窄间隙埋弧焊的磁控与电感复合式焊缝跟踪方法

摘要

在现代制造业的生产加工环节，焊接是材料连接的重要工艺方法，在石油管道、机械装备、船舱主架及甲板、风电塔筒等各行各业广泛应用。国内大部分制造厂的焊接加工还是以手工、半自动化生产方式为主，这存在焊接工人工作强度大、对工人操作水平依赖大、批量生产焊接质量不稳定、生产效率提升难等问题。因此，现阶段着力发展智能焊缝跟踪技术显得尤为必要。在窄间隙埋弧焊焊接过程中，焊丝在坡口中对中要求高，针对窄间隙埋弧焊跟踪的客观要求，开发出一种新型的磁控与电感复合传感器用于焊缝跟踪具有重要研究价值和现实意义。
　　本文首先从焊接机器人、焊缝跟踪传感器、焊缝跟踪研究动态这三个方面进行概述和总结，结合窄间隙焊缝跟踪的特点，发现窄间隙埋弧焊跟踪中需要解决的关键问题，提出基于磁控和电感的复合焊缝跟踪方法。具体的研究内容如下：
　　对磁控与电感技术的基本理论进行了研究，介绍传感器焊缝跟踪的基本原理和工作过程，建立同轴线圈计算模型并进行分析，通过计算，分析传感器自身参数对输出的影响。从微观和宏观两个角度对弧柱区的运动规律进行分析，并且建立了传感器的弧长分析模型，这些分析从理论上为复合传感器实现焊缝跟踪提供了依据。
　　结合电磁基本定律和优化理论，利用ANSYS软件建立传感器的3D模型并运用ANSYS软件的磁场模块对传感器进行有限元分析，对线圈横向距离、互感线圈长度、线圈厚度、末端倾角等因素进行分析和优化。根据优化结果初步确定传感器参数，为实现焊缝跟踪提供充分的参考依据。
　　针对传感信号易受到干扰以及信号微弱的特点，设计了光耦合电路和交流放大整流电路，确定高低调节方案，搭建焊缝跟踪试验平台，用自行制作的传感器进行焊缝跟踪试验，提取电弧的左右扫描信号和传感器线圈的高低位置信号，高低信号的实测数据与仿真分析结果相对比，分析其输出信号与传感器高低距离变化的影响规律，通过大量的试验分析，论证传感器用于焊缝跟踪的可行性。
　　针对焊缝跟踪的过程进行分析，建立运动机构的简化分析几何模型，对采用两种不同控制方法的运动模型建立精度分析数学模型，确定了相关影响因素并建立仿真效果图，分析了不同的调节效果和调节误差。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 焊接机器人发展概况及研究趋势

1.3 焊缝跟踪传感器概述

1.4 焊缝跟踪技术发展现状

1.5 论文研究的主要内容

第2章 磁控与电感复合传感器原理及数学模型分析

2.1 电感式传感器的工作原理

2.2 窄间隙电弧运动机理研究与分析

2.3 本章小结

第3章 传感器的有限元分析理论及优化设计

3.1 有限元电磁场分析概论

3.2 传感器参数优化设计

3.3 本章小结

第4章 传感器有限元分析

4.1 概述

4.2 电感式传感器的有限元分析

4.3 本章小结

第5章 传感器焊缝跟踪的实现

5.1 模拟信号光耦合电路

5.2 放大整流电路

5.3 高低跟踪调节

5.4 试验

5.5 本章小结

第6章 焊缝跟踪精度理论分析与计算

6.1 概述

6.2 建立简化的定步长分析模型

6.3 建立简化的变步长分析模型

6.4 精度的仿真分析

6.6 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录（个人简历、攻读硕士学位期间的研究成果）