基于電流波形特征的旋轉(zhuǎn)電弧焊縫跟蹤系統(tǒng)

鐘少濤

基于電流波形特征的旋轉(zhuǎn)電弧焊縫跟蹤系統(tǒng)

鐘少濤

（廣東福維德焊接股份有限公司）

搭建基于旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的焊縫跟蹤系統(tǒng)并進(jìn)行電流波形特征分析。首先研究電弧旋轉(zhuǎn)頻率、焊接高度、坡口角度與焊接電流波形特征之間的關(guān)系，獲得最佳焊接參數(shù)；然后探究焊接過程中焊接偏差和焊接軌跡轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)電流波形的影響，得出在焊接偏差和軌跡拐點(diǎn)處相對(duì)應(yīng)的電流波形特征；最后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)電弧焊縫跟蹤試驗(yàn)。結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)電弧焊縫跟蹤系統(tǒng)具有良好的跟蹤效果。

旋轉(zhuǎn)電弧；焊縫跟蹤；電流波形

0　引言

焊接是現(xiàn)代制造業(yè)必不可少的加工手段[1]?，F(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展使焊接自動(dòng)化成為發(fā)展趨勢(shì)，而焊縫跟蹤則是實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化的必要前提[2]。

對(duì)于接觸式傳感器和光學(xué)傳感器等焊縫跟蹤傳感器，其檢測(cè)點(diǎn)比焊接電弧有一定的提前量，嚴(yán)重影響大弧度焊縫的跟蹤精度[3-4]。電弧傳感器直接使用焊接電流信號(hào)進(jìn)行焊縫跟蹤，抗弧光、高溫及強(qiáng)磁場(chǎng)的能力較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)緊湊、成本較低，是目前最有效的焊縫跟蹤方法之一[5-7]。擺動(dòng)電弧傳感器利用擺動(dòng)時(shí)的電流差獲得電弧軸線與焊縫的偏離信息[8-9]，由于頻率限制，不適合高速焊。高速旋轉(zhuǎn)電弧傳感器靈敏度高、、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、響應(yīng)快。通過旋轉(zhuǎn)電弧傳感器采集焊接電流信號(hào)后，由計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤。目前，傳統(tǒng)的焊縫偏差識(shí)別方法主要有直接測(cè)位法[10]、極值差值法[11]、左右區(qū)域積分差值法[12]和頻譜法等[13]。然而，由于焊接參數(shù)設(shè)定往往存在盲目性，上述方法的相關(guān)參數(shù)通常需要大量的試驗(yàn)來確定。

本文搭建一個(gè)旋轉(zhuǎn)電弧傳感焊縫跟蹤系統(tǒng)。首先使用不同的焊接參數(shù)進(jìn)行焊接試驗(yàn)，探究不同焊接參數(shù)對(duì)電流波形特征的影響；然后進(jìn)行焊縫跟蹤試驗(yàn)，研究焊接偏差、焊接軌跡走向?qū)﹄娏鞑ㄐ翁卣鞯挠绊?；最后確定最佳焊接參數(shù)和焊縫跟蹤策略，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)電弧焊縫跟蹤試驗(yàn)。

1　旋轉(zhuǎn)電弧焊縫跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)電弧焊縫跟蹤系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由工控機(jī)、機(jī)器人路徑糾偏系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)電弧傳感系統(tǒng)3部分組成。旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的軸為空心軸，軸心鉆有直徑2 mm的孔，焊絲從軸的上端穿入，由軸下端安裝的導(dǎo)電嘴中穿出。這樣，旋轉(zhuǎn)電弧傳感器同時(shí)也是一個(gè)焊槍，并與機(jī)械臂末端工具端固聯(lián)在一起，焊槍（即旋轉(zhuǎn)電弧傳感器）運(yùn)動(dòng)的方向、位移和速度均隨機(jī)械臂的改變而改變。在焊縫跟蹤過程中，旋轉(zhuǎn)電弧傳感器電弧掃描坡口；同時(shí)霍爾電流傳感器和NI USB6221數(shù)據(jù)采集卡采集電流信號(hào)；工控機(jī)處理采集的數(shù)據(jù)，獲得當(dāng)前和方向的焊縫偏差，并將偏差信息發(fā)送給弧焊機(jī)器人控制器；弧焊機(jī)器人據(jù)此糾正焊槍下一步的位置，從而控制焊槍跟蹤待焊焊縫位置。

圖1　旋轉(zhuǎn)電弧焊縫跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　焊接參數(shù)選擇

對(duì)焊接電流信號(hào)波形特征進(jìn)行分析，研究電弧傳感器旋轉(zhuǎn)頻率、焊接高度和坡口角度對(duì)焊接電流波形特征的影響，為實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤提供依據(jù)。

本系統(tǒng)采用MIG焊，保護(hù)氣體80%Ar+ 20%CO2；焊接速度由弧焊機(jī)器人控制；采用NB-500直流焊機(jī)，焊絲采用Lincoln氣體保護(hù)藥芯焊絲，直徑為1.6 mm。

2.1　電弧旋轉(zhuǎn)頻率

由圖2可見，隨著旋轉(zhuǎn)頻率增大，焊接電流波形越來越光滑，同時(shí)焊接電流平均值下降。電流波形光滑意味著傳感器的靈敏度增大，跟蹤精度也會(huì)提高，這是由于高速旋轉(zhuǎn)的電弧弧長(zhǎng)變化更快，從而引起焊接電流變化迅速。電流平均值下降是因?yàn)樵诟蟮碾x心力作用下，旋轉(zhuǎn)的熔滴更容易脫離焊絲，導(dǎo)致同樣多的焊絲熔化金屬轉(zhuǎn)移到工件上所需要的電弧熱下降。但過快的旋轉(zhuǎn)速度會(huì)使熔滴的離心力增大，容易引起較多飛濺。前期試驗(yàn)結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)頻率為25 Hz時(shí)焊接效果最佳。

圖2(a)12.5 Hz

圖2(b)19 Hz

圖2　不同電弧旋轉(zhuǎn)頻率下的電流波形

2.2　焊接高度

由圖3可見，隨著焊接高度的增加，焊接電流值變小。焊炬高度過低，易燒壞焊嘴；焊炬高度過高，旋轉(zhuǎn)焊嘴時(shí)，易引起熔滴飛濺，焊縫成形質(zhì)量不好。因此，焊炬高度取值通常在18 mm～25 mm之間。

圖3(a)　焊接高度=15 mm

2.3　坡口角度

對(duì)坡口角度分別為60°，90°和120°的對(duì)接V型坡口工件進(jìn)行對(duì)中焊接試驗(yàn)。焊接電流為265 A，旋轉(zhuǎn)頻率為25 Hz，焊接速度為36 cm/min，送絲速度為9 m/min，采樣頻率為10 kHz，焊接高度為22 mm，結(jié)果如圖4所示。

圖4(a)　

由圖4可知，隨著坡口角度的減小，焊接電流在一個(gè)周期中的平均值出現(xiàn)明顯上升，如圖4(b)中的電流均值比圖4(c)增加了約20 A。隨著坡口角度的減小，焊接電流在一個(gè)周期中的峰值出現(xiàn)明顯上升，如圖4(c)中一個(gè)周期中的電流峰值大都在270 A左右，而圖4(a)中一個(gè)周期中的電流峰值大都在300 A左右。但在實(shí)際焊接中，坡口角度過大，易使試板焊穿。坡口角度過小，易使焊嘴超出坡口，引起焊接失敗?？偠灾驴诮嵌葧?huì)影響焊接電流的均值水平、峰值水平和電流波形的左右“肩部”特征。坡口角度減小，會(huì)引起焊接電流均值和峰值的上升，否則相反。在旋轉(zhuǎn)半徑為3 mm時(shí)，坡口角度一般約為90°。

3　焊縫跟蹤過程電流特性分析

3.1　焊接偏差電流特性

設(shè)工件開90°坡口，焊接高度15 mm，旋轉(zhuǎn)頻率20 Hz，送絲速度9 m/min，焊接速度36 cm/min。將旋轉(zhuǎn)焊炬沿焊接方向的左右兩邊各作一定量的偏差進(jìn)行焊接試驗(yàn)，偏差值分別設(shè)定為1.0 mm，2.0 mm和3.0 mm。觀察焊接電流波形變化情況如圖5所示。

圖5 (a)　左偏1.0 mm

圖5 (b)　右偏1.0 mm

圖5 (c)　左偏2.0 mm

圖5 (d)　右偏2.0 mm

圖5　不同偏差時(shí)的電流波形

分別對(duì)圖5的右偏電流波形用積分差值法進(jìn)行偏差計(jì)算，將計(jì)算的偏差量與采樣序列（每10個(gè)周期對(duì)應(yīng)一個(gè)采樣序列）對(duì)應(yīng)起來，得到如圖6所示圖形。

圖6 (a)　右偏1.0 mm的偏差分析

圖6　右偏偏差量分析

由圖6可知，當(dāng)偏差量較小時(shí)，按照積分差值法求得的偏差值波動(dòng)較小，偏差識(shí)別精確度高，能較好地反映實(shí)際偏差量，用于焊縫自動(dòng)跟蹤具有較好精確度。因此，應(yīng)盡量在偏差量較小時(shí)進(jìn)行糾偏，才能保證較高的精確度。

3.2　焊接軌跡轉(zhuǎn)折處的電流特性

在實(shí)際生產(chǎn)中往往出現(xiàn)折線狀焊縫軌跡的情況。為研究波形在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的變化特征，選用如圖7所示的折線焊縫工件進(jìn)行焊接試驗(yàn)，以研究當(dāng)焊炬經(jīng)過轉(zhuǎn)折點(diǎn)處時(shí)，焊接電流波形的變化。

讓弧焊機(jī)器人從起點(diǎn)到轉(zhuǎn)折點(diǎn)和從轉(zhuǎn)折點(diǎn)到終點(diǎn)分別偏離坡口中心線不同的偏差來進(jìn)行直線焊接，觀察在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的波形變化特征。從左向右焊接，在第一段焊接時(shí)左偏1.5 mm，在過轉(zhuǎn)折點(diǎn)后的第二段焊接時(shí)右偏1.5 mm，焊接過程中采集的電流波形如圖8所示。

圖7　折線焊縫試驗(yàn)結(jié)果

圖8　折線焊接的電流波形

由圖8可見，電流波形左偏時(shí)的波形特征為左高右低，而在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的電流波形呈現(xiàn)為均衡雙峰特征；而右偏時(shí)，電流波形特征轉(zhuǎn)變?yōu)樽蟮陀腋?。因此，均衡雙峰特征就是折線焊縫轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的電流波形特征，對(duì)于焊縫偏差檢測(cè)以及焊縫跟蹤過程，可以此作為判斷是否到達(dá)焊縫轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的依據(jù)。

4　跟蹤試驗(yàn)

為驗(yàn)證該旋轉(zhuǎn)電弧焊縫跟蹤系統(tǒng)的性能，用具有直線V形坡口的鋼板進(jìn)行焊接試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用Q235鋼板，開90°V形坡口。焊接參數(shù)如表1所示。

表1　焊接參數(shù)

弧焊機(jī)器人的折線跟蹤運(yùn)動(dòng)路線示意圖如圖9所示。弧焊機(jī)器人首先從任意初始位置運(yùn)動(dòng)到P10點(diǎn)，即進(jìn)入焊縫的起點(diǎn)位置，這時(shí)啟動(dòng)送絲機(jī)送絲并開始焊接，在P10到P20點(diǎn)之間20 mm的距離內(nèi)設(shè)定弧焊機(jī)器人作直線運(yùn)動(dòng)，形成穩(wěn)定的焊接過程；然后在P20到P30點(diǎn)之間弧焊機(jī)器人作路徑跟蹤運(yùn)動(dòng)，并不斷地讀取串口發(fā)送的偏差數(shù)據(jù)，據(jù)此進(jìn)行路徑糾偏，實(shí)現(xiàn)焊縫自動(dòng)跟蹤。

圖9　機(jī)器人的折線跟蹤路線

試驗(yàn)過程中，通過數(shù)據(jù)采集卡采集的焊縫跟蹤時(shí)的電流波形如圖10所示。

圖10　焊縫自動(dòng)跟蹤時(shí)的焊接電流波形

由圖10可見，坡口跟蹤時(shí)的電流波形呈現(xiàn)對(duì)稱的單峰波形特征，表示焊槍焊接時(shí)基本處于對(duì)中狀況。從前述直線坡口、折線坡口的跟蹤試驗(yàn)結(jié)果和采集的電流波形圖的分析可知，本系統(tǒng)的跟蹤效果較好，基本能夠滿足工程應(yīng)用需要。

5　結(jié)論

本文搭建了旋轉(zhuǎn)電弧傳感焊縫跟蹤系統(tǒng)，對(duì)不同焊接參數(shù)下的電流波形特征進(jìn)行分析；研究了旋轉(zhuǎn)頻率、焊接高度和坡口角度等參數(shù)對(duì)電流波形特征的影響，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了焊縫跟蹤效果。主要結(jié)論如下：

1）電弧旋轉(zhuǎn)頻率、焊接高度和坡口角度對(duì)焊接電流波形均有很大影響，同時(shí)獲得了最佳的焊接參數(shù)值；

2）分析不同焊接偏差下的電流波形變化規(guī)律，偏差越小，識(shí)別精度越高；

3）對(duì)折線焊縫轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的電流波形特征進(jìn)行分析，均衡雙峰特征可作為判斷是否到達(dá)焊縫轉(zhuǎn)折處的依據(jù)。

[1] 楊春利,林三寶.電弧焊基礎(chǔ)[M].哈爾濱:爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[2] 陳善本,吳林.焊接過程現(xiàn)代控制技術(shù)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2001.

[3] 吳紅杰,齊鉑金,吳鑫.四柱式焊縫跟蹤渦流傳感器及其應(yīng)用[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2001,27(5):600-603.

[4] 尹懿,洪波,黃俊,等.用于焊縫跟蹤的光電傳感器[J].儀表技術(shù)與傳感器,2005,30(11):6-8,12.

[5] 吳敏生,陳武柱,何方殿,等.用于焊縫跟蹤的調(diào)制式紅外光學(xué)傳感器[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1990,30(2):31-36.

[6] 何景山,楊春利,林三寶,等.埋弧焊圖像法焊縫自動(dòng)跟蹤傳感系統(tǒng)[J].焊接,1999,42(9):16-19.

[7] 李國(guó)進(jìn),王國(guó)榮,鐘繼光,等.水下焊縫自動(dòng)跟蹤路徑的識(shí)別[J]. 焊接學(xué)報(bào),2005,26(3):58-62.

[8] 潘際鑾.現(xiàn)代弧焊控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[9] 王其隆.弧焊過程質(zhì)量實(shí)時(shí)傳感與控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[10] 熊震宇,張華,賈劍平,等.旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的研制[J].儀表技術(shù)與傳感器,2003,28(7):1-3.

[11] 廖寶劍,吳世德,潘際鑾.電弧傳感器理論模型及信息處理[J].焊接學(xué)報(bào),1996,17(4):263-271.

[12] 吳世德,廖寶劍,潘際鑾.高速旋轉(zhuǎn)電弧傳感器[J].焊接學(xué)報(bào), 1997,18(1):61-66.

[13] 賈劍平,張華,潘際鑾,等.用于弧焊機(jī)器人焊縫糾偏的高速旋轉(zhuǎn)掃描電弧傳感器[J].南昌航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),1999,13 (2):6-11.

[14] Kenji O , Masaaki Y , Akita K, et al. Sensor fusion using neural network in the robotic welding[C]. Proceedings of the 1995 IEEE Industry Applications Conference Thirtieth IAS Annual Meeting, 1995, 1764-1768.

[15] Jia J P, Zhang H, Xiong Z Y. A fuzzy tracking control for arc welding robot based on rotating arc sensor[C]. Proceedings of the 2006 IEEE International Conference on information Acquisition, 2006, 967-971.

[16] 余鋒,熊震宇,張華.弧焊機(jī)器人旋轉(zhuǎn)電弧傳感實(shí)時(shí)焊縫糾偏系統(tǒng)的開發(fā)[J].南昌航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2000,14(4):32-35.

Rotary Arc Weld Seam Tracking System Based on Current Waveform Characteristics

Zhong Shaotao

(Guangdong Foreweld Company Limited)

A weld tracking system based on rotating arc sensor is built and the current waveform are analysed. The relationship between the arc rotation frequency, the welding height (CTWD), the groove angle and the welding current waveform is obtained. Then the suitable welding parameters are obtained. Besides, the influence of welding deviation and welding trajectory on the current waveform during the welding process is studied. The current waveform corresponding at the welding deviation and the inflection point of the trajectory are obtained. Finally, the rotating arc welding seam tracking experiments is performed and the results show that the rotating arc weld seam tracking system works well.

Rotating Arc; Seam Tracking; Current Waveform

鐘少濤，男，1968年生，工程師，主要研究方向：自動(dòng)化焊接設(shè)備。Email: shaotaozhong@163.com.