1、引言

焊接是一個(gè)結(jié)合了光、電、熱、力的綜合加工過(guò)程，在焊接過(guò)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(wú)法滿(mǎn)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)?a target="_blank">傳感器進(jìn)行焊縫跟蹤，通過(guò)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。

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(guò)視覺(jué)傳感、接觸傳感、超聲波傳感、電弧傳感等多種傳感測(cè)量手段，控制焊炬使其在整個(gè)焊接過(guò)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(cè)器內(nèi)，并利用檢測(cè)器內(nèi)裝的微動(dòng)開(kāi)關(guān)判斷偏差的極性，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。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。視覺(jué)傳感具有提供信息量豐富，靈敏度和測(cè)量精度高，抗電磁場(chǎng)干擾能力強(qiáng)，與工件無(wú)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(lèi)型的傳感器相比，具有結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)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。本文對(duì)國(guó)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)。

2、電弧傳感焊縫跟蹤技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

2.1 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(lài)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(lái)，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(guó)際、國(guó)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(lèi)型：

（1）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(xiàn)未對(duì)準(zhǔn)坡口中心時(shí)，其作用焊絲具有不同的干伸長(zhǎng)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。

（2）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。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。

2.2 電弧傳感器的工作原理

電弧傳感器的基本原理是：利用焊炬與工件之間距離變化引起的焊接參數(shù)變化來(lái)探測(cè)焊炬高度和左右偏差，在等速送絲調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，送絲速度恒定，焊接電源一般采用平或緩降的外特性，在這種情況下，焊接電流將隨著電弧長(zhǎng)度的變化而變化。電弧傳感器的工作原理如圖1所示。

L為電源外特性曲線(xiàn)，在穩(wěn)定焊接狀態(tài)時(shí)，電弧工作點(diǎn)為A0，弧長(zhǎng)L0 ，電流Ｉ0 ，當(dāng)焊炬與工件表面距離發(fā)生階躍變化增大時(shí)．弧長(zhǎng)突然被拉長(zhǎng)為L(zhǎng)1．此時(shí)干伸長(zhǎng)還來(lái)不及變化，電弧在新的工作點(diǎn)A1．燃燒，電流突變?yōu)椋?，電流瞬時(shí)變化為△Ｉ1反之亦然。從上述分析可以得出，電弧位置的變化將引起電弧長(zhǎng)度的變化，焊接電流也相應(yīng)變化，從而可以判斷焊炬與焊縫間的相對(duì)位置。

2.3 電弧傳感器的數(shù)學(xué)模型

控制系統(tǒng)包括控制器和對(duì)象二大部分，其中被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是主要的，所以建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型是所有工作的第一步，所謂“系統(tǒng)建模”，就是對(duì)軟件中過(guò)程的抽象描述。

常用的建模方法有：a機(jī)理分析法；b統(tǒng)計(jì)建模法；c神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模法；d智能建模法。

我們?cè)谶@要分析的是旋轉(zhuǎn)電弧焊炬長(zhǎng)度和焊接電流之間的數(shù)學(xué)模型H（s）—I（s），其中輸入量是弧長(zhǎng)，輸出量是實(shí)時(shí)的焊接電流。雖然不同系統(tǒng)中具體的結(jié)果各異，但結(jié)果均為二階的對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)文獻(xiàn)有如下結(jié)論：

設(shè)G（s）為焊炬高度H（s）到電流I（s）的傳遞函數(shù)，則它在理論上可表示為：

其中Ka，Kn，Kr，Kq為與電源外特性、焊接材料、電弧氣氛有關(guān)的常數(shù)，P（s）為電源的動(dòng)態(tài)外特性，當(dāng)電源外特性為一階慣性環(huán)節(jié)P（s）=P0/（TpS+1）時(shí)，式（1）可簡(jiǎn)化為：

對(duì)象的數(shù)學(xué)模型將有助于指導(dǎo)我們以下的工作：可以以模型為對(duì)象設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)控制器；可以通過(guò)對(duì)數(shù)學(xué)模型的分析，找出最靈敏的工作頻率，進(jìn)而確定最佳電弧旋轉(zhuǎn)角速度；可以用模型來(lái)對(duì)所用的控制器進(jìn)行仿真，比較不同結(jié)構(gòu)和參數(shù)控制器的優(yōu)缺點(diǎn)，從而設(shè)計(jì)出符合要求的數(shù)字控制器。

設(shè)某個(gè)焊接過(guò)程為對(duì)象H（s）=（1+3s）/（1+2s）（1+8s），由于所給傳遞函數(shù)代表的對(duì)象是線(xiàn)性時(shí)不變的，所以用簡(jiǎn)單的比例控制是可行的，只要比例系數(shù)恰當(dāng)，跟蹤誤差將會(huì)足夠小；如果加上積分項(xiàng)將可以在較小的比例系數(shù)的情況下得到很好的跟蹤精度；加上微分項(xiàng)可以減小超調(diào)量。

在圖的仿真結(jié)構(gòu)圖中，適當(dāng)調(diào)整各系數(shù)，就可使系統(tǒng)跟蹤階躍信號(hào)的上升時(shí)間、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度滿(mǎn)足要求，如圖2圖3所示。

3、電弧傳感焊縫跟蹤技術(shù)

3.1 焊縫跟蹤的實(shí)現(xiàn)

以旋轉(zhuǎn)電弧傳感器為例，旋轉(zhuǎn)電弧傳感器將一周的焊炬運(yùn)動(dòng)離散為64個(gè)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)霍爾傳感器的采集之后送給Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器件以提取各點(diǎn)的電流值。對(duì)這些電流值的分析得到當(dāng)前焊槍下的焊道的信息，當(dāng)焊縫的左右偏差和高低變化的數(shù)值計(jì)算出來(lái)后，通過(guò)固高公司生產(chǎn)的四軸運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)控制小車(chē)車(chē)體和十字滑塊的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)器的核心是ADSP2181數(shù)字信號(hào)處理器，實(shí)現(xiàn)高性能的控制計(jì)算，包括實(shí)時(shí)軌跡規(guī)劃，位置，速度或加速度控制，主機(jī)命令處理和本身I／O管理，實(shí)現(xiàn)焊縫的精確跟蹤。

3.2 控制設(shè)計(jì)

3.2.1控制方法

整個(gè)控制系統(tǒng)采用模糊控制、PI控制、bang-bang控制相結(jié)合的方法：設(shè)置兩個(gè)不同的閾值，在誤差超過(guò)大閾值時(shí)用bang-bang控制；小于大閾值而大于小閾值時(shí)用FUZZY，在誤差接近0時(shí)用PI方法，加入積分以消除最終誤差。

a 模糊控制

當(dāng)大于大閾值值而大于小閾值的時(shí)候，采用模糊控制，取偏差e和偏差的變化ec作為作為模糊控制的輸入量，經(jīng)模糊推理后得到輸出的控制量。根據(jù)模糊控制規(guī)則表，制定出合適的論域，然后我們就可以用重心法解模糊求出控制量U。

b PI控制

當(dāng)系統(tǒng)偏差很小時(shí)采用PI控制，取偏差e作為輸入量，則根據(jù)PI控制算法得到控制量U的計(jì)算公式如下：

U（k）=U（k-1）+Kp＊（e（k）-e（k-1））+Ki＊e（k）?。?）

c bang-bang控制

當(dāng)系統(tǒng)的偏差很大時(shí)采用bang-bang控制，取偏差e和偏差的變化ec作為輸入量，根據(jù)bang-bang控制的算法，我們可以得到控制量U。

3.2.2控制器結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)了FUZZY、FUZZY-P及FUZZY-PI等多種控制方法在水平直線(xiàn)V字焊縫上進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。旋轉(zhuǎn)電弧能夠進(jìn)行彎曲焊縫的跟蹤。

4、電弧傳感器技術(shù)的應(yīng)用狀況

電弧傳感器已經(jīng)成為近些年來(lái)焊接自動(dòng)跟蹤發(fā)展的熱點(diǎn)，同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及模糊數(shù)學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，旋轉(zhuǎn)電弧傳感器已經(jīng)步入實(shí)用的階段，如清華大學(xué)研制的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器應(yīng)用于東風(fēng)汽車(chē)公司的汽車(chē)貯氣筒環(huán)縫的自動(dòng)焊中。南昌大學(xué)將高速旋轉(zhuǎn)電弧傳感器安裝在焊接機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)了焊縫的自動(dòng)跟蹤。而國(guó)外電弧傳感器的應(yīng)用較為成熟和廣泛，如德國(guó)CLOOS的ROMAT 76SW型機(jī)器人和日本松下的Pana—Robo型機(jī)器人就安裝了擺動(dòng)式電弧傳感器，韓國(guó)的HANGIL Autowelding公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器可用于弧焊機(jī)器人和自動(dòng)焊中。以上說(shuō)明電弧傳感器是有著廣泛的應(yīng)用前景的。

5、結(jié)束語(yǔ)

隨著電子技術(shù)、智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)等的進(jìn)一步發(fā)展，焊縫跟蹤技術(shù)將要沿著網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展。電弧傳感器術(shù)將在焊縫跟蹤技術(shù)中得到更加廣泛的應(yīng)用。