电弧传感器发展现状及未来

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一、电弧传感器的原理 (2)
二、电弧传感技术的研究及应用现状 (3)
2.1、基于三种电弧传感器的焊缝跟踪技术 (3)
2.11 并列双丝电弧传感器 (3)
2.12 摆动式扫描电弧传感器 (3)
2.13 旋转式扫描电弧传感器 (3)
2.2 基于其他类型电弧传感器的焊缝跟踪技术 (5)
2.21 电磁高速振动电弧传感焊缝跟踪 (5)
2.22 双丝电弧传感焊缝跟踪控制 (5)
三、面临的问题 (5)
四、结语 (6)
参考文献 (6)
电弧传感技术的研究现状及应用前景
摘要：目前基于电弧传感器的焊缝跟踪技术是目前焊接领域的一个重要研究方向。

综述了摆动式、各种旋转式电弧传感器的结构及其跟踪技术研究与应用现状及面临的发展问题, 并对未来的研究方向进行了展望。

关键词：电弧传感技术；焊缝跟踪；旋转电弧；发展方向
前言：
焊接是现代制造业中的关键技术之一, 因此保证焊接产品质量的稳定, 提高生产率, 减轻劳动强度和改善劳动环境, 已成为现代焊接制造工艺发展亟待解决的问题。

提高焊接生产的自动化程度是解决上述问题的主要途径，随着电子技术、计算机技术、数控、机器人技术及控制理论的发展，为焊接过程自动化提供了十分有利的技术基础，并取得了大量的科技成果，从21世纪先进制造技术的发展要求看，焊接自动化生产已是必然趋势【1】。

焊接传感技术是实现焊缝自动跟踪的前提条件。

焊接传感器根据传感方式的不同可以分为附加式传感器和电弧传感器两大类。

传统的焊缝跟踪传感器多数是附加式的, 例如接触式传感器、电磁传感器和各种光学传感器【2~6】 , 这类传感器共同的问题就是传感器与电弧是分离的, 传感器的检测点离开电弧有一定距离, 在焊接大弧度的焊缝时会严重影响跟踪效果。

然而电弧传感器却直接利用焊接过程中的电弧电流或电压的变化来获得电弧中心是否偏离焊缝中心作为传感信息, 实用性强, 效果好。

它的最大优势在于抗弧光、高温及强磁场的能力很强, 同时与焊接电弧总是统一的整体, 简单紧凑,成本较低。

目前电弧传感器作为一种焊接传感手段倍受各国重视, 国外许多焊接设备研究和制造机构都在努力开发这一领域。

工业发达国家起步较早, 己研制多种电弧扫描形式的电弧传感器, 如双丝并列、摆动和旋转等, 适合于埋弧焊、TIG和MIG/MAG等不同的焊接方法, 有些已成功地应用于焊接生产【6】。

早期的电弧传感器多采用摆动式,后来又开发了双丝并列的电弧传感器【7】和旋转电弧传感器【8】。

一、电弧传感器的原理
以电或机械方法使焊接电弧摆动, 检测焊接电流、电压的变化, 来判断摆动中心是否偏离坡口中心, 并进行修正。

使电弧摆动的方法有机械式、电磁式和射流式。

摆动轨迹可分为直线往复运动、圆弧运动和旋转运动在使用双丝并列焊接时, 也可不作摆动。

图1说明了焊枪导电嘴与工件表面距离变化引起焊接参数变化的过程。

以缓降外特性电源为例，在稳定焊接状态时，电弧工作点为A0，弧长l0，干伸长L1，电流I0，当焊枪与工件表面距离H0发生阶跃变化增大到H1时，弧长突然被拉长为l1，此时L1还来不及变化，电弧随即在新的工作点燃烧，电流突变为I1，但经过一定时间的电弧自调节作用，弧长逐渐变短，干伸长增大，最后电弧稳定在一个新的工作点A2，弧长l2，干伸长L2，电流I2，结果是干伸长和弧长都比原来增加。

在上述变化中，有两个状态过程即调节过程的动态变化(△I D)和新的稳定点建立后的静态变化(△Is)。

动态变化的原因是焊丝熔化速度受到限制，不能跟随焊枪高度的突变；静态变化的原因是由于电弧的自调节特性。

由以上所述，当电弧沿
着焊缝的垂直方向扫描，焊接电流将随着扫描引起的焊枪高度变化而变化，从而
获得焊缝坡口信息，达到传感的目的。

二、电弧传感技术的研究及应用现状
2.1 基于三种电弧传感器的焊缝跟踪技术
焊缝跟踪系统示意图
2.11 并列双丝电弧传感器
利用两个彼此独立的并列电弧对工件进行施焊，当焊枪的中心线未对准坡口中心时，其左右两焊丝具有不同的干伸长度，对于平外特性电源将造成两个焊接电流不相等，因此
根据两个电流差值即可进行左右跟踪，根据两个电流之和即可进行高低跟踪。

这种传感方式是利用电弧静态特性参数的变化作为传感信号。

2.12 摆动式扫描电弧传感器
摆动式扫描电弧传感需要一套摆动装置，机构较复杂，在弧焊机器人上比较容易实现摆动，不需要特殊的装置，通过机器人手臂带动焊枪作横向摆动即可，目前许多国家所生产的弧焊机器人上均配有摆动式电弧传
感跟踪装置，已达到实用化阶段。

摆动式电弧传感器受机
械方面限制，摆动频率一般较低，限制了电弧传感器在
高速和薄板搭接接头焊接中的应用。

2.13 旋转式扫描电弧传感器
旋转电弧传感器的原理是, 在直流电动机的驱动下,
利用导电嘴上的偏心孔使得焊丝和电弧旋转, 来实现电弧
的高速扫描, 一般扫描频率为15一35 Hz。

这种设计能克服
机械式的低扫描频率带来的一系列问题（图2）。

旋转式电弧传感器以其扫描频率高, 机械振动小, 具
有良好的动态品质和能够改善焊缝成形等优点, 逐渐成为
电弧传感器的新宠。

旋转扫描式焊炬最早出现在日本NKK的关于窄间隙焊
文献中用来改善两侧熔合和角焊缝及多道焊的成形, 后来发现高速旋转电弧还可用于焊接跟踪传感, 且灵敏度更高, 就
积极致力于高速旋转电弧在传感跟踪上的发展, 研究成功了高速旋转电弧传感器。

其原理是: 在电动机驱动下, 导电嘴绕自身转动, 利用导电嘴上的偏心孔使得焊丝端头和电弧旋转, 来实现电弧的高速旋转扫描。

1990年, 清华大学给出了圆锥摆动方案。

导电杆作圆锥摆动, 而不绕自身转动, 这样避免了焊丝与导电嘴之间的摩擦。

1993年有了进一步发展,采用了空心马达结构设计, 使得结构更加简单, 减小了振动和噪声, 体积也大大减小, 其设计的旋转扫描焊炬的外径只有80 mm, 可以像正常焊炬一样使用, 并申请了中国专利。

南昌大学又在其基础上作了进一步的改进, 使旋转扫描焊炬的结构更为紧凑, 其外径减为45mm , 体积减小10%, 重量减轻20%, 使减振性能更好。

并已应用在弧焊机器人上, 向实用化迈进了一大步。

通过旋转电弧传感器采集到电弧电压或电流等信号后, 通过计算机测控系统来实现高精度的焊缝跟踪, 关键在于焊缝偏差的识别。

目前焊缝偏差的识别包括高度偏差和横向偏差2个方向。

高度偏差的识别主要采用焊枪旋转一周后将采集的焊接电流或电弧电压平均值与给定值作比较, 得到偏差信息。

而横向偏差的识别方法比较多, 目前主要有直接测位法、极值差值法、左右区域积分差值法、频谱法4种。

其中极值差值法和左右区域积分差值法应用较多。

文献【7】介绍了直接测位法, 直接对检测的电流波形找到极小值点来得到横向偏差信息。

该方法直观明显, 但需进行大量数据的分析比较。

然而在数字系统中, 信号的随机干扰使得极值点位置的这种求法不可靠, 事实上采样所得数据尽管经过了滤波, 但可能存在各种“毛刺”, 即会有许多极值点。

所以直接对焊接电流波形峰值点的粗略分析, 虽得到焊枪相对焊接接头的横向偏差, 但不可靠, 精度较低。

在文献【7】中还介绍了极值差值法, 它利用了焊枪位于最左和最右位置的高度差来判定横向偏差值。

由于只选2点的采样值, 易受干扰, 可靠性较差, 灵敏度较低。

通过左右两边的电流积分差值反映V形坡口或角焊缝对中情况即左右区域积分差值法【8】。

以焊枪旋转至左侧部分的电流积分( 求和) , 与右侧部分采样值积分之差来表征焊枪横向偏差。

频谱法是通过特征谐波来检测焊缝偏差。

它通过快速傅氏变换(FFT) 将时域信号变换到频域来分析, 寻找各种坡口条件下反映焊缝与焊枪之间偏差的特征谐波分量, 特征谐波幅值反映了焊缝偏差的大小, 特征谐波的相位反映了偏差的方向, 由于傅氏变换的性质, 基于输入函数( 高度信号) 研究得到的特征量经系统传输后, 依然保持空间的正交性, 在对响应电流信号处理时, 保持着特征分量的可操作性, 而不依赖于系统的传输特性【9】。

前3种方法抗干扰能力差, 对应用场合的要求较高, 受到限制。

谐波法利用了快速傅氏变换, 实现从时域到频域的变换, 但最后得到的函数关系十分复杂, 给应用带来不便。

随着智能控制技术的发展, 人们将神经网络、模糊控制等智能方法引入到焊缝偏差的识别中。

文献【10】中, 日本Kenji Ohshima等人提出了一种神经电弧传感器, 将焊接电流与电弧电压通过神经网络进行信息融合, 神经网络的训练数据通过数值模拟获得, 能识别焊枪高度、姿态及与焊缝中心的偏差, 实时性好。

但由于神经网络本身理论上是基于无穷样本建立起来的, 而实际训练数据总是有限的, 因此这种传感器精度也是有限的。

文献【11】中, 韩国的Jeong Sang和KwunLee Gunyou等人构造了一种新的焊缝跟踪算法, 把电弧传感器旋转的每一周分成前、后、左、右4个区间, 求出该4个区间的电流均值, 采用指数平滑法滤除电流中的噪声, 利用每旋转一周的
4个电流均值之差来识别焊缝偏差, 从而实现焊缝跟踪。

文献【12】中, 南昌大学的张华等人建立了一个基于高速旋转电弧传感器的实时焊缝模糊跟踪系统。

通过大量试验数据建立了一套模糊控制规则, 经试验验证能满足弧焊机器人的要求。

综观上述各种焊缝偏差的识别方法可知, 它们大都是针对焊缝二维偏差的, 未能很好地实现焊缝三维跟踪。

为了在各种具体条件下更好地发挥电弧传感跟踪控制的作用, 人们发展了一些不同形式的电弧传感焊缝跟踪控制方法, 它们的传感与控制基本原理相同,都是设法在电弧与焊缝接触时, 使电弧参数发生某些变化来直接提供电弧中心是否偏离焊缝的信息, 仅诱发电弧参数变化的方式不同。

2.2 基于其他类型电弧传感器的焊缝跟踪技术
2.21 电磁高速振动电弧传感焊缝跟踪
靠一种特制的焊枪来实现高速振动【13】, 可振动的导电杆两侧镶有磁铁, 在焊枪外壳上装有激磁线圈及磁极, 当激磁线圈接通一定频率的交变电流时, 则导电杆会产生一定频率的振动, 从而使焊丝也产生高速振动。

利用振动时的焊接电流、电弧电压波形变化来获得电弧中心是否偏离焊缝的信息。

它的特点是: 实现电弧高速摆动是在焊枪外壳不动的情况下进行的,焊枪结构相对来说比较简单, 更适合安装在焊接机器人上应用。

2.22 双丝电弧传感焊缝跟踪控制
它是靠2个相隔一定距离的焊丝产生2个电弧排列在V形坡口焊缝的两侧, 2个电弧参数的差值提供2个电弧的中线是否偏离焊缝的信息, 从而实现焊缝跟踪的控制。

根据2个电弧参数和参考值比较的差值可实现对导电嘴与工件表面距离的控制。

但它要求2个焊丝之间要有良好的电绝缘, 并且间距应不小于8 mm,以避免2个电弧产生相互的磁场干扰。

它虽然完全排
除了摆动电弧传感或旋转电弧传感所必需的机械运动机构的麻烦。

但由于采用双丝, 带来了送丝系统及焊枪结构较复杂的缺点。

三、面临的问题
虽然对电弧传感器已经有了大量的研究, 但是电弧传感器的应用特别是在国内的应用还不能达到使人满意的程度, 目前仅限于某些特殊场合的焊缝跟踪。

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, 而且有些场合不宜采用摆动。

对I 形坡口或无间隙对接焊则不能获得满意的效果。

在现有的工业应用中, 成功的例子还都是在V 形坡口和角焊缝上完成的。

这些都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, 这对获得完整的坡口形状信号带来了很大的困难。

如何去除这些干扰从而获得良好的信号, 虽然有过很多的研究, 但是还没有一个较好的解决方案。

其三, 控制方法的选择, 传统的PID控制已经无法满足复杂、非线性的焊接过程, 而采用自组织模糊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, 对简单处理器无法实现实时控制。

而采用PC机, 则增加了成本, 无法满足企业对经济效益的要求。

电弧传感器技术的特点非常有利于焊接智能控制的实现, 而智能控制对确
保焊接质量有着十分重要的意义。

解决上述三方面的问题, 将是今后焊接自动
化、智能化的研究热点。

四、结语
21 世纪我国的数控切割行业面临各种新的挑战, 国际市场竞争更加激烈。

我们应瞄准世界先进水平, 不断开发研制新产品, 带动国内同行业技术水平的
普遍提高, 只.有这样才能淘汰低档、劣质产品, 净化市场, 带动行业厂家转变
经营理念; 同时在加强科研开发、技术创新与质量管理上下功夫,使我国数控切
割行业迅速达到世界先进水平, 从而振兴民族工业, 提高我国的综合国力。

参考文献：
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