基于ACFM技术焊缝跟踪传感器的磁场建模和信号处理

论文摘要

随着焊接成形技术对机械制造业各个领域的渗透,发展和应用新型焊接自动化技术将对国民经济起到巨大的作用,而焊缝跟踪技术正是焊接自动化研究的一个重要方面。针对工程常用的窄间隙I型对接坡口焊缝缺乏稳定有效的跟踪方法这一难题,结合交变磁场测量(ACFM)技术在无损检测领域的成熟应用,设计开发了一种基于ACFM原理的新型电磁传感器应用于焊缝跟踪。本文通过传感器的空间磁场建模,重点研究由工件焊缝引起的磁场畸变信号与焊缝位置之间的内在联系;并根据磁场信号低信噪比的特点以及焊接环境要求设计信号处理电路精确提取所需信号,同时对部分电路进行仿真优化。具体研究内容如下:(1)对交变磁场焊缝跟踪传感器的基础理论和可行性进行研究。分析了ACFM技术的基本原理和工作过程,在此基础上建立了空间磁场简化数学模型,完成了三维空间各个方向磁感应强度理论计算;研究了沿焊缝长度方向同一水平面上各点的磁场分布规律,以完成对焊缝起止点位置信息的获取;研究了垂直焊缝方向一定区域内的磁场分布规律,以完成对焊缝左右偏差方向和幅度信息的获取,并采用数值分析方法对分布曲线进行拟合,确定磁场强度和焊缝位置信息两者之间的近似函数关系;最终设计了焊缝跟踪传感器采集磁场畸变信号的工作流程图。(2)设计了以前置差分放大、50Hz工频陷波、高阶无漂移低通滤波为主的信号处理电路,并对其进行MATLAB仿真分析;鉴于模拟陷波器无法滤除残留工频谐波噪声,设计了阻带选择性高和信号失真度小的整系数多阻带带阻数字滤波器;针对复杂恶劣的焊接环境和跟踪系统的实时性对滤波器稳定性和响应速度的苛刻要求,提出极点重置理论改善滤波器品质,寻求最佳滤波性能;设计了一种正交锁定放大电路同时完成对磁场畸变信号幅值和相位信息的直流形式输出,提高焊缝跟踪传感器的精度。(3)用实验的方法验证信号处理电路设计的正确性和有效性,并且在此基础上通过测量能够表征磁场畸变信息的感应电压信号对垂直焊缝方向一定区域内的磁场分布规律进行验证;同时设计了开方电路完成对焊缝位置信息的提取。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的背景及研究意义
• 1.2 焊缝跟踪传感器研究现状
• 1.2.1 电弧传感器
• 1.2.2 附加式焊缝跟踪传感器
• 1.3 交变磁场测量技术（ACFM）的研究现状
• 1.3.1 电磁无损检测技术的研究现状与发展
• 1.3.2 交变磁场测量技术的原理和特点
• 1.3.3 交变磁场测量技术国内外研究现状和发展趋势
• 1.4 焊缝跟踪信号的处理方法和研究现状
• 1.5 焊接机器人的发展趋势
• 1.6 论文的主要研究内容
• 第2章 ACFM 焊缝跟踪传感器的空间磁场模型
• 2.1 引言
• 2.2 交变磁场测量技术的理论基础
• 2.2.1 交变磁场测量技术的工作原理
• 2.2.2 交变磁场测量技术中的磁场分布
• 2.3 焊缝跟踪传感器的空间磁场模型
• 2.3.1 矩形激励线圈的选择
• 2.3.2 焊缝工件表面感应电流简化模型的建立
• 2.3.3 焊缝跟踪传感器沿焊缝长度方向的空间磁场分布
• 2.3.4 焊缝跟踪传感器垂直焊缝方向的空间磁场分布
• 2.4 焊缝跟踪传感器用于检测焊缝偏差的方法
• 2.5 本章小结
• 第3章 ACFM 焊缝跟踪传感器磁场畸变信号处理及优化仿真
• 3.1 引言
• 3.2 微弱磁场畸变信号幅值信息的分析与处理
• 3.2.1 前置差分放大电路
• 3.2.2 工频50Hz 陷波器
• 3.2.3 七阶无漂移Butterworth 有源低通滤波器
• 3.2.4 整体数字滤波电路的SIMULINK 仿真
• 3.2.5 工频50Hz 陷波器的数字优化
• 3.2.6 七阶无漂移Butterworth 低通滤波器瞬态响应品质改善
• 3.3 微弱磁场畸变信号幅值和相位信息的分析与处理
• 3.3.1 相敏检波器
• 3.3.2 锁定放大器信噪改善比分析
• 3.3.3 正交锁定放大器
• 3.3.4 正交锁定放大器的SIMULINK 仿真
• 3.4 本章小结
• 第4章 信号采集与处理电路研制和磁场模型实验分析
• 4.1 引言
• 4.2 信号采集与处理电路设计
• 4.2.1 焊缝跟踪传感器的设计与制作
• 4.2.2 信号处理电路的设计与制作
• 4.2.3 实验结果与分析
• 4.3 磁场模型实验分析
• 4.4 焊缝位置信息提取电路
• 4.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录（个人简历、攻读硕士学位期间的论文及获奖情况）