專(zhuān)利名稱(chēng)：核電j型接頭焊接復(fù)雜曲面跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種核電J型接頭焊接復(fù)雜曲面跟蹤方法，屬于金屬焊接技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前焊接復(fù)雜曲面的跟蹤有采用機(jī)器人示教、視覺(jué)傳感跟蹤等方法，由于多層焊焊縫引起軌跡的波動(dòng)，該軌跡方程很難描述，同時(shí)示教或視覺(jué)傳感過(guò)程復(fù)雜，需要較長(zhǎng)的處理時(shí)間。這些方法在核電J型接頭焊接復(fù)雜曲面跟蹤上均存在局限性。J型接頭是控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)管座與核反應(yīng)堆壓力容器相聯(lián)接的焊接接頭，其焊接質(zhì)量關(guān)系到核反應(yīng)堆壓力容器的安全性?？刂瓢趄?qū)動(dòng)管座數(shù)量多，對(duì)于600MW的核反應(yīng)堆，封頭上有37個(gè)管座，而1000MW的有64個(gè)，管座排布密集、焊接時(shí)操作空間小，對(duì)于不同位置的管座與封頭的交貫線形狀各不相同。
關(guān)于J型接頭的焊接跟蹤，法國(guó)普利蘇德有限公司(POLYSOUDE)公司為法國(guó)法馬通有限公司(Framatome ANP)提供過(guò)J型接頭專(zhuān)用焊接裝備，該公司生產(chǎn)的J型接頭焊接專(zhuān)機(jī)中采用視頻攝像頭、弧長(zhǎng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)跟蹤，但是該設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜，安裝了攝像機(jī)對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行視頻監(jiān)視跟蹤，同時(shí)其造價(jià)昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種核電J型接頭焊接復(fù)雜曲面跟蹤方法，使其實(shí)現(xiàn)整個(gè)電弧長(zhǎng)度范圍內(nèi)的任意高度位置的跟蹤，結(jié)合位置傳感在伺服機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)管子與球面封頭相交形成的交貫曲面焊接跟蹤，使用方法簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便。
本發(fā)明是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明通過(guò)實(shí)施時(shí)檢測(cè)焊接電壓、電流和數(shù)控位置參數(shù)，與參數(shù)電弧電壓設(shè)定值和管子周向位置角度設(shè)定的參數(shù)值比較，并結(jié)合PID(比例、積分、微分)控制器調(diào)節(jié)伺服機(jī)構(gòu)的快速響應(yīng)和運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)管子與球面相交形成的不同高度復(fù)雜交貫曲面的跟蹤。
本發(fā)明具體步驟包括(1)檢測(cè)TIG(鎢極惰性氣體保護(hù)焊)電源的電壓、電流輸出信號(hào)和工件位置信號(hào)零點(diǎn)，以設(shè)定的焊接速度啟動(dòng)管子周向回轉(zhuǎn)與軸向平移的雙伺服機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)；(2)比較被測(cè)電弧電壓值與設(shè)定的電弧電壓參數(shù)值之間的差值，以及位置編碼參數(shù)與管子周向位置角度設(shè)定的參數(shù)值之間的差值分別啟動(dòng)比例、積分、微分(PID)控制器；(3)通過(guò)雙伺服機(jī)構(gòu)和PLC(可編程控制器)設(shè)定合適的積分參數(shù)，和動(dòng)態(tài)調(diào)整比例、微分參數(shù)實(shí)現(xiàn)電弧電壓信號(hào)和管子周向位置信號(hào)的快速響應(yīng)，雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降機(jī)構(gòu)與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，并完成管子與球面封頭交貫形成的復(fù)雜曲面軌跡的跟蹤，根據(jù)被測(cè)電弧電壓與設(shè)定的參數(shù)值之間的差值，伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)始終采用比例、積分、微分調(diào)節(jié)，并保持穩(wěn)定焊接。
步驟(1)中，所述的檢測(cè)鎢極惰性氣體保護(hù)焊焊機(jī)的電壓、電流輸出信號(hào)，具體操作為采用霍爾傳感器對(duì)焊接電壓、電流信號(hào)進(jìn)行隔離采樣，并對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)線性放大，與可編程控制器內(nèi)的設(shè)定的電弧電壓參數(shù)值、管子周向位置角度設(shè)定的參數(shù)值比較，對(duì)比較產(chǎn)生的差值信號(hào)采用比例、積分、微分運(yùn)算環(huán)節(jié)進(jìn)行處理，焊接與位置信號(hào)經(jīng)過(guò)上述環(huán)節(jié)的處理反映焊槍運(yùn)行過(guò)程的位置。
步驟(1)中，所述的以設(shè)定的焊接速度啟動(dòng)管子周向回轉(zhuǎn)與軸向平移的雙伺服機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，具體實(shí)現(xiàn)為首先對(duì)PID控制環(huán)節(jié)進(jìn)行整定，整定方法為固定比例、積分、微分三個(gè)設(shè)定參數(shù)中的任意兩個(gè)參數(shù)，實(shí)驗(yàn)得到第三個(gè)參數(shù)對(duì)焊接電弧電壓波動(dòng)的影響，使實(shí)際測(cè)量的電弧電壓與設(shè)定電弧電壓值間的差值最??；而后，設(shè)定PID控制環(huán)節(jié)的比例、積分、微分三個(gè)參數(shù)，并通過(guò)比較上述三個(gè)設(shè)定參數(shù)下的焊接電弧電壓穩(wěn)定性為判別依據(jù)；最后進(jìn)行焊接跟蹤，具體過(guò)程為，依據(jù)檢測(cè)到的電流信號(hào)，啟動(dòng)雙伺服電機(jī)，同時(shí)檢測(cè)電弧電壓信號(hào)，其后計(jì)算該信號(hào)與設(shè)定的電弧電壓參數(shù)值的差值，并利用PID控制環(huán)節(jié)驅(qū)動(dòng)雙伺服電機(jī)滿(mǎn)足電弧電壓圍繞設(shè)定的電弧電壓參數(shù)值波動(dòng)，同樣檢測(cè)位置編碼參數(shù)，計(jì)算位置編碼參數(shù)與管子周向位置角度設(shè)定值差值，并利用PID控制環(huán)節(jié)驅(qū)動(dòng)雙伺服電機(jī)滿(mǎn)足回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)升降與回轉(zhuǎn)合成運(yùn)動(dòng)。
步驟(3)具體實(shí)現(xiàn)為當(dāng)被測(cè)量的電弧電壓大于設(shè)定的電弧電壓參數(shù)值時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降機(jī)構(gòu)向下運(yùn)動(dòng)，而當(dāng)被測(cè)量電弧電壓小于設(shè)定的電弧電壓參數(shù)值時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動(dòng)；同樣，采樣位置編碼參數(shù)與管子周向位置角度設(shè)定值比較，當(dāng)兩者不同時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)勻速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)兩者相同時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)變速運(yùn)動(dòng)；伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，具體依據(jù)位置編碼參數(shù)與管子周向位置角度設(shè)定值比較差值的正負(fù)決定回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的速度上升或下降，當(dāng)被測(cè)位置編碼參數(shù)與管子周向位置角度設(shè)定值比較差值為正時(shí)，速度下降，反之速度上升；雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降機(jī)構(gòu)與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜交貫曲面的焊接跟蹤。
本發(fā)明采用霍爾傳感器對(duì)焊接電壓、電流信號(hào)進(jìn)行隔離采樣，并對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)線性放大，與可編程控制器內(nèi)的設(shè)定的電弧電壓參數(shù)值比較，對(duì)比較產(chǎn)生的差值信號(hào)采用PID運(yùn)算環(huán)節(jié)進(jìn)行處理，焊接與位置信號(hào)經(jīng)過(guò)上述環(huán)節(jié)的處理，可實(shí)現(xiàn)與可編程控制器的直接輸入，并驅(qū)動(dòng)雙伺服機(jī)構(gòu)跟蹤復(fù)雜曲面。
本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，本發(fā)明利用焊接本身的特征參數(shù)和結(jié)構(gòu)位置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了J型接頭焊接復(fù)雜曲面跟蹤，同時(shí)對(duì)多層焊接具有廣泛的適應(yīng)性；使用方法簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)性好，由于提取了焊接電弧的相關(guān)電壓、電流信號(hào)，可以在跟蹤過(guò)程修正多層焊焊縫表面的起伏不平；同時(shí)采取了電氣隔離，可以適用高頻、短路等引弧方式。


圖1核電J型接頭剖面圖具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
復(fù)雜曲面由管子外徑Φ＝100mm，與球面封頭內(nèi)半徑R＝1938mm交貫形成，管子軸線與球面切向的夾角為40～90°，形成的交貫面的形狀、軌跡不同。如考慮球面半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管子外徑，局部可以近似為管子與斜板的交管，如圖1所示，驅(qū)動(dòng)管座為鎳基材料，球面封頭為低合金鋼，表面為不銹鋼堆焊隔離層，焊縫為多層多道焊。采用填絲鎢極惰性氣體保護(hù)焊，焊接速度為50～180mm/min，焊接電壓11.5v，焊接平均電流120A。
具體焊接跟蹤過(guò)程為(1)檢測(cè)鎢極惰性氣體保護(hù)焊電源的電壓、電流輸出信號(hào)和工件位置信號(hào)零點(diǎn)，0.5～1.0秒后，以設(shè)定的120mm/min的焊接速度啟動(dòng)管子周向回轉(zhuǎn)伺服機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，以PID控制器啟動(dòng)軸向平移的伺服機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)；(2)經(jīng)隔離、放大的測(cè)試的電壓為0.35V，電流10mA；焊接時(shí)因焊縫表面與曲面形狀的變化，實(shí)際電弧電壓測(cè)量值圍繞0.35v設(shè)定的參數(shù)值波動(dòng)；比較被測(cè)量值與電弧電壓設(shè)定值之間的差值，以及位置編碼參數(shù)與管子周向角度設(shè)定值之間的差值分別啟動(dòng)PID控制器，控制器給定積分控制參數(shù)I＝0.005、比例參數(shù)P＝0.08、微分參數(shù)D＝0.003；(3)通過(guò)雙伺服機(jī)構(gòu)和可編程控制器設(shè)定上述PID參數(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面軌跡的快速響應(yīng)與跟蹤，在焊接速度為120mm/min，焊接電壓11.5v，焊接平均電流120A的情況下，管子軸線與球面切向的夾角為40°的情況下可以很好實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面跟蹤，焊接過(guò)程穩(wěn)定；隨著夾角增大，跟蹤精度提高，焊接過(guò)程波動(dòng)減小，如90°角時(shí)焊接跟蹤的電壓波動(dòng)小于0.1v。
權(quán)利要求
1.一種核電J型接頭復(fù)雜曲面焊接跟蹤方法，其特征在于，具體步驟如下(1)檢測(cè)鎢極惰性氣體保護(hù)焊電源的電壓、電流輸出信號(hào)和工件位置信號(hào)零點(diǎn)，以設(shè)定的焊接速度啟動(dòng)管子周向回轉(zhuǎn)與軸向平移的雙伺服機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)；(2)比較被測(cè)電弧電壓值與設(shè)定的電弧電壓參數(shù)值的差值，以及位置編碼參數(shù)與管子周向位置角度設(shè)定的參數(shù)值之間的差值分別啟動(dòng)PID控制器；(3)通過(guò)雙伺服機(jī)構(gòu)和可編程控制器設(shè)定積分參數(shù)，和動(dòng)態(tài)調(diào)整比例、微分參數(shù)實(shí)現(xiàn)電弧電壓信號(hào)和管子周向位置信號(hào)的快速響應(yīng)，并完成由管子與球面封頭交貫形成的復(fù)雜曲面軌跡的跟蹤，伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)根據(jù)被測(cè)電弧電壓與設(shè)定的電弧電壓參數(shù)值之間的差值，始終采用PID調(diào)節(jié)，并保持穩(wěn)定焊接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的核電J型接頭復(fù)雜曲面焊接跟蹤方法，其特征是，步驟(1)中所述的檢測(cè)鎢極惰性氣體保護(hù)焊焊機(jī)的電壓、電流輸出信號(hào)，具體操作為采用霍爾傳感器對(duì)焊接電壓、電流信號(hào)進(jìn)行隔離采樣，并對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)線性放大，與可編程控制器內(nèi)設(shè)定的電弧電壓參數(shù)值、管子周向位置角度設(shè)定的參數(shù)值比較，對(duì)比較產(chǎn)生的差值信號(hào)采用PID運(yùn)算環(huán)節(jié)進(jìn)行處理，焊接與位置信號(hào)經(jīng)過(guò)上述環(huán)節(jié)的處理反映焊槍運(yùn)行過(guò)程的位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的核電J型接頭復(fù)雜曲面焊接跟蹤方法，其特征是，步驟(1)中所述的以設(shè)定的焊接速度啟動(dòng)管子周向回轉(zhuǎn)與軸向平移的雙伺服機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，具體實(shí)現(xiàn)為首先對(duì)PID控制環(huán)節(jié)進(jìn)行整定，整定方法為固定比例、積分、微分三個(gè)設(shè)定參數(shù)中的任意兩個(gè)參數(shù)，實(shí)驗(yàn)得到第三個(gè)參數(shù)對(duì)焊接電弧電壓波動(dòng)的影響，使實(shí)際測(cè)量的電弧電壓與設(shè)定電弧電壓值間的差值最??；而后，設(shè)定PID控制環(huán)節(jié)的比例、積分、微分三個(gè)參數(shù)，并通過(guò)比較上述三個(gè)設(shè)定參數(shù)下的焊接電弧電壓穩(wěn)定性為判別依據(jù)；最后進(jìn)行焊接跟蹤，具體過(guò)程為，依據(jù)檢測(cè)到的電流信號(hào)，啟動(dòng)雙伺服電機(jī)，同時(shí)檢測(cè)電弧電壓信號(hào)，其后計(jì)算該信號(hào)與設(shè)定的電弧電壓參數(shù)值的差值，并利用PID控制環(huán)節(jié)驅(qū)動(dòng)雙伺服電機(jī)滿(mǎn)足電弧電壓圍繞設(shè)定的電弧電壓參數(shù)值波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)升降與回轉(zhuǎn)合成運(yùn)動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的核電J型接頭復(fù)雜曲面焊接跟蹤方法，其特征是，所述的步驟(3)，具體實(shí)現(xiàn)為當(dāng)被測(cè)量的電弧電壓大于設(shè)定的電弧電壓參數(shù)值時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降機(jī)構(gòu)向下運(yùn)動(dòng)，而當(dāng)被測(cè)量電弧電壓小于設(shè)定的電弧電壓參數(shù)值時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動(dòng)；同樣，采樣位置編碼參數(shù)與管子周向位置角度設(shè)定的參數(shù)值比較，當(dāng)兩者不同時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)勻速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)兩者相同時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)變速運(yùn)動(dòng)；雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降機(jī)構(gòu)與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜交貫曲面的焊接跟蹤。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的核電J型接頭復(fù)雜曲面焊接跟蹤方法，其特征是，所述伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，具體依據(jù)位置編碼參數(shù)與管子周向位置角度設(shè)定值比較差值的正負(fù)決定回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度上升或下降，當(dāng)被測(cè)位置編碼參數(shù)與管子周向位置角度設(shè)定值比較差值為正時(shí)，速度下降，當(dāng)被測(cè)位置編碼參數(shù)與管子周向位置角度設(shè)定值比較的差值為負(fù)時(shí)，速度上升。
全文摘要
一種核電J型接頭焊接復(fù)雜曲面跟蹤方法，屬于金屬焊接技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明方法具體為檢測(cè)鎢極惰性氣體保護(hù)焊電源的電壓、電流輸出信號(hào)和工件位置信號(hào)零點(diǎn)，以設(shè)定焊接速度啟動(dòng)管子周向回轉(zhuǎn)與軸向平移的雙伺服機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)；比較被測(cè)電弧電壓值與設(shè)定的電弧電壓參數(shù)值的差值和位置編碼參數(shù)與管子周向位置角度設(shè)定的參數(shù)值之間的差值分別啟動(dòng)PID控制器；通過(guò)雙伺服機(jī)構(gòu)和可編程控制器設(shè)定積分，比例、微分參數(shù)實(shí)現(xiàn)電弧電壓和管子周向位置信號(hào)快速響應(yīng)，并完成復(fù)雜曲面軌跡的跟蹤，伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)始終采用PID調(diào)節(jié)，保持穩(wěn)定焊接。本發(fā)明可跟蹤復(fù)雜曲面，對(duì)多層焊接有廣泛適應(yīng)性，使用方法簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)性好，并適用于高頻、短路等引弧方式。
文檔編號(hào)B23K9/095GK1974100SQ200610147650
公開(kāi)日2007年6月6日 申請(qǐng)日期2006年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月21日
發(fā)明者陸?zhàn)? 張茂龍, 陳俊梅, 錢(qián)旭輝, 相睦, 徐政 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)