實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化的兩個(gè)主要難題是：焊縫跟蹤和焊接質(zhì)量控制。其中焊縫跟蹤是保證焊接質(zhì)量的前提，所以實(shí)現(xiàn)焊縫的自動(dòng)跟蹤就成為首先要解決的問(wèn)題。一個(gè)焊縫跟蹤系統(tǒng)包括以下兩個(gè)主要的方面：傳感器與控制器。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)是屬于附加式。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)傳感器都在焊炬上固定一個(gè)附加的機(jī)械、電磁或光學(xué)裝置，用于檢測(cè)焊縫的相對(duì)位置，其共同的問(wèn)題就是傳感器與電弧是分離的，有復(fù)雜的附加裝置，應(yīng)用起來(lái)不方便，效果也不夠理想。而電弧傳感器利用電弧本身作為傳感器，根據(jù)焊接電弧的基本特性提取焊接過(guò)程中的電流或電壓變化量作為傳感器信號(hào)。因此，與附加式傳感器相比，電弧傳感器有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：
(1)檢測(cè)點(diǎn)就是焊接點(diǎn)，不存在傳感器先行的問(wèn)題，是完全實(shí)時(shí)的傳感器。
(2)焊接機(jī)頭周?chē)恍枰b備其他特別的裝置，焊槍的可達(dá)性好。
(3)由于電弧本身作為傳感器，所以不受焊絲彎曲和磁偏吹等引起電弧偏移的影響。
(4)不僅可以跟蹤傳感，保證焊接參數(shù)的穩(wěn)定，而且還可以改善焊縫的成形效果。
(5)抗光、電磁、熱的干擾，使用壽命長(zhǎng)。
正是有這些優(yōu)點(diǎn)使電弧傳感器已經(jīng)成為近些年來(lái)弧焊自動(dòng)跟蹤發(fā)展的熱點(diǎn)，但我國(guó)電弧傳感器的實(shí)用化還在起步階段。
一、電弧傳感器的原理
以電或機(jī)械方法使焊接電弧擺動(dòng)，檢測(cè)焊接電流、電壓的變化，來(lái)判斷擺動(dòng)中心是否偏離坡口中心，并進(jìn)行修正。使電弧擺動(dòng)的方法有機(jī)械式、電磁式和射流式。擺動(dòng)軌跡可分為直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)、圓弧運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在使用雙絲并列焊接時(shí)，也可不作擺動(dòng)。
圖1為焊槍導(dǎo)電嘴與工件表面距離變化引起焊接參數(shù)變化的過(guò)程。圖中，E為電源外特性，C為等熔化曲線(xiàn)，l為電弧靜特性曲線(xiàn)。以平外特性電源、等速送絲調(diào)節(jié)系統(tǒng)為例，在穩(wěn)定焊接狀態(tài)時(shí)，電弧工作點(diǎn)為A０，弧長(zhǎng)l０，干伸長(zhǎng)隨之變化，對(duì)應(yīng)的等熔化曲線(xiàn)為C０，電流為I０。當(dāng)焊槍與工件表面距離發(fā)生階躍變化增大到H１時(shí)，弧長(zhǎng)突然被拉長(zhǎng)為l１，此時(shí)干伸長(zhǎng)還來(lái)不及變化，電弧隨即在新的工作點(diǎn)燃燒，電流突變?yōu)镮１。但經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的電弧自調(diào)節(jié)作用后，弧長(zhǎng)逐漸變短，干伸長(zhǎng)增大，最后電弧穩(wěn)定在一個(gè)新的工作點(diǎn)A２、弧長(zhǎng)l２上，對(duì)應(yīng)的等熔化曲線(xiàn) C２、電流I２，結(jié)果是干伸長(zhǎng)和弧長(zhǎng)都比原來(lái)增加。在上述變化中，有兩個(gè)狀態(tài)過(guò)程即調(diào)節(jié)過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化(ΔId)和新的穩(wěn)定點(diǎn)建立后的靜態(tài)變化(ΔIs)。動(dòng)態(tài)變化的原因是焊絲熔化速度受到限制，不能跟隨焊炬高度的突變，靜態(tài)變化的原因是由于電弧的自身調(diào)節(jié)特性。
由以上所述，當(dāng)電弧沿著焊縫的垂直方向掃描，焊接電流將隨著掃描引起的焊矩高度變化而變化，從而獲得焊縫坡口信息，達(dá)到傳感的目的。
二、電弧傳感器的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀
1.電弧傳感器的類(lèi)型
目前電弧傳感器在實(shí)用中主要有以下幾種類(lèi)型：
(1)非掃描雙絲并列型 該類(lèi)型是利用電弧的靜態(tài)特性，當(dāng)焊炬不對(duì)中時(shí)，兩電弧的高度不同將反映在電流(電壓)差上，從而實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤。但因?yàn)橐瑫r(shí)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，實(shí)現(xiàn)上有困難，所以實(shí)用受到限制。
(2)擺動(dòng)式電弧傳感器 一般擺動(dòng)式電弧傳感器是以機(jī)械式的居多，因受機(jī)構(gòu)的限制，掃描頻率一般在5Hz以下，使得靈敏度較低，同時(shí)熔池中的液態(tài)金屬的流動(dòng)和填充也為焊縫坡口識(shí)別帶來(lái)了障礙。
(3)旋轉(zhuǎn)掃描式電弧傳感器 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的原理是，在直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，利用導(dǎo)電嘴上的偏心孔使得焊絲和電弧旋轉(zhuǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)電弧的高速掃描，一般掃描頻率為15～35Hz。這種設(shè)計(jì)能克服機(jī)械式的低掃描頻率帶來(lái)的一系列問(wèn)題(見(jiàn)圖2)。
圖2 旋轉(zhuǎn)式電弧傳感器結(jié)構(gòu)
1.電極 2.電動(dòng)機(jī) 3.光碼盤(pán) 4.偏心機(jī)構(gòu) 5.調(diào)心軸承6.焊絲
旋轉(zhuǎn)式電弧傳感器以其掃描頻率高，機(jī)械振動(dòng)小，具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和能夠改善焊縫成形等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為電弧傳感器的新寵。
旋轉(zhuǎn)掃描式焊炬最早出現(xiàn)在日本NKK的關(guān)于窄間隙焊文獻(xiàn)中用來(lái)改善兩側(cè)熔合和角焊縫及多道焊的成形，后來(lái)發(fā)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)電弧還可用于焊接跟蹤傳感，且靈敏度更高，就積極致力于高速旋轉(zhuǎn)電弧在傳感跟蹤上的發(fā)展，研究成功了高速旋轉(zhuǎn)電弧傳感器。
其原理是：在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下，導(dǎo)電嘴繞自身轉(zhuǎn)動(dòng)，利用導(dǎo)電嘴上的偏心孔使得焊絲端頭和電弧旋轉(zhuǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)電弧的高速旋轉(zhuǎn)掃描。
1990年，清華大學(xué)給出了圓錐擺動(dòng)方案。導(dǎo)電桿作圓錐擺動(dòng)，而不繞自身轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣避免了焊絲與導(dǎo)電嘴之間的摩擦。1993年有了進(jìn)一步發(fā)展，采用了空心馬達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，減小了振動(dòng)和噪聲，體積也大大減小，其設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)掃描焊炬的外徑只有80mm，可以像正常焊炬一樣使用，并申請(qǐng)了中國(guó)專(zhuān)利。南昌大學(xué)又在其基礎(chǔ)上作了進(jìn)一步的改進(jìn)，使 旋轉(zhuǎn)掃描焊炬的結(jié)構(gòu)更為緊湊，其外徑減為45mm，體積減小10%，重量減輕20%，使減振性能更好。并已應(yīng)用在弧焊機(jī)器人上，向?qū)嵱没~進(jìn)了一大步。
2.電弧信號(hào)的處理及其控制技術(shù)
如何從電弧傳感信號(hào)中得到焊炬位置，即焊縫的左右、高低偏差信息，這也是實(shí)際進(jìn)行焊縫糾偏最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。1978年采用積分差值法解決了V形及角焊縫的識(shí)別，用消波的方法解決了CO２焊接中電流噪聲問(wèn)題。1990年首先提出采用計(jì)算機(jī)仿真的方法研究電弧傳感系統(tǒng)的識(shí)別方法，取得了重要的結(jié)果。1996年利用計(jì)算機(jī)仿真的技術(shù)，深入研究了傳感系統(tǒng)的信息輸入和輸出，首次提出交換信息空間，采用特征諧波法識(shí)別坡口的辦法，又提出數(shù)字濾波技術(shù)，使電弧傳感器的信息處理有了突破性的進(jìn)展。1993年韓國(guó)的J.W.Kim，S.J.Na通過(guò)使用二次曲線(xiàn)擬合法，即焊接電流信號(hào)能被擬合成曲線(xiàn)，此曲線(xiàn)中焊接電流信號(hào)值與焊炬到工件的距離成反比。在擺動(dòng)方向改變處，曲線(xiàn)擬合焊接電流信號(hào)即焊接電流值，因而能作為焊縫跟蹤的控制信號(hào)。1998年，華東船舶工業(yè)學(xué)院也使用模糊控制實(shí)現(xiàn)了焊縫的自動(dòng)跟蹤。
3.電弧傳感器的應(yīng)用
電弧傳感器經(jīng)過(guò)多年的研究與發(fā)展，體積和重量大大減小，焊縫識(shí)別能力增強(qiáng)，同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及模糊數(shù)學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，旋轉(zhuǎn)電弧傳感器已經(jīng)步入實(shí)用的階段，清華大學(xué)開(kāi)發(fā)了兩種自動(dòng)焊機(jī)。第一種是在普通的自動(dòng)焊機(jī)上增加十字滑塊，將電弧傳感器安裝在十字滑塊上，通過(guò)控制十字滑塊的電動(dòng)機(jī)來(lái)進(jìn)行糾偏。第二種是一種全自由度的自動(dòng)焊機(jī)，它無(wú) 需像第一種有固定的軌道，是一種可自由爬行的自動(dòng)跟蹤焊機(jī)。南昌大學(xué)將高速旋轉(zhuǎn)電弧傳感器安裝在焊接機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)了焊縫的自動(dòng)跟蹤。1993年，J.W.Kim、S.J.Na設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)模糊控制器，將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于焊縫跟蹤并取得了良好的跟蹤效果。在工業(yè)上，電弧傳感器在弧焊機(jī)器上有了較好的應(yīng)用，德國(guó)的CLOOS公司生產(chǎn)弧焊機(jī)器人使用的是擺動(dòng)式電弧傳感器；而在日本，裝配了高速旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的弧焊機(jī)器人已經(jīng)在造船工業(yè)中使用。華東船舶工業(yè)學(xué)院使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)掃描式焊炬的焊縫跟蹤。這些都說(shuō)明，電弧傳感器是有著廣泛的應(yīng)用前景的。
三、面臨的問(wèn)題
雖然對(duì)電弧傳感器已經(jīng)有了大量的研究，但是電弧傳感器的應(yīng)用特別是在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用還不能達(dá)到使人滿(mǎn)意的程度，目前僅限于某些特殊場(chǎng)合的焊縫跟蹤。其一，由電弧傳感器的原理可知，它要求焊槍擺動(dòng)，為此要有一套控制擺動(dòng)的裝置，而且有些場(chǎng)合不宜采用擺動(dòng)。對(duì)I形坡口或無(wú)間隙對(duì)接焊則不能獲得滿(mǎn)意的效果。在現(xiàn)有的工業(yè)應(yīng)用中，成功的例子還都是在V形坡口和角焊縫上完成的。這些都限制了電弧傳感器的應(yīng)用范圍。其二，對(duì)電弧傳感器信號(hào)的處理也是難點(diǎn)之一，因?yàn)榛『高^(guò)程有許多對(duì)信號(hào)采集與處理不利的因素，像短路電流的干擾，熔池液態(tài)金屬波動(dòng)或流動(dòng)的干擾等，這對(duì)獲得完整的坡口形狀信號(hào)帶來(lái)了很大的困難。如何去除這些干擾從而獲得良好的信號(hào)，雖然有過(guò)很多的研究，但是還沒(méi)有一個(gè)較好的解決方案。其三，控制方法的選擇，傳統(tǒng)的PID控制已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足復(fù)雜、非線(xiàn)性的焊接過(guò)程，而采用自組織模糊控制是一個(gè)比較好的解決方法，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)又會(huì)遇到運(yùn)算量大等問(wèn)題，對(duì)簡(jiǎn)單處理器無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。而采用PC機(jī)，則增加了成本，無(wú)法滿(mǎn)足企業(yè)對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的要求。
電弧傳感器的特點(diǎn)非常有利于焊接智能控制的實(shí)現(xiàn)，而智能控制對(duì)確保焊接質(zhì)量有著十分重要的意義。解決上述三方面的問(wèn)題，將是今后焊接自動(dòng)化、智能化的研究熱點(diǎn)。
四、結(jié)語(yǔ)
電弧傳感器與光學(xué)傳感器并稱(chēng)為弧焊自動(dòng)跟蹤兩大傳感器，其中電弧傳感器不同于其他任何一種現(xiàn)有的傳感器，它不是獨(dú)立于焊接電弧焊接電源系統(tǒng)之外的東西，而是與電弧特性和電源的特性緊密相關(guān)的一部分。雖然在某些場(chǎng)合它的適用性受到限制，但其應(yīng)用前景還是很廣泛的。
隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展和焊縫識(shí)別與實(shí)時(shí)控制等一系列問(wèn)題的解決，電弧傳感器在焊接自動(dòng)化中將體現(xiàn)更為重要的應(yīng)用價(jià)值。
