一種用于薄板對接的電容式焊縫跟蹤傳感器

唐明

摘要：針對薄板對接難以實現(xiàn)焊縫跟蹤的問題，提出了一種新型電容式焊縫跟蹤傳感器，設(shè)計了幾種復(fù)雜形狀（環(huán)形、方形及矩形）的電容極板，建立電容式傳感器的數(shù)學(xué)模型，分析得到影響電容式傳感器輸出特性的四大主要因素，通過Ansoft仿真得出傳感器輸出特性曲線。在對接焊縫跟蹤系統(tǒng)測試平臺上，試驗分析了不同形狀極板、結(jié)構(gòu)參數(shù)及介質(zhì)下的傳感器輸出特性，與仿真結(jié)果一致，據(jù)此優(yōu)選確定了傳感器參數(shù)。最后，對不同高度偏差、復(fù)合偏差下的電容輸出特性進行信號分析，提取高低偏差信號與電容輸出值的擬合函數(shù)關(guān)系，引入希爾排序策略實現(xiàn)焊縫左右對中，為薄板對接的焊接自動化提供了新的研究思路。

關(guān)鍵詞：電容式傳感器；參數(shù)優(yōu)化；輸出特性；焊縫跟蹤

中圖分類號：TG 409

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 sensors output characteristics of differently shaped plates with different parameters and medium 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 butt welding of thin plates.

Key words： capacitive sensor； parameters optimization； output characteristics； seam tracking

0 前言

智能制造領(lǐng)域?qū)附淤|(zhì)量的要求越來越高，焊縫跟蹤是實現(xiàn)焊接自動化的重要技術(shù)之一[1]。根據(jù)焊接種類和操作環(huán)境選擇相應(yīng)的焊縫跟蹤傳感器至關(guān)重要。目前機械接觸式傳感器因適應(yīng)坡口形式少等問題逐漸被淘汰，電弧傳感在不開坡口的對接焊時，不能準確識別難以實現(xiàn)高質(zhì)高效的焊縫跟蹤[2]。

薄板對接焊縫作為一種應(yīng)用非常廣泛的焊接坡口形式，其焊縫跟蹤一直得不到很好地解決[3]。設(shè)計了一種電容式焊縫跟蹤傳感器，建立其數(shù)學(xué)模型，分析得到影響電容輸出特性的四大主要因素，通過Ansoft仿真得出傳感器輸出特性曲線。搭建簡易薄板對接焊縫跟蹤試驗平臺，分析不同極板形狀、結(jié)構(gòu)參數(shù)和介質(zhì)的電容輸出值，與仿真結(jié)果一致，據(jù)此優(yōu)選確定了最佳的傳感器參數(shù)。根據(jù)其輸出特性，分析得出應(yīng)用于焊縫跟蹤技術(shù)中的高低偏差信號特征函數(shù)，引入希爾排序策略實現(xiàn)焊縫左右對中，為薄板對接的焊接自動化提供了新的研究思路。

1 電容式傳感器的極板結(jié)構(gòu)

為了達到快速動態(tài)響應(yīng)測量的要求，需要克服傳統(tǒng)意義的平行雙極板電容傳感器的自身缺陷[4]?；谶吘壭?yīng)的電容式傳感器原理如圖1所示，在一個傳感器底襯平面內(nèi)按一定規(guī)則放置兩個共平面電極，分別為激勵電極和接收電極。電容式傳感器雙電極之間存在靜電場，且邊緣處的電場分布不均勻，形成邊緣效應(yīng)。雙電極平面與規(guī)則待測物表面平行，電容極板、待測物及兩者之間的介質(zhì)構(gòu)成傳感器工作區(qū)間。

設(shè)計了環(huán)形、方形以及矩形三種電容極板。圖2a所示為環(huán)形電容極板[5]，相連的兩個圓弧狀銅片分別構(gòu)成電容的兩個電極；圖2b所示為方形電容極板，圖2c所示為矩形電容極板，方形及矩形極板電極尺寸及電極間隙等參數(shù)相同。

2 電容式傳感器的輸出特性

2.1 電容式焊縫跟蹤傳感器的建模方法

設(shè)計的三種結(jié)構(gòu)電容式傳感器，由相連的兩個弧形或方形銅片構(gòu)成兩個共面電極。以簡化的雙環(huán)結(jié)構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型[6]，通過求解電容輸出值，類比分析以探求復(fù)雜結(jié)構(gòu)電容式傳感器輸出特性的一般規(guī)律及其主要影響因素。圖3所示為簡化的雙環(huán)電容傳感器。

式（4）中包含貝塞爾一階函數(shù)的無限求和，難以求解電容的精確值。對于結(jié)構(gòu)較簡單的雙環(huán)形極板電容傳感器，電容輸出特性的主要影響因素是電極的尺寸、電極間隙、極板與待測物的間距以及介電常數(shù)。endprint

2.2 電容式傳感器輸出特性仿真分析

為了驗證復(fù)雜結(jié)構(gòu)電容式傳感器輸出特性的影響因素與簡化模型具有類同性，采用Ansoft仿真分析間距對如圖3a所示的復(fù)雜環(huán)形極板電容式傳感器的輸出特性的影響。仿真步驟如下：

（1）在Ansoft 3D模式下創(chuàng)建復(fù)雜環(huán)形極板電容式傳感器的仿真模型；

（2）設(shè)定材料屬性：極板共面電極-銅；襯底材料-絕緣樹脂；求解區(qū)域-真空；求解路徑-Q235鋼；

（3）選擇求解類型：靜態(tài)電場；

（4）設(shè)置激勵和邊界條件：極板激勵電壓分別設(shè)為1 V、0 V，求解區(qū)域表面設(shè)為0 V；

（5）求解：輸出電壓分布及電容輸出特性圖。

仿真結(jié)果如圖4所示：

圖4a所示為網(wǎng)絡(luò)剖分圖，圖4b所示為邊緣效應(yīng)電壓分布圖，易知電容傳感器邊緣處電場分布不均勻。由圖4c可知，極板與待測物間距在1～5 mm范圍內(nèi)時，電容輸出值與間距呈線性增長；當(dāng)間距大于5 mm時，電容輸出值增長率降低；當(dāng)間距大于20 mm時，電容值幾乎保持恒定。式（4）中間距對電容值的變化規(guī)律與圖4c中電容傳感器輸出特性仿真曲線趨勢相同，由此可驗證復(fù)雜結(jié)構(gòu)電容式傳感器的影響因素與簡化模型具有類同性。

3 電容式傳感器參數(shù)設(shè)計

通過對環(huán)形極板電容式傳感器進行數(shù)學(xué)建模及仿真分析，類比分析了三種不同形狀電容極板均具有結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計及介質(zhì)優(yōu)選的可行性，由此進一步對電容式傳感器進行參數(shù)設(shè)計，探究焊縫偏差信號與電容傳感器輸出特性的最佳擬合關(guān)系。

3.1 電容極板形狀優(yōu)選

設(shè)計了多種極板形狀的電容式傳感器，表1所示為不同形狀電容極板的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以間距為變量，采集焊件對接時的電容輸出值。其中電容傳感器極板與被測工件間距從0 mm開始依次增加2 mm，直至電容輸出值基本恒定不變。

三種不同極板形狀的電容傳感器輸出值與間距的曲線關(guān)系如圖5所示。

由圖5可知，間距在0～2 mm范圍時，電容值銳減，考慮到實際焊接過程中傳感器與工件始終存在一定距離，故0～2 mm范圍內(nèi)不予探究。由圖4c及圖5可知，電容輸出值的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果趨勢基本一致，但不同極板形狀的電容極值、電容極差值以及有效間距段的線性度各存差異，歸納如表2所示。

環(huán)形極板在電容極大值、電容極差值以及有效間距段的線性度均有明顯的優(yōu)勢，采集的信號靈敏度和有效性均優(yōu)于其它形狀極板，有利于焊縫跟蹤中的偏差信號提取及函數(shù)擬合，因此優(yōu)選環(huán)形電容。

3.2 環(huán)形電容結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計及介質(zhì)優(yōu)選

由式（4）可知，在其它參數(shù)相同的情況下，電極尺寸越大或電極間隙越小時，電容輸出值越大。定義電極尺寸與電極間隙之比為λ，λ=l/s。電容輸出值隨著介電常數(shù)增加而增大。表3所示為介質(zhì)優(yōu)選及結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計方案，圖6所示為結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計模型。

結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計及介質(zhì)優(yōu)選后環(huán)形極板電容傳感器輸出值與間距的曲線關(guān)系如圖7所示。

由圖7可知，結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計時，增大λ有利于提高環(huán)形電容傳感器的輸出值范圍，然而也會減少高線性度的測量范圍。因此在選定極板結(jié)構(gòu)參數(shù)時應(yīng)主要考慮傳感器的調(diào)節(jié)范圍，在滿足電容值輸出范圍的基礎(chǔ)上選擇線性度盡可能大的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即能在滿足使用的基礎(chǔ)上提高傳感器的靈敏度；優(yōu)選介質(zhì)時，ε大的物質(zhì)有利于提高環(huán)形電容傳感器的輸出值范圍，因此優(yōu)選介電常數(shù)大的介質(zhì)。

4 薄板對接焊縫偏差信號分析

4.1 高低偏差提取

為了研究電容傳感器輸出與間距之間的關(guān)系，對圖7中介質(zhì)優(yōu)選2曲線擬合可得電容輸出值與間距的對應(yīng)函數(shù)關(guān)系。初始化高低方向基準值（理想弧長值）及對應(yīng)電容基準值為（d0 ，C0），可得高低偏差ev與電容輸出值的擬合函數(shù)關(guān)系式：

4.2 左右偏差分析

為了進一步分析左右偏差對電容式傳感器的輸出特性影響規(guī)律，利用優(yōu)選電容式傳感器分析薄板對接時不同左右偏差的輸出特性曲線，其中左右偏差從0開始依次向左右增加2 mm。在實際焊接過程中電容式傳感器的位置同時存在高低及左右偏差，電容輸出特性具有復(fù)合特性，選取不同間距，重復(fù)試驗，得到如圖8所示的復(fù)合偏差特性圖。

由圖8可知，電容式傳感器在同一高低偏差時，左右偏差e為0（對中）時對應(yīng)的電容輸出值最小。引入希爾排序（Shell Sort）策略尋跡左右對中位置，考慮到電容式傳感器極板形狀及數(shù)據(jù)處理的延時性，將該傳感器平行焊接方向前置于焊炬一固定距離，固聯(lián)于橫向滑架上。希爾排序策略在于，

（1）傳感器初始置于任意左（右）偏位置，控制滑架依次向右（左）移動脈沖量ηP，其中η為精度系數(shù)，P為采樣固定脈沖量，保持傳感器高度不變，依次采集N個信號數(shù)據(jù)，左右方向位置標號與電容輸出值數(shù)組記為（1，k1），（2，k2），…，（N，kN）；

（2）選用一個輔助的增量序列ht，ht-1，…，h0來控制排序的過程，其中h0=1，t為程序的掃描次數(shù)，對數(shù)組k1，k2，…，kN排序，得到最小值ki（1≤i≤N）；

（3）iηP即為左右偏差，滑架反向移動該偏差距離量，即可實現(xiàn)左右對中。

左右偏差為0時，由式（5）調(diào)節(jié)縱向滑架得到理想高低偏差（即理想弧長）。

5 結(jié)論

（1）設(shè)計了幾種復(fù)雜形狀的電容式傳感器，建立模型分析得到影響電容式傳感器輸出特性的四大因素，通過Ansoft仿真得出傳感器輸出特性曲線。

（2）環(huán)形極板形狀時結(jié)構(gòu)參數(shù)和介質(zhì)對電容輸出值的影響試驗結(jié)果與仿真結(jié)果一致。對比三種極板形狀下的電容輸出值，環(huán)形極板靈敏度及有效性最優(yōu)，同時得到最佳的電容式傳感器優(yōu)化參數(shù)為電極間隙比，優(yōu)選大理石粉介質(zhì)。

（3）根據(jù)不同高度偏差、復(fù)合偏差下的電容輸出特性提取出高低偏差信號與電容輸出值的擬合函數(shù)關(guān)系，引入希爾排序策略實現(xiàn)焊縫左右對中，為電容式傳感器在薄板焊接自動化應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

參考文獻

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