焊接電弧傳感器的研究現(xiàn)狀和對未來的展望-中文翻譯

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焊接電弧傳感器的研究現(xiàn)狀和對未來的展望焊縫跟蹤是保證焊接質量和焊接自動化的前提，而傳感器是實現(xiàn)這一前提的基礎。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。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傳感器，這類傳感器共同的問題就是傳感器與電弧是分離的，傳感器的檢測點離開電弧有一定的距離，在焊接大弧度的焊縫時會影響跟蹤效果。而電弧傳感器利用焊接過程中的電弧電流波形或電弧電壓波形的變化來獲得電弧中心是否偏離焊縫作為傳感信息，實時性強，跟蹤效果好。電弧傳感器的最大優(yōu)勢在于它的抗弧光、高溫及強磁場能力很強, 同時它與焊接電弧總是統(tǒng)一的整體,結構簡單緊湊，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重視, 國外許多焊接設備研究和制造機構都在努力開發(fā)這一領域。工業(yè)發(fā)達國家的研究起步較早, 已研制出多種電弧掃描形式(如雙絲并列、擺動和旋轉) 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)。許多國家所生產(chǎn)的弧焊機器人上均配有擺動式電弧傳感跟蹤裝置。1 電弧傳感器的分類1.1 擺動掃描式電弧傳感器擺動掃描式電弧傳感器是目前應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裝置，在焊縫的橫向方向來回擺動而實現(xiàn)焊縫跟蹤。用在弧焊機器人上的擺動電弧傳感器不需要擺動裝置，通過機器人手臂帶動焊槍作橫向擺動即可。但受機器人結構因素的影響，機器人的擺動頻率一般在 10Hz 以下，如圖 1a 所示。在高速焊接和焊縫弧度大的情況下，其跟蹤效果會受到影響。M KODAMA 發(fā)明了一種電磁高速擺動電弧傳感器，這種電弧傳感器的兩側分別有永磁鐵和激勵線圈，當激勵線圈通過一定頻率的直流電流時，導電桿便會產(chǎn)生一定頻率的擺動，從而實現(xiàn)焊縫的跟蹤。這種高速擺動的電弧傳感器的擺動頻率一般可在 0～40Hz 之間可調(diào)，擺幅 0～4mm 可調(diào)，最大焊接速度 400mm/秒。其特點是體積小，重量在 1Kg 以下，其結構如圖 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彼此獨立的并列電弧對工件進行施焊，其左右兩焊絲的焊接電流（電壓）差值提供兩個電弧之間的中心線是否偏離焊縫的信息，據(jù)此可實現(xiàn)焊縫跟蹤。根據(jù)兩個電弧參數(shù)和參考值比較的差值也可以實現(xiàn)導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，同時要用兩個參數(shù)相同的獨立回路電源并列進行坡口焊接，焊槍結構較復雜，實現(xiàn)上有一定的困難，所以實用上受到限制。1.3 高速旋轉掃描電弧傳感器這種電弧傳感器以旋轉電弧的方式代替了擺動電弧，其旋轉頻率高達100Hz。二十世紀八十年代，日本 NKK 公司發(fā)明了一種旋轉式電弧傳感器，并應用到窄間隙焊縫中，其原理如圖 2 所示：導電桿作為圓錐的母線，繞圓錐軸線旋轉（公轉） ，而并不繞導電桿自身軸線旋轉（自轉） ，并且在錐頂處運動的幅度很小，這種結構調(diào)節(jié)掃描直徑的方法是調(diào)節(jié)園錐頂角，傳感器需用一級齒輪減速傳動，結構較大，影響了焊炬的可達性。這種技術在 NKK 公司的船舶、鍋爐及結構生產(chǎn)中得以應用，且取得了顯著的成效。韓國的 C-H Kim 制作了一種高速旋轉電弧傳感器，如圖 3 所示，這種傳感器依靠導電嘴的偏心來實現(xiàn)電弧的旋轉運動，導電嘴的偏心度就是電弧的旋轉半徑。雖然它的轉動機構比較簡單、緊湊，但其在高速旋轉時，焊絲在導電嘴中必須以同樣的轉速旋轉，這就加劇了導電嘴的損耗。德國的 U.Dilthey 也在高速旋轉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行了焊縫跟蹤。在我國，從八十年代末期開始，以清華大學潘際鑾院士為首的課題組，在旋轉電弧傳感器方面做了大量的研究工作，并取得了有價值的科研成果。1993年，清華大學博士生廖寶劍在博士生費躍農(nóng)的研究成果的基礎上，研制成功了一種空心軸電機驅動的旋轉掃描傳感器，并獲得了國家專利，如圖 4 所示。這種高速旋轉掃描電弧傳感器采用了空心軸設計，以空心馬達作為原動機，導電桿斜穿過馬達空心軸。在空心軸上端，通過同軸安裝的調(diào)心軸承支撐導電桿，該位置處導電桿偏心量為零，調(diào)心軸承可安裝在電機軸上或機殼上。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，導電桿安裝于軸承內(nèi)孔中。該處導電桿偏心量由內(nèi)外偏心套各自偏心量及內(nèi)偏心套相對外偏心套轉過的角度而決定。當電機轉動時，下調(diào)心軸承將撥動導電桿作為圓錐母線繞電機軸線作公轉，或稱為圓錐擺動。近幾年，南昌大學江西省機器人與焊接自動化重點實驗室在此基礎上對這種高速旋轉掃描電弧傳感器在小型化和減振等方面進行了深入細致的研究，并作了進一步的改進，制作了樣機，樣機安裝在弧焊機器人上成功地進行了實時焊縫跟蹤，圖 5 為安裝在機器人上的空心軸旋轉電弧傳感器。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電弧傳感器的焊接與電弧作擺動或作直線運動時的焊縫成形有明顯的不同，對焊接電弧的不同運動方式下的焊縫成形進行了研究，圖 6 為電弧作三種運動時的焊縫成形比較圖。在電弧旋轉運動方式下，焊縫的寬度較其它兩種運動方式略有增加，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，熔滴受到旋轉離心力的作用而向周圍射向熔池，導致熔池的寬度增加；旋轉電弧的轉動頻率較大，電弧在某點的停留時間縮短，相應地，電弧力對熔池底部的作用時間縮短，熔深減??；由于離心力的作用和電弧作用范圍的擴大，焊縫余高減小。在水平角焊縫焊接中，高速旋轉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而得到改善。對高速旋轉電弧的水平角焊縫成形進行了研究，在水平角焊時，旋轉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。旋轉運動焊時的焊縫在兩邊的熔深都有所增大，且偏向腹板，這是因為電弧的高速旋轉使熱源和電弧力均勻地向四周分散，降低了電弧對熔池根部的沖刷作用，電弧的旋轉還會對熔池產(chǎn)生攪拌力，減弱了熔池金屬的重力作用，圖 7 為直線焊接和旋轉電弧焊接時角焊縫成形對照示意圖。在用旋轉電弧傳感器進行實際焊接時，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，為了避免焊穿，也需要高速焊接。為了研究旋轉電弧傳感器的高速焊接性能，對三種電弧運動方式（即電弧作直線運動、擺動運動和高速旋轉運動）的焊接進行了研究。圖 8 為三種電弧運動方式焊接的焊縫成形示意圖。焊槍在直線運動高速焊時的焊縫成形差，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，電弧對熔池液體金屬的后排作用很強，弧坑很深，又沒有足夠的液體金屬來填滿弧坑兩側，因此形成咬邊。如圖 8a 所示；焊槍在擺動運動高速焊時的焊縫如圖 8b 所示，焊縫呈波浪形，且成形差，咬邊嚴重；圖 8c 是焊槍在旋轉運動高速焊時的焊縫圖，焊縫成形好，無咬邊現(xiàn)象，這是因為電弧的高速旋轉使電弧力對熔池的作用分散，弧坑深度減小，電弧的高速旋轉降低了電弧對熔池液體金屬的后排作用，因而焊縫的成形好。采用高速旋轉電弧焊接機器人進行了高速跟蹤控制的研究，試樣為板厚3.2mm,長 500mm 的波浪形搭接接頭，在焊接電流為 300A、旋轉頻率為 50Hz 時的跟蹤速度達到了 120cm/min。M KODAMA 研制的電磁驅動高速擺動電弧傳感器在焊接電流 530A、擺動頻率 20Hz 時的焊接速度能達到 120cm/min。3 電弧傳感器的數(shù)學物理模型3.1 電弧傳感器的靜態(tài)數(shù)學模型靜態(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，各物理量之間的關系。研究結果表明，對于外特性為緩降特性的電源來說，焊槍高度（H）和電流平均值（I）之間的關系在很大范圍內(nèi)可作為線性系統(tǒng)來處理。在電弧工作基本固定(固定送絲速度和電源外特性) 時，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 即可推算出當前焊炬高度的實際值 H ,然后與給定值進行比較，其差值即為焊炬高度的調(diào)節(jié)量。3.2 電弧傳感器的動態(tài)數(shù)學模型電弧傳感器動態(tài)數(shù)學模型定量地描述了輸入與輸出之間的關系。研究認為：對于具有極好動態(tài)響應的焊接電源，其動態(tài)外特性可視為比例環(huán)節(jié)，其動態(tài)模型為一階模型；當電源外特性為慣性環(huán)節(jié)時，電弧傳感器的動態(tài)模型為二階模型。通過理論和實驗研究，認為在弧焊電源具有較好的動態(tài)品質時，數(shù)學模型是具有一個零點和一個極點的一階系統(tǒng)；而將弧焊電源的動態(tài)特性改變?yōu)橐浑A系統(tǒng)時，數(shù)學模型是具有一個零點和兩個極點的二階系統(tǒng)。通過對細絲埋弧焊電弧傳感器的研究，得到了電弧傳感器的動態(tài)模型，并且為二階模型；電源動態(tài)特性轉折頻率越大，電弧傳感器幅頻特性轉折頻率向高頻段移動。因此，電源動態(tài)品質的優(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)學模型建立了高速旋轉電弧傳感器焊縫成形的數(shù)學模型。選用 4 個主要的焊接規(guī)范參數(shù)，即焊接電壓 U、焊接電流 I、旋轉頻率 K 及旋轉直徑 D?？紤]到各工藝參數(shù)（U、I、K 和 D）的一次項及交互作用對焊縫成形有重要影響，采用一次回歸正交設計，用二水平正交表 L16（215）進行 16 次試驗，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)學模型。該數(shù)學模型的建立為旋轉電弧傳感器焊接工藝參數(shù)的選擇提供了理論基礎。3.4 其它數(shù)學模型韓國的 C－H Kim 對旋轉電弧傳感器的焊絲熔化特點進行了動態(tài)仿真。在忽略輻射的情況下，考慮熱源為高斯熱源，把旋轉電弧傳感器旋轉一圈對熔池的平均熱輸入作為準穩(wěn)態(tài)溫度場的熱輸入，建立了焊槍在恒定焊速下工件的溫度場分布的數(shù)學模型，并模擬了典型的熔池形狀。4 電弧傳感器技術的應用狀況長期以來，許多國內(nèi)外的焊接工作者對電弧傳感器進行了深入細致的研究，并將研究成果應用到實際的生產(chǎn)中。目前，絕大部分的弧焊機器人都安裝了擺動式電弧傳感器，如德國 CLOOS 的 ROMAT 76SW 型機器人和日本松下的 Pana-Robo 型機器人就安裝了擺動式電弧傳感器。旋轉電弧傳感器的應用也越來越普遍，如清華大學研制的旋轉電弧傳感器應用于東風汽車公司的汽車貯氣筒環(huán)縫的自動焊中，韓國的 HAN GIL Autowelding 公司生產(chǎn)的旋轉電弧傳感器可用于弧焊機器人和自動焊中，如圖 9 所示。日本松下的 YA-11KMR51 型弧焊機器人也安裝了旋轉電弧傳感器，如圖 10 所示。5 結束語電弧傳感器作為一種實時傳感的器件與其它類型的傳感器相比，具有結構較簡單、成本低、響應快等特點，是焊接傳感器的一個重要的發(fā)展方向，具有強大的生命力和應用前景。主要應用在兩方面：一方面主要用在弧焊機器人上，另一方面主要用在帶有十字滑塊的自動焊。今后應著重對電弧傳感器三維信息的提取及其焊接工藝性能進行研究。在焊接空間焊縫時，焊槍位姿要隨著焊縫進行調(diào)整，才能得到滿意的焊縫。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，以便于弧焊機器人調(diào)整姿態(tài)進行全位置焊接。通過焊接科技工作者的努力，其智能跟蹤能力將會更強。