電弧傳感器的研究應用現狀與面臨的問(wèn)題
- 2016-03-22 16:08:00
- 作者：徐健寧 陳煥明 熊震宇 原創(chuàng )
- 9383
(1)檢測點(diǎn)就是焊接點(diǎn)，不存在傳感器先行的問(wèn)題，是完全實(shí)時(shí)的傳感器。
(2)焊接機頭周?chē)恍枰b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，保證焊接參數的穩定，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(cháng)。
正是有這些優(yōu)點(diǎn)使電弧傳感器已經(jīng)成為近些年來(lái)弧焊自動(dòng)跟蹤發(fā)展的熱點(diǎn)，但我國電弧傳感器的實(shí)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(dòng)，檢測焊接電流、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)的方法有機械式、電磁式和射流式。擺動(dòng)軌跡可分為直線(xiàn)往復運動(dòng)、圓弧運動(dòng)和旋轉運動(dòng)。在使用雙絲并列焊接時(shí)，也可不作擺動(dòng)。
由以上所述，當電弧沿著(zhù)焊縫的垂直方向掃描，焊接電流將隨著(zhù)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狀
1.電弧傳感器的類(lèi)型
目前電弧傳感器在實(shí)用中主要有以下幾種類(lèi)型：
(1)非掃描雙絲并列型 該類(lèi)型是利用電弧的靜態(tài)特性，當焊炬不對中時(shí)，兩電弧的高度不同將反映在電流(電壓)差上，從而實(shí)現焊縫跟蹤。但因為要同時(shí)用兩個(gè)參數相同的獨立回路電源并列進(jìn)行坡口焊接，實(shí)現上有困難，所以實(shí)用受到限制。
(2)擺動(dòng)式電弧傳感器 一般擺動(dòng)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(shí)熔池中的液態(tài)金屬的流動(dòng)和填充也為焊縫坡口識別帶來(lái)了障礙。
(3)旋轉掃描式電弧傳感器 旋轉電弧傳感器的原理是，在直流電動(dòng)機的驅動(dòng)下，利用導電嘴上的偏心孔使得焊絲和電弧旋轉，來(lái)實(shí)現電弧的高速掃描，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(lái)的一系列問(wèn)題(見(jiàn)圖2)。
圖2 旋轉式電弧傳感器結構
1.電極 2.電動(dòng)機 3.光碼盤(pán) 4.偏心機構 5.調心軸承6.焊絲
旋轉掃描式焊炬最早出現在日本NKK的關(guān)于窄間隙焊文獻中用來(lái)改善兩側熔合和角焊縫及多道焊的成形，后來(lái)發(fā)現高速旋轉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電弧在傳感跟蹤上的發(fā)展，研究成功了高速旋轉電弧傳感器。
其原理是：在電動(dòng)機驅動(dòng)下，導電嘴繞自身轉動(dòng)，利用導電嘴上的偏心孔使得焊絲端頭和電弧旋轉，來(lái)實(shí)現電弧的高速旋轉掃描。
1990年，清華大學(xué)給出了圓錐擺動(dòng)方案。導電桿作圓錐擺動(dòng)，而不繞自身轉動(dòng)，這樣避免了焊絲與導電嘴之間的摩擦。1993年有了進(jìn)一步發(fā)展，采用了空心馬達結構設計，使得結構更加簡(jiǎn)單，減小了振動(dòng)和噪聲，體積也大大減小，其設計的旋轉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(zhuān)利。南昌大學(xué)又在其基礎上作了進(jìn)一步的改進(jìn)，使 旋轉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，向實(shí)用化邁進(jìn)了一大步。
2.電弧信號的處理及其控制技術(shù)
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(shí)際進(jìn)行焊縫糾偏最關(guān)鍵的環(huán)節。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(wèn)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(shù)，深入研究了傳感系統的信息輸入和輸出，首次提出交換信息空間，采用特征諧波法識別坡口的辦法，又提出數字濾波技術(shù)，使電弧傳感器的信息處理有了突破性的進(jìn)展。1993年韓國的J.W.Kim，S.J.Na通過(guò)使用二次曲線(xiàn)擬合法，即焊接電流信號能被擬合成曲線(xiàn)，此曲線(xiàn)中焊接電流信號值與焊炬到工件的距離成反比。在擺動(dòng)方向改變處，曲線(xiàn)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(xué)院也使用模糊控制實(shí)現了焊縫的自動(dòng)跟蹤。
3.電弧傳感器的應用
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，焊縫識別能力增強，同時(shí)隨著(zhù)計算機技術(shù)及模糊數學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，旋轉電弧傳感器已經(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。第一種是在普通的自動(dòng)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(guò)控制十字滑塊的電動(dòng)機來(lái)進(jìn)行糾偏。第二種是一種全自由度的自動(dòng)焊機，它無(wú) 需像第一種有固定的軌道，是一種可自由爬行的自動(dòng)跟蹤焊機。南昌大學(xué)將高速旋轉電弧傳感器安裝在焊接機器人上實(shí)現了焊縫的自動(dòng)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(shù)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(dòng)式電弧傳感器；而在日本，裝配了高速旋轉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(xué)院使用單片機實(shí)現了旋轉掃描式焊炬的焊縫跟蹤。這些都說(shuō)明，電弧傳感器是有著(zhù)廣泛的應用前景的。
三、面臨的問(wèn)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的應用還不能達到使人滿(mǎn)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I形坡口或無(wú)間隙對接焊則不能獲得滿(mǎn)意的效果。在現有的工業(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(diǎn)之一，因為弧焊過(guò)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(dòng)或流動(dòng)的干擾等，這對獲得完整的坡口形狀信號帶來(lái)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(guò)很多的研究，但是還沒(méi)有一個(gè)較好的解決方案。其三，控制方法的選擇，傳統的PID控制已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足復雜、非線(xiàn)性的焊接過(guò)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)現起來(lái)又會(huì )遇到運算量大等問(wèn)題，對簡(jiǎn)單處理器無(wú)法實(shí)現實(shí)時(shí)控制。而采用PC機，則增加了成本，無(wú)法滿(mǎn)足企業(yè)對經(jīng)濟效益的要求。
電弧傳感器的特點(diǎn)非常有利于焊接智能控制的實(shí)現，而智能控制對確保焊接質(zhì)量有著(zhù)十分重要的意義。解決上述三方面的問(wèn)題，將是今后焊接自動(dòng)化、智能化的研究熱點(diǎn)。
四、結語(yǔ)
電弧傳感器與光學(xué)傳感器并稱(chēng)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有的傳感器，它不是獨立于焊接電弧焊接電源系統之外的東西，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，但其應用前景還是很廣泛的。
隨著(zhù)智能控制技術(shù)的發(fā)展和焊縫識別與實(shí)時(shí)控制等一系列問(wèn)題的解決，電弧傳感器在焊接自動(dòng)化中將體現更為重要的應用價(jià)值。
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