焊接跟踪简介

（4）超声传感器 可分为接触式和非接触式。 接触式超声传感器利用超声波在金属内传播时的界面反射现 象，由探头接受反射波脉冲；由入射—反射波脉冲的行程， 测得界面位置。当探头离钢板接缝边缘的位置发生左右变化 时，接受到的反射波脉冲的时间就要发生变化，当焊枪偏离 平衡位置时，其获得的声程与平衡位置时的标准声程之差为 左右跟踪的信号。一般采用横波探头作为焊缝跟踪传感器。 非接触式超声传感器通过气体介质传播超声波，采用纵波形 式。由于超声在气体介质中传播损耗大，所以必须加入匹配 层进行声、电匹配，利用聚焦声透镜技术提高空气超声传感 器的灵敏度。目前，空气超声传感器已应用于二氧化碳气体 保护焊和理弧焊。
（3）光学传感器 光学传感器是目前研究最多也最有前途一类焊缝跟踪传感器，光学传感 器精度高、再现性好，不仅可以用于焊缝跟踪，而且可以用于检测坡口 形状、宽度和截面，为焊接参数的自适应控制提供依据。因此，光学传 感器是焊接跟踪系统中比较理想的传感器。考虑检测原理、对象、光源 种类等因素，光学传感器大致可以分为以下几种： ①单点光电式 ②光切割图像处理式 ③光电扫描式 ④焊缝直观图像处理方式（CCD跟踪传感器）
电磁式传感器适用于对接、搭接和角焊缝，其体积 较大，使用灵活性差，且对磁场干扰和工件装配条 件比较敏感。一般应用于对精度要求不甚严格的场 合。
涡流传感器的频率较高，能克服电磁式传 感器易受强大焊接电流干扰，且体积较大 的缺陷。其结构图如图8.3所示。 二次线圈2、3反向串联，当一次线圈1加 高频电流时产生高频电磁通，在工件表面 产生涡流，涡流产生的磁力线要削弱主磁 通，使二次线圈2、3的感应自动势减小。 由于涡流不能穿过工件边界的缝隙，从工 件两边涡流的强弱即线圈2、3的感应电 动势的大小可以判断电弧的对中状态。 涡流传感器体积小，所有金属材料焊接时 都能采用，焊接非铁磁材料时灵敏度降低。
涡流传感器的频率较高，能克服电磁式传 感器易受强大焊接电流干扰，且体积较大 的缺陷。其结构图如图8.3所示。 二次线圈2、3反向串联，当一次线圈1加 高频电流时产生高频电磁通，在工件表面 产生涡流，涡流产生的磁力线要削弱主磁 通，使二次线圈2、3的感应自动势减小。 由于涡流不能穿过工件边界的缝隙，从工 件两边涡流的强弱即线圈2、3的感应电 动势的大小可以判断电弧的对中状态。 涡流传感器体积小，所有金属材料焊接时 都能采用，焊接非铁磁材料时灵敏度降低。
（2）电磁传感器 电磁感应式传感器是一种非接触式传感器，可 分为普通频率式(简称电磁传感器)和高频式(简 称涡流传感器)两种。电磁传感器的频率低于 10kHz，涡流传感器的频率则为30—160kHz。 电磁传感的原理如图8.2所示，一次线圈中流过 高频励磁电流后在二次线圈上产生感应电动势 U21、U22。偏差的存在将使左右两个二次线 圈的磁路出现不对称。利用U21、U22之差可 以反映偏差的大小和方向，为了抑制错边、点 固点引起的干扰信号，现己研制出漏磁抑制式、 电势抑制式和扫描式电磁传感器。
（1）机械传感器 机械传感器是一种接触式传感器。 它以导杆或导轮在焊缝前方探测焊缝位置，见图。 它可分为机械式和电子式两种，前者是靠焊缝形状 对导杆(轮)的强制力来导向；后者是当焊枪与焊缝 中心发生偏离时，导杆经电子装置发出信号(它能 表示偏离的大小和方向)再控制驱动装置使焊枪及 传感器恢复正确位置，此时传感器输出信号为零， 实现自动跟踪。 机械传感器结构简单，抗电弧的磁、光、烟尘和飞 溅等干扰性能好，工作可靠，价格便宜，维护方便， 已应用于生产实际。但若坡口或缝隙的加工装配不 均匀，机械传感器的导杆或导轮与工件的接触时， a用导轮接触间隙 容易失去跟踪点。为避免此类情况，焊接速度不能 B用导杆以焊道与坡口面交点为 基准 太快，此外导杆或导轮的磨损也影响传感器的精度。 所以在现代焊接技术中，已逐渐被非接触式传感器 C 用导杆以坡口中心为基准 替代。 D 用双导杆以工件表面为基准
三、控制方式的改变
由于电弧焊过程中干扰因素多和被控制量的检测又较困难(检测性不好)。 迄今为止，电弧焊工艺所采用的自动控制方式属于完全的反馈系统的例 子较少，而多数是属于干扰控制或前馈控制。 可以在干扰作用达到控制对象以前，将干扰消除。这种控制方式适合于 弧焊中焊缝变动时使用。对于容易预见的干扰，检测元件也就不必要了。
如前所述，间接变量与直接变量必须在动态、静态特性上一一对应。但 是，间接变量的测量也存在不少困难，其原因是： 1． 由于电弧发出的光、热、声波、飞溅等的干扰，在其他领域可使 用的测量技术在近弧区无法使用。另外，埋弧焊时因为熔渣的存在也妨 碍了有效的测量； 2． 电弧焊多半是工件固定电弧移动，要在有电弧的一面检测，必须 使检测器与焊炬连接在一起同时移动。这样就必须使用能沿焊缝移动的 长探测头，这是相当麻烦的。另外，使用垫板也会使焊缝背面的检测性 能变环。 3． 因为近缝区金属处于不稳定的过渡过程与不平衡状态，所以对它 的检测要测得很准确也是困难的。因此，在考虑电弧焊的自动控制时， 就产生了被控制量检测的困难问题。 综上所述，在电弧焊的自动控制系统中，被控制量的检测较为困难。
这些作用于电弧焊自动控制的干扰具有以下特点： · 1． 干扰中有的对控制对象有很大的影响； 2． 与被控制量的检测相比，容易检测的干扰居多； 3． 多为事先能预想得到的干扰。 对于第一个特点，分析研究一下焊缝中心线的变化情况就清楚了。只 要能对焊缝中心线的改变进行一些补偿和调整，则焊接的结果就比较理想 了。 第二个特点的最恰当的例子是电源的波动。无论是直接检测电源的波 动，或者是检测焊接电流等的波动，都是比较容易的。 第三个特点的例子，是固定管子的环缝焊接。这时焊接位置的变动表 现在管子的外圆，这是能够预想到的。(将这个变动当作干扰来处理是没有 异议的， 因为这和焊接位置二维变动没有本质的区别)。再有在焊接过程 中也能够根据沿管子外圆移动的焊枪的位置，检测出与之相对应的作用于 熔池的力和积蓄的热量的变化。
（5）电弧传感器 电弧传感器是利用焊接电弧现象本身(电弧电压、电弧电流、弧光辐射、电弧 声等)提供有关电弧轴线是否偏离焊接对缝的信息，实时控制焊接电弧始终跟 踪焊缝。为了能从与电弧现象有关的参数变化中，得到电弧轴线与焊接对缝 相对位置的信息，必须创造两个条件：一是使电弧相对焊接对缝产生周期性 的横穿运动，亦即使电弧相对焊接对缝产生一定频率的横向摆动时，与电弧 现象有关的参数可以产生足够大的变化，方可能用来判断电弧轴线与焊接对 缝相对位置的偏差，得到电弧轴线与焊接对缝偏离的信息；二是控制执行机 构调节电弧与焊接对缝的相对位置，使偏离减少，直至消失。 电弧传感器焊缝跟踪在非熔化极气体保护电弧焊中虽然也曾被采用过，但是， 由于必须使电弧产生横向摆动，结构较复杂、成本较高，与其他焊缝位置跟 踪方法相比，没有优势，故没有得到发展(但仍然有用作焊枪高度控制的)。 对于熔化极气体保护电弧焊，虽然也有横向摆动机构的麻烦，但由于这种方 法在技术可靠性及经济性等方面与其他方法相比，有较大的优势，所以在实 际中被广泛应用。
二、干扰因素多
干扰因素有两种，一种是作用于控制元件的，使前面的操作量发生变化， 另一种是焊接工艺和材料自身存在的。 属于前一种的有： 由于电源波动引起的电弧电压，焊接电流，电弧形状，焊接速度，送 丝速度等的变动； 由于供气源贮量不足和送气发生障碍而造成的保护气流量，离子气流 量，焊剂给送量的变动； 由于焊接位置二维的、三维的变动引起焊枪与工件相对位置的变化； 由于垫板状态的改变等。 属于后一种的有 工件厚度、形状，组成的改变； 焊丝成份的改变； 坡口形状的改变； 对熔池作用力的改变； 工件积蓄的热量发生变化等。
焊接（电弧焊）自动控制的特点
在一个自动控制系统，首先必须选择能恰当地表现控制对象本来面目的 物理量作为被控制量。其数目不一定是一个，可以是若干个。 其次要研究检出此被控制量的手段，确定合理的检测元件。从构成自动 控制系统的目的来说，被控制量必须能在动态过程中进行测量。凡是动 态过程中不可能测量的变量，不具备作为被控制量的条件。所以，从测 量、检测方面来说，必须把被控制量的测量性的好坏作为选定被控制量 的条件。当直接测量作为直接变量的被控制量有困难或不可能时，可检 测与被控制量动态、静态特性一一对应的二次量，并把它作为被控制量 的检测值，这种二次量称作间接变量。 再者，要想能动地作用于控制对象，还必须确定控制元件和操作量，并 希望操作量与被控制量应相适应。这时对于操作量与被控制量的因果关 系，必须给予充分的考虑。
一、被控制量选择的特点

研究电弧焊自动控制时，其控制对象必然是电弧本身，这就产生了用什 么样的物理量作为被控制量，才能恰当地反映出电弧焊对象这样一个问 题。当焊接过程正在进行时，如果可以在电弧附近检测（前提是反馈控 制)，就必须考虑近弧区诸量的检测。如果把距离电弧较远地方的检测 量作为被控制量就有一个时间延迟的问题。 将焊接过程中电弧的直接变量或者间接变量中可以测量的、而且是测量 性能良好的量作为被控制量，那将是最理想的。 但是，焊接过程中可能受到各种干扰，使被控制量的检测非常困难。下 面我们将作进一步分析；
③光电扫描式 利用一束激光扫描坡口和工件表面，并用一系列光电接收管 同步地接收反射光，从中检测坡口的位置和形状。由于点光 源比线光源更容易达到较高的亮度，光电扫描比光切割法具 有更高的信噪比，更强的抗弧光干扰能力。
④焊缝直观图像处理方式（CCD跟踪传感器） 用工业电视把电弧、熔池、导电嘴，焊丝伸出和焊接坡口一起摄成图像，并 根据电弧附近的图像求得坡口宽度，然后判断焊丝是否对准中心位置及焊丝 伸出长度是否合适。
2、焊接自动控制
焊接自动控制是生产过程中自动控制技术的一个分支，因此，它的理论基础 也就是自动控制理论。 大多数焊接质量自动控制系统的理论基础只限于经典控制理论部分。 从自动控制的观点来看，焊接特别是电弧焊和其他加工过程的控制有着不同 的特征。所以，焊接自动控制也有和其他加工工艺过程自动化控制不同的特 点。
传感器
3.1.1 焊缝位置自动跟踪传感器
1）传感器的分类 按传感器与电弧的关系，焊缝位置自动跟踪传感器可分为直接式和间接 式两类。直接利用电弧本身特征作为信号的传感器称直接式焊缝位置自 动跟踪传感器；不利用电弧本身信号，而利用电弧以外的特征信号的传 感器称间接式焊缝位置自动跟踪传感器。间接式焊缝位置自动跟踪传感 器按信号的转换原理又可分为机械传感器、电磁感应式传感器、电容式 传感器、气动式传感器、光学(包括激光，红外线)式传感器、超声式传 感器、电弧(摆动)式传感器等类型。
可以在焊接过程中，能考虑出一些恰当的能控制、调整被控制量的操作 量，将使问题得以解决，电弧焊时可供作操作量的有： 电弧电压、焊接电流、电弧形状， 焊接速度、送丝速度， 保护气体流量、焊剂供给量； 焊炬的位置和倾角(姿态)； 焊件的位置及倾斜度； 带不带垫板操作等等。 要组成自动控制系统，当然要在所选定的被控制量中，选出有决定意 义的一个或多个物理量来定出操作量。对操作量与被控制量间的静态和 动态关系，事先就要有充分的了解。为了弄清楚它们的静态关系，最好 进行实验，但动态关系则往往不大容易弄得十分清楚，故电弧焊的自动 控制中操作量的选择也较复杂。
①单点光电式 利用简单的光电元件G检测坡口棱边或人工白色标志带。图8—4是以 激光为光源的棱边跟踪传感器示意图。此外还有以红外线、可见光、 弧光为光源的传感系统。
②光切割图像处理式 用线光源从坡口斜上方照射，得到与坡口形状相应的弯曲光线图形， 如图8。5所示。将此图形摄入摄像机进行图像文理，可以求出坡口 中心位置，还可以求出坡口宽度等数据。
百度文库
焊接自动控制的特点 一、被控制量选择的特点 二、干扰因素多 三、控制方式的改变
3、新型焊接自动控制技术
3.1焊缝位置自动跟踪控制
焊接电弧对准接缝位置是保证焊接接头成形和质量的前提。焊缝位置自 动跟踪控制的目的就是通过传感器检测电弧偏离焊缝的信息，通过自动 控制系统和伺服装置调节电弧与焊缝的相对位置，使偏离减小，直至消 失。所使用的传感器就称为焊缝位置自动跟踪传感器。
在电弧焊过程中，可以考虑作为直接变量的被控制量有： 焊缝的熔深； 焊缝的熔宽； 焊缝的截面面积和形状； 有加强高的焊缝外观； 焊缝缺陷的状态等。 然而在上述变量当中，事前能够直接测得的几乎不可能。可以考虑 作为间接变量的被控制量有： 熔池附近的温度和温度梯度： 熔池及其周围的凝固部分和工件的形状： 熔池金属的流动状态； 电弧(或等离子弧)的形状、大小、辉度等。因此，只能测量其间接 变量。