【正文】 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)都在努力開發(fā)這一領(lǐng)域。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家起步較早, 己研制多種電弧掃描形式的電弧傳感器, 如雙絲并列、擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)等, 適合于埋弧焊、TIG和MIG/MAG等不同的焊接方法，【6】有些已成功地應(yīng)用于焊接生產(chǎn)。早期的電弧傳感器多采用擺動(dòng)式,后來又開發(fā)了雙絲并列的電弧傳感器【7】和旋轉(zhuǎn)電弧傳感器【8】。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(cè)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說明了焊槍導(dǎo)電嘴與工件表面距離變化引起焊接參數(shù)變化的過程。以緩降外特性電源為例，在穩(wěn)定焊接狀態(tài)時(shí)，電弧工作點(diǎn)為A0，弧長(zhǎng)l0，干伸長(zhǎng)L1，電流I0，當(dāng)焊槍與工件表面距離H0 發(fā)生階躍變化增大到H1 時(shí)，弧長(zhǎng)突然被拉長(zhǎng)為l1，此時(shí)L1 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，弧長(zhǎng)逐漸變短，干伸長(zhǎng)增大，最后電弧穩(wěn)定在一個(gè)新的工作點(diǎn)A2，弧長(zhǎng)l2，干伸長(zhǎng)L2，電流I2，結(jié)果是干伸長(zhǎng)和弧長(zhǎng)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(△ID)和新的穩(wěn)定點(diǎn)建立后的靜態(tài)變化(△Is)。動(dòng)態(tài)變化的原因是焊絲熔化速度受到限制，不能跟隨焊槍高度的突變；靜態(tài)變化的原因是由于電弧的自調(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槍高度變化而變化，從而獲得焊縫坡口信息達(dá)到傳感的目的。二、電弧傳感技術(shù)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀 基于三種電弧傳感器的焊縫跟蹤技術(shù)，焊縫跟蹤系統(tǒng)示意圖 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)工件進(jìn)行施焊，當(dāng)焊槍的中心線未對(duì)準(zhǔn)坡口中心時(shí)，其左右兩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)焊接電流不相等，因此根據(jù)兩個(gè)電流差值即可進(jìn)行左右跟蹤，根據(jù)兩個(gè)電流之和即可進(jìn)行高低跟蹤。這種傳感方式是利用電弧靜態(tài)特性參數(shù)的變化作為傳感信號(hào)。 擺動(dòng)式掃描電弧傳感器擺動(dòng)式掃描電弧傳感需要一套擺動(dòng)裝置，機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，在弧焊機(jī)器人上比較容易實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)，不需要特殊的裝置，通過機(jī)器人手臂帶動(dòng)焊槍作橫向擺動(dòng)即可，目前許多國(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，已達(dá)到實(shí)用化階段。擺動(dòng)式電弧傳感器受機(jī)械方面限制，擺動(dòng)頻率一般較低，限制了電弧傳感器在高速和薄板搭接接頭焊接中的應(yīng)用。 旋轉(zhuǎn)式掃描電弧傳感器旋轉(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15一35 Hz。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（圖2）。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(jiǎn)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80 mm, 可以像正常焊炬一樣使用, 并申請(qǐng)了中國(guó)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。通過旋轉(zhuǎn)電弧傳感器采集到電弧電壓或電流等信號(hào)后, 通過計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)高精度的焊縫跟蹤, 關(guān)鍵在于焊縫偏差的識(shí)別。目前焊縫偏差的識(shí)別包括高度偏差和橫向偏差2個(gè)方向。高度偏差的識(shí)別主要采用焊槍旋轉(zhuǎn)一周后將采集的焊接電流或電弧電壓平均值與給定值作比較, 得到偏差信息。而橫向偏差的識(shí)別方法比較多, 目前主要有直接測(cè)位法、極值差值法、左右區(qū)域積分差值法、頻譜法4種。其中極值差值法和左右區(qū)域積分差值法應(yīng)用較多。文獻(xiàn)【7】 介紹了直接測(cè)位法, 直接對(duì)檢測(cè)的電流波形找到極小值點(diǎn)來得到橫向偏差信息。該方法直觀明顯, 但需進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的分析比較。然而在數(shù)字系統(tǒng)中, 信號(hào)的隨機(jī)干擾使得極值點(diǎn)位置的這種求法不可靠, 事實(shí)上采樣所得數(shù)據(jù)盡管經(jīng)過了濾波, 但可能存在各種“毛刺”, 即會(huì)有許多極值點(diǎn)。所以直接對(duì)焊接電流波形峰值點(diǎn)的粗略分析, 雖得到焊槍相對(duì)焊接接頭的橫向偏差, 但不可靠, 精度較低。在文獻(xiàn)【7】中還介紹了極值差值法, 它利用了焊槍位于最左和最右位置的高度差來判定橫向偏差值。由于只選2點(diǎn)的采樣值, 易受干擾, 可靠性較差, 靈敏度較低。通過左右兩邊的電流積分差值反映V形坡口或角焊縫對(duì)中情況即左右區(qū)域積分差值法【8】。以焊槍旋轉(zhuǎn)至左側(cè)部分的電流積分(求和), 與右側(cè)部分采樣值積分之差來表征焊槍橫向偏差。頻譜法是通過特征諧波來檢測(cè)焊縫偏差。它通過快速傅氏變換(FFT)將時(shí)域信號(hào)變換到頻域來分析, 尋找各種坡口條件下反映焊縫與焊槍之間偏差的特征諧波分量, 特征諧波幅值反映了焊縫偏差的大小, 特征諧波的相位反映了偏差的方向, 由于傅氏變換的性質(zhì), 基于輸入函數(shù)(高度信號(hào))研究得到的特征量經(jīng)系統(tǒng)傳輸后, 依然保持空間的正交性, 在對(duì)響應(yīng)電流信號(hào)處理時(shí), 保持著特征分量的可操作性, 而不依賴于系統(tǒng)的傳輸特性【9】。前3種方法抗干擾能力差, 對(duì)應(yīng)用場(chǎng)合的要求較高, 受到限制。諧波法利用了快速傅氏變換, 實(shí)現(xiàn)從時(shí)域到頻域的變換, 但最后得到的函數(shù)關(guān)系十分復(fù)雜, 給應(yīng)用帶來不便。隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展, 人們將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等智能方法引入到焊縫偏差的識(shí)別中。文獻(xiàn)【10】中, 日本Kenji Ohshima等人提出了一種神經(jīng)電弧傳感器, 將焊接電流與電弧電壓通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息融合, 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)通過數(shù)值模擬獲得, 能識(shí)別焊槍高度、姿態(tài)及與焊縫中心的偏差, 實(shí)時(shí)性好。但由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本身理論上是基于無窮樣本建立起來的, 而實(shí)際訓(xùn)練數(shù)據(jù)總是有限的, 因此這種傳感器精度也是有限的。文獻(xiàn)【11】 中, 韓國(guó)的Jeong Sang和KwunLee Gunyou等人構(gòu)造了一種新的焊縫跟蹤算法, 把電弧傳感器旋轉(zhuǎn)的每一周分成前、后、左、右4個(gè)區(qū)間, 求出該4個(gè)區(qū)間的電流均值, 采用指數(shù)平滑法濾除電流中的噪聲, 利用每旋轉(zhuǎn)一周的4個(gè)電流均值之差來識(shí)別焊縫偏差, 從而實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤。文獻(xiàn)【12】中, 南昌大學(xué)的張華等人建立了一個(gè)基于高速旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的實(shí)時(shí)焊縫模糊跟蹤系統(tǒng)。通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了一套模糊控制規(guī)則, 經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證能滿足弧焊機(jī)器人的要求。綜觀上述各種焊縫偏差的識(shí)別方法可知, 它們大都是針對(duì)焊縫二維偏差的, 未能很好地實(shí)現(xiàn)焊縫三維跟蹤。為了在各種具體條件下更好地發(fā)揮電弧傳感跟蹤控制的作用, 人們發(fā)展了一些不同形式的電弧傳感焊縫跟蹤控制方法, 它們的傳感與控制基本原理相同,都是設(shè)法在電弧與焊縫接觸時(shí), 使電弧參數(shù)發(fā)生某些變化來直接提供電弧中心是否偏離焊縫的信息, 僅誘發(fā)電弧參數(shù)變化的方式不同。 基于其他類型電弧傳感器的焊縫跟蹤技術(shù) 電磁高速振動(dòng)電弧傳感焊縫跟蹤靠一種特制的焊槍來實(shí)現(xiàn)高速振動(dòng)【13】, 可振動(dòng)的導(dǎo)電桿兩側(cè)鑲有磁鐵, 在焊槍外殼上裝有激磁線圈及磁極, 當(dāng)激磁線圈接通一定頻率的交變電流時(shí), 則導(dǎo)電桿會(huì)產(chǎn)生一定頻率的振動(dòng), 從而使焊絲也產(chǎn)生高速振動(dòng)。利用振動(dòng)時(shí)的焊接電流、電弧電壓波形變化來獲得電弧中心是否偏離焊縫的信息。它的特點(diǎn)是: 實(shí)現(xiàn)電弧高速擺動(dòng)是在焊槍外殼不動(dòng)的情況下進(jìn)行的,焊槍結(jié)構(gòu)相對(duì)來說比較簡(jiǎn)單, 更適合安裝在焊接機(jī)器人上應(yīng)用。 雙絲電弧傳感焊縫跟蹤控制它是靠2個(gè)相隔一定距離的焊絲產(chǎn)生2個(gè)電弧排列在V形坡口焊縫的兩側(cè), 2個(gè)電弧參數(shù)的差值提供2個(gè)電弧的中線是否偏離焊縫的信息, 從而實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤的控制。根據(jù)2個(gè)電弧參數(shù)和參考值比較的差值可實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)電嘴與工件表面距離的控制。但它要求2個(gè)焊絲之間要有良好的電絕緣, 并且間距應(yīng)不小于8 mm,以避免2個(gè)電弧產(chǎn)生相互的磁場(chǎng)干擾。它雖然完全排除了擺動(dòng)電弧傳感或旋轉(zhuǎn)電弧傳感所必需的機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的麻煩。但由于采用雙絲, 帶來了送絲系統(tǒng)及焊槍結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的缺點(diǎn)。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(guó)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(chǎng)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(chǎng)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(jiǎn)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。電弧傳感器技術(shù)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(yǔ) 世紀(jì)我國(guó)的數(shù)控切割行業(yè)面臨各種新的挑戰(zhàn), 國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)更加激烈。我們應(yīng)瞄準(zhǔn)世界先進(jìn)水平, 不斷開發(fā)研制新產(chǎn)品, 帶動(dòng)國(guó)內(nèi)同行業(yè)技術(shù)水平的普遍提高, 、劣質(zhì)產(chǎn)品, 凈化市場(chǎng), 帶動(dòng)行業(yè)廠家轉(zhuǎn)變經(jīng)營(yíng)理念。同時(shí)在加強(qiáng)科研開發(fā)、技術(shù)創(chuàng)新與質(zhì)量管理上下功夫,使我國(guó)數(shù)控切割行業(yè)迅速達(dá)到世界先進(jìn)水平, 從而振興民族工業(yè), 提高我國(guó)的綜合國(guó)力。參考文獻(xiàn)：【1】宋天虎，[A]第八次全國(guó)焊接會(huì)議論文集[C].1997,(1):1727.【2】吳紅杰, [ J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2001, 27(5): 601603.【3】尹懿, [ J].儀表技術(shù)與傳感器, 2005, 30(11): 622.【4】吳敏生, [ J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 1990, 30(2): 3136.【5】何景山, 楊春利, 林三寶, [J].焊接, 1999, 43(9): 1720.【6】李國(guó)進(jìn), 王國(guó)榮, 鐘繼光, [J].焊接學(xué)報(bào), 2005, 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