焊接電弧傳感器的研究現(xiàn)狀和對(duì)未來(lái)的展望-中文翻譯

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焊接電弧傳感器的研究現(xiàn)狀和對(duì)未來(lái)的展望焊縫跟蹤是保證焊接質(zhì)量和焊接自動(dòng)化的前提，而傳感器是實(shí)現(xiàn)這一前提的基礎(chǔ)。焊接傳感器根據(jù)傳感方式的不同可以分為附加式傳感器和電弧傳感器兩大類(lèi)。傳統(tǒng)的焊縫跟蹤傳感器多數(shù)是附加式的，例如，接觸式傳感器、電磁傳感器和各種光學(xué)傳感器，這類(lèi)傳感器共同的問(wèn)題就是傳感器與電弧是分離的，傳感器的檢測(cè)點(diǎn)離開(kāi)電弧有一定的距離，在焊接大弧度的焊縫時(shí)會(huì)影響跟蹤效果。而電弧傳感器利用焊接過(guò)程中的電弧電流波形或電弧電壓波形的變化來(lái)獲得電弧中心是否偏離焊縫作為傳感信息，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，跟蹤效果好。電弧傳感器的最大優(yōu)勢(shì)在于它的抗弧光、高溫及強(qiáng)磁場(chǎng)能力很強(qiáng), 同時(shí)它與焊接電弧總是統(tǒng)一的整體,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，成本也較低，目前, 電弧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(kāi)發(fā)這一領(lǐng)域。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的研究起步較早, 已研制出多種電弧掃描形式(如雙絲并列、擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)) 的電弧傳感器, 適合于埋弧焊、TIG 和 MIG／MAG 等不同焊接方法, 有些已用于焊接生產(chǎn)。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。1 電弧傳感器的分類(lèi)1.1 擺動(dòng)掃描式電弧傳感器擺動(dòng)掃描式電弧傳感器是目前應(yīng)用最廣的一種焊接電弧傳感器，這種電弧傳感器需要一套擺動(dòng)裝置，在焊縫的橫向方向來(lái)回?cái)[動(dòng)而實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤。用在弧焊機(jī)器人上的擺動(dòng)電弧傳感器不需要擺動(dòng)裝置，通過(guò)機(jī)器人手臂帶動(dòng)焊槍作橫向擺動(dòng)即可。但受機(jī)器人結(jié)構(gòu)因素的影響，機(jī)器人的擺動(dòng)頻率一般在 10Hz 以下，如圖 1a 所示。在高速焊接和焊縫弧度大的情況下，其跟蹤效果會(huì)受到影響。M KODAMA 發(fā)明了一種電磁高速擺動(dòng)電弧傳感器，這種電弧傳感器的兩側(cè)分別有永磁鐵和激勵(lì)線圈，當(dāng)激勵(lì)線圈通過(guò)一定頻率的直流電流時(shí)，導(dǎo)電桿便會(huì)產(chǎn)生一定頻率的擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)焊縫的跟蹤。這種高速擺動(dòng)的電弧傳感器的擺動(dòng)頻率一般可在 0～40Hz 之間可調(diào)，擺幅 0～4mm 可調(diào)，最大焊接速度 400mm/秒。其特點(diǎn)是體積小，重量在 1Kg 以下，其結(jié)構(gòu)如圖 1b 所示。1.2 雙絲并列電弧傳感器這種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，其左右兩焊絲的焊接電流（電壓）差值提供兩個(gè)電弧之間的中心線是否偏離焊縫的信息，據(jù)此可實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤。根據(jù)兩個(gè)電弧參數(shù)和參考值比較的差值也可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電嘴與工件表面間距離的調(diào)整。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)，同時(shí)要用兩個(gè)參數(shù)相同的獨(dú)立回路電源并列進(jìn)行坡口焊接，焊槍結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)上有一定的困難，所以實(shí)用上受到限制。1.3 高速旋轉(zhuǎn)掃描電弧傳感器這種電弧傳感器以旋轉(zhuǎn)電弧的方式代替了擺動(dòng)電弧，其旋轉(zhuǎn)頻率高達(dá)100Hz。二十世紀(jì)八十年代，日本 NKK 公司發(fā)明了一種旋轉(zhuǎn)式電弧傳感器，并應(yīng)用到窄間隙焊縫中，其原理如圖 2 所示：導(dǎo)電桿作為圓錐的母線，繞圓錐軸線旋轉(zhuǎn)（公轉(zhuǎn)） ，而并不繞導(dǎo)電桿自身軸線旋轉(zhuǎn)（自轉(zhuǎn)） ，并且在錐頂處運(yùn)動(dòng)的幅度很小，這種結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)掃描直徑的方法是調(diào)節(jié)園錐頂角，傳感器需用一級(jí)齒輪減速傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)較大，影響了焊炬的可達(dá)性。這種技術(shù)在 NKK 公司的船舶、鍋爐及結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中得以應(yīng)用，且取得了顯著的成效。韓國(guó)的 C-H Kim 制作了一種高速旋轉(zhuǎn)電弧傳感器，如圖 3 所示，這種傳感器依靠導(dǎo)電嘴的偏心來(lái)實(shí)現(xiàn)電弧的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)電嘴的偏心度就是電弧的旋轉(zhuǎn)半徑。雖然它的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、緊湊，但其在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，焊絲在導(dǎo)電嘴中必須以同樣的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，這就加劇了導(dǎo)電嘴的損耗。德國(guó)的 U.Dilthey 也在高速旋轉(zhuǎn)電弧傳感器方面做了大量的研究工作，制作了電弧傳感器并進(jìn)行了焊縫跟蹤。在我國(guó)，從八十年代末期開(kāi)始，以清華大學(xué)潘際鑾院士為首的課題組，在旋轉(zhuǎn)電弧傳感器方面做了大量的研究工作，并取得了有價(jià)值的科研成果。1993年，清華大學(xué)博士生廖寶劍在博士生費(fèi)躍農(nóng)的研究成果的基礎(chǔ)上，研制成功了一種空心軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)掃描傳感器，并獲得了國(guó)家專(zhuān)利，如圖 4 所示。這種高速旋轉(zhuǎn)掃描電弧傳感器采用了空心軸設(shè)計(jì)，以空心馬達(dá)作為原動(dòng)機(jī)，導(dǎo)電桿斜穿過(guò)馬達(dá)空心軸。在空心軸上端，通過(guò)同軸安裝的調(diào)心軸承支撐導(dǎo)電桿，該位置處導(dǎo)電桿偏心量為零，調(diào)心軸承可安裝在電機(jī)軸上或機(jī)殼上。在空心軸的下端，外偏心套安裝在軸上，內(nèi)偏心套安裝于外偏心套內(nèi)孔中，調(diào)心軸承安裝于內(nèi)偏心套內(nèi)孔中，導(dǎo)電桿安裝于軸承內(nèi)孔中。該處導(dǎo)電桿偏心量由內(nèi)外偏心套各自偏心量及內(nèi)偏心套相對(duì)外偏心套轉(zhuǎn)過(guò)的角度而決定。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，下調(diào)心軸承將撥動(dòng)導(dǎo)電桿作為圓錐母線繞電機(jī)軸線作公轉(zhuǎn)，或稱(chēng)為圓錐擺動(dòng)。近幾年，南昌大學(xué)江西省機(jī)器人與焊接自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在此基礎(chǔ)上對(duì)這種高速旋轉(zhuǎn)掃描電弧傳感器在小型化和減振等方面進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，并作了進(jìn)一步的改進(jìn)，制作了樣機(jī)，樣機(jī)安裝在弧焊機(jī)器人上成功地進(jìn)行了實(shí)時(shí)焊縫跟蹤，圖 5 為安裝在機(jī)器人上的空心軸旋轉(zhuǎn)電弧傳感器。2 電弧傳感器焊接工藝性能2.1 電弧傳感器的焊縫成形旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的焊接與電弧作擺動(dòng)或作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的焊縫成形有明顯的不同，對(duì)焊接電弧的不同運(yùn)動(dòng)方式下的焊縫成形進(jìn)行了研究，圖 6 為電弧作三種運(yùn)動(dòng)時(shí)的焊縫成形比較圖。在電弧旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方式下，焊縫的寬度較其它兩種運(yùn)動(dòng)方式略有增加，熔深有所減小，焊縫余高也略有減小,這是由于電弧高速旋轉(zhuǎn)，熔滴受到旋轉(zhuǎn)離心力的作用而向周?chē)湎蛉鄢?，?dǎo)致熔池的寬度增加；旋轉(zhuǎn)電弧的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率較大，電弧在某點(diǎn)的停留時(shí)間縮短，相應(yīng)地，電弧力對(duì)熔池底部的作用時(shí)間縮短，熔深減??；由于離心力的作用和電弧作用范圍的擴(kuò)大，焊縫余高減小。在水平角焊縫焊接中，高速旋轉(zhuǎn)電弧的成形明顯有所改善，突起的焊道形狀由于電弧的高速旋轉(zhuǎn)而得到改善。對(duì)高速旋轉(zhuǎn)電弧的水平角焊縫成形進(jìn)行了研究，在水平角焊時(shí)，旋轉(zhuǎn)電弧作用在熔池上的壓力由于作用面的分散而降低，改善了焊道的平滑度。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)焊時(shí)的焊縫在兩邊的熔深都有所增大，且偏向腹板，這是因?yàn)殡娀〉母咚傩D(zhuǎn)使熱源和電弧力均勻地向四周分散，降低了電弧對(duì)熔池根部的沖刷作用，電弧的旋轉(zhuǎn)還會(huì)對(duì)熔池產(chǎn)生攪拌力，減弱了熔池金屬的重力作用，圖 7 為直線焊接和旋轉(zhuǎn)電弧焊接時(shí)角焊縫成形對(duì)照示意圖。在用旋轉(zhuǎn)電弧傳感器進(jìn)行實(shí)際焊接時(shí)，可調(diào)節(jié)焊槍與腹板之間的角度，得到理想的焊縫。2.2 電弧傳感器在高速焊中的研究在實(shí)際焊接生產(chǎn)中，為了提高生產(chǎn)率，常常需要高速焊接，另外，焊接薄板時(shí)，為了避免焊穿，也需要高速焊接。為了研究旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的高速焊接性能，對(duì)三種電弧運(yùn)動(dòng)方式（即電弧作直線運(yùn)動(dòng)、擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)和高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）的焊接進(jìn)行了研究。圖 8 為三種電弧運(yùn)動(dòng)方式焊接的焊縫成形示意圖。焊槍在直線運(yùn)動(dòng)高速焊時(shí)的焊縫成形差，有咬邊現(xiàn)象，并且焊縫還出現(xiàn)了“駝峰”焊道，這是由于焊接電流較大，焊速較快，這時(shí)，電弧對(duì)熔池液體金屬的后排作用很強(qiáng)，弧坑很深，又沒(méi)有足夠的液體金屬來(lái)填滿(mǎn)弧坑兩側(cè)，因此形成咬邊。如圖 8a 所示；焊槍在擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)高速焊時(shí)的焊縫如圖 8b 所示，焊縫呈波浪形，且成形差，咬邊嚴(yán)重；圖 8c 是焊槍在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)高速焊時(shí)的焊縫圖，焊縫成形好，無(wú)咬邊現(xiàn)象，這是因?yàn)殡娀〉母咚傩D(zhuǎn)使電弧力對(duì)熔池的作用分散，弧坑深度減小，電弧的高速旋轉(zhuǎn)降低了電弧對(duì)熔池液體金屬的后排作用，因而焊縫的成形好。采用高速旋轉(zhuǎn)電弧焊接機(jī)器人進(jìn)行了高速跟蹤控制的研究，試樣為板厚3.2mm,長(zhǎng) 500mm 的波浪形搭接接頭，在焊接電流為 300A、旋轉(zhuǎn)頻率為 50Hz 時(shí)的跟蹤速度達(dá)到了 120cm/min。M KODAMA 研制的電磁驅(qū)動(dòng)高速擺動(dòng)電弧傳感器在焊接電流 530A、擺動(dòng)頻率 20Hz 時(shí)的焊接速度能達(dá)到 120cm/min。3 電弧傳感器的數(shù)學(xué)物理模型3.1 電弧傳感器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型靜態(tài)模型指氣氛、焊材、電源參數(shù)、送絲速度以及焊炬與工件距離都不變，電弧穩(wěn)定燃燒的條件下，各物理量之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明，對(duì)于外特性為緩降特性的電源來(lái)說(shuō)，焊槍高度（H）和電流平均值（I）之間的關(guān)系在很大范圍內(nèi)可作為線性系統(tǒng)來(lái)處理。在電弧工作基本固定(固定送絲速度和電源外特性) 時(shí)，電弧傳感器的靜態(tài)模型為：H = - Kst I + C式中: Kst 為焊炬高度與焊接電流的關(guān)系因子；I 為電流采樣值；C 為最大焊炬高度理論值。如果 Kst 、C 已知,則根據(jù) I 即可推算出當(dāng)前焊炬高度的實(shí)際值 H ,然后與給定值進(jìn)行比較，其差值即為焊炬高度的調(diào)節(jié)量。3.2 電弧傳感器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型電弧傳感器動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型定量地描述了輸入與輸出之間的關(guān)系。研究認(rèn)為：對(duì)于具有極好動(dòng)態(tài)響應(yīng)的焊接電源，其動(dòng)態(tài)外特性可視為比例環(huán)節(jié)，其動(dòng)態(tài)模型為一階模型；當(dāng)電源外特性為慣性環(huán)節(jié)時(shí)，電弧傳感器的動(dòng)態(tài)模型為二階模型。通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為在弧焊電源具有較好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)時(shí)，數(shù)學(xué)模型是具有一個(gè)零點(diǎn)和一個(gè)極點(diǎn)的一階系統(tǒng)；而將弧焊電源的動(dòng)態(tài)特性改變?yōu)橐浑A系統(tǒng)時(shí)，數(shù)學(xué)模型是具有一個(gè)零點(diǎn)和兩個(gè)極點(diǎn)的二階系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)細(xì)絲埋弧焊電弧傳感器的研究，得到了電弧傳感器的動(dòng)態(tài)模型，并且為二階模型；電源動(dòng)態(tài)特性轉(zhuǎn)折頻率越大，電弧傳感器幅頻特性轉(zhuǎn)折頻率向高頻段移動(dòng)。因此，電源動(dòng)態(tài)品質(zhì)的優(yōu)劣直接影響著傳感器的性能。3.3 電弧傳感器焊縫成形的數(shù)學(xué)模型建立了高速旋轉(zhuǎn)電弧傳感器焊縫成形的數(shù)學(xué)模型。選用 4 個(gè)主要的焊接規(guī)范參數(shù)，即焊接電壓 U、焊接電流 I、旋轉(zhuǎn)頻率 K 及旋轉(zhuǎn)直徑 D?？紤]到各工藝參數(shù)（U、I、K 和 D）的一次項(xiàng)及交互作用對(duì)焊縫成形有重要影響，采用一次回歸正交設(shè)計(jì)，用二水平正交表 L16（215）進(jìn)行 16 次試驗(yàn)，得到了焊縫的余高、熔深和焊縫寬度與電弧傳感器焊接工藝參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型。該數(shù)學(xué)模型的建立為旋轉(zhuǎn)電弧傳感器焊接工藝參數(shù)的選擇提供了理論基礎(chǔ)。3.4 其它數(shù)學(xué)模型韓國(guó)的 C－H Kim 對(duì)旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的焊絲熔化特點(diǎn)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真。在忽略輻射的情況下，考慮熱源為高斯熱源，把旋轉(zhuǎn)電弧傳感器旋轉(zhuǎn)一圈對(duì)熔池的平均熱輸入作為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的熱輸入，建立了焊槍在恒定焊速下工件的溫度場(chǎng)分布的數(shù)學(xué)模型，并模擬了典型的熔池形狀。4 電弧傳感器技術(shù)的應(yīng)用狀況長(zhǎng)期以來(lái)，許多國(guó)內(nèi)外的焊接工作者對(duì)電弧傳感器進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，并將研究成果應(yīng)用到實(shí)際的生產(chǎn)中。目前，絕大部分的弧焊機(jī)器人都安裝了擺動(dòng)式電弧傳感器，如德國(guó) CLOOS 的 ROMAT 76SW 型機(jī)器人和日本松下的 Pana-Robo 型機(jī)器人就安裝了擺動(dòng)式電弧傳感器。旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的應(yīng)用也越來(lái)越普遍，如清華大學(xué)研制的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器應(yīng)用于東風(fēng)汽車(chē)公司的汽車(chē)貯氣筒環(huán)縫的自動(dòng)焊中，韓國(guó)的 HAN GIL Autowelding 公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器可用于弧焊機(jī)器人和自動(dòng)焊中，如圖 9 所示。日本松下的 YA-11KMR51 型弧焊機(jī)器人也安裝了旋轉(zhuǎn)電弧傳感器，如圖 10 所示。5 結(jié)束語(yǔ)電弧傳感器作為一種實(shí)時(shí)傳感的器件與其它類(lèi)型的傳感器相比，具有結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、成本低、響應(yīng)快等特點(diǎn)，是焊接傳感器的一個(gè)重要的發(fā)展方向，具有強(qiáng)大的生命力和應(yīng)用前景。主要應(yīng)用在兩方面：一方面主要用在弧焊機(jī)器人上，另一方面主要用在帶有十字滑塊的自動(dòng)焊。今后應(yīng)著重對(duì)電弧傳感器三維信息的提取及其焊接工藝性能進(jìn)行研究。在焊接空間焊縫時(shí)，焊槍位姿要隨著焊縫進(jìn)行調(diào)整，才能得到滿(mǎn)意的焊縫。目前的電弧傳感器只能采集上下和左右二維信息，前后信息的提取還有待深入的研究，以便于弧焊機(jī)器人調(diào)整姿態(tài)進(jìn)行全位置焊接。通過(guò)焊接科技工作者的努力，其智能跟蹤能力將會(huì)更強(qiáng)。