1 前言

　　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(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。傳感器的檢測(cè)點(diǎn)離開(kāi)電弧有一定的距離，在焊接大弧度的焊縫時(shí)會(huì)影響跟蹤效果。而電弧傳感器利用焊接過(guò)程中的電弧電流波形或電弧電壓波形的變化來(lái)獲得電弧中心是否偏離焊縫作為傳感信息，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，跟蹤效果好。

　　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

　　焊縫跟蹤是保證焊接質(zhì)量和焊接自動(dòng)化的前提，而傳感器是實(shí)現(xiàn)這一前提的基礎(chǔ)。焊接傳感器根據(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)是附加式的，例如，接觸式傳感器、電磁傳感器和各種光學(xué)傳感器，這類傳感器共同的問(wèn)題就是傳感器與電弧是分離的，傳感器的檢測(cè)點(diǎn)離開(kāi)電弧有一定的距離，在焊接大弧度的焊縫時(shí)會(huì)影響跟蹤效果。而電弧傳感器利用焊接過(guò)程中的電弧電流波形或電弧電壓波形的變化來(lái)獲得電弧中心是否偏離焊縫作為傳感信息，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，跟蹤效果好。電弧傳感器的優(yōu)勢(shì)在于它的抗弧光、高溫及強(qiáng)磁場(chǎng)能力很強(qiáng)， 同時(shí)它與焊接電弧總是統(tǒng)一的整體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，成本也較低，目前， 電弧傳感器作為一種焊接傳感手段倍受各國(guó)重視， 國(guó)外許多焊接設(shè)備研究和制造機(jī)構(gòu)都在努力開(kāi)發(fā)這一領(lǐng)域。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的研究起步較早， 已研制出多種電弧掃描形式（如雙絲并列、擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)） 的電弧傳感器， 適合于埋弧焊、TIG和MIG/MAG 等不同焊接方法， 有些已用于焊接生產(chǎn)。許多國(guó)家所生產(chǎn)的弧焊機(jī)器人上均配有擺動(dòng)式電弧傳感跟蹤裝置。

　　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(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。

　?。?）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。

　?。?）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。

　　2.2 電弧傳感器的工作原理

　　電弧傳感器的基本原理是： 以電或機(jī)械方法使焊接電弧擺動(dòng)，檢測(cè)焊接電流、電壓的變化，來(lái)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)。電弧傳感器的工作原理如圖1所示。

　　L為電源外特性曲線，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)镮1,電流瞬時(shí)變化為△I1反之亦然。

　　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，找出靈敏的工作頻率，進(jìn)而確定電弧旋轉(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?。蝗绻由戏e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；加上微分項(xiàng)可以減小超調(diào)量。

　　圖2 PID控制器仿真結(jié)構(gòu)圖 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)滿足要求，如圖2圖3所示。

　　圖3 PID控制器仿真結(jié)果圖

　　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)控制小車車體和十字滑塊的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)器的是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） （3）

　　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)

　　圖4 控制器結(jié)構(gòu)圖

　　設(shè)計(jì)了FUZZY、FUZZY-P及FUZZY-PI等多種控制方法在水平直線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

　　電弧傳感器經(jīng)過(guò)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(kāi)發(fā)了兩種自動(dòng)焊機(jī)。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(guò)控制十字滑塊的電動(dòng)機(jī)來(lái)進(jìn)行糾偏。第二種是一種全自由度的自動(dòng)焊機(jī)，它無(wú) 需像種有固定的軌道，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(guó)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(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)

　　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(chǎng)合它的適用性受到限制，但其應(yīng)用前景還是很廣泛的。