磁控摆动埋弧焊焊缝跟踪系统的分析-analysis of seam tracking system for magnetically controlled swing submerged arc welding.docx

主要符号对照表U ：焊接电压； I ：焊接电流； F：劳伦兹力；h(t) ：焊炬高度随时间的变化值；Hc:导电嘴角到试板最大的距离值； T：摆动周期；t：时间；L ：最大摆动幅度；α ：试块右坡口倾角； θ ：试块左坡口倾角； E ：电源电压；R ：电阻；Ld ：电感；i ：输出电流；u ：输出电压；G(s) ：传递函数； Ls ：焊丝伸出长度； La ：电弧长度；B: 焊缝宽度h：焊缝余高Ua ：电弧电压补偿值；I (s) ：电流的拉氏变换函数；f ：频率；ωo ：通带中心角频率；Avo ：运算放大器开环电压增益；δ：误差允许值；K1 、 K2 ：比例因数；湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日III11第 1 章 引言1.1 课题研究指导思想焊接作为一种材料加工方法，是现代制造技术的一个重要组成部分。在机械制造、 核工业、航空航天、能源交通、石油化工、建筑和电子行业中的应用越来越广泛[1]。研 究和发展自动化、智能化焊接过程控制系统是保证焊接质量，提高生产效率，改善劳动 条件的重要手段[2-5]，也是未来焊接技术的发展方向[6-9]。这主要表现在如下的几个方面 [10-11]：1、保证和提高焊接质量 手工焊焊接质量受焊接工人的技术能力和责任心影响较大，存在大量的影响质量的不稳定因素，如人的技能、体力、情绪、责任心等，各种焊接缺陷的发生率要高于其它 方法。另外，目前包括机器人在内的自动焊接设备，并不具有真正意义上智能跟踪功能， 大多停留在示教再现式的水平，这些焊接设备往往对焊接工件存在的下料加工及装配的 误差，焊接过程中工件引起的热变形等都难以预料，由此造成一些工件焊后存在焊脚尺 寸不对称、焊缝没对中等焊接缺陷。因此研究开发能灵活移动，具有智能化的焊缝跟踪 设备，是提高焊接质量必不可少的需求。2、 改善焊接工人的劳动条件 由于焊接过程产生强烈的热、烟尘和弧光，导致现场工作环境非常恶劣，对工人的体能消耗很大，而且焊接现场的空气污染、电磁污染和强烈的弧光辐射会对工人的健康 造成危害。许多重要结构件如合金钢罐体必须在预热 100-200oC 温度下焊接，为了要焊 接罐体内部焊缝，工人只好穿上全身浇湿的石棉工作服钻进封闭的罐体工作，即便如此， 每位工人也只能坚持 20 多分钟，工人采用轮流工作方式完成任务，严重的影响了焊接工人的健康[10]。另外，随着核能工业、海洋工业以及空间技术在 21 世纪的发展，必然 会要求在放射性、水下以及太空进行焊接和修补，焊接条件进一步恶劣。采用自动化、 智能化的弧焊机器人系统是将人从手工焊接的恶劣环境中解放出来的根本途径，也是人 类梦寐以求的理想，更是科技发展以人为本的具体体现。3、 提高生产效率，降低焊接生产成本 手工电弧焊的生产效率低，人工成本大。据统计，工人实际焊接的时间不足其工作时间的 30%，采用自动焊接系统比手工焊接可以节约焊接工时 60-80％；一般手工电弧 焊焊条头的浪费率为 10-15％，而自动焊焊接方法采用连续送丝，没有焊条头的浪费， 而且可以减小坡口角度，减少金属填充量，节约大量焊材。因此采用自动焊接设备可以 大大提高焊接生产率，降低焊接生产成本[12]。并且采用具有焊缝自动跟踪功能的自动焊 接系统又可大大提高焊接生产效率。这是因为与示教型和程序控制焊接系统相比，它省 去了繁重的示教工作或事先的编程工作，也降低了对工件加工精度和装配精度的要求，22从而降低了焊接准备时间，提高了整个系统的生产效率，特别是对于工况特殊、形状复杂的曲线焊缝，示教型焊接机器人为了保证示教轨迹的精度，示教的点数要求较多，为 此需要较长时间的示教操作，这是一件很繁琐的工作，对于小批量生产更为不利[13]。因此，研究焊接过程的自动化、智能化将成为焊接领域未来的重点发展方向；研制 焊缝自动跟踪系统已成为焊接领域的一项重要研究课题。1.2 国内外研究现状埋弧焊介绍埋弧焊产生于二十世纪四十年代，是当今生产效率较高的机械化焊接方法之一 [14-