基于薄板搭接的互感式焊缝跟踪传感器的【推荐论文】

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1、精品论文基于薄板搭接的互感式焊缝跟踪传感器的研究洪波，刘湘，何荣拓，阳佳旺，言浚光5（湘潭大学机械工程学院，湖南湘潭，411105）摘要：采用双矩形截面圆柱线圈互感式传感器作为焊缝跟踪传感器，实现了薄板搭接的焊缝跟踪。利用等效圆形回路法计算了轴线相交的矩形截面圆柱线圈之间的互感系数。使用Ansys 有限元分析软件，建立了传感器的三维模型，对传感器线圈的参数进行了优化设计，10分析了线圈轴线夹角对于传感器输出的影响，确定了适合于焊缝跟踪的互感式传感器结构。 最后，进行了互感式焊缝跟踪传感器的焊缝跟踪具体实验，传感器输出线性度良好，跟踪精 度达到要求，为薄板搭接的自动焊缝跟踪技术提供了新的方法。

2、关键词：薄板搭接；互感式；有限元分析；焊缝跟踪中图分类号：TG40915A Study of Seam Tracker of Mutual-Inductance Based onLapping SheetHONG Bo, LIU Xiang, HE Rongtuo, YANG Jiawang, YAN Junguang(Department of Mechanical Engineering ,Xiangtan University, Hunan, Xiangtan, 411105)20Abstract: Using a double-coiled rectangle cross sectio

3、n of cylinder mutual-inductive sensor as the seam tracking sensor, the tracking of steel sheet lapping is realized. The mutual-inductance coefficientof the axes-intersecting coils is calculated in the cycle loop method. A 3D model of the sensor is builtthrough ANSYS. After making the optimization de

4、sign of the parameter of the coils, and analyzing the influence of the axes included angle between the coils, the structure of a mutual-inductive sensor is25defined that is suitable for seam tracking. In the end, a experiment of the mutual-inductive sensor is made; the results shows fine linearity a

5、nd required tracking precision, which has provided a new way toauto seam tracking of lapping sheets.Key words: steel sheet lapping; mutual-inductive;Ansys;Seam-tracking300引言近些年，随着机械、电力和材料等行业的发展，现代化的生产对焊接技术提出了进一步 的要求。因此，发展和应用新型焊缝自动化技术将对我国国民经济起到巨大的作用。所谓焊 缝跟踪就是在焊接时检测出焊缝的偏差，并调整焊接路径和焊接参数，保证焊接质量的可靠 性。因此，根

6、据具体的焊接种类以及周围环境选用合适的传感器来检测焊缝偏差信息更显得35尤为重要1-2。目前传统的机械接触式传感器由于有适用的坡口形式少、探头磨损大等缺点 已基本被淘汰.而电弧传感器虽然目前得到广泛应用，但其在搭接接头、不开坡口的对接接 头等形式时，仍不能准确识别。薄板搭接焊缝作为工业生产中的一种非常广泛应用的焊接坡口形式，其焊缝的自动跟踪基金项目：国家自然科学基金资助项目(50975243)；湖南省战略性新兴产业产学研结合创新平台创新能力项 目（2012GK4100）；湖南省科技计划重点项目(2012XK4068)；湖南省研究生科研创新项目（CX2012B257） 作者简介：洪 波，男，19

7、60 年出生，博士，教授，湘潭大学机械工程学院材料工程系主任.主要从事焊接 方法、设备及自动化和仿真建模、数值计算等方面的科研和教学工作. E-mail: Email: hongbo- 7 -一直得不到良好的解决方案。本文针对薄板搭接焊缝，设计了一种双线圈互感式的焊缝跟踪40传感器，成功应用于薄板搭接焊缝的跟踪，且跟踪效果良好，为焊缝跟踪技术提供了新的方 法。1互感式焊缝跟踪传感器原理U互感式焊缝跟踪传感器的工作原理是通过两个矩形截面圆柱线圈呈一定的角度置于焊 缝坡口的上方，其中发射线圈 L1 通过由振荡器产生的高频电压信号1，线圈中即流过一个U45同频率的交流电流，并在其周围产生一个交变磁场

8、。于是线圈 L2 的两端会产生一交变电动势2。图 1 互感式传感器焊缝跟踪原理Fig.1 Theory of mutual inductance sensor for seam tracking50互感式传感器与工件的位姿关系如图所示。互感式传感器的双线圈探头通过支架与焊枪固定在一起并前置与焊炬。当焊接进行时，传感器探头提前探测焊炬与坡口的对中情况。如 图所示，当传感器左偏的时候，由于传感器线圈呈夹角，空气的磁导率很低，所以由发射线 圈 L1 出发的磁力线经空气传导的话只有很少一部分能到达感应线圈，但是，由于焊接工件55会产生涡流效应，集肤于表面，使得磁力线返回或者到达右边线圈，因此，接收线圈

9、端的感U应电动势2 明显增大。反之，传感器右偏时，由于发射线圈与接收线圈磁回路中空气磁导 占主要部分，则感应电动势相对于传感器对中时明显减小。感应电动势经后续的信号放大与 转换电路，通过一定的延迟处理，经由单片机比对输出以控制信号给十字滑块上的步进电机 来调整焊炬的位置，进行偏差纠正，从而保证了薄板搭接的焊缝自动跟踪。602非共轴互感式传感器的电感计算2.1 等效圆环回路法互感式焊缝跟踪传感器是利用发射线圈在接收线圈中产生的感应电动势的变化来提取 焊缝的位置信息。感应电动势的大小，根据电磁感应定律可得：65Dy 21EL2 =Dt设两线圈的互感系数为 M，将（1）式代入得：E= D(ML2i1

10、 ) = M Di1（1）（2）DtDt因此确定两线圈的互感系数则可以得出接收线圈的感应电动势。 由于传感器的矩形截面线圈非共轴，因此，为了计算其线圈间的互感，引入等效圆形回70路法来简化模型。这种方法的实质可归结为：将每个线圈用两个“等效圆环电路”来代替3,4， 确定圆环的直径和位置后，即在相应的磁势之下（对应的电流和匝数）两个回路产生的磁场， 近似的等于原线圈产生的磁场，如图（2）所示，图 2 等效圆形回路法75Fig.2 The method of approximate cycle loop而所求互感可用下式确定：M = N1 N2 M + M + M + M（3）4 ( 13 14

11、23 24 )式中： M13 为圆形环路（轴线）1 和 3 的互感；M14 为圆形回路 1 和 4 的互感，其余依次类80推。等效回路与原线圈同轴，对于线圈轴线尺寸 a（长度）大于它的径向尺寸 r（厚度）， 则它对应的回路直径为：de式中， d = (r1 + r2 ) / 2 ， r = r2 - r1 .= d (1 +r 2)6d 2（4）85两回路关于线圈轴对称，彼此间的距离为：b = (a2 - r 2 ) / 3（5）如果 a r ，则两回路距离为 b =(r 2 - a2 ) / 3 .而回路处于线圈的对称平面上，回路的直径为式（4）中的 de + x和de - x .而对于正方

12、形截面线圈， r = a ，b = 0 ，即两个回路合 并为一个，更加简化计算。2.2 轴线相交的两圆环回路互感系数的确定90根据等效圆环回路法，由于线圈长度远大于线圈厚度，因此，将用于焊缝跟踪的互感式 传感器等效为轴线相交的四个圆形环路来分析5-8，如图（3）所示，建立坐标系，左右两圆 环关于 y 轴对称，圆环之间轴线夹角为 ，假设两线圈匝数、几何参数均一样，线圈长度为 a，两线圈匝数、几何参数均一样，四个圆环回路的圆心坐标分别为（x1,y1）、（x2,y2）、（x3,y3）和（x4,y4）.95图 3 互感式焊缝跟踪传感器等效示意图Fig.3 The schematic diagram o

13、f mutual inductance sensor in cycle loop method根据等效圆形回路法,得出图(3)中,各参数为:R = R= a - b + e10013 2 sin q 2(6)R = R =a - b+ e + b242 sin q 2式中 e 为两线圈末端距离，b 的大小由式（5）决定.根据式(3),可知,只需求出两两圆环回路之间的互感,即可得出两线圈之间的互感,把轴线 相夹的两圆形回路简化为一次数值积分计算：M= ubp fF dJ（7）134p 2 0A3/ 2105式中，F 为可查表得的常数，而参量 m2 与J 的关系由下列各式决定：2 2m2 = (1

14、 - d A) + b（8）(1 + d A)2 + b 2式中d = R1 / R3 ， b = l / R1 ，参数 A 则：A2 = 1 - sin2 q cos2 J - 2c cos q coJ + ( c )2（9）2 b 2 bf = cos q - c cosJ c = b sin(q / 2)（10）2 b110 l = R1 - b cosJ sin(q / 2) - R2 cos(q / 2) 同理，可得 M14，M23，M24 . 综合（1）（11）式可得出互感系数；（11）LE = f (m, N , a, e, r,q )2（12）115其中，由于 a、N、e、r

15、和 由线圈自身参数和位置，如果保持不变，根据式（12）可 知，介质的相对相对磁导率 m 则为感应线圈电动势的单值函数，当双线圈互感式传感器偏 移焊缝中心时，由于两线圈更靠近搭接坡口上层工件，钢板中涡流趋肤效应的存在，使得传 感器周围相对磁导率也发生明显变化，因而线圈 L2 的感应电动势的输出大小也随之发生明 显变化，从而可以判断焊炬的左右偏移，实现薄板搭接焊缝的自动跟踪。3互感式传感器的有限元分析1203.1 传感器线圈的 Ansys 建模根据互感式焊缝跟踪传感器的原理，忽略了不会对互感式焊缝跟踪传感器磁路的分布以及影响磁场大小的一些因素，只考虑传感器本身参数、位置和搭接工件钢板的因素，运用节

16、 点三维谐波法对互感式焊缝跟踪传感器进行有限元分析。建立了如图 4 所示的 Ansys 3D 分 析模型，之后加载、求解和后处理结果。125130135图 4 互感式焊缝跟踪传感器 ANSYS 分析 3D 模型Fig.4 A 3D Ansyss model of the mutual inductance sensor3.2 互感式焊缝跟踪传感器线圈的参数优化式（12）中已经得出与传感器感应线圈的感应电动势有直接关联的一些参数，首先根据 Ansys 强大的参数优化功能，对线圈自身的参数进行优化设计，以获取感应线圈电动势最大 为目标函数，对传感器两线圈自身参数做多次 Ansys 分析。首先固定输

17、入频率为 600KHz， 输入电流 6A，从线圈匝数 N 开始，对线圈长度 a、线圈厚度 r、线圈末端距 e 离和轴线夹角 逐个进行参数优化，优化之后的最适合参数作为下一个参数优化的输入定值。结果如表 1 和图 5 所示：表 1 线圈匝数和长度的参数优化表Table 1 The table of the parameter optimization线圈匝数 400500600700感应电动势（mv）0.7180.9961.181.59线圈长度 15mm202530感应电动势（mv）0.04711.590.140.195140图 5 线圈参数优化图Fig.5 The coil parameter

18、s optimization results145150155160165经过 Ansys 有限元分析，对传感器线圈的每个参数进行了参数优化，得出了互感式传感器两线圈感应输出电动势最大的一系列参数，有利于进行对传感器输出信号的采集与处理， 从而也提高了焊缝跟踪的精度。3.3 线圈两轴夹角对于传感器输出的影响固定传感器自身线圈参数不变，分析传感器线圈两轴之间的夹角（2）对于传感器输出 的影响规律。选取夹角为 60-120变化时，进行 Ansys 有限元仿真分析.得出结果如图 6 所 示：图 6 线圈轴线夹角对于传感器输出的影响Fig.6 The coil angle effect om the

19、sensor output当线圈自身参数一定，两线圈轴间夹角为 90时，传感器感应线圈输出感应电动势最大。4传感器的跟踪特性研究根据前面章节 Ansys 对于互感式焊缝跟踪传感器的结构设计与输出影响因素分析，作者 自行绕制了两矩形截面圆柱线圈，具体参数为：线圈匝数 700、长度 20mm、厚度 2mm，内 径 4mm、轴线夹角为 90、线圈末端距离为 6mm。图 7 互感式焊缝焊缝跟踪传感器输出特性曲线Fig.7 The mutual inductance type of weld seam tracking sensor output characteristic curve然后通过波形发生

20、器输入 600KHz 的振荡交流电压，通过功率放大电路作为激励源输入 至传感器左侧激励线圈，右侧线圈的感应电动势输出则通过数字示波器查看。传感器本身与 焊炬固定在一起前置与焊炬 1cm，试验时传感器线圈整体与焊接搭接工件钢板的距离为4mm，薄板钢板厚 1mm。通过不断调整焊炬的位置，查看数字示波器输出的感应电动势变 化，具体实验数据如图 7 所示。当焊枪左右偏离时，传感器感应线圈输出值线性变化输出良170175180185190好，跟踪效果良好。5结论(1) 设计了双线圈互感式传感器，成功实现了薄板搭接的焊缝跟踪。(2) 采用等效圆环回路法，将互感式传感器双线圈等效后建立坐标系，得出了互感式传

21、 感器两线圈之间的互感系数的计算公式与具体影响参数。(3) 通过运用 Ansys 有限元分析软件，建立了传感器的 3D 分析模型，并对传感器的线 圈进了参数优化，分析了轴线夹角对于传感器输出的影响。(4) 通过具体的焊缝跟踪实验，拟合了传感器输出的特性曲线，线性度良好。进一步验 证了互感式焊缝跟踪传感器应用于薄板搭接的可行性，为薄板搭接的焊缝跟踪领域提供了新 的可靠技术。参考文献 (References)1 周律 陈善本 林涛. 弧焊机器人焊缝跟踪方法的研究现状J. 第十一次全国焊接会议. 2005, 6(2) :33-35. 2 潘际銮. 现代弧焊控制M.北京:机械工业出版社, 2000.3

22、 HannakamL,Tepe R. Praktische berechnung de gegeninduktivitat zweier kreisformigen leiterschleifen in allgemeiner lageJ. Archiv fur Elektrotechnik,1980.62:351-3574 卡兰塔罗夫 II JI,采伊特林 JI A. 电感计算手册M. 北京:机械工业出版社,1992.5 Babic S, Akyel between circular C.Calculating mutual inductance coils with inclined ax

23、es in airJ.IEEE Transactions on Magnetics, 2008, 44(7):1743-1750.6 Pankrac V. Generalization of relations for calculating the mutual inductance of coaxial coils in termstheir applicability to non-coaxial coilsJ. IEEE Transactions on Magnetics, 2011, 47(11): 4552-4563.7 Engel K, Mueller D. High-speed and high-accuracy method of mutual inductance calculationsJ. IEEE Transactions on Plasma Science, 2009, 37(5)683-6928 Conway without J Noncoaxial inductance calculations vector potential for axisymmetric coils and planarcoilsJ. IEEE Transactions on Magnetics, 2008, 44(4) :453-462