一种监测GTA成形过程金属过渡状态的电压传感方法及其系统技术方案

本发明专利技术公开一种监测GTA成形过程金属过渡状态的电压传感方法及其系统，包括信号传感模块和人机交互模块，信号传感模块通过硬件回路进行原始目标电信号的采集，且所测电信号将传输至计算机，人机交互模块通过计算机实现对目标信号的实时显示并进行分析。在本发明专利技术中，基于成形区域的填充金属及局部电弧进行传感，从而所获取的电信号将包含反映液态填充金属过渡等行为的信息，主要用于填丝GTA成形过程液态金属过渡状态的在线监测。态金属过渡状态的在线监测。态金属过渡状态的在线监测。

【技术实现步骤摘要】
一种监测GTA成形过程金属过渡状态的电压传感方法及其系统


[0001]本专利技术属于电弧成形过程信息传感与控制
，其具体涉及在以氩弧(Gas tungsten arc,GTA)为热源并采用填充金属的成形过程中液体金属过渡状态的实时传感与监测方法。

技术介绍

[0002]GTA热源是一种典型的电弧成形热源，其通过在非熔化钨电极与被成形金属件间形成惰性氩弧而产生，可进行稳定的金属焊接。采用填充金属可进一步扩大该热源的使用范畴，例如堆焊熔敷以表面改性、增材制造以快速成形，且有针对性地添加金属元素能改变成形组织，优化构件性能，有关作用不一而足。因而，该电弧成形技术在相关工业制造领域皆存有广泛应用。
[0003]自动化电弧成形往往对局部环境及工况的一致性要求较高，由于过程的动态随机性与外界干扰的存在，即便已采用合理的成形工艺，也无法总是保证其状态的稳定与质量的合格。因而，在自动化电弧成形过程中引入信息传感与在线监测系统很有必要，这不仅有利于实时掌握成形动向，还是相关成形装备能够进行自主决策与反馈控制的前提。目前，应用于GTA成形过程实时监测的传感技术有各种不同形式，如视觉传感、弧压传感、红外传感及超声波传感等。这些传感方法主要用来监测的对象更多是液态熔池，通常涉及对其动态波动的感知或几何形貌的测量等，而所提取的相关信息或可成为质量实时控制的有用输入。除熔池外，填充金属显然也是成形区域中不可忽视的一环并参与了成形过程，其熔化产生的液态金属总是被期望始终平稳地过渡至熔池中，从而尽量减少与电弧交互产生的烧损、晃动或飞溅等以确保成形过程的稳定。但往往液态金属的过渡状态在面对不同成形位姿、作业参数与随机扰动等具体形势时是易于变化的，而现有的技术里却少有适宜而便捷的传感方法来监测其动态变化。若采用诸如基于视觉等需考虑安置问题的传感方法来监测金属过渡，相对复杂的系统设计及空间位置的占用等问题会使得其性价比不高；而采用传统的检测整个电弧电压信号的方法来监测该过程，其特征信号并不十分显著。

技术实现思路

[0004]针对现有技术不足，本专利技术旨在克服现有技术的不足，提供一套简易的电信号传感方法及系统，其主要用于填丝GTA成形过程液态金属过渡状态的在线监测。该传感方法不同于检测阴阳极间的整体电弧电压的方法，而是基于成形区域的填充金属及局部电弧进行传感，而所获取的电信号将包含反映液态填充金属过渡等行为的信息。
[0005]本专利技术的技术目的通过下述技术方案予以实现。
[0006]一种监测GTA成形过程金属过渡状态的电压传感系统，包括信号传感模块、人机交互模块，其中：
[0007]所述信号传感模块，通过硬件回路进行原始目标电信号的采集，且所测电信号将
传输至计算机；硬件回路采用如下一种采集目标电信号的接线方案，填充金属位于成形区域中：
[0008](1)无源I型：电压传感器分别连接至填充金属(即填充焊丝)与被成形金属件(即焊接焊件)，此时的信号主要源自成形回路，以填充金属和被成形金属件之间的电压为采集目标电信号；
[0009](2)无源II型：电压传感器分别连接至填充金属(即填充焊丝)与非熔化钨电极(即焊接焊枪)，此时的信号主要源自成形回路，以填充金属和非熔化钨电极之间的电压为采集目标电信号；
[0010](3)有源I型：填充金属、功率电阻、直流稳压源及被成形金属件形成额外回路，电压传感器连接至功率电阻的两端，此时的信号主要源自回路与直流稳压源，以功率电阻两端电压为采集目标信号；
[0011](4)有源II型：填充金属、功率电阻、直流稳压源及非熔化钨电极形成额外回路，电压传感器连接至功率电阻的两端，此时的信号主要源自回路与直流稳压源，以功率电阻两端电压为采集目标信号；
[0012]所述人机交互模块，通过计算机实现对目标信号的实时显示、统计分析和数据存储功能。
[0013]在本专利技术技术方案中，人机交互模块建立在Matlab环境中，并通过图形界面编程实现。
[0014]在本专利技术技术方案中，在人机交互模块中，采用频域滤波器对原始信号进行滤波处理。
[0015]在本专利技术技术方案中，所述人机交互模块在实际成形过程中示出的信号波形将包含明显反应液态填充金属动态行为的特征信息，例如短路液桥的形成与断开皆会引起所示的波形出现类似正向或负向的阶跃变化。
[0016]在本专利技术技术方案中，在信号传感模块与人机交互模块间增加信号隔离模块。
[0017]在本专利技术技术方案中，电压传感器测量的模拟电信号经USB数据采集卡采集并经A/D转换，而后输入至计算机。
[0018]在本专利技术技术方案中，电压传感器为霍尔电压传感器。
[0019]在本专利技术技术方案中，直流稳压源的输出电压用于调节目标电信号幅值。
[0020]在本专利技术技术方案中，在信号传感模块中，额外接入(霍尔)电流传感器监测成形回路的工作电流，以确保目标电信号的变化是由液态填充金属过渡行为引起而非工作回路电流不稳定。
[0021]在本专利技术技术方案中，在信号传感模块的接线方式中，填充金属侧的接线位置选择为送丝嘴附近或送丝机内部可与填充金属形成导电通路处。
[0022]利用上述系统监测GTA成形过程金属过渡状态电压传感的方法，以电压传感器对成形区域中电压进行传感，所获取的电信号将包含反映液态填充金属过渡行为的信息，实现对填丝GTA成形过程液态填充金属过渡状态的在线监测：
[0023](1)检测液态金属过渡过程中短路液桥存在与断开状态以监测金属过渡模式
[0024](2)检测液态金属过渡过程中悬垂熔滴动态晃动情况
[0025]与现有技术相比，本技术的有益效果为：提出了用于在线监测填丝GTA成形过程液
态填充金属过渡行为与状态的电信号传感方法及系统，其能轻易地在一般化应用场合实现，不需要进行复杂的传感系统设计或考虑传感空间的限制，且易与其它传感技术复合
附图说明
[0026]图1为本专利技术信号传感模块四种可选的接线方案，其中(a)为无源I型，(b)为无源II型，(c)为有源I型，(d)为有源II型。
[0027]图2为本专利技术具体实例中的传感系统示意图。
[0028]图3为本专利技术具体实例中采集到的典型目标信号波形图(一)。
[0029]图4为本专利技术具体实例中采集到的典型目标信号波形图(二)。
具体实施方式
[0030]下面结合具体实例进一步说明本专利技术的实施方式。
[0031]本实例为填丝GTA表面堆焊过程液态填充金属过渡状态的在线监测实例，使用的成形设备及有关材料如下：奥地利Fronius公司的MagicWave4000型电源为弧焊电源，日本Yaskawa公司MOTOMAN型机器人夹持焊枪移动热源，母材金属为4mm厚的Q235钢材，填充金属为直径1.2mm的CHW-50C6型焊丝，保护气体为氩气。
[0032]本实例选用的信号传感模块接线方案为无源I型，即如图1中(a)所示。基于此接线方案的电信号传本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种监测GTA成形过程金属过渡状态的电压传感系统，其特征在于，包括信号传感模块、人机交互模块，其中：所述信号传感模块，通过硬件回路进行原始目标电信号的采集，且所测电信号将传输至计算机；硬件回路采用如下一种采集目标电信号的接线方案，填充金属位于成形区域中：(1)无源I型：电压传感器分别连接至填充金属与被成形金属件，此时的信号主要源自成形回路，以填充金属和被成形金属件之间的电压为采集目标电信号；(2)无源II型：电压传感器分别连接至填充金属与非熔化钨电极，此时的信号主要源自成形回路，以填充金属和非熔化钨电极之间的电压为采集目标电信号；(3)有源I型：填充金属、功率电阻、直流稳压源及被成形金属件形成额外回路，电压传感器连接至功率电阻的两端，此时的信号主要源自回路与直流稳压源，以功率电阻两端电压为采集目标信号；(4)有源II型：填充金属、功率电阻、直流稳压源及非熔化钨电极形成额外回路，电压传感器连接至功率电阻的两端，此时的信号主要源自回路与直流稳压源，以功率电阻两端电压为采集目标信号；所述人机交互模块，通过计算机实现对目标信号的实时显示、统计分析和数据存储功能。2.根据权利要求1所述的一种监测GTA成形过程金属过渡状态的电压传感系统，其特征在于，电压传感器为霍尔电压传感器。3.根据权利要求1所述的一种监测GTA成形过程金属过渡状态的电压传感系统，其特征在于，电压传感器测量的模拟电信号经USB数据采集卡采集并经A/D转换，而后输入至计算机。4.根据权利要求1所述的一种监测GTA成形过程金属过渡状态的电压传感系统，其特征在于，在信号传感模块的接线方式中，填充金属侧...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志江，邹双阳，胡绳荪，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：