（机械电子工程专业论文）基于摆动电弧传感器的焊缝跟踪技术研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t g 4 0 9 学科分类号 4 6 0 2 0 1 0 论文编号 10 0 1 0 2 0 1 2 1 43 2 密级不保密 学位授予单位代码 1 0 0 10 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名吴金锋学号 2 0 9 0 0 1 43 2 获学位专业名称机械电子工程 获学位专业代码 0 8 0 2 0 2 国家高新技术研究发 课题来源研究方向 焊接自动化 展计划( 8 6 3 ) 论文题目 基于摆动电弧传感器的焊缝跟踪技术研究 关键词摆动电弧传感器，数学建模，仿真，滤波，焊缝跟踪 论文答辩日期 2 0 1 2 5 2 8+ 论文类型 开发研究 学位论文评阕及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师焦向东 教授北京石油化工学院焊接 评阅人l蔡吉飞教授 北京印刷学院机械设计 评阅人2王殿君副教授 北京石油化工学院焊接 评阅人3 评阅人4 评阅人5 徽员粼王奎升教授 北京化工大学机电一体化 答辩委员l刘录教授 北京石油化工学院流体机械及密封 答辩委员2陈家庆教授 北京石油化工学院污水处理 答辩委员3 俞建荣教授北京石油化工学院 焊接 答辩委员4曹建树副教授 北京石油化工学院机械设计 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究 2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t13 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 基于摆动电弧传感器的焊缝跟踪技术研究 摘要 焊接是现代工业中的一种重要的加工手段，随着现代工业的不断发 展，对焊接质量及焊接效率提出了越来越高的要求，而焊接过程自动化 则是提高焊接质量及焊接生产效率的关键，焊缝自动跟踪是焊接自动化 的一个重要环节。 基于摆动电弧传感器的焊缝跟踪系统利用焊接电流信号来进行焊 缝跟踪。它通过电弧的摆动来扫描焊接坡口，从而引起焊接电流伴随着 弧长有规律的变化而变化，然后通过分析焊接电流的变化规律来获得焊 缝偏差的信息。摆动电弧传感器结构简单，空间可达性好，是焊接界研 究焊缝跟踪的热点。 本文首先分别建立了摆动电弧传感器在射流过渡及短路过渡下的 数学模型，然后在数学模型的基础上，应用m a t l a b 的s i m u l i n k 工具 箱建立起了该系统的仿真模型。并对摆动频率、摆动宽度、水平方向偏 差等对焊接电流波形的影响进行了仿真研究。通过对摆动电弧传感器的 数学模型和仿真模型的研究，为后续从电流波形中提取偏差信息提供了 理论指导。 因为在焊接过程中短路过渡、飞溅、烟尘、弧光等都会影响采集到 的焊接电流信号，使得信号中带有许多噪声。因此结合该系统中对焊接 电流滤波的要求，选择了贝塞尔滤波器进行了滤波，经过滤波后的电流 信号波形清晰，为后续提取偏差信息创造了条件。 根据对摆动电弧传感器在短路过渡下的仿真研究，结合获得的经过 处理后的焊接电流波形，提出了左右极限区域积分法来实现焊缝偏差信 息的提取。该方法可以在一定程度上抑制随机噪声，而且需要处理的数 据较少，加快了程序的循环速度，提高了焊接的跟踪精度。 最后建立了一套基于摆动电弧传感器的焊缝跟踪系统硬件平台，并 利用该平台进行了焊缝跟踪试验，取得了比较令人满意的跟踪效果。试 验结果表明，本文开发的实时焊缝跟踪系统是可行的。 关键词：摆动电弧传感器，数学建模，仿真，滤波，焊缝跟踪 北京化工大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho fw e l d t r a c k i n gt e c h n o l o g y b a s e do n s w i n g i n ga r cs e n s o r a b s t r a c t w e l d i n gi sa ni m p o r t a n tp r o c e s s i n gm e t h o di nt h em o d e mi n d u s t r y a s t h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r y ，t h es t a n d a r df o rw e l d i n g q u a l i t ya n de f ! i c i e n c yi ss t r i c t e ra n ds t r i c t e r w e l da u t o m a t i ct r a c k i n gi sa n e s s e n t i a lp a r to ft h ea u t o m a t i cw e l d i n gp r o c e s s i n g ，w h i c hp l a y sa ne s s e n t i a l r o l ei ni m p r o v i n gt h ew e l d i n gq u a l i t ya n de f f i c i e n c y t h ew e l dt r a c k i n gs y s t e mb a s e do ns w i n ga r cs e n s o rw h i c hc a nb e a c h i e v e db yu s i n gw e l d i n gc u r r e n ts i g n a l t h es y s t e ms c a n sw e l d i n gg r o o v e s b yu s i n gt h es w i n g i n ga r cs e n s o r ，s ot h ec h a n g eo ft h ew e l d i n gc u r r e n ti si n a c c o r d a n c ew i t ht h er e g u l a rc h a n g eo ft h ea r cl e n g t h t h e nt h ei n f o r m a t i o n a b o u tw e l dd e v i a t i o nc a nb e a c h i e v e db ya n a l y z i n gt h ec h a n g eo ft h e w e l d i n gc u r r e n t w i t has i m p l es t r u c t u r ea n dg o o ds p a t i a la c c e s s i b i l i t y ，t h e s w i n g i n ga r cs e n s o ri st h eh o tt o p i co fw e l dt r a c k i n gi nw e l d i n ga r e a b a s e do nt h ew o r k i n gs t a t e o fs w i n g i n ga r cs e n s o r t m d e rt h es i t u a t i o no f s p r a yt r a n s f e ra n ds h o r tc i r c u i t i n gt r a n s f e r ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lh a sb e e n b u i l t t h e n b yu s i n gt h es i m u l i n kt o o lb a ro fm a t l a b t h es i m u l a t i o nm o d e l o ft h es y s t e mh a sb e e nb u i l t m e a n w h i l e ，a i m i n ga tt h ei n f l u e n c e so ft h e s w i n gf r e q u e n c y ，s w i n gw i d t h ，a n dt h eh o r i z o n t a ld e v i a t i o n o nw e l d i n g c u r r e n tw a v e f o r m ，w em a k et h es i m u l a t i o n t h er e s e a r c ho fm a t h e m a t i c a l m o d e la n ds i m u l a t i o nm o d e lp r o v i d et h e 也e o r e t i c a ld i r e c t i o nf o rt h eg a i n i n g o fd e v i a t i o ni n f o r m a t i o nf r o mc u r r e n tw a v e f o r m a f t e r w a r d d u r i n gt h ep r o c e s so fw e l d i n gp r o c e s s ，c o n s i d e r i n gw e l d i n gc u r r e n t s i g n a lc a nb ei n f l u e n c e db yt h es h o r tc i r c u i tt r a n s f e r ，t h es p l a s h ，t h ed u s t ，t h e e l e c t r i c a la r c ，m a k e st h es i g n a lf u l lo fn o i s e s ，s oi na c c o r d a n c e 谢t ht h e s y s t e mr e q u i r e m e n tf o rw e l d i n gc u r r e n tw ec h o o s et h eb e s s e lf i l t e r a f t e r t h ef i l t r a t i o np r o c e s st h ec u r r e n ts i g n a li sm u c hc l e a r e rt h a ne v e r i tm a k e s g o o dp r e p a r a t i o n f o rt h eg a i n i n go fd e v i a t i o ni n f o r m a t i o n a f t e r w a r d a c c o r d i n gt os i m u l a t i o no ft h ew e l d i n ga r cs e n s o ru n d e rt h es i t u a t i o no f s h o r tc i r c u i tt r a n s f e rc o m b i n e dw i t ht h ew e l d i n gc u r r e n tw a v e f o t i n ，w ec o m e u p am e t h o dc a l l e d l e f ta n dr i g h t1 i m i t so f r e g i o n a li n t e g r a t i o nm e t h o d w h i c h i i 摘要 c a na c h i e v et h ed e v i a t i o ni n f o r m a t i o nh a sb e e nc a m eu p t h i sm e t h o dc a n r e s t r i c tt h er a n d o mn o i s e sa tac e r t a i nd e g r e e ，a n db e c a u s et h ed a t ar e q u i r e d t ob ep r o c e s s e di sl e s s ，t h i sm e t h o dc a na l s oa c c e l e r a t et h ec i r c u l a t er a t eo f p r o g r a m ，a sw e l la si n c r e a s e st h et r a c k i n ga c c u r a c yo fw e l d i n g f i n a l l yas e to f w e l dt r a c k i n gh a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do nt h es w i n g i n g a r cs e n s o rh a sb e e nb u i l t ，a n db yu s i n gi tt h ew e l dt r a c k i n ge x p e r i m e n th a s b e e nm a d e ，g e r i n gaq u i t e s a t i s f a c t o r yt r a c k i n ge f f e c t t h ee x p e r i m e n t r e s u l t ss h o wt h a tt h er e a l - t i m ew e l dt r a c k i n gs y s t e mi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r i sp r a c t i c a l k e yw o r d s ：s w i n g i n ga r cs e n s o r ，m a t h e m a t i c a l s y s t e m ，s i m u l a t i o n ， f i l t r a t i o n ，w e l ds e a mt r a c k i n g i i i 目录 目录 第一章绪论一1 1 1 前言1 1 2 国内外焊缝跟踪技术研究现状2 1 2 1 焊缝跟踪传感器的研究现状一3 1 2 2 焊缝偏差信号提取方法的研究现状1 0 1 3 本课题研究的主要内容及意义1 1 第二章摆动电弧传感焊缝跟踪实验系统的硬件组成1 3 2 1 焊接子系统的设计1 4 2 1 1 焊接电源1 4 2 。1 2 高速摆动电弧传感器1 5 2 2 信号采集系统1 6 2 2 1 霍尔电流传感器1 6 2 2 2 霍尔电压传感器1 8 2 2 3 数据采集卡1 9 2 3 跟踪控制子系统2 l 2 4 本章小结2 1 第三章摆动电弧传感器的建模及仿真2 3 3 1 摆动电弧传感器的焊缝跟踪系统的数学模型2 3 3 1 1 干伸长与传感器摆动位置的数学关系2 3 3 1 2 在射流过渡下电弧电流与干伸长关系模型2 5 3 1 3 在短路过渡下电弧电流与干伸长关系模型2 7 3 2 摆动电弧传感器的焊缝跟踪系统的仿真模型2 9 3 2 1 摆动电弧传感器与焊接干伸长关系建模3 0 3 2 2 射流过渡下摆动电弧传感器位置与焊接电流信号关系建模3 2 北京化工大学硕士学位论文 3 2 3 短路过渡下摆动电弧传感器位置与焊接电流信号关系建模3 3 3 3 摆动电弧传感器的仿真研究3 4 3 3 1 射流过渡下摆动频率的影响3 4 3 3 2 射流过渡下偏差的影响3 7 3 3 3 短路过渡下摆动频率和偏差的影响4 1 3 4 本章小结4 2 第四章信号处理及偏差提取。4 3 4 1 焊接电流信号滤波处理4 3 4 1 1 高低跟踪滤波器的选择4 5 4 1 2 左右跟踪滤波器的选择4 6 4 2 焊缝偏差信号的提取4 8 4 2 1 高低焊缝偏差信号的提取4 9 4 2 2 左右焊缝偏差信号的提取4 9 4 3 本章小结5 0 第五章焊缝跟踪系统平台搭建及跟踪试验5 1 5 1 基于摆动电弧传感焊缝跟踪系统的平台搭建5 1 5 2 焊接实验工件及焊接参数的确定5 5 5 3 焊缝跟踪试验及分析5 6 5 4 本章小结6 0 第六章结论6 1 参考文献6 2 致谢6 5 研究成果及发表的学术论文6 6 作者和导师简介6 7 i i 目录 c o n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1 p r e f a c e 1 1 2p r e s e n ts i t u a t i o no fs t u d yo nt h ew e l ds e a mt r a c k i n gt e c h n o l o g ya th o m e a n da b r o a d 2 1 2 1r e s e a r c hs t a t u so f w e l ds e a mt r a c k i n gs e n s o r 3 1 2 2p r e s e n ts i t u a t i o no fs t u d yo ne x t r a c t i o nm e t h o do f w e l ds e a mb i a ss i g n a l 1 0 1 3t h ec o n t e n ta n ds i g n i f i c a n c eo fr e s e a r c ho nt h i st o p i c 11 c h a p t e r2 c o m p o s i t i o no ft h es w i n ga r cs e n s o rf o rs e a mt r a c k i n g s y s t e m 1 3 2 1 d e s i g no f w e l d i n gs u b s y s t e m s 1 4 2 1 1w e l d i n gp o w e rs u p p l y 一1 4 2 1 2h i g hs p e e do s c i l l a t i n ga r cs e n s o r 1 5 2 2s i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e m 1 6 2 2 1h a l lc u r r e n ts e n s o r s 1 6 2 2 2h a l lv o l t a g es e n s o r 1 8 2 2 3d a t aa c q u i s i t i o nc a r d 1 9 2 3 t r a c k i n gc o n t r o ls y s t e m 2 1 2 4c o n c l u s j o n s 2 l c h a p t e r3 m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n o fs w i n ga r cs e n s o r 2 3 3 1m a t h e m a t i c a lm o d e lo fs w i n ga r cs e n s o rf o rs e a mt r a c k i n gs y s t e m 2 3 3 1 1m a t h e m a t i c a lr e l a t i o n ss t r e t c ha n ds w i n gp o s i t i o ns e n s o r 2 3 3 1 2r e l a t i o n s h i p m o d e l sb e t w e e ne l o n g a t i o na n dw e l d i n gc u r r e n t o nt h ej e t t r a n s i t i o n 一2 5 i i i 北京化工大学硕士学位论文 3 1 3r e l a t i o n s h i pm o d e l sb e t w e e ne l o n g a t i o na n dw e l d i n gc u r r e n to nt h e s h o r tc i r c u i tt r a n s f e r 2 7 3 2s w i n ga r cs e n s o rf o rs e a mt r a c k i n gs y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l 2 9 3 2 1 s w i n ga r cs e n s o ra n d e x t e n s i o nr e l a t i o n s h i pm o d e l i n g 3 0 3 2 2s w i n ga r cs e n s o rp o s i t i o na n dt h ew e l d i n gc u r r e n ts i g n a lr e l a t i o n s h i p m o d e l i n g o nt h ej e tt r a n s i t i o n 3 2 3 2 3s w i n ga r cs e n s o rp o s i t i o na n dt h ew e l d i n gc u r r e n ts i g n a lr e l a t i o n s h i p m o d e l i n go nt h es h o r tc i r c u i t t r a n s i t i o n 。3 3 3 3s i m u l a t i o nr e s e a r c ho fs w i n ga r cs e n s o r 3 4 3 3 1e f f e c t so f o s c i l l a t i n gf r e q u e n c y o nt h ej e tt r a n s i t i o n 3 4 3 3 2e f f e c t so fd e v i a t i o n o nt h ej e tt r a n s i t i o n 3 7 3 3 3e f f e c t so fo s c i l l a t i n g f r e q u e n c ya n dd e v i a t i o n o nt h e s h o r tc i r c u i t t r a n s i t i o n 4 1 3 4c o n c l u s i o n s z i ：! c h a p t e r4 s i g n a lp r o c e s s i n ga n d b i a ss i g n a le x t r a c t i o n 4 3 4 1w e l d i n gc u r r e n ts i g n a lf i l t e r i n gp r o c e s s i n g 4 3 4 1 1f i l t e rs e l e c t i o na t h i g ha n dl o w d i r e c f i o n 4 5 4 1 2f i l t e rs e l e c t i o na tl e f ta n dr i g h td i r e c t i o n 4 6 4 2w e l ds e a mb i a ss i g n a le x 仃a c t i o n 4 8 4 2 1w e l ds e a mb i a ss i g n a le x t r a c t i o n a th i g ha n dl o w d i r e c t i o n 4 9 4 2 2w e l ds e a mb i a ss i g n a le x t r a c t i o na tl e f ta n dr i g h td i r e c t i o n 4 9 4 3c o n c l u s i o n s 5 0 c h a p t e r5 e s t a b l i s h m e n t o fs e a mt r a c k i n g s y s t e ma n d w e l d i n g e x p e r i m e n t s 5 1 5 1t h ep l a t f o r mo fw e l ds e a mt r a c k i n gs y s t e ms t r u c t u r e s b a s e do nt h es w i n g a r cs e n s o r 5l 5 2d e t e r m i n a t i o no f w e l d i n gp a r a m e t e r sa n dw e l d i n gw o r k p i e c e 5 5 5 3t e s ta n da n a l y s i so nw e l ds e a l t lt r a c k i n g 5 6 i v 目录 5 4c o n c l u s i o n s 6 0 c h a p t e r6 c o n c l u s i o n s 6 1 r e f e r e n c e s 6 2 a c k n o w l e d g e m e n t s 6 5 t h ep a p e r sd u r i n gm a s t e r sd e g r e e 6 6 a u t h o ra n dm e n t o ri n t r o d u c t i o n s 6 7 v 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 焊接，是一种以加热方式接合金属或者其他热塑性材料的制造工艺及技术。现 代焊接技术起源于1 9 世纪末期，最早出现了弧焊和电阻焊。2 0 世纪初，两次世界 大战对军事设备的大量需求刺激了焊接技术的发展，急需开发低成本及可靠的金属 连接技术，从而使得焊接技术出现了飞速发展。战争结束后，又出现了一些现代焊 接技术，包括手工电弧焊，最流行的熔化极气体保护电弧焊，还有埋弧焊和药芯焊 丝电弧焊等。到了2 0 世纪的下半叶，激光焊接和电子束焊被相继的开发出来。现在， 在现代制造业的发展过程中，焊接占据着越来越重要的地位，成为机械制造、航空 航天、石油化工、能源交通、核工业、建筑和电子等诸多行业中必不可少的一种加 工手段 1 1 。 随着社会的不断发展，人们对于焊接的质量、操作和经济性的要求也随之越来 越高，传统的手工焊接已经不能适应社会发展的需求，焊接制造工艺正经历着从手 工焊到自动焊的变迁。据统计，在1 9 7 5 年，日本有焊接工人约4 6 0 ，9 3 0 名，而1 9 8 5 年减少为大约3 3 5 ，6 0 0 名，1 9 9 0 年则大约为2 1 0 ，8 0 0 名，焊接工人数量大约每1 0 年 减少2 7 3 7 【2 】。现在，世界上很多发达国家都把焊接自动化作为焊接发展的一大主 要方向，我国也将逐步提升焊接自动化率。焊接自动化的优点主要表现在如下几个 方面： ( 1 ) 改善焊接质量及提高焊接合格率 焊接工件在加工中不可避免的会存在精度误差，装配过程中同样会造成误差， 而且焊接工件的表面经常会有铁屑油污等，在焊接前需要进行打磨，各个地方打磨 的程度不一又会产生新的误差，并且焊接过程中焊接热量引起的工件变形等，都会 引起实际焊缝与理想中的焊缝轨迹出现偏差的情况，同时焊接设备的机械传动间隙 也会造成焊接点与焊缝中心不一致，所以一般的在焊接前设定好轨迹的焊接方式已 无能为力，需要焊接工人在焊接工程中实时的参与调整，但是调整的好坏不仅要看 焊接工人的熟练程度及技术能力，同时还受焊接工人的体能、精力及情绪等影响， 所以焊接质量存在大量的不稳定因素，因此开发具有焊缝自动跟踪能力的焊接设备 是改善焊接质量及提高焊接合格率的唯一途径。 ( 2 ) 改善焊接工人的工作条件 北京化工大学硕士学位论文 因为在焊接过程中会电弧会产生大量的热，同时伴随着大量的烟尘，而且所产 生的弧光主要由红外线、紫外线和可见光组成，可对皮肤造成伤害，产生脱皮、灼 痛等现象。这些都导致焊接现场的环境极其的恶劣，对焊接工人的健康造成很大的 危害。另外随着焊接领域的不断拓展，在核能工业，海底管道修复，甚至空间领域 都需要焊接技术，这使得焊接条件进一步恶化，有的地方根本就不可能进行人工焊 接，所以采用自动化焊接手段是焊接技术发展的前进方向，也是改善焊接工人工作 环境及减轻焊接工人劳动强度的根本途径。 ( 3 ) 提高焊接效率，降低焊接成本 手工焊接的生产效率低下，据统计，焊接工人实际焊接的时间不足其工作时间 的3 0 ，而采用自动化焊接系统比起手工焊接可以节约6 0 8 0 的焊接工时，人力成 本很大。而且在有些焊接状况下，不仅仅是人力成本的增加，譬如海上管道连接， 一只铺管船在海上一天的成本很高，焊接效率的低下会使得焊接的成本急剧增加。 因此采用焊缝自动跟踪系统的自动化焊接设备可以大大的提高焊接生产率，并且降 低焊接人力成本。而且与示教型的焊接系统相比，它降低了对焊接工件加工精度和 装配精度的要求，从而减少了焊接的准备时间，提高了整个焊接系统的生产效率， 特别是对于焊接形状复杂的曲线焊缝，为了到达焊接要求，示教型焊接机器人需要 大量的示教点数来保证示教轨迹的精度，这是一件很繁琐和耗时的工作，对于小批 量的生产来讲更为不利。 因此，焊接将沿着焊接自动化及智能化方向发展，而焊缝自动跟踪技术是焊接 自动化及智能化必须解决的问题，因此焊缝跟踪技术已成为焊接领域中重要研究的 课题。 1 2 国内外焊缝跟踪技术研究现状 焊缝的跟踪是焊接自动化要解决的一个最重要的问题，这在手动焊接的时候是 靠焊接工人通过人眼观察和手动操控来实现的，而在自动化焊接里面，我们不能再 依靠焊接工人的观察及操作，必须通过各种方法、手段或者技术去实现焊缝的自动 跟踪，焊接界的专家学者在焊缝自动跟踪方面一直不懈努力着。 在焊缝跟踪技术方面，焊缝跟踪传感器和焊缝偏差信号提取方法是研究焊缝跟 踪的关键。 2 第一章绪论 1 2 1 焊缝跟踪传感器的研究现状 焊缝自动跟踪要解决的问题就是对电弧在坡口中的位置进行实时的检测及调整， 电弧的位置信息需要通过传感器来获得，而获得的位置信息的精确与否在很大程度 上取决于传感方式。焊缝跟踪传感器在很大程度上决定着焊缝跟踪精度。 根据传感方式的不同，焊缝跟踪传感器可以分为以下两大类，如图1 - 1 所示： 图1 - 1 焊接电弧传感器分类 f i g 1 - 1 w e l d i n ga r cs e b s o rc l a s s i f i c a t i o n 最早用于焊缝跟踪的传感器是接触式传感器，它的优点是不受电弧光、磁、焊 接飞溅等干扰。但是接触式传感存在着这样的问题：对于不同形式的坡口需要采用 不同形式的探头；探头机械磨损大，容易变形；跟踪的精度不高，对坡口加工精度 要求高；目前正在被其他的传感方法所取代【3 】。 现在，研究人员主要把目光集中在非接触传感器上，非接触式传感器的种类有 很多，其中基于电弧传感器技术和视觉传感器技术的焊缝跟踪系统尤为引人注目。 在传感信号获取过程中进行光电转换的传感器统称为光学式传感器，它由信号光源 ( 普通光源、激光、红外光等) 和接受器两部分组成，光学式传感器的工作原理是 借助信号光源对焊缝进行检测【4 。6 】。在焊缝跟踪的过程中，借助于视觉传感器，不仅 可以通过它来观测熔池，而且还能够获得有关焊缝的信息，从而可以实现对整个焊 接过程进行实时的监控，但是该方法处理算法复杂，运算量大，对处理器有一定的 要求，额外设备的成本太高。 北京化工大学硕士学位论文 电弧传感器是利用焊接过程中的焊接电流或焊接电压随弧长的变化而变化这一 原理来检测坡口的中心。电弧传感器的优点是只需要电流或电压的传感器，设备简 单，成本低，电弧传感器信号检测点就是焊接点，没有接触传感器的位置误差，信 号处理简单实时性强，另外飞溅，灰尘，弧光等干扰对电弧传感器影响很小，所以 电弧传感器得到了非常高的重视【7 】。 电弧传感器主要分为以下几类： ( 1 ) 并列双丝电弧传感器 并列双丝电弧传感器是由两个左右相隔一定距离的焊丝并排在焊缝坡口的两侧， 在焊接的过程中通过测量这两个电弧各自的焊接电流并进行比较来获得电弧传感器 与焊缝之间的偏差信息，进而调整电弧传感器左右的位置来实现焊缝跟踪。它还可 以根据两个焊接电流值和开始设定好的参考电流值进行比较来获得高低方向的信息， 从而可以实现电弧传感器高度方向的控制。但它要求两个焊丝之间有一定的间距， 一般此间距应大于8 m m ，以避免两个电弧产生的磁场相互干扰。并列双丝电弧传感 器结构简单，它完全不需要摆动电弧传感或旋转电弧传感所需要的运动机构。但由 于采用了双丝并列，两焊丝之间的距离限制使得它无法在某些焊接方面进行应用。 ( 2 ) 摆动电弧传感器 摆动电弧传感器是目前研究和应用比较广泛的一种电弧传感器，这种电弧传感 器通过一套摆动机构驱动焊枪，使得焊枪在焊缝的横向来回的摆动，从而获得焊缝 横向各个位置的焊接电流，再通过偏差信号提取算法来得到左右偏差信号从而实现 焊缝跟踪。用在弧焊机器人上的焊枪可以通过机器人手臂带动焊枪作横向摆动来实 现摆动电弧传感器的功能。但是受机器人结构因素的影响及机械方面的限制，机器 人摆动的频率比较低，一般都在1 0 h z 以下，摆动频率的低下不仅会影响焊接的效 果，而且会限制了电弧传感器在高速焊接中的应用，因为在高速焊接或者焊缝弧度 大的情况下，过低的摆动频率对焊缝跟踪的效果也会产生影响。 为了得到更好的焊缝跟踪效果，需要提高摆动电弧传感器的摆动频率。在这方 面，m k o d a m a 等人发明了一种利用电磁方式的高速摆动电弧传感器【8 - 9 1 ，这电磁式 摆动电弧传感器在两侧分别安装永磁铁和激励线圈，为了使得导电杆产生特定频率 的摆动，可以通过在激励线圈上通特定频率的交流电来实现，从而实现摆动传感器 的功能。电磁式高速摆动电弧传感器的摆动频率一般可达到4 0 h z ，而且焊枪的结构 相对来说比较简单，比较适合安装在焊接机器人上应用，但是它是靠电磁力来进行 工作的，摆动的精度不容易控制。 ( 3 ) 旋转电弧传感器 4 第一章绪论 相比与摆动电弧传感器摆动频率的不易提高，旋转电弧传感器的旋转频率可以 很容易达到5 0 h z 以上，2 0 世纪8 0 年代，日本的n k k 公司发明了一种用于窄间隙 焊缝跟踪的偏心焊嘴型旋转式电弧传感器，其原理图如图1 2 所示： 焊丝 自动诃懒 图1 - 2 旋转电弧传感器 f i g 1 - 2 r o t a t i n ga r cs e n s o r 电机的转动带动导电杆围绕圆锥轴线作旋转，可以通过调节圆锥顶角来调节旋 转电弧传感器的旋转半径，但是该传感器需要用齿轮传动，使得整体结构较大，影 响了该传感器的使用范围。n k k 公司把这种旋转电弧传感器用在了船舶、锅炉及结 构生产中，并且取得了显著的成效 1 0 - 1 1 】。 韩国的c h k i m 等人发明了另一种高速旋转电弧传感器，结构如图1 3 所示， 这种传感器实现电弧的旋转运动是依靠导电嘴的偏心来实现的，导电嘴偏离圆心的 半径就是电弧旋转的半径 1 2 - 1 5 】。虽然该转动电弧传感器的转动机构比较简单紧凑， 但是它在高速旋转的时候，焊丝与导电嘴之间会发生相对转动，引起它们之间的摩 擦，使得导电嘴的损耗加剧。 北京化工大学硕士学位论文 圆 图l - 3 旋转电弧传感器 f i g 1 - 3 r o t a t i n ga r cs e n s o r 在我国，清华大学潘际銮院士带领的研究小组从上世纪8 0 年代末期开始就在开 始研究旋转电弧传感器，并且在相关方面做了大量的工作，得到了一些比较有价值 的科研成果。清华大学的廖宝剑博士在前人的基础上于1 9 9 3 年成功研制了一种以空 心轴电机作为驱动机构的旋转电弧传感器，并且获得了国家专利，如图1 4 所示 1 6 - 1 7 】。 圈 图1 - 4 空心轴旋转电弧传感器 f i g 1 4 h o l l o ws h a f tr o t a t i n ga r cs e n s o r 这种高速旋转电弧传感器的动力由空心轴电机提供，将导电杆斜着穿过电机的 空心轴，在空心轴的下端，通过安装在电机轴上或机壳上的调心轴承来调整导电杆 的偏心量。当空心轴电机旋转时，由于下调心轴承的作用，使得以导电杆作为圆锥 的母线，围绕着电机的轴线作公转，从而形成旋转电弧传感器 1 8 - 1 9 】。这种旋转电弧 传感器由电机直接驱动，省去了齿轮传动，结构简单，制成的焊枪比较小巧，焊接 可达性好。 6 第一章绪论 江苏科技大学的王加友博士，发明了一种可以用于窄间隙焊接的高速旋转电弧 传感器，如图1 。5 所示： 图1 - 5 旋转电弧传感器 f i g 1 - s r o t a t i n ga r cs e n s o r 该旋转电弧传感器的特征是采用空心轴电机直接驱动整个导电杆进行运动，并 用压紧弹簧使电刷与导电杆法兰台面成紧密滑动配合来实现导电，导电杆上与导电 嘴配合的螺纹孔故意偏一个角度，使得导电杆旋转时，导电嘴绕着导电杆中轴线作 圆锥运动，从而实现旋转电弧传感器功能，该机构具有结构简单紧凑，实用性强等 优点【2 0 2 1 1 。 哈尔滨工业大学的杨春利和赵博等人也发明了一种旋转电弧传感器，如图1 - 6 所示，该旋转电弧传感器采用空心轴高速伺服电机，通过与之相连的偏心套筒带动 导电杆和导电嘴绕焊炬的轴线偏心公转，公转的转动原点与导电杆的中部形成一个 偏距，该焊炬的损耗部件均为标准件，因此实施成本比较低，且使用寿命较长，采 用软导线连接方便可靠，焊炬工作不受外界干扰【2 2 1 。目前，此旋转电弧传感器还未 涉及传感功能的研究。 北京化工大学硕士学位论文 图1 - 6 旋转电弧传感器 f i g 1 - 6r o t a t