用于焊缝跟踪的磁控电弧旋转传感器

摘要

本发明公开了一种用于焊缝跟踪的磁控电弧旋转传感器。本发明包括组成焊枪的导电杆、导电嘴以及焊丝；还包括有轴心管，轴心管与导电杆之间的胶木圈、匀气盘，轴心管还连接有进气管及传感器内壁，传感器内壁连接有保护气罩、进水管和出水管；传感器内壁的外围设有传感器外壳，在传感器内壁与传感器外壳所形成的空腔内安装有无刷电动机、导磁铁芯，电路板，光码盘，光耦，碳刷，碳刷基座，在导磁铁芯的下端连接有一对导磁杆。本发明集水冷却装置、保护气体输送装置、位置信息检测装置于一身，完全替代传统焊枪又优于传统焊枪，不仅可以从焊接工艺方面显著提高焊接性能，而且还能针对多种不同的焊接工况进行焊缝跟踪，从而实现自动化焊接。

说明书

技术领域

本发明属于焊接辅助装置，应用于焊接自动化领域，具体涉及一种用于焊 缝跟踪的磁控电弧旋转传感器。

背景技术

近年来，材料科学与工程技术飞速发展，各种新型焊接工艺不断涌现，在 电弧焊接过程中引入磁场控制就是当前正在发展的先进焊接技术。

电弧是一种持续的气体放电现象，是由大量带电粒子构成，因此，在焊接 过程中可通过引入磁场，使焊接电弧受到洛伦兹力的作用跟随磁场做相关运动。 目前常用的外加磁场控制电弧方式主要有三类：一是外加横向磁场，横向磁场 的磁力线垂直于电弧轴线，其可控制电弧摆动和改善焊缝成形；二是外加纵向 磁场，纵向磁场的磁力线平行于电弧轴线，其可搅拌焊接熔池，细化晶粒组织， 提高焊接质量；三是加入尖角磁场，它能改变电弧的形状，可根据焊接工艺的 要求对电弧进行压缩和拓宽。

国外科研学者将外加磁场应用于焊接领域已有很长一段时间，A.Miunger 等人在1941年就对电磁搅拌对点焊的作用进行了相关研究；Brown等人在60年代 初就开始研究电磁搅拌对不锈钢、钛合金等的影响；Takeda K等人在1980年提 出电弧在横向磁场作用下呈弯弧状的结论。Gavrilov等人在2002年通过试验发 现电弧在横向磁场作用下会发生加速和偏转减速现象，并对产生其原因进行了 相关分析。

国内方面:沈阳工业大学对低频磁控焊接电弧特性进行了数值分析及相关 研究；清华大学通过对电弧内部能量平衡的研究，提出了一个横向磁场中动态 电弧的近似计算模型；中国矿业大学基于减少CO₂焊飞溅的目的，研究了在磁 场作用下CO₂焊电弧与熔滴过渡的影响；北京大学对横向磁场作用下电弧阴极 进行了深入研究，并建立了相关数学模型；太原工业大学利用双尖角磁场把电 弧压缩成椭圆形将其应用于穿孔等离子焊中取得较好的效果；北京工业大学对 旋转磁场发生装置进行了研究，并将其应用于焊接电弧控制和焊接工艺改善。 综上所述，国内外学者对磁控电弧的研究主要集中于控制熔滴过渡、熔池金属 流动、改善焊缝成形等方面。但是，到目前还没有看到有关用于焊缝跟踪的磁 控电弧旋转传感器结构设计方面的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的利用磁场自身旋转来控制电弧旋转从 而获取信息实现焊缝跟踪的磁控电弧旋转传感器，该传感器集水冷却装置、保 护气体输送装置、位置信息检测装置于一身，完全替代传统焊枪又优于传统焊 枪，不仅可以从焊接工艺方面显著提高焊接性能，而且还能针对多种不同的焊 接工况进行焊缝跟踪，从而实现自动化焊接。

本发明的目的是通过如下的技术方案来实现的：该磁控电弧旋转传感器， 它包括组成焊枪的导电杆、导电杆下端连接的导电嘴以及贯穿于导电杆和导电 嘴中心的焊丝；其特点是：在导电杆的外围设有圆筒形的轴心管，轴心管的上 端密封连接有胶木圈，导电杆的上部从胶木圈中心处密封伸出，轴心管的下端 内设有环形的匀气盘，匀气盘上均布有若干个小孔，导电嘴位于轴心管下端外 的轴心线上；在轴心管的上部密封连接有保护气进气管，轴心管的外围密封连 接有圆筒形的传感器内壁，传感器内壁下端连接有保护气罩，导电嘴位于保护 气罩的中心轴线上；传感器内壁的上盖板上密封连接有冷却水的进水管和出水 管，进水管伸入到传感器内壁与轴心管之间所形成的密封空腔内的底部；传感 器内壁的外围设有传感器外壳，在传感器内壁与传感器外壳所形成的空腔内的 上半部，以轴心管为轴安装有一个外转子结构的无刷电动机；在传感器内壁与 传感器外壳所形成的空腔内的下半部，一对导磁铁芯对称安装于无刷电动机转 子的下端，并与导电杆平行，导磁铁芯上绕有励磁线圈，导磁铁芯的下端连接 有一对导磁杆，导磁杆对称地位于保护气罩的下端开口处也即导电嘴下端的两 侧；所述传感器外壳上盖板内安装有电路板，无刷电动机的转子上端面上固连 有圆环形的光码盘，固连于电路板上的光耦位于光码盘的边缘上下；在无刷电 动机的转子下端两侧对应于两个导磁铁芯处安装有一对碳刷，传感器外壳内对 应于碳刷安装有圆环形的碳刷基座，碳刷与碳刷基座上的轨道贴合；所述励磁 线圈的导线从导磁铁芯上端引出，连接到碳刷上，通过碳刷基座相连的导线连 接到所述电路板上。

更具体地说，所述匀气盘和胶木圈为绝缘材料，将两者用于导电杆与外部 结构之间的连接，起到了绝对地绝缘作用，实现了传感器外部结构不带电工作， 有效地防止了传感器外部结构与工件之间产生电弧，以至于烧坏传感器。

所述胶木圈与轴心管和导电杆之间、匀气盘与轴心管和导电杆之间、进气 管与轴心管之间均采用过盈配合连接。它们组成的空腔将用于保护气体的传 送，且匀气盘上均匀排布有若干小孔，以至于它们所形成的空腔具有一定气密 性的同时还能将保护气体均匀的释放到焊接熔池，很好的起到了保护焊缝、提 高焊接质量的作用。

所述传感器内壁的上盖板与冷却水的进水管和出水管之间均采用过盈配 合连接，传感器内壁的上盖板与冷却水的进水管和出水管之间设有密封垫圈。 传感器内壁与轴心管紧密配合所形成的空腔内连接有进水管和出水管，进水管 和出水管与外部水箱相连，由于进水管深入到空腔底部，以至于冷却水进入空 腔首先经过距离焊接熔池最近也就是温度最高的部位，而后经由出水管流出， 与此同时，由于进水管与传感器内壁、出水管与传感器内壁之间均采用了密封 垫圈进行密封，保证空腔内的冷却水不发生泄漏，从而达到冷却水在空腔内不 断循环的目的，有效地保证了传感器在正常工作温度下持续有效的工作。

所述导磁铁芯与导磁杆采用螺母连接，便于根据不同工艺拆卸更换。

本发明的工作原理是：利用动态变化的磁场来控制焊接电弧的运动，即通 过一个旋转频率和场强大小都可以调节的旋转磁场来带动电弧旋转，以实现对 焊接电弧的旋转频率和旋转半径的控制，并从中获取规律性变化的各焊接参数 信息，从而实现焊缝的自动跟踪。本发明将一对导磁铁芯对称分布于电机转子 圆柱形外壳的底端，在导磁铁芯上绕有励磁线圈，给励磁线圈通有外部电源提 供的励磁电流，由电磁感应作用而产生磁场，电动机工作则会带动导磁铁芯旋 转，从而就会产生需要的旋转磁场。参见图2，为旋转电弧产生的过程示意图， 当电流从左磁柱L流入、右磁柱R流出时，根据右手螺旋定则可以判断出磁场 方向，当磁场产生，根据左手定则可以判断出焊接电弧E的位置，其中图2中 的图a、图b、图c、图d分别表示在一个旋转周期内各个时刻的磁场方向及焊 接电弧位置示意图，图a表示当电动机转子带动一对磁柱旋转到横向位置时， 磁场方向从左指向右，焊接电弧位置则垂直于磁场方向向上偏置，而图b表示 经过1/4个旋转周期后，磁柱位置发生变化，磁场方向也顺时针旋转了90°， 相应的焊接电弧位置也顺时针移动了90°，依此类推，当电机转子旋转360°， 焊接电弧也恰好变化了360°。由此可见，本装置产生的旋转电弧与电动机的 旋转周期一致且同步，也就是说通过改变电动机的旋转频率就可以改变旋转电 弧的旋转频率。

通过本装置产生的动态旋转磁场，控制着焊接电弧旋转，并且该旋转电弧 的旋转频率可以通过调节电动机的旋转频率来改变，旋转半径可以通过调节励 磁电流的大小来改变，从而更有效的控制焊接电弧运动，改善焊接工艺。

电弧属于正态分布形态，在旋转磁场作用下，电弧旋转的频率与旋转磁场 频率是一致的，只存在相位上的差别，在一定磁场强度范围内，旋转的电弧是 非常稳定的，因此解决电弧定位的问题就可转化成对无刷电动机的外转子进行 定位的问题。根据这一特性本发明设计将光码盘附着于外转子上并一起转动， 与之配合的光耦固定于电路板上并扫描光码盘上的标识空隙达到传递位置信 息的目的。参见图3，为焊缝跟踪系统的工作原理框图，当控制焊接电弧稳定 地旋转时，焊接电弧有规律的持续不断的扫描焊缝，焊缝的偏差会使焊接参数 发生变化，通过将霍尔传感器串联于焊接电源与工件之间检测焊接参数的变化 及规律，从而获得焊缝坡口信息。将其与位置信息一同提供给控制系统，经滤 波处理、软件处理后，控制系统将通过程序控制十字滑架上下左右移动，与此 同时，安装于十字滑架上的磁控电弧旋转传感器随之移动，从而有效的实现了 焊缝跟踪的目的。

本发明的有益效果具体表现为如下几点：（1）电弧旋转扫描半径由励磁电 流调节，方便控制。（2）水气保护的一体化结构有利于传感器整体尺寸的减小， 使传感器具有更好的可达性。（3）封闭式壳体设计，结构简单紧凑、合理，外 形尺寸小巧，使用灵活方便，投入成本低，可适用于多种焊接工艺。（4）励磁 磁柱置于壳体内部，并与电极即导电杆平行安装，励磁线圈底端靠近电弧区， 导磁铁芯和导磁杆用螺母相连，可根据不同焊接工艺拆卸更换。（5）无刷电 动机具有无电刷、低干扰、低噪音、运转顺畅、寿命长、维护成本低等诸多 优点。（6）水冷装置的设计使传感器的焊接电流适用范围增加，大幅度提升了 磁控电弧旋转传感器的工作时间，为以后应用于工业化生产打下基础。（7）以 非接触方式作用于焊接电弧，具有附加装置简单、控制精度高、焊枪运动灵活 性好、实时性强的优点。

附图说明

图1是本发明实施例的传感器结构示意图。

图2是本发明传感器的旋转电弧产生过程示意图。

图3是与本发明传感器连接的焊缝跟踪系统工作原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

参见图1，本实施例包括导电杆1、导电嘴9以及贯穿其中心的焊丝14； 还包括有保护气的进气管23、连接轴心管2和导电杆1的胶木圈24、匀气盘 13，其中匀气盘13上均匀排布有若干小孔；进水管3、出水管22、保护气罩 10与传感器内壁4连接；传感器内壁4与传感器外壳7连接形成的空腔内容纳 了驱动电机、励磁部分、碳刷基座16和固定于电路板20上的光耦18，其中， 驱动电机由电机定子5和电机转子6组成，励磁部分由导磁铁芯11、导磁杆 12和励磁线圈8组成；另外还有两对碳刷15以及光码盘19固连于电机转子6 的上下两端，与励磁部分一同伴随着驱动电机的旋转而转动。

上述匀气盘13和胶木圈24均为绝缘材料，将两者用于导电杆1与外部结 构之间的连接，起到了绝对地绝缘作用，实现了传感器外部结构不带电工作， 有效地防止了传感器外部结构与工件之间产生电弧，以至于烧坏传感器。

上述的进气管23、轴心管2、导电杆1、连接胶木圈24、匀气盘13相互 连接，由它们组成的空腔将用于保护气体的传送，且它们之间的连接均为过盈 配合，并且匀气盘13上均匀排布有若干小孔，以至于它们所形成的空腔具有 一定气密性的同时还能将保护气体均匀的释放到焊接熔池，很好的起到了保护 焊缝、提高焊接质量的作用。

上述的传感器内壁4与轴心管2紧密配合所形成的空腔内设置有进水管3、 出水管22，并将其与外部水箱相连，由于进水管3深入到空腔底部，以至于冷 却水进入空腔首先经过距离焊接熔池最近也就是温度最高的部位，而后经由出 水管22流出，与此同时，进水管3与传感器内壁4、出水管22与传感器内壁 4之间均采用了密封垫圈21进行密封，保证传感器内冷却水不发生泄漏，从而 达到冷却水在空腔内不断循环的目的，有效地保证了传感器在正常工作温度下 持续有效的工作。

上述的驱动电机为空心轴外转子无刷电动机，其由电机定子5和电机转子 6组成，电机定子5即电动机驱动线圈，电机转子6即电动机主体，其具有鲜 明的特点：线圈固定并驱动外部主体即壳体旋转，同时带动一切附着于壳体的 装置旋转，如光码盘19、导磁铁芯11、导磁杆12和励磁线圈8的旋转，从而 很好的创造了一个旋转的磁场，与此同时，电动机轴心却始终处于静止状态， 且由于将此轴心设计为空心轴，这很好的配合了传感器内壁4、轴心管2、导 电杆1的嵌入，达到了焊接的要求，将传统焊枪取而代之，加之冷却、绝缘、 气体保护等功能的融入，将显著的提高其焊接的稳定性。

上述的励磁线圈8与外部励磁电源之间的连接，在传感器内部体现为励磁 线圈8通过导线17与固定于电动机外转子的碳刷15相连，碳刷15则通过与 碳刷基座16之间的滑动接触来传递外部电源通过电路板20和导线17供给的 电流，从而实现励磁线圈的持续性供电以及旋转磁场的产生。其中，碳刷基座 16为固定于传感器外壳7内侧的环形凸台，碳刷15则固定于电机转子6外侧 与碳刷基座16贴合，电机旋转时，碳刷15则在碳刷基座16提供的轨道上运 行，与此同时，左右对称两处碳刷15为一组，共两组，此成组设计，更有效 的保障了其良好的接触，以提供更稳定有效的旋转磁场。

电弧属于正态分布形态，在旋转磁场作用下，电弧旋转的频率与旋转磁场 频率是一致的，只存在相位上的差别，在一定磁场强度范围内，旋转的电弧是 非常稳定的，因此解决电弧定位的问题就可转化成对无刷电动机的外转子进行 定位的问题。根据这一特性本发明设计将光码盘附着于外转子上并一起转动， 与之配合的光耦固定于电路板上并扫描光码盘上的标识空隙达到传递位置信 息的目的。参见图3，为焊缝跟踪系统的工作原理框图，当控制焊接电弧稳定 的旋转时，焊接电弧有规律的持续不断的扫描焊缝，焊缝的偏差会使焊接参数 发生变化，通过将霍尔传感器串联于焊接电源与工件之间检测焊接参数的变化 及规律，从而获得焊缝坡口信息。将其与位置信息一同提供给控制系统，经滤 波处理、软件处理后，控制系统将通过程序控制十字滑架上下左右移动，与此 同时，安装于十字滑架上的磁控电弧旋转传感器随之移动，从而有效的实现了 焊缝跟踪的目的。