電弧傳感器技術(shù)在焊縫跟蹤中的研究與應(yīng)用

　　0、引言

　　焊接是一個(gè)結(jié)合了光、電、熱、力的綜合加工過程，在焊接過程中產(chǎn)生的熱量會(huì)使焊接工件產(chǎn)生較大的熱變形，從而產(chǎn)生焊接位置偏差。為了克服這種偏差的影響，目前有2 種方法，其一是采用夾具定位，普通的夾具無法滿足要求，為了確保精度，必須采用更為精確的夾具。方法之二是采用適當(dāng)?shù)膫鞲衅鬟M(jìn)行焊縫跟蹤，通過比較發(fā)現(xiàn)，采用跟蹤的方法比采用精確的夾具經(jīng)濟(jì)得多［１］。

　　所謂焊縫跟蹤,即以焊炬為被控對(duì)象,電弧（焊炬） 相對(duì)于焊縫中心位置的偏差作為被調(diào)量,通過視覺傳感、接觸傳感、超聲波傳感、電弧傳感等多種傳感測量手段,控制焊炬使其在整個(gè)焊接過程中始終與焊縫對(duì)口。其中接觸式傳感是依靠在坡口中滾動(dòng)或滑動(dòng)的觸指將焊槍與焊縫之間的位置偏差反映到檢測器內(nèi)，并利用檢測器內(nèi)裝的微動(dòng)開關(guān)判斷偏差的極性，其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、不受電弧煙塵和飛濺的影響，但是對(duì)不同形式的坡口需用不同探頭，磨損大，易變形，點(diǎn)固點(diǎn)障礙難以克服［２］。超聲波傳感是利用發(fā)射出的超聲波在金屬內(nèi)傳播時(shí)在界面產(chǎn)生發(fā)射原理制成的，是一種比較先進(jìn)的焊縫跟蹤傳感器，應(yīng)用在跟蹤系統(tǒng)中，跟蹤的實(shí)時(shí)性好。但是由于傳感器要貼近工件，不可避免地會(huì)受到焊接方法和工件尺寸等的嚴(yán)格限制。另外需要考慮外界震動(dòng)、傳播時(shí)間等因素，對(duì)金屬表面狀況要求高，其應(yīng)用范圍也就受到限制［３］。視覺傳感具有提供信息量豐富，靈敏度和測量精度高，抗電磁場干擾能力強(qiáng)，與工件無接觸的優(yōu)點(diǎn)。但是算法復(fù)雜，處理速度慢。

　　隨著電弧傳感技術(shù)的發(fā)展，焊縫跟蹤引入了電弧傳感技術(shù)，電弧傳感器作為一種實(shí)時(shí)傳感的器件與其它類型的傳感器相比，具有結(jié)構(gòu)較簡單、成本低和響應(yīng)快等特點(diǎn)，是焊接傳感器的一個(gè)重要的發(fā)展方向，具有強(qiáng)大的生命力和應(yīng)用前景主要應(yīng)用在兩方面：一方面主要用在弧焊機(jī)器人上，另一方面主要用在帶有十字滑塊的自動(dòng)焊上［４］。本文對(duì)國內(nèi)外焊縫跟蹤系統(tǒng)電弧傳感技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)和控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀分別做一介紹，在此基礎(chǔ)上總結(jié)出一套較為先進(jìn)的焊縫跟蹤系統(tǒng)的實(shí)施方案，為焊縫跟蹤系統(tǒng)研制提供依據(jù)。

　　圖1 電弧傳感器的工作原理

　　1、電弧傳感焊縫跟蹤技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

　　1.1 電弧傳感器發(fā)展概述

　　焊縫自動(dòng)跟蹤方面，傳感器提供著系統(tǒng)賴以進(jìn)行處理和控制所必須的有關(guān)焊縫的信息。我們研究電弧傳感器就是要從焊接電弧信號(hào)中提取出能夠?qū)崟r(shí)并準(zhǔn)確反映焊炬與焊縫中心的偏移變化信號(hào)，并將此信號(hào)采集出來，作為氣體保護(hù)焊焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的輸入信號(hào)，即氣體保護(hù)焊焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的傳感信號(hào)。

　　目前，國際、國內(nèi)焊接界對(duì)電弧傳感器的研究非?；钴S，用于焊縫跟蹤的電弧傳感器主要有以下幾種類型:

　?。?）并列雙絲電弧傳感器。利用兩個(gè)彼此獨(dú)立的并列電弧對(duì)工件施焊，當(dāng)焊槍的中心線未對(duì)準(zhǔn)坡口中心時(shí)，其作用焊絲具有不同的干伸長度，對(duì)于平外特性電源將造成兩個(gè)電流不相等，因此根據(jù)兩個(gè)電流差值即可判別焊炬橫向位置并實(shí)現(xiàn)跟蹤。

　?。?）旋轉(zhuǎn)掃描電弧傳感器。在帶有焊絲導(dǎo)向的噴嘴旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)速度與焊接電流之間存在一定的關(guān)系［５］。高速旋轉(zhuǎn)電弧傳感器可用于厚板間隙及角接焊縫的跟蹤，在結(jié)構(gòu)上比擺動(dòng)式電弧傳感器復(fù)雜，還需要在焊接工藝、信息處理等方面進(jìn)行深入的研究

　　（3）焊炬擺動(dòng)式電弧傳感器。當(dāng)電弧在坡口中擺動(dòng)時(shí)，焊絲端部與母材之間距離隨焊炬對(duì)中位置而變化，它會(huì)引起焊接電流與電壓的變化。由于受機(jī)械方面限制，擺動(dòng)式電弧傳感器的擺動(dòng)頻率一般較低，限制了在高速和薄板搭接接頭焊接中的應(yīng)用。在弧焊其他參數(shù)相同的條件下，擺動(dòng)頻率越高，擺動(dòng)式電弧傳感器的靈敏度越高。