電弧傳感器焊縫跟蹤系統(tǒng)

1 前言

　隨著電弧傳感技術的發(fā)展，焊縫跟蹤引入了電弧傳感技術，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。本文對國內(nèi)外焊縫跟蹤系統(tǒng)電弧傳感技術、信號處理技術和控制技術的研究現(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)。

　　2、電弧傳感焊縫跟蹤技術的發(fā)展狀況

　　2.1 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常活躍，用于焊縫跟蹤的電弧傳感器主要有以下幾種類型:

　　(1)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。

　　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)變化來探測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，在穩(wěn)定焊接狀態(tài)時，電弧工作點為A0，弧長L0 ，電流I0 ，當焊炬與工件表面距離發(fā)生階躍變化增大時.弧長突然被拉長為L1.此時干伸長還來不及變化，電弧在新的工作點A1.燃燒，電流突變?yōu)镮1，電流瞬時變化為△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度的變化，焊接電流也相應變化，從而可以判斷焊炬與焊縫間的相對位置。

　　2.3 電弧傳感器的數(shù)學模型

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

　　常用的建模方法有：a機理分析法;b統(tǒng)計建模法;c神經(jīng)網(wǎng)絡建模法;d智能建模法。

　　我們在這要分析的是旋轉(zhuǎn)電弧焊炬長度和焊接電流之間的數(shù)學模型H(s)—I(s)，其中輸入量是弧長，輸出量是實時的焊接電流。雖然不同系統(tǒng)中具體的結(jié)果各異，但結(jié)果均為二階的對應關系。根據(jù)文獻有如下結(jié)論：

　　設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、電弧氣氛有關的常數(shù)，P(s)為電源的動態(tài)外特性，當電源外特性為一階慣性環(huán)節(jié)P(s)=P0/(TpS+1)時，式(1)可簡化為：

　　對象的數(shù)學模型將有助于指導我們以下的工作：可以以模型為對象設計和評價控制器;可以通過對數(shù)學模型的分析，找出最靈敏的工作頻率，進而確定最佳電弧旋轉(zhuǎn)角速度;可以用模型來對所用的控制器進行仿真，比較不同結(jié)構(gòu)和參數(shù)控制器的優(yōu)缺點，從而設計出符合要求的數(shù)字控制器。

　　設某個焊接過程為對象H(s)=(1+3s)/(1+2s)(1+8s)，由于所給傳遞函數(shù)代表的對象是線性時不變的，所以用簡單的比例控制是可行的，只要比例系數(shù)恰當，跟蹤誤差將會足夠小;如果加上積分項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，適當調(diào)整各系數(shù)，就可使系統(tǒng)跟蹤階躍信號的上升時間、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度滿足要求,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

　　3.1 焊縫跟蹤的實現(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動離散為64個點，經(jīng)過霍爾傳感器的采集之后送給A/D轉(zhuǎn)換器件以提取各點的電流值。對這些電流值的分析得到當前焊槍下的焊道的信息，當焊縫的左右偏差和高低變化的數(shù)值計算出來后，通過固高公司生產(chǎn)的四軸運動控制器來控制小車車體和十字滑塊的協(xié)調(diào)運動，運動器的核心是ADSP2181數(shù)字信號處理器，實現(xiàn)高性能的控制計算，包括實時軌跡規(guī)劃，位置，速度或加速度控制，主機命令處理和本身I/O管理，實現(xiàn)焊縫的精確跟蹤。

　　3.2 控制設計

　　3.2.1控制方法

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

　　a 模糊控制

　　當大于大閾值值而大于小閾值的時候，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

　　當系統(tǒng)偏差很小時采用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

　　當系統(tǒng)的偏差很大時采用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

　　設計了FUZZY、FUZZY-P及FUZZY-PI等多種控制方法在水平直線V字焊縫上進行多次實驗。旋轉(zhuǎn)電弧能夠進行彎曲焊縫的跟蹤。

　　4、電弧傳感器技術的應用狀況

　　電弧傳感器已經(jīng)成為近些年來焊接自動跟蹤發(fā)展的熱點,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，如清華大學研制的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器應用于東風汽車公司的汽車貯氣筒環(huán)縫的自動焊中。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。而國外電弧傳感器的應用較為成熟和廣泛，如德國CLOOS的ROMAT 76SW型機器人和日本松下的Pana—Robo型機器人就安裝了擺動式電弧傳感器,韓國的HANGIL Autowelding公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器可用于弧焊機器人和自動焊中。以上說明電弧傳感器是有著廣泛的應用前景的。

　　5、結(jié)束語

　　隨著電子技術、智能技術、網(wǎng)絡技術、機器人技術等的進一步發(fā)展，焊縫跟蹤技術將要沿著網(wǎng)絡化、智能化的方向發(fā)展。電弧傳感器術將在焊縫跟蹤技術中得到更加廣泛的應用。