焊缝自动跟踪系统的设计0804104班曲竹闽张宁一、设计内容有一块铁板上有一条裂缝，要求设计一套装置，能够自动沿缝运动，以便将裂缝焊好。

设计过程中应充分考虑焊接时产生的光和热对系统运行的影响，设计的装置能够沿缝从头到尾运动一边就认为可以把焊缝焊好。

设置的装置能适应的铁板尺寸由设计者确定，但原则上应适应任意裂缝。

系统工作前可人工辅助，但一旦工作应自动完成任务。

二、摘要本论文将设计一套可以自动跟踪焊缝的焊接系统，详细讨论焊接过程中常用的机械结构、传感器、执行机构、控制方法等问题，并详细叙述系统中各部件的选择和整套系统的工作过程和工作原理。

关键字：自动跟踪传感器执行机构控制系统三、正文（一）系统功能概述本套系统只设置了一个开关，即启动系统开关。

在焊接之前，需要人为将需要焊接的有裂缝的铁板放置在焊接平台上，并用固定装置加以固定。

之后开启启动系统开关，系统会自动初始化，并将焊接小车（焊枪和传感器等装置固定在一起形成的装置）运动到（0，0）点。

之后系统开始扫描，扫描过程中系统会驱动焊接小车扫描铁板，扫描结束后，系统会自动驱动焊接小车回到（0，0）点。

焊接小车返回零点后，系统会自动开始焊接。

焊接过程中系统会驱动小车沿焊缝运动，直至焊接小车运动到铁板边沿。

焊接技术后，系统自动回到初始化状态，等待下一次指令。

使用者可等待铁板冷却后松开夹紧装置，将铁板取下。

（二）系统设计方案在焊接系统设计的过程中，我们考虑到焊接时会产生大量的热和强光，会对系统造成十分强烈的干扰，所以在自动跟踪系统的传感器方面，我们选择了非接触式传感器，以避免由于焊接过程中产生的光和热影响传感器的正常工作。

然而，由于焊接环境不确定，使用何种焊接工艺亦不确定，所以我们根据所查资料，设计了2套自动跟踪焊缝的焊接系统，以便使用者根据不同的情况加以选择。

2套焊接系统的主体结构均相同，只是在传感器的选择方面一种使用了超声波传感器，而另一种使用了CCD光学传感器。

方案一：如图1所示，本焊接系统为双层长方体结构，长1米，宽0.5米，高1米。

下层为平面工作台，工作台上配有相应的机械夹紧装置，以保证在焊接过程中铁板的稳定性；上层为两条相互垂直的导轨机构，分别为x方向导轨和y方向导轨，用于系统的坐标定位。

焊接小车固定在y方向导轨之上，而y方向导轨可沿x方向导轨在x方向水平自由运动，这样可以实现焊枪在x-y平面任意位置的自由运动。

X方向上的导轨驱动机构为步进电机，安装于Y方向上导轨内侧，使其可以沿X方向移动，调节Y方向导轨的移动速度。

Y方向上的导轨驱动机构为无刷直流伺服电机，安装于焊接小车上，使其可以沿Y方向移动，均匀调节行走驱动的小车速度，即实现对焊接速度的调节。

将被测铁板水平放置在检测系统（即下层工作台）中，运动超声波检测（UT）技术，进行裂缝的形状，位置，大小的检测和定位的过程：图1 焊接系统结构图1、将超声波探头（2个）安装在探头架上。

采取左右两边一边一个，以用来校正和确定检测精度和确保设备的灵敏度。

2、调节该探头显示通道，在被测铁板上按水平方向调节扫描速度。

3、移动时探头到被测焊缝的距离等于缺陷回波在整个回波中的距离（此距离由该探头检测的范围精度确定，具体原理后面详细讲解）。

4、设置缺陷回波的图像显示精度，至少应包括一半焊缝宽度和热影响区5mm以上。

以正确的寻找到要进行焊接的焊缝，不会被其铁板内部细小的裂缝或其他不确定因素的干扰而造成焊接时的不稳定。

可以更好的提高设备的精度和可靠性。

同时根据有关标准规定调节设备灵敏度，并调节缺陷波闸门高度，使人工缺陷能够自动记录（移动时要保证探头至焊缝的距离与实际检测是一致）5、在被测铁板边启动电机移动探头，使探头对着铁板平行移动，移动速度应近似于焊接成型速度，找到缺陷回波，并进行记录。

6、往复移动探头，记录焊缝边缘回波的高度和边缘回波与缺陷波闸门相对位置，以便于在检测中对设备灵敏度及探头位置进行监控，进一步确保检测扫描的准确性和稳定性。

7、在正常检测时，应时刻注意使焊缝边缘回波高度达到标定时的高度，并且一旦设备灵敏度降低或探头移动造成边缘回波漂移时（即两个探头检测的数据图像出现较明显的偏差），仪器会自动报警，操作人员应当重新调整。

补充：第1,2,3,4步骤为第一次运行时设定的，以后运行都会参照第一次参数运行，如需要进行修改，则再重新按照步骤修改一遍。

8、将超声波传感器得到的裂缝信号（宽度，长度，位置）传回计算机，经过计算机处理后返回控制系统。

（具体系统后面会介绍）9、根据控制系统返回的偏差信号，控制相应的电机按照要求的转速进行运转和前行，从而控制焊接小车按照规定的路径（焊缝的位置）进行移动和焊接，并且超声波传感器不断进行扫描和控制，返回其反馈信号，不断调节焊接小车的路径，令其严格按照先前扫描的位置进行焊接，以提高焊接的准确性和可靠性。

10、当焊接小车运行到铁板边缘，即路径运行结束，则控制停止焊枪和传感器运行，并且控制焊接小车运行到坐标(0.0)位置，然后停止电机运行，提醒焊接结束（比如用灯或者响铃）。

11、系统进入待机状态，等待下一次指令。

方案二：如图1所示，焊接系统仍采用为双层长方体结构，长1米，宽0,5米，高1米。

下层为平面工作台，工作台上配有相应的机械夹紧装置，以保证在焊接过程中铁板的稳定性；上层为两条相互垂直的导轨机构，分别为x方向导轨和y方向导轨，用于系统的坐标定位。

焊接小车固定在y方向磁吸柔性轨道之上，而y方向导轨可沿x方向导轨在x方向水平自由运动，这样可以实现焊枪在x-y平面任意位置的自由运动。

X方向上的导轨驱动机构为步进电机，安装于Y方向上导轨内侧，使其可以沿X方向移动，调节Y方向导轨的移动速度。

Y方向上的导轨驱动机构为无刷直流伺服电机，安装于焊接小车上，使其可以沿Y方向移动，均匀调节行走驱动的小车速度，即实现对焊接速度的调节。

在焊接小车的同一平面内，固定CCD摄像机，用以在前期对焊缝的扫描定位和焊接过程中对焊道的扫描纠正，以提高焊接过程的准确性和可靠性。

调节CCD摄像机显示通道，并且调节扫描速度。

设置显示图像的精度，以确保能正确的寻找到要进行焊接的焊缝，而不会出现漏检和错检，而造成焊接时的不稳定。

可以更好的提高设备的精度和可靠性。

本套系统的工作过程如下：1、将有裂痕的铁板固定在工作台上，铁板一边应与x方向平行且顶点落在工作台的（0，0）点，这样可以确保扫描时是从铁板的边缘开始扫描的。

2、启动焊接系统开关，焊接系统开始运作，计算机会根据预定程序输出信号驱动电机，将自动将焊枪定位在工作台的（0，0）点。

3、开始扫描裂缝，计算机根据相关程序给出信号，驱动电机运动，并同时驱动CCD传感器开始扫描，确定裂缝上特征点坐标的方法为：固定焊枪在y方向的位移为零，使焊枪在x方向预先以设定好的速度沿x方向运动。

与此同时，固定在焊枪上的CCD摄像机开始扫描，并将铁板的图像信息传递给计算机。

4、扫描结束后，计算机记录扫描数据，并输出信号驱动焊枪自动回到（0，0）点等待焊接。

5、开始焊接裂缝，计算机将接收到信号按照预先制定的程序进行信息的处理，得到铁板裂缝出的一些特征点的坐标，并将这些信息输出给电机，使焊枪按照计算机得出的特征点运动，即开始焊接。

6、在焊接过程中，CCD摄像机仍在不停地扫描焊枪与裂缝之间的距离，并将这一距离作为系统的偏差信号输出给控制系统，以纠正系统的误差，保证焊枪与裂缝之间距离小于焊接要求的最大距离。

7、当焊枪运动到铁板边沿使，焊接结束，计算机根据程序设定，输出信号驱动焊枪自动回到（0,0）点，等待下次焊接。

根据系统的设计方案，可以绘制出系统工作的流程图。

图2本系统的主要采用计算机来输出控制信号驱动系统的执行装置运动，所以作者选择通过VC++编程来实现。

鉴于本次论文重在焊接系统的设计，所以具体程序不予给出，只给出CV++程序应该完成的任务的流程图，如使用者有需要，可以根据流程图找编程人员设计程序。

程序流程图见图3。

图3 VC++程序流程图为了获得高质量的焊缝，设计了采用脉宽调制（PWM）技术的伺服控制系统。

通过与快速响应的小型直流伺服电机相配合，能获得较宽的频带，既有利于提高系统的控制性能，实现快速动作和高精度随动，又能做到焊接小车在高、低速运行时电流脉动量都很小。

伺服控制系统的结构框架如图4所示：图4 伺服控制系统的结构框架上图中伺服控制系统共由10部分组成，核心部分为PWM电路及PI调节器。

PWM电路采用桥式结构和电压驱动方式。

PI调节器用于校正环节，使系统整定为二阶系统，即保证系统具有较强的抗干扰能力，又做到超调量小。

伺服控制系统以光电脉冲发生器作为速度检测元件，以速度检测电路获得的与速度相应的脉冲信号作速度反馈量，通过反馈环节实现控制系统的闭环控制。

（三）工作原理一个典型的焊接自动化系统主要由机械装置、传感器、执行装置和控制系统组成。

系统的各个部分需要有机的结合才能准确高效地实现具体功能，就像一个人一样：控制器好比人类的大脑，传感器就像人类的五官和皮肤，执行装置就好像人类的骨骼，而执行装置则相当于人类的手和足。

（1）机械装置：焊接裂缝的铁板，首先应将其固定，固定则需要一些机械夹紧装置，即夹紧器。

常用的夹紧器有磁力夹紧器、液压夹紧器、气压夹紧器和机械夹紧器。

由于本系统仅仅为了完成单一焊接铁板裂缝的功能，综合考虑经济因素，并且因为系统装置对夹紧器性能要求不高，故选择最简单廉价的机械加紧装置。

另外还需要一些钢架结构和铁板结构作为机身的主体结构。

（2）传感器：铁板固定好后，首先应该对铁板进行扫描，以确定焊缝上的点的坐标。

之后再控制焊枪沿扫描出的坐标移动，同时对焊缝进行跟踪以确保焊枪与焊缝之间的距离小于焊接要求的最小距离，以保证焊接的质量和精度。

所以焊接的自动检测就是其中的自动化过程的一个重要环节。

它能使用各种自动检测仪器，自动，灵敏的检测出焊接中的缺陷和不足，并与数据处理系统结合在一起，能迅速稳定地自动读取、存储、判断、分析和处理检测信息的一种专门技术。

而焊接的自动检测所需求的仪器就是各种的传感器，所以首先了解一下焊接过程经常使用的传感器的种类，基本原理和应用特点，以便在系统的构建过程中选择合适的传感器。

上表罗列了在焊接过程中常用的传感器的种类、基本原理和应用特点，总结归纳如下：焊缝跟踪过程中使用的传感器可分为直接电弧式、接触式和非接触式3大类。

接触式传感器一般在焊枪前方采用导杆或导轮和焊缝或工件的一个侧壁接触，通过导杆或导轮把焊缝位置的变化通过光电、滑动变阻器、力觉等方式转换为电信号，以供控制系统跟踪焊缝。

其特点为不受电弧干扰，工作可靠，成本低，曾在生产中得到过广泛应用，但跟踪精度不高，目前正在被其他传感方法取代。

电弧式传感器利用焊接电极与被焊工件之间的距离变化能够引起电弧电流（对于GMAW方法）或电弧电压（对于GTAW方法）变化这一物理现象来检测接头的坡口中心。