光学成像系统，就可推广应用至多种对接、搭接焊缝的跟踪。参考文献１马彩霞，陆依成，杨金孝．一种用于厚壁件焊接的跟踪传感器的研究．焊接，１９９５（１０）２艾盛，杨金孝．冰箱压缩机壳体焊缝自动跟踪．焊接，１９９４（３）３何方殿．用于电弧焊接的跟踪传感器．电焊机，１９９０（３）４陆依成．微机控制窄间隙熔化极脉冲氩弧焊焊缝自动跟踪系统．焊接学会第ⅩⅡ委
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