A cylindrical capacitance sensor suitable for automatic arc tracking system of narrow gap weld
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摘要: 焊缝跟踪系统是实现智能焊接的关键技术之一，针对窄间隙焊缝中焊缝实时跟踪困难等问题，文中设计了一种基于边缘电场技术的多极阵列电容传感器，并通过结合了小波滤波与非线性映射技术的电容信号处理技术，实现了该传感器对窄间隙焊缝坡口形貌的重构. 首先，建立了该传感器的数学模型，得到了多极阵列电容传感器的相关理论数值，并结合有限元仿真分析，优化了传感器结构. 随后，通过电容信号处理技术实现了对传感器电容信号的提取及优化，获得了焊枪偏移及焊缝偏差信号，完成了焊缝坡口形貌重构. 结果表明，多极阵列电容传感器应用于窄间隙焊缝跟踪系统是可行的，对窄间隙焊缝跟踪具有重要意义.Abstract: Seam tracking system is one of the key technology to realize intelligent welding. Aiming at the problems of welding seam tracking in narrow gap, such as the difficulty of real time seam tracking weld seam of sensor, a new multipole array capacitive sensor based on fringe electric field technology is designed. And the welding seam surface reconstruction is realized through the capacitive signal processing technology based on wavelet filtering and nonlinear mapping technology. Firstly, a mathematical model of multipole array capacitive sensing is established, and the capacitive sensor structure is optimized through theory calculation results and finite element simulation analysis. Subsequently,The capacitive signal of the sensor is extracted and optimized with the help of capacitance signal processing technology, the welding gun offset,and weld deviation are both obtained. The results show that the reconstructed weld surface is basically the same as the narrow gap weld in the experiment, and it is feasible for the multipole array capacitive sensor applying to narrow gap weld tracking, which is of great significance for narrow gap weld tracking.
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0. 序 言
焊缝跟踪技术是自动化焊接控制首先要解决的问题[1]. 由于电弧传感器具有结构紧凑、不需要附加设备、价格低、实时性强和能够抵抗磁偏吹干扰等特点，已经被成功地应用于工业生产中[2-3].
由于窄间隙焊接过程中，坡口侧壁与焊丝接近平行，导电嘴到坡口底部的距离几乎不发生改变[4]，电弧电信号的改变主要受磁偏吹引起，因此窄间隙电弧传感主要是通过距离侧壁不同距离时磁偏吹强度不同来反映焊缝位置. 已经有不少学者针对窄间隙电弧信号的传感特征开展了研究[5-7]. 为了提高窄间隙焊接摆动电弧传感的精度和可靠性，需要同步采集焊枪摆动位置信号和焊接电压电流信号及电弧图像信号进行分析. Agostinho[8]和罗雨等人[9]采用从电机编码器中采集位置信息的方式获得摆动位置信号，将焊枪摆动位置信号同电压电流信号对应起来. 黎文航等人[10]利用光电开关，不仅采集到焊接电压电流信号，而且获得了电弧运动到侧壁位置时的图像信息. 由于联轴器精度、丝杠间隙等机械系统误差的存在，从电机编码器提取的位置信息并不能完全反映焊枪位置，而且上述研究者并也没有同步提取焊接全过程中的电信号、电弧图像和焊枪位置，很难深入的研究电弧在窄间隙坡口中的行为和电弧传感特征参数的关系.
通过高精度激光位移传感器测量焊枪位置，基于TMS320F2812和Labview开发了一种窄间隙焊接摆动电弧传感测试试验系统，不仅能够准确获取焊枪位置信息，而且能够实现电弧图像、电压电流信号、焊枪位置的同步提取，为深入研究窄间隙摆动电弧传感特征奠定了必要的基础.
1. 试验系统主体结构设计
试验系统包括机械模块，控制模块，焊接模块和信号同步采集模块.设计如图1a所示的焊枪摆动器，两个步进电机分别控制焊枪的左右摆动和高低调整，在焊枪摆动器上安装激光位移传感器，实时测量焊枪的摆动位置. 选用美国Banner公司生产的LG10A65PIQ激光位移传感器，该传感器对平面白色物体的最高分辨率达3 μm. 焊枪摆动器可以在试验台上整体移动完成摆动焊接，也可以保持摆动器原地摆动，通过试件移动完成焊接，如图1b所示.
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图 1 试验系统机械结构运动示意图Figure 1. Schematic of the mechanical structure of experimental system控制模块用来完成系统运动控制和通信控制. 通过TMS320F2812控制步进电机完成摆动器的运动控制、控制伺服电机完成工件行走或者摆动器移动的运动控制. 通过搭建ROB5000模块控制焊机的起弧、熄弧、送丝、送气、模式选择、电流和电压等参数调节，实现焊机通信控制；通过CAN总线作为各个模块之间的通信连接方式，以具有参数设置和命令控制功能的遥控器为系统的主通信节点，焊接摆动控制器、焊接通信控制器等作为系统的多个子节点.
焊接模块由焊接电源、送丝机和保护气体组成. 试验系统同步采集四路焊接电弧信号，其中电流电压通过霍尔传感器获得；摆动焊枪位置信号由LG10A65FPIQ激光位移传感器获得. TMS320F2812对上述三路信号数据采集、传输，上位机Labview接收数据并进行处理. 电弧图像由1888-SU-01-C相机采集，上位机软件Ramdisk通过同步触发器来控制四路信号同步采集的启动和停止.
2. 电弧信号同步采集系统设计
四路电弧信号的采集由上位机PC在开发的软件Ramdisk中进行控制，上位机发送指令给同步触发器，同步触发器控制两路TTL信号的电平变化，可控制信号采集的开始、停止，其原理如图2所示.
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图 2 焊接信号同步采集系统原理图Figure 2. Schematic of the synchronous acquisition system for welding signals电弧图像由1888-SU-01-C相机采集，同步触发器发出高电平信号经集电极开路晶体管电路控制相机开始采集数据，采集速率为4 000帧/秒，电弧图像采集到之后直接汇入PC机，由Ramdisk软件进行信息提取和保存.
焊接电流通过闭环式霍尔电流传感器CHB-1000S获取，电压信号通过霍尔电压传感器CHV-25P获取. 由于TMS320F2812的AD模块最大允许采集电压为3.3 V，将焊接电压电流信号提取之后, 经过限流电阻按照1 000:1等比例缩小后传输到TMS320F2812的AD模块进行采样，其中电流信号传输到ADCINA4通道，电压信号传输到ADCINA5通道.
焊枪摆动位置信号由LG10A65FPIQ激光位移传感器获取，激光位移传感器输出4 ~ 20 mA电流，流经限流电阻后转换为0.6 ~ 3 V电压. 由于焊接过程存在机械振动且摆动信号频率很低，先经Buttworth滤波电路滤去频率相对较高噪声，电路如图3所示. 电压输入到低通滤波电路，滤波后的电压信号由TMS320F2812的AD模块中ADCINA6采样通道进行采样.
图3中VCC + = + 12 V，VCC − = −12 V，R3 = 120 Ω，R1 = R2 = 27 KΩ，C1 = C2 = 0.1 μf，R4 = 10 Ω. 则电路的截止频率为
$$ f = \frac{1}{{2{\text π} RC}} \approx 58.9\;{\rm{Hz}} $$ (1) 二阶低通滤波器的带通增益为
$${A_{VP}} = \frac{{{\mathop{\rm R}\nolimits} 3 + R4}}{{{\mathop{\rm R}\nolimits} 3}} = 1.083$$ (2) 当上位机发出开始采集信号的指令时，同步触发器发送高电平信号启动TMS320F2812的AD模块进行采样次数为8倍的过采样，以滤掉偏差值过大噪声信号，过采样后AD采样频率4 000 Hz. 数据采集流程如图4所示.
由于AD模块的高速采样与SCI串口低速发送间存在冲突，为防止数据在传输过程中丢失，在DSP内部开发数据缓冲区sine1[2]，sine2[2]和sine3[2] 及数据发送缓冲区transfer1[2]，transfer2[2]和transfer3[2]. AD模块采集到电压信号数据后存放到sine1数组内，采满之后将该数组内的数据赋值给数据传输数组transer1；AD模块采集到电流信号数据后存放到sine2数组内，采满之后将该数组内的数据赋值给transer2；AD模块采集到焊枪摆动位置信号数据后存放到sine3数组内，采满之后将该数组内的数据赋值给transfer3数组.
当主程序启动SCI串口发送时，SCIA串口准备就绪即可将数据发送出去. 由于SCI串口是异步发送机制，为防止接收过程产生错误必须在每个数取前四位的基础上加一个标识位字符. 在电压数据前加入字符A，在电流数据前加入字符B，在焊枪摆动位置数据前加入字符C. 上位机Labview接收数据后，每读到字符A，B，C，接收下四个字符对应的数值并组成四位数，即可接收到串口传输的电弧信号数据.
SCI串口发送采用查询发送方式其流程如图5所示.
上位机根据激光位移传感器的信号转换关系得到位移(L/mm)和二阶Buttworth低通滤波电路输出电压(U/V)的转换公式：
$$L = 0.83U + 62.5$$ (3) 将字符C后接收到的数据转换成焊枪摆动位置信号并存储. 由于焊接电流信号的量级为几百安，焊接电压信号的量级为几十伏，为了观察的更为直观，将通过霍尔传感器接收到的电压电流信号缩小，得到幅值与焊枪摆动位置信号幅值数量级相同的数据并储存.
为了更方便的处理焊枪摆动位置信号，Labview程序设计有置位功能. 置位功能是将采集到的起始位置数据设置为0点，所有数据均跟随起始位置数据在0点附近上下波动，并将处理后的数据保存成新的文档. 在信号传输过程存在大量干扰，上位机接收到的电弧信号数据中掺杂了大量噪声信号，因此Labview程序设计有低通滤波功能. 焊枪摆动频率大约为2 Hz，设置2阶Buttworth低通滤波器截止频率为3 Hz，并将滤波前后的时域图形直观的显示出来，将滤波后的数据保存成新的文档.
当上位机发出停止采集指令时，同步触发器发出停止信号，1888-SU-01-C相机、TMS320F2812均停止工作，信号采集停止. 由于四路信号同时开始采集，同时停止采集，每个电流电压的值和焊枪摆动位置信号的值实时对应，且TMS320F2812与1888-SU-01-C相机采样频率相等，同一时刻电流电压值和焊枪摆动位置信号值对应一张电弧图像照片，可以实现电弧图像、焊接电流、焊接电压和焊枪摆动位置信号的同步采集，进而可以清楚的了解电弧每一时刻的形态和对应的电弧信号数据.
3. 试验系统功能测试
所开发的试验系统如图6所示. 在设计试验系统上进行窄间隙摆动焊接试验. 采用Fronius的TPS3200作为焊接电源，选择脉冲焊模式，设置焊枪摆动幅度3 mm，摆动速度45 mm/s，焊接速度4 mm/s，送丝速度5 m/min，弧长修正为5. Labview软件中电弧信号采集结果与得到焊接结果如图6所示.
从试验结果可以看出在焊接过程中电压电流呈现出脉冲的图形，但存在电压电流信号不稳定的情况；置位后的焊枪摆动信号还存在传输过程产生的噪声；经过低通滤波后的焊枪摆动信号近似为正弦信号，且幅值仍近似为3 mm，符合试验预期的结果.
将采集到的焊接电压电流信号，焊枪摆动位置信号在Matlab中绘制得到曲线，取前0.4 s的焊接信号. 根据位置信号和焊接电弧图像的采样频率，每隔一个焊枪摆动位置信号的值可以找到一张焊接电弧图像. 按照信号对应关系抽取一个摆动行程内焊枪在不同位置时所对应的6张电弧图像的照片，焊接电弧信号同步采集结果如图7所示. 图中红色曲线为焊枪摆动位置信号，黑色曲线为电压信号(十伏)，紫色曲线为电流信号(百安).
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图 7 Labview的信号和焊接试验结果Figure 7. Signal acquised by Labview and the result of welding experiment由试验结果可以很清晰地看到焊接过程中每一时刻的电压电流信号，焊枪摆动位置信号的值，按照对应关系可以找到对应的电弧图像.
4. 结 论
(1) 通过高精度激光位移传感器测量焊枪位置、基于TMS320F2812和Labview软件开发了摆动焊炬电弧传感试验系统.
(2) 所开发的试验系统不仅能够实现窄间隙摆动焊炬焊接，而且能够同步采集焊接全过程的电弧图像、焊接电压、焊接电流和焊枪摆动位置信息，为深入地研究焊接过程电弧传感规律、电弧在窄间隙坡口中的行为奠定了必要的基础.
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图 1 电极结构简图
Figure 1. Electrode structure diagram. (a) cross section of electrode; (b) three-dimensional structure of electrodes
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图 3 电容传感器在窄间隙焊缝中的空间位置关系
Figure 3. Spatial position relationship of the capacitance sensor in the narrow gap weld. (a) welding gun in the center; (b) welding gun offset to the lefto, welding gun offset to the right; (c) welding gun offset upwards, welding gun downward offset
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图 4 极板覆盖率不等时水平横截面电势分布图
Figure 4. Equipotential distribution map of horizontal cross-section with unequal plate coverage. (a) pole plate coverage of 50%; (b) pole plate coverage of 75%; (c) pole plate coverage of 90%
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图 5 窄间隙焊缝模型与坡口模型重建
Figure 5. Narrow gap weld model diagram and reconstruction of groove model variation of the lateral and longitudinal offsets. (a) narrow gap weld model diagram; (b) reconstruction diagram of groove model
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图 6 焊缝横向及纵向偏移时电容
$C_{12}$ 化曲面图Figure 6. Curve of capacitance C12 variation when the welding gun deviates horizontally and longitudinally
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图 7 电容值横向偏差下非线性映射点拟合曲线图
Figure 7. Nonlinear mapping point fitting curve of capacitance value under lateral deviation
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图 9 焊枪产生横向偏差时C12值变化曲线
Figure 9. Change curve of C12 value when lateral deviation of welding gun occurs. (a) welding torch in the center; (b) welding gun deviates 1 mm to the left; (c) welding gun deviates 2 mm to the left; (d) welding gun deviates 4 mm to the left
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图 10 焊枪产生纵向偏差时C12值变化曲线
Figure 10. C12 value variation curve when welding gun produces longitudinal deviation. (a) height deviation of 5 mm; (b) height deviation of 10 mm
表 1 焊枪不同横向/纵向时偏差电容值变化(pF)
Table 1 Variation of deviation capacitance value of welding gun in different lateral/longitudinal directions
焊枪偏差距离 初始值C0 最大值Cmax 差值ΔC 居中 3.226 420 3.226 520 0.000 1 左偏1 mm 3.226 080 3.229 030 0.002 95 左偏1 mm 3.226 080 3.229 030 0.002 95 左偏2 mm 3.225 15 3.230 40 0.005 25 左偏4 mm 3.226 80 3.233 95 0.007 15 上偏5 mm 3.226 450 3.229 050 0.002 60 上偏10 mm 3.226 500 3.239 000 0.012 50 
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