电弧跟踪介绍

电弧跟踪原理介绍
1、两种跟踪方式的优缺点比较
视觉传感器（激光传感器）和电弧传感器是目前国内外研究最多的二类传感器。

视觉传感器是利用工业C C D摄像机，经图像处理获得焊件和焊缝的相对位置及坡口、熔池的有关信息。

优点是能获得的焊缝信息量大，控制精度高、再现性好。

但是它的检测点一般超前电弧，所扫描的点不是实际焊点，对转折及弯曲焊缝无能为力；无法抵抗磁偏吹、焊丝弯曲干扰、点固焊点的影响。

整个系统包括性能较高的计算机在内的图像处理系统以及激光设备，整个系统复杂，成本很高，进而影响推广及产业化。

电弧传感器是利用焊接电弧自身特点的传感器，不需要在焊枪上附加任何装置，电弧传感器的信号检测点就是焊接电弧点；实时性好，焊枪运动的灵活性和可达性最好，尤其符合焊接过程低成本自动化要求，电弧扫描不仅可以跟踪传感，保证焊接参数的稳定，又可以达到改善成形的效果，特别是可明显改善斜角焊缝及厚板开坡口多道焊的表面成形及两侧熔合。

不存在传感器位置前导误差，且信号处理比较简单，实时性好。

另外不受飞溅、烟尘、弧光等的干扰，成本较低，因此电弧传感器在焊缝跟踪中获得了广泛的应用，目前是弧焊机器人中用的最多的传感器，已经成为大部分弧焊机器人的标准配置。

电弧传感器的缺点是对薄板件的对接和搭接接头很难跟踪。

(国内的电弧跟踪是上世纪八十年代潘际銮院士提出来的）
2、电弧传感器工作原理
电弧传感器是通过检测焊接电流或者电压的变化而跟踪焊缝的。

其基本原理（如图1）：利用焊枪与工件之间距离变化引起的焊接参数变化（指焊接电流或焊接电压，因为在焊接过程中电弧弧长的变化与焊接电流和焊接电压的变化是成比例关系的）来探测焊枪高度和左右偏差，在等速送丝调节系统中，送丝速度恒定，M I G/M A G焊接电源一般具有恒压外特性，在这种情况下，焊接电流将随着电弧长度的变化而变化。

在对V形坡口对接接头进行摆动焊接时，在摆动两端和中央，由于电弧长度发生变化，所以焊接电流强度也发生变化。

电弧传感器检测到焊接电流的变化情况，把偏差信息提供给控制系统对机器人末端轨迹进行补偿。

图1电弧传感器原理图
焊枪的一个横摆周期可以分为四段来进行研究，在无偏差的情况下，位置（2）左右两边的电流平均值大小相等，但是在有偏差的情况下，位置（2）左右两边的电流平均值大小不等，通过偏差提取算法把左右偏差提取出来，然后再通过纠偏算法把偏差补偿到机器人末端轨迹，实现焊缝实时跟踪。

3、摆动电弧焊缝跟踪技术的应用状况
目前国外摆动电弧焊缝跟踪技术的应用较为成熟和广泛，如德国的K U K A、R E I S等弧焊机器人都配备了摆动电弧焊缝跟踪模块，能够实现精确的焊缝跟踪。

实验证明R E I S弧焊机器人的摆动电弧焊缝跟踪功能在指定的实验条件下，在焊接长度为350m m，焊接起点位置不变，终点沿水平面向外偏移60m m的情况下能够跟踪上焊缝，并且焊接效果和无偏移时相比没有明显区别，完全能够满足工程需要。

图2所示为无偏移情况下摆动焊接效果，图3所示为焊接终点沿水平面向外偏移60m m情况下的摆动跟踪焊接效果。

但是K U K A、R E I S 等弧焊机器人在使用摆动电弧焊缝跟踪功能前都需要通过实验或者经验值设置合适的控制器参数，如果参数设置不当，跟踪效果通常很差，不能满足工程需要。

图2无偏移情况
图3偏60m m情况下的跟踪效果
国内摆动电弧焊缝跟踪技术目前正处于研究阶段，电弧传感器的应用还不能达到使人满意的程度。

其中主要有三方面的原因:
其一，由电弧传感器的原理可知，它要求焊枪摆动，为此要有一套控制摆动的装置，对于机器人焊接系统，它的横摆装置就是机器人末端，国产机器人目前正处于研发阶段，还没有能够商品化的机器人产品，而进口机器人由于知识产权保护等原因不可能开放底层接口，供研发人员进行摆动电弧焊缝跟踪开发。

这些限制了电弧传感器的应用范围。

其二，对电弧传感器信号的处理也是难点之一，因为弧焊过程有许多对信号采集与处理不利的因素，像短路电流的干扰，熔池液态金属波动或流动的干扰等。

这些不利因素导致了焊接电流是由长时低频成分和短时高频成分组成的非平稳信号。

其三，控制方法的选择，传统的P I D控制已经无法满足复杂、非线性的焊接过程，而采用自适应智能控制是一个比较好的解决方法，但实现起来又会遇到运算量大等问题，不容易实现实时控制。