電弧傳感器的研究應用現(xiàn)狀與面臨的問題
- 2016-03-22 16:08:00
- 作者：徐健寧 陳煥明 熊震宇 原創(chuàng)
- 9734
(1)檢測點就是焊接點，不存在傳感器先行的問題，是完全實時的傳感器。
(2)焊接機頭周圍不需要裝備其他特別的裝置，焊槍的可達性好。
(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)點使電弧傳感器已經(jīng)成為近些年來弧焊自動跟蹤發(fā)展的熱點，但我國電弧傳感器的實用化還在起步階段。
一、電弧傳感器的原理
以電或機械方法使焊接電弧擺動，檢測焊接電流、電壓的變化，來判斷擺動中心是否偏離坡口中心，并進行修正。使電弧擺動的方法有機械式、電磁式和射流式。擺動軌跡可分為直線往復運動、圓弧運動和旋轉(zhuǎn)運動。在使用雙絲并列焊接時，也可不作擺動。
由以上所述，當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，達到傳感的目的。
二、電弧傳感器的研究及應用現(xiàn)狀
1.電弧傳感器的類型
目前電弧傳感器在實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，當焊炬不對中時，兩電弧的高度不同將反映在電流(電壓)差上，從而實現(xiàn)焊縫跟蹤。但因為要同時用兩個參數(shù)相同的獨立回路電源并列進行坡口焊接，實現(xiàn)上有困難，所以實用受到限制。
(2)擺動式電弧傳感器 一般擺動式電弧傳感器是以機械式的居多，因受機構的限制，掃描頻率一般在5Hz以下，使得靈敏度較低，同時熔池中的液態(tài)金屬的流動和填充也為焊縫坡口識別帶來了障礙。
(3)旋轉(zhuǎn)掃描式電弧傳感器 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的原理是，在直流電動機的驅(qū)動下，利用導電嘴上的偏心孔使得焊絲和電弧旋轉(zhuǎn)，來實現(xiàn)電弧的高速掃描，一般掃描頻率為15～35Hz。這種設計能克服機械式的低掃描頻率帶來的一系列問題(見圖2)。
圖2 旋轉(zhuǎn)式電弧傳感器結構
1.電極 2.電動機 3.光碼盤 4.偏心機構 5.調(diào)心軸承6.焊絲
旋轉(zhuǎn)掃描式焊炬最早出現(xiàn)在日本NKK的關于窄間隙焊文獻中用來改善兩側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：在電動機驅(qū)動下，導電嘴繞自身轉(zhuǎn)動，利用導電嘴上的偏心孔使得焊絲端頭和電弧旋轉(zhuǎn)，來實現(xiàn)電弧的高速旋轉(zhuǎn)掃描。
1990年，清華大學給出了圓錐擺動方案。導電桿作圓錐擺動，而不繞自身轉(zhuǎn)動，這樣避免了焊絲與導電嘴之間的摩擦。1993年有了進一步發(fā)展，采用了空心馬達結構設計，使得結構更加簡單，減小了振動和噪聲，體積也大大減小，其設計的旋轉(zhuǎn)掃描焊炬的外徑只有80mm，可以像正常焊炬一樣使用，并申請了中國專利。南昌大學又在其基礎上作了進一步的改進，使 旋轉(zhuǎn)掃描焊炬的結構更為緊湊，其外徑減為45mm，體積減小10%，重量減輕20%，使減振性能更好。并已應用在弧焊機器人上，向?qū)嵱没~進了一大步。
2.電弧信號的處理及其控制技術
如何從電弧傳感信號中得到焊炬位置，即焊縫的左右、高低偏差信息，這也是實際進行焊縫糾偏最關鍵的環(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年首先提出采用計算機仿真的方法研究電弧傳感系統(tǒng)的識別方法，取得了重要的結果。1996年利用計算機仿真的技術，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，采用特征諧波法識別坡口的辦法，又提出數(shù)字濾波技術，使電弧傳感器的信息處理有了突破性的進展。1993年韓國的J.W.Kim，S.J.Na通過使用二次曲線擬合法，即焊接電流信號能被擬合成曲線，此曲線中焊接電流信號值與焊炬到工件的距離成反比。在擺動方向改變處，曲線擬合焊接電流信號即焊接電流值，因而能作為焊縫跟蹤的控制信號。1998年，華東船舶工業(yè)學院也使用模糊控制實現(xiàn)了焊縫的自動跟蹤。
3.電弧傳感器的應用
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，焊縫識別能力增強，同時隨著計算機技術及模糊數(shù)學等相關學科的發(fā)展，旋轉(zhuǎn)電弧傳感器已經(jīng)步入實用的階段，清華大學開發(fā)了兩種自動焊機。第一種是在普通的自動焊機上增加十字滑塊，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機來進行糾偏。第二種是一種全自由度的自動焊機，它無 需像第一種有固定的軌道，是一種可自由爬行的自動跟蹤焊機。南昌大學將高速旋轉(zhuǎn)電弧傳感器安裝在焊接機器人上實現(xiàn)了焊縫的自動跟蹤。1993年，J.W.Kim、S.J.Na設計了一種自適應模糊控制器，將模糊控制技術應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器上有了較好的應用，德國的CLOOS公司生產(chǎn)弧焊機器人使用的是擺動式電弧傳感器；而在日本，裝配了高速旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的弧焊機器人已經(jīng)在造船工業(yè)中使用。華東船舶工業(yè)學院使用單片機實現(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用前景的。
三、面臨的問題
雖然對電弧傳感器已經(jīng)有了大量的研究，但是電弧傳感器的應用特別是在國內(nèi)的應用還不能達到使人滿意的程度，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，為此要有一套控制擺動的裝置，而且有些場合不宜采用擺動。對I形坡口或無間隙對接焊則不能獲得滿意的效果。在現(xiàn)有的工業(yè)應用中，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用范圍。其二，對電弧傳感器信號的處理也是難點之一，因為弧焊過程有許多對信號采集與處理不利的因素，像短路電流的干擾，熔池液態(tài)金屬波動或流動的干擾等，這對獲得完整的坡口形狀信號帶來了很大的困難。如何去除這些干擾從而獲得良好的信號，雖然有過很多的研究，但是還沒有一個較好的解決方案。其三，控制方法的選擇，傳統(tǒng)的PID控制已經(jīng)無法滿足復雜、非線性的焊接過程，而采用自組織模糊控制是一個比較好的解決方法，但實現(xiàn)起來又會遇到運算量大等問題，對簡單處理器無法實現(xiàn)實時控制。而采用PC機，則增加了成本，無法滿足企業(yè)對經(jīng)濟效益的要求。
電弧傳感器的特點非常有利于焊接智能控制的實現(xiàn)，而智能控制對確保焊接質(zhì)量有著十分重要的意義。解決上述三方面的問題，將是今后焊接自動化、智能化的研究熱點。
四、結語
電弧傳感器與光學傳感器并稱為弧焊自動跟蹤兩大傳感器，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的一部分。雖然在某些場合它的適用性受到限制，但其應用前景還是很廣泛的。
隨著智能控制技術的發(fā)展和焊縫識別與實時控制等一系列問題的解決，電弧傳感器在焊接自動化中將體現(xiàn)更為重要的應用價值。
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