一种用于薄板对接的电容式焊缝跟踪传感器
传感器在焊接过程中的应用重点
传感器在焊缝跟踪过程中的应用引言我们这学期学习了《传感器与检测技术》。
了解到了传感器在现代生产生活中起着越来越重要的作用，同时在焊接过程中也越来越受到重视。
现在的焊接要求精确化，智能化，自动化,在这些要求中往往离不开一个重要的技术~~传感器技术，本文我们就来研究传感器在焊接过程中的应用。
、传感器根据国家标准GB7665-87,传感器定义为：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件装置。
传感器作为检测工具，要求检测研究对象的物理或化学的信息，其工作过程要求稳定、可靠、精度高，所以对传感器有以下几个要求：(1适应恶劣环境能力强传感器一般工作环境十分广，从极寒至酷热地区，许多在露天环境下工作，能抗飞沙走石、灰尘，还应耐潮湿，较高的抗盐类腐蚀、酸性腐蚀的能力，有抗污染气体干扰的能力，能适应在高温、极寒、强烈振动、冲击以及在其他条件下正常工作的能力，还应抗噪声能力强，信噪比高。
(2价格适中，适于大批量生产要求传感器一致性好，适宜自动化批量生产，对加工设备有较高要求，以便排除人工操作带来的不一致性和失误。
(3稳定性和可靠性高传感器是一种高精度检测仪器，在军事、航空、航天中应用都有严格要求，产品都须经过严格测试才能应用。
所以传感器生产是一种高新技术的具体运用和体现。
一种传感器是否有较高的技术附加值体现在所包含的技术含量和加工工艺的技术是否高新。
有部分传感器由于其应用环境的状况需金属封装，一般采用焊接密封，如压力传感器、力传感器、霍尔传感器、光电传感器、温度传感器等，这类传感器内部有敏感元件和集成电路，充惰性气体或抽真空与外界隔绝，有耐压、气密性要求，另有焊接强度要求和漏气率要求，对焊接质量要求高，而且焊接过程中要求变形小，不能对内部元件和微电路有损坏。
目前传感器密封焊接有电阻焊、钨极氩弧焊、等离子弧焊、电子束焊和激光焊。
所谓焊缝跟踪，即以焊炬为被控对象，电弧（焊炬相对于焊缝中心位置的偏差作为被调量，通过视觉传感、接触传感、超声波传感、电弧传感等多种传感测量手段，控制焊炬使其在整个焊接过程中始终与焊缝对口。
电磁超声技术在焊缝检测中的应用_高会栋
2010年远东无损检测论坛论文精选 2010年第32卷第11期电磁超声技术在焊缝检测中的应用高会栋(Borja Lopez Innerspec Technologies Inc ,USA )摘 要:电磁超声技术利用洛伦兹力或磁致伸缩原理在金属或磁性材料中激发出超声波,它是一种超声无损检测新技术。
相对于其他无损检测技术而言,电磁超声具有所有的超声检测的优势。
声波的激发发生在材料的表面而不是在传感器内部。
所以它与传统的基于压电换能器的超声检测相比,具有无需耦合剂、可非接触、可适用于超低温或超高温环境、有利于工业自动化以及可方便有效地实现横波检测及导波检测等优势。
Innerspec Technolog ies 公司致力于电磁超声技术的研发和应用,在近十几年中开发了150多台工业在线电磁超声检测系统,广泛应用于钢铁、汽车制造、石油天然气管道和压力容器等领域。
作为一种超声波技术,电磁超声可以应用于各种厚度测量、缺陷检测以及材料表征。
举例讨论了电磁超声在焊缝检测中的应用。
第一个应用是利用导波对激光拼焊板的检测。
第二个应用是电阻焊钢管的在线检测。
利用沿着周向传播的超声导波对焊缝进行检测,克服了由于焊缝位置偏转对传统超声焊缝检测设备带来的困难。
第三个应用是水平横波以及多通道电磁超声相控阵技术实现奥氏体不锈钢焊缝的检测。
关键词:电磁超声检测;薄板;钢管;奥氏体不锈钢;焊缝 中图分类号:T G 115.28 文献标志码:A 文章编号:1000-6656(2010)11-0850-04EMAT and its Application in Weld InspectionGA O Hui -Dong(Bo rja Lopez Inner spect T echnolog ies Inc ,U SA )A bstract :Electro mag netic acoustic transducer (EM A T )is a new technolo gy fo r ultr aso nic nondestructiv e testing based on the phy sical principles of L or entz force and mag netostriction .A s an ultraso nic testing (U T )method ,it has all the benefits o f U T compared w ith o ther me tho ds .I nstead o f g ene rating so und in the transducer ,EM A T generates ultrasonic wav es o n the sur face o f a test part .T he refor e ,compared with co nventio na l piezo electric transduce rs ,EM A T testing has the benefit of no couplant ,no n co ntac t ,feasible fo r ex treme lo w or hig h temper ature ,a nd co nvenient for industrial automation .In addition ,EM A T is v ery co nvenient to generate SH wav es and all types of guided w aves .Dedicated to the development and commercializatio n of EM A T techno log y ,Inner spec technologies has develo ped mo re than 150industrial EM A T inspectio n systems for steel ,auto mo bile ,o il and g as transpo rtation ,pressur e vessel ,a nd po we r g ener ation indust ries .As a U T technique EM A T is suitable for thickness measurement ,flaw de tection ,and ma te rial characterization .In this paper ,we will fo cus our discussion o n a few applicatio ns of w eld inspectio n .T he fir st applicatio n is a lase r we ld inspection in tailo r welded blanks ,in which guided w aves are used to inspec t the thin plates .T he seco nd application is an inline inspectio n o f electric resistance w eld (ERW )tube using circumfe rential guided wav es .T he thickness of the tube v arie s betw een 1.5mm and 8mm .T he third applicatio n for thick austenitic welds in powe r industry is using ang le beam EM A T pha sed ar ray and our 8channe l hig h pow er po rtable EM A T instr ument .Keywords :Electromag netic acoustic testing ;T hin plate ;Steel pipe ;A ustenitic stee l ;W eld 近年来随着超高温和超低温检测环境以及对非接触式自动化检测的需求,电磁超声技术的研发越来越受到无损检测研发和使用人员的重视。
基于深度神经网络的焊缝自动跟踪方法[发明专利]
![基于深度神经网络的焊缝自动跟踪方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/328a0416910ef12d2af9e7f4.png)
专利名称：基于深度神经网络的焊缝自动跟踪方法专利类型：发明专利
发明人：杨国威,周楠,王以忠,杨敏,许志旺
申请号：CN202011463792.8
申请日：20201214
公开号：CN112548273A
公开日：
20210326
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种基于深度神经网络的焊缝自动跟踪方法，焊缝自动跟踪方法包括特征点检测网络和特征点跟踪网络。
特征点检测网络输出的特征点位置信息输入特征点跟踪网络，实现焊缝自动跟踪。
特征点检测网络由特征提取模块、注意力机制模块、先验框生成模块和识别定位模块组成。
焊缝特征点跟踪网路由特征提取模块、注意力机制模块和响应输出模块组成。
本发明利用神经网络实现了焊缝自动跟踪，本发明根据焊缝图像特点设计焊缝特征点提取网络和跟踪网络，本发明能够提高焊接的效率和质量，提高自动焊缝跟踪系统在实际复杂焊接环境中的适应能力。
申请人：天津科技大学
地址：300222 天津市河西区大沽南路1038号天津科技大学电子信息与自动化学院96号信箱国籍：CN
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电弧跟踪
电弧跟踪实现过程：
图 1.电弧传感器的作用 如图 1 所示，无论是工件本身不规则还是在焊接过程中发生了变型，无论这种变形是左右变 形、上下变形还是上下左右都变形，电弧传感器的作用就是让机器人始终能找到焊缝的中心 位置，准确地在中心位置焊接，并保持焊炬高度的一致。无论是直峰焊、环缝焊、相贯线焊 还是其他焊接轨迹，电弧传感器都能很好地跟踪焊缝中心。
图 2.焊炬在 V 型焊缝中摆动时的电流波形
图 3.焊炬偏离焊缝中心时的电流波形 图 2 可以看出，焊炬在 V 型坡口中心摆动时，摆到两侧时由于干伸长变短导致电流增
加，摆到中心时由于干伸长变长导致电流减小，电弧传感器就是利用这个原理实现电弧跟踪 的。如果焊炬以焊缝为中心摆动，则摆到两侧时的干伸长是对称的，电流波形也是对称的， 如果焊炬偏到某一侧，则该侧的干伸长变短电流较大，另外一侧的干伸长变长电流较小，两 边电流波形不对称，系统据此可判断出焊炬已经偏离焊缝中心（如图 3 所示）,然后再据此 调节焊炬位置让焊炬回到焊缝中心位置来。
(3)焊炬摆动式电弧传感器。当电弧在坡口中摆动时，焊丝端部与母材之间距离随焊炬 对中位置而变化，它会引起焊接电流与电压的变化。由于受机械方面限制，摆动式电弧传感 器的摆动频率一般较低，限制了在高速和薄板搭接接头焊接中的应用。在弧焊其他参数相同 的条件下，摆动频率越高，摆动式电弧传感器的灵敏度越高。
（4）磁控电弧传感器。该传感器应用磁场控制电弧技术，具有结构简单、无机械振动、 成本低、控制精确等优点。其基本原理是激励电源产生的激励电流通过激励线圈产生交变磁 场，焊接电弧在交变磁场的作用下，其运动轨迹必定发生改变。
图 4.工件上下方向变形时电弧跟踪的实现 电弧传感器除了可以实现左右焊缝跟踪外，还可以实现上下焊缝跟踪。有摆动和无摆动
焊缝跟踪系统
焊缝跟踪系统简介焊缝跟踪系统是一种自动化设备，用于跟踪焊缝的位置，控制焊接机器人或激光焊接机的运动，保证焊接质量，提高焊接效率。
该系统常用于汽车工业、航空航天工业等领域。
功能焊缝跟踪系统可以自动识别焊缝位置和形状，实现焊接轨迹的自动规划和控制，避免人为因素对焊接质量的影响。
常见的焊缝跟踪系统有激光焊接跟踪系统和焊接机器人跟踪系统。
激光焊接跟踪系统激光焊接跟踪系统是利用两个激光发射器形成的光线在焊缝上形成一条光线。
通过摄像机识别光线，并计算出光线与焊缝的距离和角度，并将这些数据输入到焊接控制系统中，从而控制激光焊接机在焊接过程中自动调整焊缝位置。
焊接机器人跟踪系统焊接机器人跟踪系统是基于视觉传感器实现的。
该系统通过视觉传感器获取焊接工件信息，如焊缝位置、高度和宽度等，从而我们可以预先设置焊接机器人的轨迹和焊接参数，达到自动焊接的目的。
该系统在焊接不规则形状的焊缝时具有很大的灵活性和自适应性。
其他特点除了基本的焊缝跟踪和控制功能外，还有许多其他特点和增强功能。
自适应焊缝跟踪系统可以根据不同的焊接工件形状和位置进行自适应调节，提高焊接质量和效率。
精度高焊缝跟踪系统采用高精度传感器，可以实现焊缝位置的精确测量和控制，提高焊接的稳定性和一致性。
交互性现代的焊缝跟踪系统配备了用户友好的交互界面，可以通过触摸屏等方式轻松地进行设备配置和操作。
应用领域焊缝跟踪系统可以应用于以下领域：•汽车制造业：焊接汽车车身和底盘。
•航空航天工业：焊接飞机结构和部件。
•电子制造业：焊接电子元器件。
•其他：如船舶制造、建筑结构等。
发展趋势随着焊接技术的进步和产业的发展，焊缝跟踪系统也在不断地发展和进化。
目前，焊缝跟踪系统正向更高的自动化、智能化和高精度发展。
未来，该技术将应用于更多的领域，并为生产效率与品质提供新的保障。
焊缝跟踪原理
焊缝跟踪原理
焊缝跟踪是一种自动化的焊接质量检测技术，主要用于对焊缝进
行实时监测和记录。
它采用高精度传感器对焊缝进行实时检测，将检
测到的数据传输给计算机进行分析，从而实现对焊接过程的全程跟踪。
焊缝跟踪技术的应用不仅可以提高焊接质量，增加产品性能，还可提
高工作效率，降低生产成本。
焊缝跟踪技术的工作原理主要有两种：一种是通过激光测距仪等
传感器对焊缝进行三维点云的扫描，然后通过算法处理生成二维或三
维的焊缝模型，再根据焊缝模型进行数据的分析和处理。
另一种是利
用高速相机对焊缝进行实时图像捕捉和处理，从而实现对焊缝质量的
判断。
这两种方法都可以实现对焊缝进行全程监测和记录，保证焊接
质量的稳定性和可靠性。
在焊缝跟踪的实际应用过程中，需要注意以下几点：
1. 焊接环境不能影响焊缝跟踪的准确性，应避免强光照射、强磁
场等情况。
2. 焊接工艺参数需要根据焊缝跟踪的结果进行调整，以提高焊接
质量。
3. 焊接机器人等设备需要进行定期维护和保养，以确保焊接质量
的稳定性和可靠性。
4. 焊缝跟踪的数据记录和处理需要进行有效管理，以备后续分析和查询。
总之，焊缝跟踪技术的应用可以提高焊接质量和效率，是现代化生产的必备技术之一。
在实际应用过程中，我们需要根据实际情况进行合理的设计和调整，以达到最佳的效果。
328 焊缝跟踪光电传感器控制系统的设计
Key Words: Photoelectric Sensor；Seam Tracking；Microcomputer；FuzzyPID Control
目录
摘 要 ...............................................................................................................I ABSTRACT........................................................................................................II
对于常态表面状态和打磨表面状态下的工件，系统针对性地采用两种不同的信号采集和 处理方法：对于表面常态下的工件，采用了加权比较的信号处理方法；对于表面打磨的工件， 采用了另一种信号处理方法——信号差值比较的方法。因此，这两种方法的综合使用可以有 效地提高传感器的准确性和适应性。
Scansonic激光焊缝跟踪传感器 TH6D
尺寸
70 x 40 x 100 mm
工作温度
10°C - 45°C
T E C H N O L O G Y
F O R
T H E
W E L D E R ´ S
W O R L D .
系统与技术 传感器接头
接头 X1 空气 — 防护玻璃集成式空气吹洗，最大6 巴，软管直径：4 mm 空气 — 冷却输入，最大6巴，软管直径： 6 mm 空气 — 冷却输出，最大6巴，软管直径： 6 mm 电力， M12电缆 以太网连接， M12线缆
F O R
T H E
W E L D E R ´ S
W O R L D .
光学焊缝跟踪 传感器TH6D-150-KFAA-AB
采样线 z向工作距离 3 150 ± 40 mm
40 x 80 mm 视场 [W x H] 0,08 x 0,12 mm 分辨率 [W x H] 取样频率 60 – 240 Hz
W E L D E R ´ S
W O R L D .
光学焊缝跟踪 应用
火车车皮的MIG焊接
来源：Eurob Engineering GmbH
T E C H N O L O G Y
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光学焊缝跟踪 传感器TH6D-150-CFAA-AB
网络连接 操作面板
BINZEL电缆和焊枪
与BINZEL焊枪夹 持器集成
相机
带摄像头的电脑 元件
BINZEL传感器
电脑显示器
T E C H N O L O G Y
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W E L D E R ´ S
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机裁喇速弍摘—銲辏舍册专题研究一种用于薄板对接的电容式焊缝跟踪传感器唐明，李湘文，洪波，袁孙辉(湘潭大学机械工程学院，湖南湘潭411105 )摘要：针对薄板对接难以实现焊缝跟踪的问题，提出了一种新型电容式焊缝跟踪传感器，设计了几种复杂形状（环形、方形及矩形）的电容极板，建立电容式传感器的数学模型，分析得到影响电容式传感器输出特性的四大主要因素，通过Aiisoft仿真得出传感器输出特性曲线。
在对接焊缝跟踪系统测试平台上，试验分析了不同形状极板、结构参数及介质下的传感器输出特性，与仿真结果一致，据此优选确定了传感器参数。
最后，对不同高度偏差、复合偏差下的电容输出特性进行信号分析，提取高低偏差信号与电容输出值的拟合函数关系，引入希尔排序策略实现焊缝左右对中，为薄板对接的焊接自动化提供了新的研宄思路。
关键词：电容式传感器；参数优化；输出特性；焊缝跟踪中图分类号：TG409A capacitive seam tracking sensor for butt welding of t hin platesTang Ming,Li Xiangwen,Hong Bo,Yuan Sunhui(School of Mechanical Engineering,Xiangtan University,Xiangtan411105, China)Abstract: A new type of capacitive sensor is submitted to solve the problem that butt welding of thin plates difficult to realize seam tracking.By designing capacitance plates of complicated shapes(ring,square and rectangle) and forming mathematical models of capacitive sensors,four main factors that affect output characteristics of capacitive sensors are concluded after repetitive analysis,and an output characteristics curve is reached via Ansoft simulation.Then on the butt seam tracking system test platform,best parameters can be selected when sensor^output characteristics of differently shaped plates with different parameters and medixun proved consistent with those of simulation.In the end,a signal analysis of output capacitance with various height deviation as well as compound deviation is conducted to extract height deviation fitting functions.The Shell Sort strategy is introduced to implement horizontal centring，which provides a novel research thinking for welding automation of b utt welding of thin plates.Key words: capacitive sensor;parameters optimization;output characteristics;seam tracking基金项目：国家自然科学基金项目（51575468);湖南省战略性新兴产业重大科技成果转化项目（2014G K1010); 2015年湖南省教育厅一般项目（15C1309);湖南省自然科学联合基金项目（2015JJ5013)专题研究机械屬遠式摘----鮮接舍册八、r'‘—1—^〇刖目极尺寸及电极间隙等参数相同。
智能制造领域对焊接质量的要求越来越高，焊缝跟踪是实现焊接自动化的重要技术之一[1]。
根据焊接种类和操作环境选择相应的焊缝跟踪传感器至关重要。
目前机械接触式传感器因适应坡口形式少等问题 逐渐被淘汰，电弧传感在不开坡口的对接焊时，不能 准确识别难以实现高质髙效的焊缝跟踪[2]。
薄板对接焊缝作为一种应用非常广泛的焊接坡口 形式，其焊缝跟踪一直得不到很好地解决[3]。
设计了 一种电容式焊缝跟踪传感器，建立其数学模型，分析 得到影响电容输出特性的四大主要因素，通过Amofl 仿真得出传感器输出特性曲线。
搭建简易薄板对接焊 缝跟踪试验平台，分析不同极板形状、结构参数和介 质的电容输出值，与仿真结果一致，据此优选确定了 最佳的传感器参数。
根据其输出特性，分析得出应用 于焊缝跟踪技术中的高低偏差信号特征函数，引入希 尔排序策略实现焊缝左右对中，为薄板对接的焊接自 动化提供了新的研宄思路。
1电容式传感器的极板结构为了达到快速动态响应测量的要求，需要克服 传统意义的平行双极板电容传感器的自身缺陷[4]。
基于边缘效应的电容式传感器原理如图1所示，在 一个传感器底衬平面内按一定规则放置两个共平面 电极，分别为激励电极和接收电极。
电容式传感器 双电极之间存在静电场，且边缘处的电场分布不均 匀，形成边缘效应。
双电极平面与规则待测物表面 平行，电容极板、待测物及两者之间的介质构成传 感器工作区间。
(a)环形 （b)方形 （c)矩形图2三种不同形状的电容传感器2电容式传感器的输出特性2.1电容式焊缝跟踪传感器的建模方法设计的三种结构电容式传感器，由相连的两个 弧形或方形铜片构成两个共面电极。
以简化的双环 结构建立数学模型[6]，通过求解电容输出值，类比 分析以探求复杂结构电容式传感器输出特性的一般 规律及其主要影响因素。
图3所示为简化的双环电 容传感器。
图3简化的双环形电容传感器示意图像感器糜!^待测物图1电容传感器原理简图如图3所示电容传感器，馬为内层电极的半径；尽为外层电极的半径；c/是极板与待测物的间距。
其 周围空间的电场用电势函数_y，z)表示。
建立柱坐标(r,Z)，静电场中拉普拉斯方程[7]:d2W1dW1d2W d2W^ ,、—--—+-^—^-+—(1)dr" r dr r~ d(p~ dz~设计了环形、方形以及矩形三种电容极板。
图2a所示为环形电容极板[5]，相连的两个圆弧状铜片 分别构成电容的两个电极；图2b所示为方形电容极 板，图2c所示为矩形电容极板，方形及矩形极板电考虑到具有轴对称关系的静电场空间，则电势 分布与p无关，则式（1)可简化为82W18W d2W n 、__+-----+—-=〇 (2)dr~ r dr dz"机狨剔造式摘----衅接舍册专题研究4.00 1 ,......................................................0.00 2.50 5.00 7.50 10.00 12.50 15.00 17.50 20.00间距d/m m(a)3D模式下网络剖分图 （b)边缘效应电压分布图 （c)电容输出值C与间距的曲线关系图图4电容传感器输出特性的仿真结果图图4a所示为网络剖分图，图4b所示为边缘效应 电压分布图，易知电容传感器边缘处电场分布不均 匀。
由图4c可知，极板与待测物间距在1〜5_范围内时，电容输出值与间距呈线性增长；当间距 大于5 m m时，电容输出值增长率降低；当间距大于 20 _时，电容值几乎保持恒定。
式（4)中间距对 电容值的变化规律与图4c中电容传感器输出特性仿 真曲线趋势相同，由此可验证复杂结构电容式传感 器的影响因素与简化模型具有类同性。
3电容式传感器参数设计通过对环形极板电容式传感器进行数学建模及 仿真分析，类比分析了三种不同形状电容极板均具 有结构参数设计及介质优选的可行性，由此进一步 对电容式传感器进行参数设计，探宄焊缝偏差信号与电容传感器输出特性的最佳拟合关系。
3.1电容极板形状优选设计了多种极板形状的电容式传感器，表1所示 为不同形状电容极板的结构参数，以间距为变量，采 集焊件对接时的电容输出值。
其中电容传感器极板与 被测工件间距从0 mm开始依次增加2 mm，直至电 容输出值基本恒定不变。
表1不同形状电容极板结构参数表形状整体尺寸/mm电极尺寸//mm电极间隙^/mm间距^/mm介电常数s环形直径冶361.51.5变量1.0方形边长361.51.5变量1.0矩形长36宽301.51.5变量1.0求解得其通解为W(r,z) = W a(r, z) + ^JV b {r, z) = (Az +5)(111 r + D) +Z[4/o(w')+B,M nr)]•[c n sin(«r) +Dn cos(«r)] n=\解得电容传感器输出值表达式^越丨nnR d- K'(一⑶°° 1}C = 工一1人-d rm^+s) j1dhiy)+[〇(j〇Mv(4)式（4)中包含贝塞尔一阶函数的无限求和，难 以求解电容的精确值。
对于结构较简单的双环形极 板电容传感器，电容输出特性的主要影响因素是电 极的尺寸、电极间隙、极板与待测物的间距以及介 电常数。
2.2电容式传感器输出特性仿真分析为了验证复杂结构电容式传感器输出特性的影响因素与简化模型具有类同性，采用Ansoft仿真分析间距对如图3a所示的复杂环形极板电容式传感器的输出特性的影响。
仿真步骤如下：(1) 在Ansoft3D模式下创建复杂环形极板电容 式传感器的仿真模型；(2) 设定材料属性:极板共面电极-铜;衬底材料- 绝缘树脂；求解区域-真空；求解路径-Q235钢；(3) 选择求解类型：静态电场；⑷设置激励和边界条件：极板激励电压分别设为I V、0V，求解区域表面设为0V;(5)求解：输出电压分布及电容输出特性图。
仿真结果如图4所示：oooooo.2.0.8.6.4.25.5.4.4.4.4.§专题研究机械喇速弍摘—垾辏舍册环形+方形•矩形4 8 12 16 20 24 28间距c f /n r n i图5不同形状电容传感器输出特性图由图5可知，间距在0〜2m m 范围时，电容值 锐减，考虑到实际焊接过程中传感器与工件始终存在一定距离，故0〜2mm 范围内不予探宄。