传感器在焊接过程中的应用

传感器在焊缝跟踪过程中的应用

引言

我们这学期学习了《传感器与检测技术》。了解到了传感器在现代生产生活中起着越来越重要的作用，同时在焊接过程中也越来越受到重视。现在的焊接要求精确化，智能化，自动化，在这些要求中往往离不开一个重要的技术~~传感器技术，本文我们就来研究传感器在焊接过程中的应用。

一、传感器

根据国家标准GB7665-87，传感器定义为：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件装置。传感器作为检测工具，要求检测研究对象的物理或化学的信息，其工作过程要求稳定、可靠、精度高，所以对传感器有以下几个要求：

（1）适应恶劣环境能力强

传感器一般工作环境十分广，从极寒至酷热地区，许多在露天环境下工作，能抗飞沙走石、灰尘，还应耐潮湿，较高的抗盐类腐蚀、酸性腐蚀的能力，有抗污染气体干扰的能力，能适应在高温、极寒、强烈振动、冲击以及在其他条件下正常工作的能力，还应抗噪声能力强，信噪比高。

（2）价格适中，适于大批量生产

要求传感器一致性好，适宜自动化批量生产，对加工设备有较高要求，以便排除人工操作带来的不一致性和失误。

（3）稳定性和可靠性高

传感器是一种高精度检测仪器，在军事、航空、航天中应用都有严格要求，产品都须经过严格测试才能应用。所以传感器生产是一种高新技术的具体运用和体现。一种传感器是否有较高的技术附加值体现在所包含的技术含量和加工工艺的技术是否高新。

有部分传感器由于其应用环境的状况需金属封装，一般采用焊接密封，如压力传感器、力传感器、霍尔传感器、光电传感器、温度传感器等，这类传感器内部有敏感元件和集成电路，充惰性气体或抽真空与外界隔绝，有耐压、气密性要求，另有焊接强度要求和漏气率要求，对焊接质量要求高，而且焊接过程中要求变形小，不能对内部元件和微电路有损坏。目前传感器密封焊接有电阻焊、钨极氩弧焊、等离子弧焊、电子束焊和激光焊。

所谓焊缝跟踪,即以焊炬为被控对象,电弧（焊炬）相对于焊缝中心位置的偏差作为被调量,通过视觉传感、接触传感、超声波传感、电弧传感等多种传感测量手段,控制焊炬使其在整个焊接过程中始终与焊缝对口。其中接触式传感是依靠在坡口中滚动或滑动的触指将焊枪与焊缝之间的位置偏差反映到检测器内，并利用检测器内装的微动开关判断偏差的极性，其结构简单、操作方便、不受电弧烟尘和飞溅的影响，但是对不同形式的坡口需用不同探头，磨损大，易变形，点固点障碍难以克服。超声波传感是利用发射出的超声波在金属内传播时在界面产生发射原理制成的，是一种比较先进的焊缝跟踪传感器，应用在跟踪系统中，跟踪的实时性好。但是由于传感器要贴近工件，不可避免地会受到焊接方法和工件尺寸等的严格限制。另外需要考虑外界震动、传播时间等因素，对金属表面状况要求高，其应用范围也就受到限制。视觉传感具有提供信息量丰富，灵敏度和测量精度高，抗电磁场干扰能力强，与工件无接触的优点。但是算法复杂，处理速度慢。

随着电弧传感技术的发展，焊缝跟踪引入了电弧传感技术，电弧传感器作为一种实时传

感的器件与其它类型的传感器相比，具有结构较简单、成本低和响应快等特点，是焊接传感器的一个重要的发展方向，具有强大的生命力和应用前景主要应用在两方面：一方面主要用在弧焊机器人上，另一方面主要用在带有十字滑块的自动焊上。本文对国内外焊缝跟踪系统电弧传感技术、信号处理技术和控制技术的研究现状分别做一介绍，在此基础上总结出一套较为先进的焊缝跟踪系统的实施方案，为焊缝跟踪系统研制提供依据。

焊接是一个结合了光、电、热、力的综合加工过程，在焊接过程中产生的热量会使焊接工件产生较大的热变形，从而产生焊接位置偏差。为了克服这种偏差的影响，目前有2 种方法，其一是采用夹具定位，普通的夹具无法满足要求，为了确保精度，必须采用更为精确的夹具。方法之二是采用适当的传感器进行焊缝跟踪，通过比较发现，采用跟踪的方法比采用精确的夹具经济得多。

二、电弧传感焊缝跟踪技术的发展状况

电弧传感器发展概述

焊缝自动跟踪方面，传感器提供着系统赖以进行处理和控制所必须的有关焊缝的信息。我们研究电弧传感器就是要从焊接电弧信号中提取出能够实时并准确反映焊炬与焊缝中心的偏移变化信号，并将此信号采集出来，作为气体保护焊焊缝自动跟踪系统的输入信号，即气体保护焊焊缝自动跟踪系统的传感信号。

目前，国际、国内焊接界对电弧传感器的研究非常活跃，用于焊缝跟踪的电弧传感器主要有以下几种类型:

（1）并列双丝电弧传感器。利用两个彼此独立的并列电弧对工件施焊，当焊枪的中心线未对准坡口中心时，其作用焊丝具有不同的干伸长度，对于平外特性电源将造成两个电流不相等，因此根据两个电流差值即可判别焊炬横向位置并实现跟踪。

（2）旋转扫描电弧传感器。在带有焊丝导向的喷嘴旋转时，旋转速度与焊接电流之间存在一定的关系。高速旋转电弧传感器可用于厚板间隙及角接焊缝的跟踪，在结构上比摆动式电弧传感器复杂，还需要在焊接工艺、信息处理等方面进行深入的研究

（3）焊炬摆动式电弧传感器。当电弧在坡口中摆动时，焊丝端部与母材之间距离随焊炬对中位置而变化，它会引起焊接电流与电压的变化。由于受机械方面限制，摆动式电弧传感器的摆动频率一般较低，限制了在高速和薄板搭接接头焊接中的应用。在弧焊其他参数相同的条件下，摆动频率越高，摆动式电弧传感器的灵敏度越高。

有部分传感器由于其应用环境的状况需金属封装，一般采用焊接密封，如压力传感器、力传感器、霍尔传感器、光电传感器、温度传感器等，这类传感器内部有敏感元件和集成电路，充惰性气体或抽真空与外界隔绝，有耐压、气密性要求，另有焊接强度要求和漏气率要求，对焊接质量要求高，而且焊接过程中要求变形小，不能对内部元件和微电路有损坏。目前传感器密封焊接有电阻焊、钨极氩弧焊、等离子弧焊、电子束焊和激光焊。

焊缝跟踪是保证焊接质量和焊接自动化的前提，而传感器是实现这一前提的基础。焊接传感器根据传感方式的不同可以分为附加式传感器和电弧传感器两大类。传统的焊缝跟踪传感器多数是附加式的，例如，接触式传感器、电磁传感器和各种光学传感器，这类传感器共同的问题就是传感器与电弧是分离的，传感器的检测点离开电弧有一定的距离，在焊接大弧度的焊缝时会影响跟踪效果。而电弧传感器利用焊接过程中的电弧电流波形或电弧电压波形的变化来获得电弧中心是否偏离焊缝作为传感信息，实时性强，跟踪效果好。电弧传感器的最大优势在于它的抗弧光、高温及强磁场能力很强, 同时它与焊接电弧总是统一的整体,结构简单紧凑，成本也较低，目前, 电弧传感器作为一种焊接传感手段倍受各国重视, 国外许多焊接设备研究和制造机构都在努力开发这一领域。工业发达国家的研究起步较早, 已研

制出多种电弧扫描形式(如双丝并列、摆动和旋转) 的电弧传感器, 适合于埋弧焊、TIG和MIG／MAG 等不同焊接方法, 有些已用于焊接生产。许多国家所生产的弧焊机器人上均配有摆动式电弧传感跟踪装置。

电弧传感器技术的应用状况

长期以来，许多国内外的焊接工作者对电弧传感器进行了深入细致的研究，并将研究成

果应用到实际的生产中。目前，绝大部分的弧焊机器人都安装了摆动式电弧传感器，如德国CLOOS的ROMAT 76SW型机器人和日本松下的Pana-Robo 型机器人就安装了摆动式电弧传感器。旋转电弧传感器的应用也越来越普遍，如清华大学研制的旋转电弧传感器应用于东风汽车公司的汽车贮气筒环缝的自动焊中，韩国的HAN GIL Autowelding公司生产的旋转电弧传感器可用于弧焊机器人和自动焊中，。日本松下的YA-11KMR51型弧焊机器人也安装了旋转电弧传感器。

三、结束语

电弧传感器作为一种实时传感的器件与其它类型的传感器相比，具有结构较简单、成本低、响应快等特点，是焊接传感器的一个重要的发展方向，具有强大的生命力和应用前景。主要应用在两方面：一方面主要用在弧焊机器人上，另一方面主要用在带有十字滑块的自动焊。

今后应着重对电弧传感器三维信息的提取及其焊接工艺性能进行研究。在焊接空间焊缝时，焊枪位姿要随着焊缝进行调整，才能得到满意的焊缝。目前的电弧传感器只能采集上下和左右二维信息，前后信息的提取还有待深入的研究，以便于弧焊机器人调整姿态进行全位置焊接。通过焊接科技工作者的努力，其智能跟踪能力将会更强。