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1、引言 焊接是一個結合了光、電、熱、力的綜合加工過程，在焊接過程中產生的熱量會使焊接工件產生較大的熱變形，從而產生焊接位置偏差。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的傳感器進行焊縫跟蹤，通過比較發現，采用跟蹤的方法比采用精確的夾具經濟得多。 所謂焊縫跟蹤,即以焊炬為被控對象,電弧（焊炬） 相對于焊縫中心位置的偏差作為被調量,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，并利用檢測器內裝的微動開關判斷偏差的極性，其結構簡單、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。超聲波傳感是利用發射出的超聲波在金屬內傳播時在界面產生發射原理制成的，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。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，與工件無接觸的優點。但是算法復雜，處理速度慢。 隨著電弧傳感技術的發展，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，具有結構較簡單、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。本文對國內外焊縫跟蹤系統電弧傳感技術、信號處理技術和控制技術的研究現狀分別做一介紹，在此基礎上總結出一套較為先進的焊縫跟蹤系統的實施方案，為焊縫跟蹤系統研制提供依據。 圖1 電弧傳感器的工作原理 2、電弧傳感焊縫跟蹤技術的發展狀況 2.1 電弧傳感器發展概述 焊縫自動跟蹤方面，傳感器提供著系統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實時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的輸入信號，即氣體保護焊焊縫自動跟蹤系統的傳感信號。 目前，國際、國內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，因此根據兩個電流差值即可判別焊炬橫向位置并實現跟蹤。 （2）旋轉掃描電弧傳感器。在帶有焊絲導向的噴嘴旋轉時，旋轉速度與焊接電流之間存在一定的關系。高速旋轉電弧傳感器可用于厚板間隙及角接焊縫的跟蹤，在結構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變化來探測焊炬高度和左右偏差，在等速送絲調節系統中，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，在穩定焊接狀態時，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，電流突變為Ｉ1，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 電弧傳感器的數學模型 控制系統包括控制器和對象二大部分，其中被控對象的動態特性是主要的，所以建立被控對象的數學模型是所有工作的第一步，所謂“系統建模”，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統計建模法；c神經網絡建模法；d智能建模法。 我們在這要分析的是旋轉電弧焊炬長度和焊接電流之間的數學模型H（s）—I（s），其中輸入量是弧長，輸出量是實時的焊接電流。雖然不同系統中具體的結果各異，但結果均為二階的對應關系。根據文獻有如下結論： 設G（s）為焊炬高度H（s）到電流I（s）的傳遞函數，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，P（s）為電源的動態外特性，當電源外特性為一階慣性環節P（s）=P0/（TpS+1）時，式（1）可簡化為： 對象的數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，比較不同結構和參數控制器的優缺點，從而設計出符合要求的數字控制器。 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的情況下得到很好的跟蹤精度；加上微分項可以減小超調量。 圖2 PID控制器仿真結構圖 在圖的仿真結構圖中，適當調整各系數，就可使系統跟蹤階躍信號的上升時間、超調量和穩態精度滿足要求,如圖2圖3所示。 圖3 PID控制器仿真結果圖 3、電弧傳感焊縫跟蹤技術 3.1 焊縫跟蹤的實現 以旋轉電弧傳感器為例，旋轉電弧傳感器將一周的焊炬運動離散為64個點，經過霍爾傳感器的采集之后送給Ａ／Ｄ轉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值計算出來后，通過固高公司生產的四軸運動控制器來控制小車車體和十字滑塊的協調運動，運動器的核心是ADSP2181數字信號處理器，實現高性能的控制計算，包括實時軌跡規劃，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 整個控制系統采用模糊控制、PI控制、bang-bang控制相結合的方法：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，經模糊推理后得到輸出的控制量。根據模糊控制規則表，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 當系統偏差很小時采用PI控制，取偏差e作為輸入量，則根據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bang-bang控制的算法，我們可以得到控制量U。 3.2.2控制器結構 圖4 控制器結構圖 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 電弧傳感器已經成為近些年來焊接自動跟蹤發展的熱點,同時隨著計算機技術及模糊數學等相關學科的發展，旋轉電弧傳感器已經步入實用的階段，如清華大學研制的旋轉電弧傳感器應用于東風汽車公司的汽車貯氣筒環縫的自動焊中。南昌大學將高速旋轉電弧傳感器安裝在焊接機器人上實現了焊縫的自動跟蹤。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公司生產的旋轉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、結束語 隨著電子技術、智能技術、網絡技術、機器人技術等的進一步發展，焊縫跟蹤技術將要沿著網絡化、智能化的方向發展。電弧傳感器術將在焊縫跟蹤技術中得到更加廣泛的應用。 |
