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摘要：實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化的兩個(gè)主要難題是：焊縫跟蹤和焊接質(zhì)量控制。其中焊縫跟蹤是保證焊接質(zhì)量的前提，所以實(shí)現(xiàn)焊縫的自動(dòng)跟蹤就成為首先要解決的問題。

實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化的兩個(gè)主要難題是：焊縫跟蹤和焊接質(zhì)量控制。其中焊縫跟蹤是保證焊接質(zhì)量的前提，所以實(shí)現(xiàn)焊縫的自動(dòng)跟蹤就成為首先要解決的問題。一個(gè)焊縫跟蹤系統(tǒng)包括以下兩個(gè)主要的方面：傳感器與控制器。傳感器根據(jù)傳感方式的不同可以分為附加式傳感器和電弧傳感器兩大類。傳統(tǒng)的焊縫跟蹤傳感器多數(shù)是屬于附加式。例如，接觸式傳感器、電磁傳感器和各種光學(xué)傳感器，這類傳感器都在焊炬上固定一個(gè)附加的機(jī)械、電磁或光學(xué)裝置，用于檢測焊縫的相對(duì)位置，其共同的問題就是傳感器與電弧是分離的，有復(fù)雜的附加裝置，應(yīng)用起來不方便，效果也不夠理想。而電弧傳感器利用電弧本身作為傳感器，根據(jù)焊接電弧的基本特性提取焊接過程中的電流或電壓變化量作為傳感器信號(hào)。因此，與附加式傳感器相比，電弧傳感器有其獨(dú)特的優(yōu)勢：
(1)檢測點(diǎn)就是焊接點(diǎn)，不存在傳感器先行的問題，是完全實(shí)時(shí)的傳感器。
(2)焊接機(jī)頭周圍不需要裝備其他特別的裝置，焊槍的可達(dá)性好。
(3)由于電弧本身作為傳感器，所以不受焊絲彎曲和磁偏吹等引起電弧偏移的影響。
(4)不僅可以跟蹤傳感，保證焊接參數(shù)的穩(wěn)定，而且還可以改善焊縫的成形效果。
(5)抗光、電磁、熱的干擾，使用壽命長。
正是有這些優(yōu)點(diǎn)使電弧傳感器已經(jīng)成為近些年來弧焊自動(dòng)跟蹤發(fā)展的熱點(diǎn)，但我國電弧傳感器的實(shí)用化還在起步階段。
一、電弧傳感器的原理
以電或機(jī)械方法使焊接電弧擺動(dòng)，檢測焊接電流、電壓的變化，來判斷擺動(dòng)中心是否偏離坡口中心，并進(jìn)行修正。使電弧擺動(dòng)的方法有機(jī)械式、電磁式和射流式。擺動(dòng)軌跡可分為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)、圓弧運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在使用雙絲并列焊接時(shí)，也可不作擺動(dòng)。

圖1為焊槍導(dǎo)電嘴與工件表面距離變化引起焊接參數(shù)變化的過程。圖中，E為電源外特性，C為等熔化曲線，l為電弧靜特性曲線。以平外特性電源、等速送絲調(diào)節(jié)系統(tǒng)為例，在穩(wěn)定焊接狀態(tài)時(shí)，電弧工作點(diǎn)為A０，弧長l０，干伸長隨之變化，對(duì)應(yīng)的等熔化曲線為C０，電流為I０。當(dāng)焊槍與工件表面距離發(fā)生階躍變化增大到H１時(shí)，弧長突然被拉長為l１，此時(shí)干伸長還來不及變化，電弧隨即在新的工作點(diǎn)燃燒，電流突變?yōu)镮１。但經(jīng)過一定時(shí)間的電弧自調(diào)節(jié)作用后，弧長逐漸變短，干伸長增大，最后電弧穩(wěn)定在一個(gè)新的工作點(diǎn)A２、弧長l２上，對(duì)應(yīng)的等熔化曲線 C２、電流I２，結(jié)果是干伸長和弧長都比原來增加。在上述變化中，有兩個(gè)狀態(tài)過程即調(diào)節(jié)過程的動(dòng)態(tài)變化(ΔId)和新的穩(wěn)定點(diǎn)建立后的靜態(tài)變化(ΔIs)。動(dòng)態(tài)變化的原因是焊絲熔化速度受到限制，不能跟隨焊炬高度的突變，靜態(tài)變化的原因是由于電弧的自身調(diào)節(jié)特性。
由以上所述，當(dāng)電弧沿著焊縫的垂直方向掃描，焊接電流將隨著掃描引起的焊矩高度變化而變化，從而獲得焊縫坡口信息，達(dá)到傳感的目的。
二、電弧傳感器的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀
1.電弧傳感器的類型
目前電弧傳感器在實(shí)用中主要有以下幾種類型：
(1)非掃描雙絲并列型該類型是利用電弧的靜態(tài)特性，當(dāng)焊炬不對(duì)中時(shí)，兩電弧的高度不同將反映在電流(電壓)差上，從而實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤。但因?yàn)橐瑫r(shí)用兩個(gè)參數(shù)相同的獨(dú)立回路電源并列進(jìn)行坡口焊接，實(shí)現(xiàn)上有困難，所以實(shí)用受到限制。
(2)擺動(dòng)式電弧傳感器一般擺動(dòng)式電弧傳感器是以機(jī)械式的居多，因受機(jī)構(gòu)的限制，掃描頻率一般在5Hz以下，使得靈敏度較低，同時(shí)熔池中的液態(tài)金屬的流動(dòng)和填充也為焊縫坡口識(shí)別帶來了障礙。
(3)旋轉(zhuǎn)掃描式電弧傳感器旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的原理是，在直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，利用導(dǎo)電嘴上的偏心孔使得焊絲和電弧旋轉(zhuǎn)，來實(shí)現(xiàn)電弧的高速掃描，一般掃描頻率為15～35Hz。這種設(shè)計(jì)能克服機(jī)械式的低掃描頻率帶來的一系列問題(見圖2)。

圖2 旋轉(zhuǎn)式電弧傳感器結(jié)構(gòu)
1.電極 2.電動(dòng)機(jī) 3.光碼盤 4.偏心機(jī)構(gòu) 5.調(diào)心軸承6.焊絲

旋轉(zhuǎn)式電弧傳感器以其掃描頻率高，機(jī)械振動(dòng)小，具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和能夠改善焊縫成形等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為電弧傳感器的新寵。
旋轉(zhuǎn)掃描式焊炬最早出現(xiàn)在日本NKK的關(guān)于窄間隙焊文獻(xiàn)中用來改善兩側(cè)熔合和角焊縫及多道焊的成形，后來發(fā)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)電弧還可用于焊接跟蹤傳感，且靈敏度更高，就積極致力于高速旋轉(zhuǎn)電弧在傳感跟蹤上的發(fā)展，研究成功了高速旋轉(zhuǎn)電弧傳感器。
其原理是：在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下，導(dǎo)電嘴繞自身轉(zhuǎn)動(dòng)，利用導(dǎo)電嘴上的偏心孔使得焊絲端頭和電弧旋轉(zhuǎn)，來實(shí)現(xiàn)電弧的高速旋轉(zhuǎn)掃描。
1990年，清華大學(xué)給出了圓錐擺動(dòng)方案。導(dǎo)電桿作圓錐擺動(dòng)，而不繞自身轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣避免了焊絲與導(dǎo)電嘴之間的摩擦。1993年有了進(jìn)一步發(fā)展，采用了空心馬達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得結(jié)構(gòu)更加簡單，減小了振動(dòng)和噪聲，體積也大大減小，其設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)掃描焊炬的外徑只有80mm，可以像正常焊炬一樣使用，并申請(qǐng)了中國專利。南昌大學(xué)又在其基礎(chǔ)上作了進(jìn)一步的改進(jìn)，使旋轉(zhuǎn)掃描焊炬的結(jié)構(gòu)更為緊湊，其外徑減為45mm，體積減小10%，重量減輕20%，使減振性能更好。并已應(yīng)用在弧焊機(jī)器人上，向?qū)嵱没~進(jìn)了一大步。
2.電弧信號(hào)的處理及其控制技術(shù)
如何從電弧傳感信號(hào)中得到焊炬位置，即焊縫的左右、高低偏差信息，這也是實(shí)際進(jìn)行焊縫糾偏最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。1978年采用積分差值法解決了V形及角焊縫的識(shí)別，用消波的方法解決了CO２焊接中電流噪聲問題。1990年首先提出采用計(jì)算機(jī)仿真的方法研究電弧傳感系統(tǒng)的識(shí)別方法，取得了重要的結(jié)果。1996年利用計(jì)算機(jī)仿真的技術(shù)，深入研究了傳感系統(tǒng)的信息輸入和輸出，首次提出交換信息空間，采用特征諧波法識(shí)別坡口的辦法，又提出數(shù)字濾波技術(shù)，使電弧傳感器的信息處理有了突破性的進(jìn)展。1993年韓國的J.W.Kim，S.J.Na通過使用二次曲線擬合法，即焊接電流信號(hào)能被擬合成曲線，此曲線中焊接電流信號(hào)值與焊炬到工件的距離成反比。在擺動(dòng)方向改變處，曲線擬合焊接電流信號(hào)即焊接電流值，因而能作為焊縫跟蹤的控制信號(hào)。1998年，華東船舶工業(yè)學(xué)院也使用模糊控制實(shí)現(xiàn)了焊縫的自動(dòng)跟蹤。
3.電弧傳感器的應(yīng)用
電弧傳感器經(jīng)過多年的研究與發(fā)展，體積和重量大大減小，焊縫識(shí)別能力增強(qiáng)，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，清華大學(xué)開發(fā)了兩種自動(dòng)焊機(jī)。第一種是在普通的自動(dòng)焊機(jī)上增加十字滑塊，將電弧傳感器安裝在十字滑塊上，通過控制十字滑塊的電動(dòng)機(jī)來進(jìn)行糾偏。第二種是一種全自由度的自動(dòng)焊機(jī)，它無需像第一種有固定的軌道，是一種可自由爬行的自動(dòng)跟蹤焊機(jī)。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。1993年，J.W.Kim、S.J.Na設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)模糊控制器，將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于焊縫跟蹤并取得了良好的跟蹤效果。在工業(yè)上，電弧傳感器在弧焊機(jī)器上有了較好的應(yīng)用，德國的CLOOS公司生產(chǎn)弧焊機(jī)器人使用的是擺動(dòng)式電弧傳感器；而在日本，裝配了高速旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的弧焊機(jī)器人已經(jīng)在造船工業(yè)中使用。華東船舶工業(yè)學(xué)院使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)掃描式焊炬的焊縫跟蹤。這些都說明，電弧傳感器是有著廣泛的應(yīng)用前景的。
三、面臨的問題
雖然對(duì)電弧傳感器已經(jīng)有了大量的研究，但是電弧傳感器的應(yīng)用特別是在國內(nèi)的應(yīng)用還不能達(dá)到使人滿意的程度，目前僅限于某些特殊場合的焊縫跟蹤。其一，由電弧傳感器的原理可知，它要求焊槍擺動(dòng)，為此要有一套控制擺動(dòng)的裝置，而且有些場合不宜采用擺動(dòng)。對(duì)I形坡口或無間隙對(duì)接焊則不能獲得滿意的效果。在現(xiàn)有的工業(yè)應(yīng)用中，成功的例子還都是在V形坡口和角焊縫上完成的。這些都限制了電弧傳感器的應(yīng)用范圍。其二，對(duì)電弧傳感器信號(hào)的處理也是難點(diǎn)之一，因?yàn)榛『高^程有許多對(duì)信號(hào)采集與處理不利的因素，像短路電流的干擾，熔池液態(tài)金屬波動(dòng)或流動(dòng)的干擾等，這對(duì)獲得完整的坡口形狀信號(hào)帶來了很大的困難。如何去除這些干擾從而獲得良好的信號(hào)，雖然有過很多的研究，但是還沒有一個(gè)較好的解決方案。其三，控制方法的選擇，傳統(tǒng)的PID控制已經(jīng)無法滿足復(fù)雜、非線性的焊接過程，而采用自組織模糊控制是一個(gè)比較好的解決方法，但實(shí)現(xiàn)起來又會(huì)遇到運(yùn)算量大等問題，對(duì)簡單處理器無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。而采用PC機(jī)，則增加了成本，無法滿足企業(yè)對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的要求。
電弧傳感器的特點(diǎn)非常有利于焊接智能控制的實(shí)現(xiàn)，而智能控制對(duì)確保焊接質(zhì)量有著十分重要的意義。解決上述三方面的問題，將是今后焊接自動(dòng)化、智能化的研究熱點(diǎn)。
四、結(jié)語
電弧傳感器與光學(xué)傳感器并稱為弧焊自動(dòng)跟蹤兩大傳感器，其中電弧傳感器不同于其他任何一種現(xiàn)有的傳感器，它不是獨(dú)立于焊接電弧焊接電源系統(tǒng)之外的東西，而是與電弧特性和電源的特性緊密相關(guān)的一部分。雖然在某些場合它的適用性受到限制，但其應(yīng)用前景還是很廣泛的。
隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展和焊縫識(shí)別與實(shí)時(shí)控制等一系列問題的解決，電弧傳感器在焊接自動(dòng)化中將體現(xiàn)更為重要的應(yīng)用價(jià)值。

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電弧傳感器的研究應(yīng)用現(xiàn)狀與面臨的問題

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