用于焊接机器人的磁控电弧焊缝跟踪传感器

用于焊接机器人的磁控电弧焊缝跟踪传感器华婧，孙莹，敖静，张熙翔，崔健（湘潭大学，机械工程学院，湘潭，411105 ）摘要：针对目前机械式电弧传感器普遍存在的易磨损、噪声大且稳定性差等问题，提出了将磁场控制电弧的技术应用于焊缝跟踪；设计了磁控电弧传感器，对其基本原理进行了详细阐述，并依据电磁场理论和磁控电弧规律分析了相关影响参数，通过对传感器的改进，从而更好地实现对焊缝的跟踪。

关键词：焊接机器人，磁控，焊缝跟踪，传感器，纵向交流磁场中图分类号：TG409序言焊缝跟踪作为一门综合性应用技术，具有多学科交叉融合的特点，包括电子技术、计算机、焊接、结构、材料、流体、光学、电磁等学科。

国内外众多研究工作者投入到这一领域进行研究，从示教型焊接机器人到程序控制焊接系统，再到移动式自动焊缝跟踪技术，焊接自动化的每一次进步都显著提高了生产效率。

焊接技术的自动化、柔性化与智能化是未来焊接技术发展的必然趋势。

1、电弧传感焊缝跟踪技术的研究现状及发展状况焊缝自动跟踪方面，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，即焊缝自动跟踪系统的传感信号。

在国内研究电弧传感器的先驱者中有清华大学潘际銮院士[1]。

潘院士首次建立起电弧传感器的动、静态物理数学模型，且成功研究出新型MIG焊接电弧控制法“QH-ARC法”。

国外，日本NKK公司发明了一种旋转电弧式传感器[2]。

韩国的C.H.Kim研制出一种转动结构比较简单的电弧式传感器[3]。

Tseng和Savage[4]研究了TIG焊外加磁场时导致电弧摆动，对HY-80钢焊缝微观组织和热裂纹的影响。

他们发现当励磁频率为l Hz左右时，焊缝区组织晶粒的大小和热裂纹倾向大大降低。

湘潭大学焊接实验室，针对自动化焊接技术的迫切需求，开展焊接过程自动化及机器人焊接技术、数字化焊机联网技术等方面研究，突破焊缝跟踪技术，针对其机构设计的稳定性以及可控性等问题，根据运动特点推导出焊炬的运动学模型，由旋转电弧焊缝跟踪原理应用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ进行焊缝跟踪仿真［5］，实现了机构设计以及控制方法对焊缝跟踪的影响。

2：焊接机器人的发展趋势(1)多传感器信息智能融和技术单一传感信号难以保证输入信息的准确性和可靠性，利用各种传感信息，获得对环境的正确理解，使机器人系统具有容错性。

(2)虚拟现实技术虚拟现实技术是基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。

(3)多智能焊接机器人系统多个机器人主体间具有共同的目标，完成相互关联的任务。

各智能体之间相互通信、彼此协调工作，共同完成复杂的业务。

(4)智能化控制技术在跟踪系统中引入模糊控制、神经网络、专家系统、遗传算法等先进的智能控制技术是提高焊接机器人控制精度的一个必然趋势，它能使焊接机器人具有一定智能行为。

第一章磁控焊缝跟踪机器人传感器电气系统设计磁控焊缝跟踪机器人的工作原理：首先通过电磁控制电弧摆动，实现电弧对焊缝坡口的扫描，采用霍尔电流传感器电流传感器将包含焊缝现状和位置消息的焊接电流信号采集出来，利用有效的滤波电路，排除干扰信号，将有效信息提取并且放大，依靠单片机采集处理这些有效信息，得到实时的焊缝偏差信息，再根据单片机的输出信号控制歩进电机PWM驱动电路，以驱动十字滑架实现焊缝的识别跟踪。

图1-1一、磁控焊缝跟踪系统电器系统设计 本文所设计研发的焊缝跟踪系统主要针对平焊V 型焊缝。

因此，为了实现在焊缝跟踪过程中对焊接电源的控制，本次设计对原有的焊接控制柜进行了相应的改造，增加了焊接电源的切换开关。

本文所设计的磁控焊缝跟踪系统焊缝跟踪部分的系统布局主要由图1-2所示图1-2 机器人焊件系统组成通过上图可以看出，本次设计的焊缝跟踪系统将主要由执行机构和控制系统两大部分组成。

1）磁场的发生装置我们选用LM386集成功率放大器作为焊接实验过程中的集成放大电路。

LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。

具有静态功耗低，约为4mA，可用于电池供电；工作电压范围宽，4-12V或5-18V；外围元件少；电压增益可调，20-200；低失真度等特性；其次，在应用方面，主要应用于低电压消费类产品。

为使外围元件达到最少，电压增益内置为20。

但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。

输入端以地为参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW，使得LM386特别适用于电池供电的场合。

以下是几种典型的LM386应用放大电路：图1-3LM386应用电路图之增益=20图1-4 LM386应用电路图之增益=200图1-5 LM386应用电路图之增益=50图1-6 LM386应用电路图之低频提升放大器通过对各种电路的分析测量，以及联系到影响焊接过程稳定性，焊缝成形，焊接缺陷等问题。

我们大致得出相应的结论。

针对LM386是一种低电压通用型低频集成功率放大器。

由于该电路功耗低、允许的电源电压范围宽、通频带宽、外接元件少,广泛用于收录音机、对讲机、电视伴音等系统中。

同时LM386具有温度稳定性好，电源利用率高，功率较低，非线性失真较小等优点，将其运用到焊接可以极大的提高电源利用率，焊接过程稳定，焊缝缺陷少等特点。

相比于其他的集成放大电路，更有利于焊接工艺过程的优化和改进。

同时它也可以构成各种保护电路，如过流保护，过热保护以及过压保护等也集成在芯片内部，使焊接过程更加平稳，安全。

减小因电流过大造成的飞溅损失。

调节性和精度也得到了很大程度的提高。

（LM386集成电路放大器如下图所示）图1-7 LM386集成功率放大器2）A/D采样电路A/D转化电路，亦称“模拟数字转换器”，简称“模数转换器”。

将模拟量或连续变化的量进行量化（离散化），转换为相应的数字量的电路。

A/D变换包含三个部分：抽样、量化和编码。

一般情况下，量化和编码是同时完成的。

抽样是将模拟信号在时间上离散化的过程；量化是将模拟信号在幅度上离散化的过程；编码是指将每个量化后的样值用一定的二进制代码来表示。

A/D转换的原理是基于二值化平切割法，利用数字脉冲填充的方式进行测量。

二值化处理将检波得到的光电信息整形为脉冲信号，以利于计算机进行数字信号处理。

一般有两种设计方案可供选择。

一种是采用模拟二值化电路加计数器的方法实现输出信号的二值化，其优点是电路成本低廉，转换速度快，易于实现。

但这种方案具有明显的缺点：模拟二值化电路易受干扰，且体积较大，转换精度较低，不利于集成。

另一种A/D转换方案是将经过放大滤波预处理后的输出信号首先通过高速A/D转换芯片转化为与模拟信号相应的、能够反应图像灰度变化的数字量，以提高测量精度和分辨率，再送入CPLD中进行软件二值化处理。

在这种情况下，模拟二值化电路由软件二值化算法（位移提取算法的主要部分）加以替代。

例如一个基于PC104标准结构的16位16个单端输入通道/8个差分输入通道的A/D采样电路，电路原理框图如下所示：图1-8电路原理框图A/D采样电路的几个关键环节是多路模拟开关、程控放大器、A/D采样芯片和电源电路。

同时A/D采样电路中重要的技术指标有：①分辨率指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2^n的比值。

分辨率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。

②转换速率是指完成一次从模拟转换到数字的A/D转换所需的时间的倒数。

积分型A/D 的转换时间是毫秒级属低速A/D，逐次比较型A/D是微秒级属中速A/D，全并行/串并行型A/D可达到纳秒级。

采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。

为了保证转换的正确完成，采样速率必须小于或等于转换速率。

因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。

常用单位是ksps和Msps，表示每秒采样千/百万次。

③量化误差由于A/D的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率A/D的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率A/D（理想AD）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。

通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。

④偏移误差输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。

3）控制系统与执行机构之间的硬件连接本次设计的控制系统主要为计算机控制系统，以计算机控制为中心形成一套闭环式的焊缝跟踪系统，由计算机根据采集到的信息发出相应的控制指令给执行机构，使其完成焊缝纠偏运动，而本次的执行机构主要由焊机和焊接机器人构成，但是为了使焊接过程更加智能化，使控制系统也可以控制视觉传感系统电源开关。

首先要采集焊接过程中各个阶段的信号，由于起弧信号和峰值信号因为是极值可以更加容易地采集到，所以首先采集极值信号中的起弧信号来判断是否起弧成功，而磁控传感器是否可以采集图像就是由峰值信号确定的。

基值电流、峰值电流和送丝速度这些关系到跟踪精度的信息也需要在焊接过程中被控制系统实时地采集到，起到了对焊接生产的实时检测作用。

因此，为了满足上文中所提出的想法，在本次设计中将控制系统与焊接电源之间进行信号连接。

连接方式如图1-9所示。

数据采集PCI-1762的功能为实时采集到起弧信号和峰值信号，如表1所示，PCI-1762数据采卡的具体信息。

采集到信号之后对信号进行分析，最后将分析得到的焊接生产所需的基值电流、峰值电流等数据传输给执行机构的控制系统，完成对焊接过程的检测功能。

图1-9控制与焊接电源及送丝机控制器信号交流图表1 PCI-1762 基本参数控制系统与机器人控制系统如图1-10所示控制系统与机器人控制柜的信号连接关系主要是通过专用输入口进行连接的。

传感功能输入即为视觉传感系统，通过实时的计算偏差值而完成对焊枪的纠偏。

专用输入输出口则是为控制系统对机器人焊接过程中各个部件传输指令的通道。

图1-10 控制系统与焊接机器人信号交流图4）执行结构信息在本次设计的焊缝跟踪系统中主要是由机器人作为执行机构。

在本次研发机器人焊缝跟踪系统中，采用由我国新松公司自主研发的M10C型机器人和该公司配套生产的JM-56型送丝机和CS-501型送丝装置。

所设计的人机界面和对于执行机构的控制方式主要通过C语言进行编写，实现了在焊接过程中实时地对焊接机器人的控制。

2.1.2焊缝跟踪系统软件设计1）计算机与执行机构通信通信的主要作用是将PC机分析处理出的数据传输给机器人控制系统中。

基于MATLAB图像处理软件对采集到的图像进行处理分析得出偏差值，再基于之前的标定结果得出在实际环境中机器人手臂末端的焊枪与焊缝中心点的偏差值，最后由控制系统基于得出的实际生产中焊缝偏差值来制定指令传输给执行机构。