電弧傳感器技術(shù)在焊縫跟蹤中的研究與應用

　　0、引言

　　焊接是一個結(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?shù)膫鞲衅鬟M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)濟得多［１］。

　　所謂焊縫跟蹤,即以焊炬為被控對象,電?。ê妇妫?相對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焊接過程中始終與焊縫對口。其中接觸式傳感是依靠在坡口中滾動或滑動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，但是對不同形式的坡口需用不同探頭，磨損大，易變形，點固點障礙難以克服［２］。超聲波傳感是利用發(fā)射出的超聲波在金屬內(nèi)傳播時在界面產(chǎn)生發(fā)射原理制成的，是一種比較先進的焊縫跟蹤傳感器，應用在跟蹤系統(tǒng)中，跟蹤的實時性好。但是由于傳感器要貼近工件，不可避免地會受到焊接方法和工件尺寸等的嚴格限制。另外需要考慮外界震動、傳播時間等因素，對金屬表面狀況要求高，其應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，與工件無接觸的優(yōu)點。但是算法復雜，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時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、成本低和響應快等特點，是焊接傳感器的一個重要的發(fā)展方向，具有強大的生命力和應用前景主要應用在兩方面：一方面主要用在弧焊機器人上，另一方面主要用在帶有十字滑塊的自動焊上［４］。本文對國內(nèi)外焊縫跟蹤系統(tǒng)電弧傳感技術(shù)、信號處理技術(shù)和控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀分別做一介紹，在此基礎上總結(jié)出一套較為先進的焊縫跟蹤系統(tǒng)的實施方案，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)展狀況

　　1.1 電弧傳感器發(fā)展概述

　　焊縫自動跟蹤方面，傳感器提供著系統(tǒng)賴以進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中提取出能夠?qū)崟r并準確反映焊炬與焊縫中心的偏移變化信號，并將此信號采集出來，作為氣體保護焊焊縫自動跟蹤系統(tǒng)的輸入信號，即氣體保護焊焊縫自動跟蹤系統(tǒng)的傳感信號。

　　目前，國際、國內(nèi)焊接界對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。利用兩個彼此獨立的并列電弧對工件施焊，當焊槍的中心線未對準坡口中心時，其作用焊絲具有不同的干伸長度，對于平外特性電源將造成兩個電流不相等，因此根據(jù)兩個電流差值即可判別焊炬橫向位置并實現(xiàn)跟蹤。

　　（2）旋轉(zhuǎn)掃描電弧傳感器。在帶有焊絲導向的噴嘴旋轉(zhuǎn)時，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)上比擺動式電弧傳感器復雜，還需要在焊接工藝、信息處理等方面進行深入的研究

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