一种具有焊缝跟踪功能的磁致应变焊接摆动器

摘要

本发明公开了一种具有焊缝跟踪功能的磁致应变焊接摆动器，它属于一种焊接机器人自动控制装置，主要是用来解决现有焊接摆动器结构复杂、机械磨损大、响应频率低、跟踪不稳定、实时性和可控性差等技术难题。其技术方案要点是：它包括霍尔传感器、焊缝跟踪控制器、励磁电源和磁致应变焊接摆动机构，焊接过程中焊缝跟踪控制器根据霍尔传感器采集的电弧的电流信号，通过控制励磁电源进一步形成磁场，磁致应变焊接摆动机构在磁场的作用下，通过自动调整摆动频率与摆动幅度，结合十字滑架的运动对焊缝跟踪实时校正，完成焊缝的自动跟踪。它主要应用于焊接自动化领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种焊接机器人自动控制装置，属于焊接自动化领域， 特别是一种具有焊缝跟踪功能的磁致应变焊接摆动器。

背景技术

当前，随着焊接自动化的高速发展，为了保证焊接质量和提高焊 接效率，进一步改善焊接环境，焊接摆动器在焊接机器人领域的应用 越来越广泛，特别是具有焊缝跟踪功能的焊接摆动器进一步推进焊接 朝着智能化方向发展，然而，目前焊接生产车间所使用的焊接摆动器， 不仅结构复杂、机械磨损大、响应频率低、使用寿命短，而且跟踪不 稳定、实时性和可控性差等，使得焊接自动化的发展停滞不前；另一 方面，随着形状记忆合金在温度和磁控方面的研究表明，形状记忆合 金具有形变率大(现有研究的最大磁致形变率达到16％)、抗疲劳次 数可达到500万次以上、无振动噪音和无污染、对环境的适应能力强、 机械性能优良的特点。本发明结合形状记忆合金的优良特点，涉及发 明了一种具有焊缝跟踪功能的磁致应变焊接摆动器。

发明内容

本发明为了解决现有焊接机器人存在的不足，进一步提高焊接效 率和保证焊接质量，推动焊接朝着智能化方向发展，针对当前焊接摆 动器结构复杂、机械磨损大、响应频率低、使用寿命短、跟踪不稳定、 实时性和可控性差等技术难题，现提出了一种具有焊缝跟踪功能的磁 致应变焊接摆动器。其主要内容是：它包括霍尔传感器、焊缝跟踪控 制器、励磁电源和磁致应变焊接摆动机构，如图1所示，焊接过程中 焊缝跟踪控制器根据霍尔传感器采集的电弧的电流信号，通过控制励 磁电源进一步形成磁场，磁致应变焊接摆动机构在磁场的作用下，通 过自动调整摆动频率与摆动幅度，结合十字滑架的运动对焊缝跟踪实 时校正，完成焊缝的自动跟踪。

所述的磁致应变焊接摆动机构它包括散热器(1)、隔热罩(2)、一 号U型磁芯(3)、二号U型磁芯(4)、横向励磁线圈(5)、纵向励磁线 圈(6)、磁极(7)、固定阀(8)、磁控形状记忆合金导杆(9)、实时温度 监测器(10)、非铁磁性推杆(11)、一号夹枪阀(12)、二号夹枪阀(13)、 转动副(14)，如图2，磁致应变焊接摆动机构与十字滑架固连随动； 励磁线圈安装在U型磁芯两侧，磁极(7)安装在U型磁芯两端；磁控 形状记忆合金导杆(9)右端通过固定阀(8)安装在一号U型磁芯(3)右 边磁极(7)处，磁控形状记忆合金导杆(9)左端与非铁磁性推杆(11) 右端固连随动，非铁磁性推杆(11)左端与一号夹枪阀(12)固连，二号 夹枪阀(13)安装在转动副(14)末端，焊炬(15)通过一号夹枪阀(12) 和二号夹枪阀(13)固定；散热器(1)安装在隔热罩(2)的顶端；实时 温度检测器(10)安装在磁控形状记忆合金导杆(9)的下端。

所述的具有焊缝跟踪功能的磁致应变焊接摆动器其磁致应变产生 机理是：磁控形状记忆合金导杆(9)在纵向磁场作用下，分布在晶格 上的原子受到邻近原子对其的静电结晶场作用，使得原子失去了在空 间位置各个方向的对称性，电子偏离原有轨道使得电子云的分布呈现 各向异性的状态，在电子自旋矩与轨道矩的耦合作用下，电子产生自 旋间各向异性能，当合金的磁畴磁化矢量方向转向磁场强度方向时产 生晶格畸变，形成宏观应变，也即磁控形状记忆合金导杆(9)在磁场 作用下产生磁致应变。若用U_k表示各向异性能，E_t表示孪晶界面迁移 激活能，W表示形状记忆合金作为驱动器件使用时所做的功，满足 U_k>E_t+W。

所述的具有焊缝跟踪功能的磁致应变焊接摆动机构其工作原理是： 励磁电源通过产生激磁电流在磁极(7)两端形成磁场，磁控形状记忆 合金导杆(9)在纵向磁场作用下产生磁致应变，磁控形状记忆合金导 杆(9)向左端伸长，非铁磁性推杆(11)向左产生位移，驱动焊炬(15) 绕着转动副(14)向右摆动，把纵向磁场撤去，磁控形状记忆合金导杆 (9)在横向磁场的作用下消去磁滞而恢复原形向右缩短，其回复力带 动非铁磁性推杆(11)向右产生位移，驱动焊炬(15)绕着转动副(14) 向左摆动。

焊接过程中，如图3，霍尔传感器采集的电弧的电流信号经滤波 与放大处理后送到焊缝跟踪控制器，焊缝跟踪控制器对其进行处理与 运算，将此采集的电流信号与给定的电流信号进行对比，判断焊炬相 对焊缝是否存在偏差；当焊炬相对焊缝存在左右方向的偏差时，增大 焊接电流，同时通过控制励磁电源增大纵向激磁电流，使磁致应变焊 接摆动机构的摆动幅度增大，焊缝熔敷宽度增大，保证焊缝熔深，十 字滑架同步运动进行左右调节使焊炬处于对中状态；当焊炬相对焊缝 偏高时，增大焊接电流，同时通过控制励磁电源增大纵向激磁电流的 频率，使磁致应变焊接摆动机构的摆动频率增大，使焊缝熔敷填满， 保证焊缝余高，十字滑架同步运动降低焊炬相对焊缝的高度；当焊炬 相对焊缝偏低时，减小焊接电流，同时通过控制励磁电源减小纵向激 磁电流的频率，使磁致应变焊接摆动机构的摆动频率减小，使焊缝不 堆积多余熔敷金属，避免焊缝余高过高，十字滑架同步运动调节焊炬 处于给定的焊接高度。

焊缝跟踪控制器根据实时温度检测器反馈的温度参数，调节散热 器来控制隔热罩内部温度，保证磁控形状记忆合金导杆在室温附近 (马氏体相变温度附近)工作。

本发明的有益效果是：

第一、本发明的磁致应变焊接摆动机构，通过励磁电源的激磁电 流形成磁场，利用磁控形状记忆合金在纵向磁场中的磁致伸缩作为摆 动的驱动力，通过控制输出参数自动调整摆动频率与摆动幅度，其充 分利用了形状记忆合金具有形变率大、疲劳寿命可达到500万次以上、 机械性能优良的特点，相比其他类型的焊接摆动机构结构简单、机械 磨损小、响应频率高，使用寿命长。

第二、本发明利用电弧传感和闭环控制的焊缝跟踪方法，对焊缝 偏差进行实时校正，解决了焊接生产过程中跟踪不稳定、实时性和可 控性差等技术难题问题，有利于焊接朝着自动化方向发展，不仅提高 了焊接效率和保证了焊接质量，而且保证了焊缝跟踪的精度与稳定性。

第三、本发明通过实时温度监测器实时监测隔热罩内部温度，结 合散热器控制磁控形状记忆合金在室温附近(马氏体相变温度附近) 工作，增强了焊接的适应性。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图2是磁致应变焊接摆动机构的结构框图。

图3是本发明的系统控制框图。

图中：1-散热风扇，2-隔热罩，3-一号U型磁芯，4-二号U型磁 芯，5-横向励磁线圈，6-纵向励磁线圈，7-磁极，8-固定阀，9-磁控 形状记忆合金导杆，10-实时温度监测器，11-非铁磁性推杆，12-一 号夹枪阀，13-二号夹枪阀，14-转动副，15-焊炬，16-焊丝。

具体实施方案

为了更好的描述本发明的技术方案与有益效果，接下来结合附图 与实施例进一步详尽表述。

本发明公开了一种具有焊缝跟踪功能的磁致应变焊接摆动器，它 包括霍尔传感器、焊缝跟踪控制器、励磁电源和磁致应变焊接摆动机 构，如图1所示，焊接过程中焊缝跟踪控制器根据霍尔传感器采集的 电弧的电流信号，通过控制励磁电源进一步形成磁场，磁致应变焊接 摆动机构在磁场的作用下，通过自动调整摆动频率与摆动幅度，结合 十字滑架的运动对焊缝跟踪实时校正，完成焊缝的自动跟踪。

所述的磁致应变焊接摆动机构它包括散热器(1)、隔热罩(2)、一 号U型磁芯(3)、二号U型磁芯(4)、横向励磁线圈(5)、纵向励磁线 圈(6)、磁极(7)、固定阀(8)、磁控形状记忆合金导杆(9)、实时温度 监测器(10)、非铁磁性推杆(11)、一号夹枪阀(12)、二号夹枪阀(13)、 转动副(14)，如图2，磁致应变焊接摆动机构与十字滑架固连随动； 励磁线圈安装在U型磁芯两侧，磁极(7)安装在U型磁芯两端；磁控 形状记忆合金导杆(9)右端通过固定阀(8)安装在一号U型磁芯(3)右 边磁极(7)处，磁控形状记忆合金导杆(9)左端与非铁磁性推杆(11) 右端固连随动，非铁磁性推杆(11)左端与一号夹枪阀(12)固连，二号 夹枪阀(13)安装在转动副(14)末端，焊炬(15)通过一号夹枪阀(12) 和二号夹枪阀(13)固定；散热器(1)安装在隔热罩(2)的顶端；实时 温度检测器(10)安装在磁控形状记忆合金导杆(9)的下端。

所述的具有焊缝跟踪功能的磁致应变焊接摆动器其磁致应变产生 机理是：磁控形状记忆合金导杆(9)在纵向磁场作用下，分布在晶格 上的原子受到邻近原子对其的静电结晶场作用，使得原子失去了在空 间位置各个方向的对称性，电子偏离原有轨道使得电子云的分布呈现 各向异性的状态，在电子自旋矩与轨道矩的耦合作用下，电子产生自 旋间各向异性能，当合金的磁畴磁化矢量方向转向磁场强度方向时产 生晶格畸变，形成宏观应变，也即磁控形状记忆合金导杆(9)在磁场 作用下产生磁致应变。若用U_k表示各向异性能，E_t表示孪晶界面迁移 激活能，W表示形状记忆合金作为驱动器件使用时所做的功，满足 U_k>E_t+W。

实施例1，选取NiMnGa系列单晶形状记忆合金，制成L₀*L₀*L₁的 长方体磁控形状记忆合金导杆(9)，磁控形状记忆合金导杆(9)右端通 过固定阀(8)固定在一号U型磁芯(3)右边磁极(7)处，保证磁控形状 记忆合金导杆(9)右端面与一号U型磁芯(3)右边磁极(7)平面相对平 行，使得磁控形状记忆合金导杆(9)与纵向磁感线相垂直，磁控形状 记忆合金导杆(9)左端与非铁磁性推杆(11)右端固连随动，励磁电源 根据焊缝跟踪控制器的控制参数产生激磁电流，激磁电流流经安装在 一号U型磁芯(3)两侧的纵向励磁线圈(6)在磁极(7)之间形成纵向磁 场，由麦克斯韦方程组：

其中ρ₀表示自由电荷的体密度，dV是无穷小的体积元，Φ为闭环 l的磁通量，B为磁感应强度，S为闭环l的面积，H为磁场强度，I为 传导电流，I_d为位移电流，j为传导电流密度，为位移电流密度。

根据系统介质具有各向同性，由物态方程组：

D＝ε_rε₀E(5)

B＝μ_rμ₀H(6)

j＝σE(7)

其中ε_r为介质的相对介电常数，μ_r为相对磁导率，σ为相对导电率。

联立麦克斯韦方程组和物态方程组解方程，可以得到系统中各电 磁量的时间与空间函数，进而可知所需电磁场的关系，并判断系统的 工作状态。

当磁场强度大于临界磁场强度H₀时磁控形状记忆合金开始变形， 当磁场强度小于H₁时磁场强度与形变率呈现正比关系，其形变率在 85-90％最大形变率以内都是属于线性段，之后当磁场强度继续增大， 磁致趋向饱和。励磁电源通过产生激磁电流在磁极(7)两端形成磁场， 磁控形状记忆合金导杆(9)在纵向磁场作用下产生磁致应变，磁控形 状记忆合金导杆(9)向左端伸长，非铁磁性推杆(11)向左产生位移， 驱动焊炬(15)绕着转动副(14)向右摆动，把纵向磁场撤去，磁控形状 记忆合金导杆(9)在横向磁场的作用下消去磁滞而恢复原形向右缩短， 其回复力带动非铁磁性推杆(11)向右产生位移，驱动焊炬(15)绕着转 动副(14)向左摆动。

实施例2，焊接过程中，如图3，霍尔传感器采集的电弧的电流信 号经滤波与放大处理后送到焊缝跟踪控制器，焊缝跟踪控制器对其进 行处理与运算，将此采集的电流信号与给定的电流信号进行对比，判 断焊炬相对焊缝是否存在偏差；当焊炬相对焊缝存在左右方向的偏差 时，增大焊接电流，同时通过控制励磁电源增大纵向激磁电流，使磁 致应变焊接摆动机构的摆动幅度增大，焊缝熔敷宽度增大，保证焊缝 熔深，十字滑架同步运动进行左右调节使焊炬处于对中状态；当焊炬 相对焊缝偏高时，增大焊接电流，同时通过控制励磁电源增大纵向激 磁电流的频率，使磁致应变焊接摆动机构的摆动频率增大，使焊缝熔 敷填满，保证焊缝余高，十字滑架同步运动降低焊炬相对焊缝的高度； 当焊炬相对焊缝偏低时，减小焊接电流，同时通过控制励磁电源减小 纵向激磁电流的频率，使磁致应变焊接摆动机构的摆动频率减小，使 焊缝不堆积多余熔敷金属，避免焊缝余高过高，十字滑架同步运动调 节焊炬处于给定的焊接高度。

实施例3，选取NiMnGa系列单晶形状记忆合金的马氏体相变温度 为31℃，其最佳工作温度范围是20-40℃。当实时温度检测器监测到 的温度低于31℃时，焊缝跟踪控制器根据反馈的温度参数，散热器 不工作；当实时温度检测器监测到的温度在31-40℃时，焊缝跟踪控 制器根据反馈的温度参数，自适应调节散热器的功率，保证磁控形状 记忆合金导杆在马氏体相变温度附近(31℃)工作；当实时温度检测 器监测到的温度高于40℃时，焊缝跟踪控制器根据反馈的温度参数， 因磁控形状记忆合金的磁致应变与磁场强度不再是正比关系，焊缝跟 踪控制器控制系统停止工作，等待温度下降。

以上所述是本发明的优选实施方式，但是本发明的实施方式不限 于此，在不脱离本发明原理的前提下所作出的若干改进，都视为本发 明的保护范围。