高速旋转电弧传感器的数学模型

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1、万方数据第43卷第11期机械工程学报vol43Noll2007年i1月CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERINGNov2007高速旋转电弧传感器的数学模型石永华1王国荣1Yoowon．san92NAsuck—J002(1，华南理工大学机械工程学院广州516640；2．韩国科学技术院大田30570l韩国)摘要：以气保护焊接系统的数学模型和HALMoY焊丝熔化模型为基础，对高速旋转电弧传感器进行数学建模。利用该数学模型模拟焊接电流。弧长和焊丝伸出长度随时阃的变化规律，实际焊接试验显示，

2、模拟焊接电流与实际焊接电流波形高度吻合，说明建立的数学模型是准确的。结果表明．高速旋转电弧焊接时．弧长的变化较焊丝伸出长度的变化更为显著．利用每个电弧旋转周期内左半周与右半周平均电流值的差．可以判断焊枪的偏差量及其方向，同时还可根据平均电流值的大小来检测角接终止点。所建立的模型对于高速旋转电弧传感系统的设计具有指导意义。美键词：电弧传感数学模型焊缝跟踪气保护焊接中图分类号：TG442O前言焊接是机械制造工业中的关键技术之一，为了保证焊接产品质量的稳定、提高生产效率、减轻工人的劳动强度和改善劳动环境，必须提高焊接生

3、产的自动化程度，而焊缝自动跟踪是焊接自动化的关键内容之一。电弧传感跟踪系统直接使用焊接过程中的电弧电流或电压信号来进行焊缝跟踪，信号检测点即为焊接点，不存在因传感器前置而产生的误差；而且结构简单可靠，不影响焊炬的运动空间，因而是目前最有效的焊缝跟踪方法之一，在机器人焊接中得到了比较广泛的应用。电弧传感嚣的基本原理是：对于角接接头或开坡口的对接接头，在焊炬沿着焊接方向运动的同时，通过一定的方法使焊炬进行旋转或垂直于焊接方向摆动，从而造成焊炬至工件的距离(conta胙mbetoworkDiccedist蚰ce，cTw

4、D)有规律变动。当焊炬沿坡口或角焊缝的中线运动时，由于焊炬旋转或摆动而造成的crwD的变动是对称的；相反，当焊炬运动偏离焊缝中线时，CTwD的变动是不对称的。因此，通过检测clwD的变动．可以判断焊炬相对于焊缝中线的偏离方向和偏离量uJ。在使用恒压特性焊机的气体保护焊接(GMAw)中，焊接电流和电弧电压随CTwD的变化而变化ll】，因此通过检测焊接电流或电弧电压的变动可以得到相应的cTwD的变动，从而获得焊炬相对于焊缝中20晰】】∞收到韧稿，埘70608收到悟改穗线的偏离方向和偏离量。早期的电弧传感器多采用焊炬摆

5、动方式，但这种传统的焊炬摆动方式由于机械限制，摆动频率不高．通常在10}Iz以下，导致传感器的灵敏度相当低。为了克服这些缺点，国内外学者研究了使用机械装置或电磁力来旋转电弧，旋转频率可达50～100Hz∽J，高速旋转电弧传感器具有更高的灵敏度。除了焊缝跟踪，电弧传感还可以用于进行焊接终点的侦测。旋转电弧用于焊接终点侦测有两大优点：一是在电弧旋转的前半周，由于焊炬处于溶池的前方。可以减少熔敷金属突起对电弧传感准确性的影响：二是由于高速旋转，可以提高灵敏度，从而有利于快速侦测焊接终点。电弧传感跟踪系统的设计和应用的前

6、提是充分了解和分析电弧传感器的工作原理，最好是能建立数学模型。目前，国内外学者发表了一些电弧传感器的相关论文，但其中大多是定性的原理性的阐述。在数学模型方面，潘际銮院士领导的研究小组对电弧传感器的理论模型进行了研究州。韩国科学技术院YOO从GMAw系统模型出发，建立了高速旋转电弧传感器的数学模型，定量模拟焊接电流【oJ。以文献【6]的工作为基础，对GMAw在高速旋转状态下的弧长和焊丝伸出长度进行了研究，并分析了该模型在焊缝跟踪和焊接终止点检测方面的应用，可为高速旋转电弧传感器的设计及应用提供理论指导。1GMAW系

7、统的数学模型图1显示了GMAw系统的等效电路图【2】，其万方数据218机械工程学报第43卷第11期中，焊接电源的输出电压(以)、焊接电缆上的电压降(【，口)以及电弧电压(蚴分别为q=％卅一厶詈％=≮，+上p罢u。=u。+足J+日‘式中Lk——焊接电源的内部电压届一焊接电源的内部电阻厶——焊接电源的内部电感风——焊接电缆的电阻厶——一焊接电缆的电感％——常数^。——电弧特性曲线斜率‘——电弧的弧长丘——电弧的电场强度』——焊接电流(1)(2)(3)图1GMAw系统的等效电路图从图1可知U=U口+以+以(4)式中￡卜

8、——焊丝伸出长度上的电压HALMOY同对GMAw系统焊丝熔化进行了建模，焊丝伸出长度上的电压降(U)可表示为址=警一竽圆式中n——焊丝伸出长度上的电阻率6——焊丝在室温时单位体积的热容量L——焊丝伸出长度vf——送丝速度S——捍丝断面积根据式(I)～(5)，可以得出焊接电流对时间(0的导数村(吒一‰)一(足+岛+足+警)，一日‘山‘+乞根据HALMoY模型n焊丝端部的焦耳