基于復(fù)合傳感器的船舶焊接全過程自動化實(shí)現(xiàn)

彭奇平

（舟山技師學(xué)院，浙江 舟山 316012）

0 引 言

造船業(yè)對所有的海上事業(yè)都具有重要的意義，船舶焊接對于造船業(yè)很重要，著眼最近幾年，全自動智能化的船舶全過程焊接正在飛速發(fā)展。自動焊接的發(fā)展方向以自動化的裝配步驟，外加對于焊接質(zhì)量的自動監(jiān)控，以及全自動化的焊接設(shè)備為主。依照當(dāng)今社會的進(jìn)步程度，船舶質(zhì)量的要求也在逐漸提高，因?yàn)椴荒軡M足船舶制造的進(jìn)度，傳統(tǒng)的焊接技術(shù)已經(jīng)被逐漸淘汰。我國已經(jīng)開發(fā)了自己的焊接生產(chǎn)線和不同數(shù)量的焊接設(shè)備，從國外進(jìn)口了一些設(shè)備用來輔助制造，從各方面的表現(xiàn)可以看出，目前國內(nèi)的船舶焊接技術(shù)與理想的水平狀態(tài)還有一段距離。在工業(yè)生產(chǎn)中，自動焊接技術(shù)不僅應(yīng)用于機(jī)械制造，在其他的領(lǐng)域之內(nèi)也得到了廣泛的應(yīng)用，比如鐵路運(yùn)輸和石油化工等。焊接的質(zhì)量需要嚴(yán)格管理，這是生產(chǎn)中的重要條件。焊接技術(shù)為了能夠更加嚴(yán)謹(jǐn)，也做出了很大的變化，為了適應(yīng)制造從最初始的加工技術(shù)逐漸進(jìn)步為自動化加工。想要將我國的機(jī)械工業(yè)提高層次，減小與國外在制造業(yè)上的差距，就必須在工業(yè)制造中融入全過程自動化的焊接技術(shù)，將復(fù)合傳感器作為技術(shù)支持的一部分。船舶焊接中了解各部件的詳情很重要，裝配的間隙是否存在誤差，幾何形狀的部件是否有形狀偏差，在焊接過程中部件是否因?yàn)槭軣岫冃?，這就使得復(fù)合傳感器起到了很大的作用。目前，基于復(fù)合傳感器的自動焊接技術(shù)在船舶制造中得到了廣泛的關(guān)注，提高自動焊接技術(shù)水平可以增強(qiáng)自動焊接技術(shù)在船舶制造中的重要性。

1 基于電弧傳感器的船舶焊縫自動跟蹤

造船是一項(xiàng)大型工程，其焊接工藝非常復(fù)雜，需要許多設(shè)備一起操作，相互結(jié)合才能完成。想要實(shí)現(xiàn)船舶焊接的全過程自動化，有很關(guān)鍵的兩個要素，第一是焊縫跟蹤，第二是實(shí)時測控焊接的質(zhì)量。保證船舶焊接質(zhì)量是焊縫跟蹤的基本需求，能夠?qū)崿F(xiàn)對焊縫的全過程自動跟蹤檢測，是船舶焊接技術(shù)想要提高的首要解決問題。

跟蹤過程中少不了傳感器的加入，電弧傳感器以電弧本身作為傳感器主體，對焊接過程中的電流以及電壓做出提取，依照焊接電弧的基本屬性將提取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行變化，以此來作為傳感器收集到的信號。擺動電弧傳感器由于機(jī)制的局限性，掃描頻率通常低于5 赫茲，使靈敏度降低，利用電弧式傳感器進(jìn)行焊縫跟蹤的主要注意事項(xiàng)是考慮弧長變化對跟蹤結(jié)果的影響。同時，流動或填滿的液態(tài)金屬焊接坡口識別也給船舶焊接自動化帶來障礙，圖1為由于焊槍導(dǎo)電噴嘴與工件表面距離的變化而改變焊接參數(shù)的過程。

圖1 弧長變化對工作點(diǎn)的影響

觀察外測電源和平面之間的關(guān)系尋找其屬性特點(diǎn)，以相等的送絲速度進(jìn)行調(diào)節(jié)時，弧長變化對工作點(diǎn)的影響如上圖1中所示，電弧傳感器在靜態(tài)時所呈現(xiàn)的屬性曲線用來表示，描述電源外側(cè)的特性曲線用E 來表示，等熔曲線用C來表示。在相對穩(wěn)定的焊接狀態(tài)下，設(shè)置電弧的工作點(diǎn)位于A的位置上，電弧的弧長為，在送絲時的伸長變化要看實(shí)際焊接過程中的變化情況；平等融化曲線與以上兩個數(shù)據(jù)相對應(yīng)，用來表示等熔曲線。當(dāng)工件表面與焊槍之間的步長發(fā)生變化時，若補(bǔ)償增加到，電弧長度就會被拉長為1。這個時候的伸長并不存在時間上的改變，在新的工作點(diǎn)上，電弧開始進(jìn)行燃燒，然后過程中電流出現(xiàn)變化，數(shù)值也變化為1。電弧傳感器這個時候就會觸發(fā)自我調(diào)節(jié)裝置，在經(jīng)過一定量的調(diào)節(jié)之后，電弧在新的工作點(diǎn)A上較為穩(wěn)定，弧長用表示，對應(yīng)的等熔曲線為，對應(yīng)的電流為；由此可以看出，電弧的伸長率和弧長一起增長，比原來的數(shù)值要更大一些。

弧長變化對工作點(diǎn)的影響中涵蓋了兩個狀態(tài)變化過程，△I代表了動態(tài)變化的調(diào)整過程，△I是穩(wěn)定點(diǎn)在建立新的點(diǎn)位之后所保持的靜態(tài)變化。之所以會產(chǎn)生動態(tài)的變化，一般情況下是因?yàn)楹附z在熔化的時候速度受限，焊槍高度的突發(fā)性變化會讓焊絲難以適應(yīng)，而電弧傳感器的自適應(yīng)調(diào)節(jié)會帶來靜態(tài)變化的屬性特征。想要得知焊槍焊點(diǎn)的具體位置，就需要在電弧傳感器信號中進(jìn)行審視，船舶焊縫的左、右、高、低偏差信息尤為重要，這些數(shù)據(jù)是焊縫在實(shí)際校正中不可缺少的一部分。對焊縫進(jìn)行識別時，需要采用積分差的計算方法消波，屏蔽船舶焊接中電流噪聲。電弧傳感器的識別裝置，深入研究電弧傳感器信息的輸入與輸出，使信息空間交換，利用特征諧波法來識別其凹槽，在數(shù)字濾波技術(shù)中二次曲線擬合處理電弧傳感器信息，將焊接電流信號擬合成信號值成反比的曲線；改變擺動的方向使曲線擬合焊接電流信號作為焊縫跟蹤信號，實(shí)現(xiàn)船舶焊接控制下的焊縫自動跟蹤。

2 基于復(fù)合傳感器的焊縫識別方法

2.1 用于船舶焊接的復(fù)合傳感器設(shè)計

在整個船舶焊接識別中，傳感器是一個重要環(huán)節(jié)，本文的復(fù)合傳感器包含了電弧傳感器和附加式傳感器，具體如下圖2所示。

圖2 傳感器種類

根據(jù)圖2剖析最適合的船舶微開關(guān)改為精密位移傳感器，也就是一種精密船舶電位計，傳感器上傳的信號存在實(shí)時連續(xù)偏差且相對平滑，有效克服動作的限值。在傳感器中安裝兩個精密正交電位器，采用同一種探頭驅(qū)動感知凹槽坐標(biāo)，使得傳感器輸出的信號為兩個電平值，接觸式傳感器的數(shù)學(xué)模型可以描述為公式（1）：

式中，為探頭外伸長度，為探頭內(nèi)縮長度，為系統(tǒng)比例常數(shù)；為電源標(biāo)準(zhǔn)電壓。由于設(shè)備或電池組件的安裝，有一個傳感器坐標(biāo)相近的現(xiàn)象，即傳感器組件必須安裝在焊炬L 多頭部位，因此，要考慮前槍L 和區(qū)別當(dāng)前點(diǎn)的坐標(biāo)將丟失。

2.2 焊縫實(shí)時識別模塊

焊縫實(shí)時識別模塊的基本原理和思路由傳感器、控制器和執(zhí)行器三部分組成。其中傳感器負(fù)責(zé)處理和收集傳感器信號，對信號進(jìn)行采樣，隨后放大和存儲數(shù)值，對信號進(jìn)行運(yùn)算記錄。焊縫實(shí)時自動識別協(xié)調(diào)超前處理，保證真實(shí)的識別模式；對焊接過程中出現(xiàn)的干擾進(jìn)行降低，確保裝置的識別無誤，執(zhí)行驅(qū)動之后對焊接過程進(jìn)行實(shí)時的跟蹤檢測。為了提高整個焊接自動化設(shè)計的穩(wěn)定性和抗干擾性能，做出的雙向坐標(biāo)信號從傳感器發(fā)出之后，一定要被放大才能進(jìn)入被隔離的模擬電路之中。進(jìn)行傳感器信號的采樣，將初始信號AD 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和計算就可以在REM 中儲存，這樣就完成了坐標(biāo)值的采樣過程。由于使用了REM數(shù)據(jù)存儲解決檢測坐標(biāo)，安裝完系統(tǒng)后無論探頭尺寸大小，只要容量足夠就可以確定距離，無論何時焊炬電弧以及焊接速度的如何，焊縫的坐標(biāo)都會被記住。在探頭的初始檢測位按下起弧開關(guān)，同時檢測位坐標(biāo)剛好為最合適的距離點(diǎn)。

3 基于復(fù)合傳感器的船舶焊接全過程自動化控制設(shè)計

3.1 參數(shù)測控

船舶焊接的全過程自動化實(shí)現(xiàn)可以自主選擇焊接材料并預(yù)置焊接。電流是一個經(jīng)常需要在工業(yè)場所進(jìn)行調(diào)整的物理量，在電弧焊接過程中電站輸出的電壓波動及送絲速度變化都會對焊接電流測控產(chǎn)生干擾。基于復(fù)合傳感器的船舶焊接很難建立準(zhǔn)確的模型，需要在控制實(shí)現(xiàn)焊接時采用必要的算法，對模型實(shí)現(xiàn)最優(yōu)功能控制。由于焊接過程中的控制管理需要高度集中，所以也存在著一定的危險，傳感器需要采用運(yùn)行速度快、精度高、抗干擾能力強(qiáng)的工控機(jī)。其負(fù)責(zé)存儲各種數(shù)據(jù)信息，負(fù)責(zé)歸檔各個接頭焊接的參數(shù)數(shù)值。PID 調(diào)節(jié)器具有良好的控制效果，是一種較為優(yōu)質(zhì)的線性調(diào)節(jié)器。它包括比例（P）、積分（I）和微分（D）三個步驟，該調(diào)節(jié)器技術(shù)成熟廣為熟知，不依靠過于煩瑣的數(shù)學(xué)模型就可以很好地進(jìn)行控制，PID 的基本算法如式（2）所示:

式中，T為積分時間，為微分時間，為比例系數(shù)，為e=0 時的控制常量。在具體控制焊接電流時，應(yīng)采取具體措施提高PID 調(diào)節(jié)周期的綜合性能。針對電流信號的特點(diǎn)，應(yīng)采用IP 調(diào)節(jié)。在調(diào)整的過程中，只要不消除系統(tǒng)的偏差，整體效果就會不斷增加，最后微電腦的輸出會在兩個極端中發(fā)展，通過使執(zhí)行器隨每次的增加和減少而固定要控制的步長。在該模式下，通過增加第一個控制周期的控制量，使系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度逐漸接近給定值，從而提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，這樣就可以按照具體的條件和要求，在一定程度下靈活選擇合適的控制方式快速對應(yīng)船舶焊接電流。

3.2 自動化焊接流程

基于復(fù)合傳感器的船舶焊接全過程自動化生產(chǎn)線根據(jù)工件結(jié)構(gòu)及流程分步進(jìn)行設(shè)計，其構(gòu)成及布局如圖3所示。

圖3 自動化焊接流程圖

船舶焊接上料工位主要由軌道車、送料門及抓取、轉(zhuǎn)彎裝置和拼裝臺組成。點(diǎn)焊位主要由點(diǎn)焊平臺、焊接切割龍門架裝置、龍門傳動裝置、焊接頭、焊接位置檢測、控制系統(tǒng)、焊接除塵裝置、焊接保護(hù)裝置等組成。點(diǎn)焊平臺壓緊壓平部件，對點(diǎn)焊步驟進(jìn)行操作，點(diǎn)焊位焊接切割龍門架設(shè)置直線導(dǎo)軌，可沿地面導(dǎo)軌移動，采用齒輪齒條傳動焊接升降。電弧傳感器焊接裝置為兩個輸出光學(xué)分裂系統(tǒng)，一個用于焊接點(diǎn)焊，另一個用于切割；該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)焊焊接和切割的自動控制。焊接切割時的粉塵應(yīng)由真空裝置清除，并設(shè)置相應(yīng)的防護(hù)柵欄等安全防護(hù)裝置。焊接位檢測裝置主要由焊接平臺和工件矯直裝置組成。切割位由切割頭、切割平臺、切割頭配升降機(jī)械臂、切割平臺配垂直和水平定位、縱向?qū)?、鍵盤式壓緊裝置組成，還需要設(shè)置渣箱和切割粉塵處理裝置，工件可以實(shí)現(xiàn)動力傳輸。卸車工位由卸車架、抓斗和軌道車組成，將焊接好的部件送到軌道車，采用海綿吊帶的形式將焊接工件回轉(zhuǎn)到特定位置。

4 實(shí)例實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

使用船焊接調(diào)整機(jī)制基于復(fù)合傳感器設(shè)計，這艘船是在曲線上進(jìn)行焊接焊縫的三維空間z 字形彎曲板，板的彎曲角是250°，實(shí)際的焊縫高低彎曲角是180°，在焊接跟蹤實(shí)驗(yàn)中，焊接跟蹤過程中左右、高低方向誤差信號的輸出波形相差不大，實(shí)際焊縫的雙向自動跟蹤在整個焊接過程中處于良好的跟蹤狀態(tài)。焊接參數(shù)為板厚=2 mm，焊絲=1.2 mm，電流=120 A，電壓=20 V，焊接速度=500 mm/min。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照以上的設(shè)計步驟，結(jié)合基于復(fù)合傳感器的船舶焊接全過程自動化實(shí)現(xiàn)技術(shù)，先確定薄板對接焊縫的示意圖，以此來提高焊縫質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)焊接全過程的自動化技術(shù)，圖4是I 型薄板對接焊縫的示意圖。

圖4 I 型對接焊縫及搭接對接焊縫示意圖

根據(jù)以上搭接方式，整個焊接過程的跟蹤狀態(tài)較為穩(wěn)定，焊接跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果具體數(shù)值如表1所示。

表1 搭縫焊接跟蹤結(jié)果

從以上跟蹤數(shù)據(jù)表可以看出，本文的設(shè)計方法已經(jīng)應(yīng)用于2.0 mm+2.0 mm 和1.5 mm+ 1.5 mm 的薄板搭焊，跟蹤數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的?；趶?fù)合傳感器實(shí)現(xiàn)船舶焊接自動化主要有兩個問題，焊縫跟蹤和焊接質(zhì)量控制，結(jié)果表明跟蹤效果好，焊接成型較為美觀，搭接焊縫完美融合，焊接的質(zhì)量得以保證。焊接組裝點(diǎn)的定點(diǎn)位置標(biāo)明適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)位，表明傳感器對不均勻點(diǎn)等方法進(jìn)行濾波，焊縫跟蹤過程記錄由于在基于復(fù)合傳感器的焊接跟蹤中，焊炬對焊縫的運(yùn)動和在離開焊縫時的運(yùn)動是不同的。焊炬首先向坡口移動，之后再離開焊縫，這反映在變化上有些許變動，其中點(diǎn)固點(diǎn)的影響會有較大的增加。自動焊接技術(shù)采用全過程自適應(yīng)控制，采用先進(jìn)的傳感技術(shù)，可以在實(shí)際造船中實(shí)現(xiàn)智能焊接，在過程中不斷調(diào)整使參數(shù)更優(yōu)化，使船舶焊接更精確。

5 結(jié) 論

船舶制造依賴于焊接技術(shù)，焊接技術(shù)的精度在船舶生產(chǎn)中起著重要的作用，為此本文提出了基于復(fù)合傳感器的船舶焊接全過程自動化方法，利用電弧式傳感器實(shí)現(xiàn)船舶焊接焊縫的跟蹤；通過設(shè)計電弧傳感器和附加傳感器，融合二者為復(fù)合傳感器，根據(jù)參數(shù)控制自動化焊接流程，最終達(dá)到船舶焊接的全過程自動化實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)所設(shè)計的方法搭縫焊接跟蹤結(jié)果較為準(zhǔn)確，可在一定程度上保證焊接質(zhì)量。希望通過基于復(fù)合傳感器的船舶焊接自動化實(shí)現(xiàn)的研究與應(yīng)用，為船舶自動焊接技術(shù)的研究與發(fā)展提供良好的基礎(chǔ)，為船舶企業(yè)創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。