电弧跟踪

图A
电弧跟踪实现过程：
图 1.电弧传感器的作用 如图 1 所示，无论是工件本身不规则还是在焊接过程中发生了变型，无论这种变形是左右变 形、上下变形还是上下左右都变形，电弧传感器的作用就是让机器人始终能找到焊缝的中心 位置，准确地在中心位置焊接，并保持焊炬高度的一致。无论是直峰焊、环缝焊、相贯线焊 还是其他焊接轨迹，电弧传感器都能很好地跟踪焊缝中心。
图 2.焊炬在 V 型焊缝中摆动时的电流波形
图 3.焊炬偏离焊缝中心时的电流波形 图 2 可以看出，焊炬在 V 型坡口中心摆动时，摆到两侧时由于干伸长变短导致电流增
加，摆到中心时由于干伸长变长导致电流减小，电弧传感器就是利用这个原理实现电弧跟踪 的。如果焊炬以焊缝为中心摆动，则摆到两侧时的干伸长是对称的，电流波形也是对称的， 如果焊炬偏到某一侧，则该侧的干伸长变短电流较大，另外一侧的干伸长变长电流较小，两 边电流波形不对称，系统据此可判断出焊炬已经偏离焊缝中心（如图 3 所示）,然后再据此 调节焊炬位置让焊炬回到焊缝中心位置来。
(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。
（4）磁控电弧传感器。该传感器应用磁场控制电弧技术，具有结构简单、无机械振动、 成本低、控制精确等优点。其基本原理是激励电源产生的激励电流通过激励线圈产生交变磁 场，焊接电弧在交变磁场的作用下，其运动轨迹必定发生改变。
图 4.工件上下方向变形时电弧跟踪的实现 电弧传感器除了可以实现左右焊缝跟踪外，还可以实现上下焊缝跟踪。有摆动和无摆动
的情况下都可实现上下焊缝跟踪。如图 4 所示。其原理是：当焊炬离工件距离减小时，干伸 长减小，电流增加；当焊炬离工件距离增加时，干伸长增加，电流减小。系统据此可以判断 焊炬离工件的距离，当距离发生变化时便于调整焊炬的高度,保证焊炬与工件保持恒定的距 离。 电弧跟踪优点分析：
及变化,电弧随即在新的工作点燃烧,电流突变为 11。由于电源输出外特性曲线为缓降外特 性，电弧电压 U 保持近似不变,此时电弧电流 I 1 明显变小,焊丝熔化速度 V n 随电流 I 的减小 而减小,则此时的焊丝熔化速度要比 A。点时的熔化速度小,这是由于等速送丝调节特性的原 因。由以上所述,当电弧沿着焊缝的垂直方向扫描,焊接电流将随着扫描引起的焊枪高度的变 化而送丝系统的送丝速度保持不变,则此时的焊丝熔化速度小于送丝速度,使得焊丝伸出长度 渐渐变长,此时的电弧弧长逐渐变短,干伸长增大,最后电弧稳定在一个新的工作点 A 2 ,弧长
(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。
以上说明当焊炬高度发生 变化时,电弧静态工作点会产 生一个静态的差别,造成一个 弧长的变化和一个静态电流的 变化量∆i 1 。电弧参数动态变化 量∆I 0 虽然较大,但时间常数较 短,只有几毫秒,用它作为控制 信号较难。而静态变化量∆i 1 虽 然较小,但却是永久遗留性的, 它反映电弧的高低的真实位 置。
电弧传感器的工作原理 电弧传感器的基本原理是：利用焊炬与工件之间距离变化引起的焊接参数变化来探测焊
炬高度和左右偏差，在等速送丝调节系统中，送丝速度恒定，焊接电源一般采用平或缓降的 外特性，在这种情况下，焊接电流将随着电弧长度的变化而变化。
电弧传感器是从弧长变化所引起的电弧参数的变化中获取电弧扫描时焊炬焊缝之间横 向与高低偏差的。由于熔化极 CO2 气体保护焊一般均在电源外特性为直线或缓降类型,焊丝 等速送进的情况下进行的,由于电弧的自调节作用,弧长的变化可以用焊炬的高度,即导电嘴 端部与焊件表面距离(H)来表征,这里电弧的参数一般选用电流或电压来表征。
焊缝电弧跟踪 在机器人自动化焊接中的难点之一：工具的不规则性和焊接工程中受热变形，使机器人 焊接轨迹偏离了实际焊缝。这种普遍存在的现象严重阻碍了焊接自动化，通过利用电弧传感 器实现焊接过程中的电弧跟踪，可以左右上下方向自动更正焊缝的变化，使焊接轨迹与实际 焊缝保持一致。 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。
尾部的跟踪。 2) 焊炬上无附加传感器,因此焊炬的可操作性能好。 3) 不受弧光、磁场、温度和表面光洁度的影响。 4) 焊丝弯曲和电磁场使电弧偏斜的情况下仍能保持焊炬对中。
在上述条件下,由于焊炬高度的变化引起的焊接电流变化的过程如图Ａ所示。以缓降外
特性电源为例,在焊炬高度为 H 0 稳定状态时,电弧工作点为 A 0 ,弧长 l 0 ,干伸长 L 1 ,电流 I 0 ,
当焊枪与工件表面距离 H 0 发生阶跃变化增大到 H 1 ,时,弧长忽然被拉长为 l 1 ,此时 L 1 还来不
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。
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:
电弧传感器是利用电弧本身作为焊炬高度的传感信号。与其它传感器相比,电弧传感器 不需要在焊炬上附加另外传感器元件,而且结构简单,有更好的动态品质及更高的控制精度。 这种方法是通过电弧电压或电流的变化中获取焊炬高度偏差信息的方法。其基本原理是:对 于熔化极气体保护焊,根据电弧的自调节原理,当焊炬与焊件的相对距离,即导电嘴端部与焊 件表面距离(焊炬高度)发生变化时,焊丝干伸长与弧柱长度都会发生变化,而电弧与电流会相 应地发生变化,以保持原来的熔化率。因,电弧电流或电压的变化就反映了焊炬高度的变化。 电弧传感器与其他传感器相比,具有以下优点: 1) 传感器的检测点与焊接点相同,因此可用于大偏斜或弯折焊缝的高度跟踪,及焊缝头部和
1 2 ,干伸长 L 2 ,电流 I 2 ,结果干伸长和弧长都比原来增加。在上述变化中,有两个状态过程即 调节过程的动态变化(∆I 0 )和新的稳定点建立后的静态变化(∆i 1 )。动态变化的原因是焊丝熔 化速度受到限制,不能跟随焊 枪高度的突变:静态变化的原 因是由于电弧的自调节作用, 从而获得焊缝坡口信息,达到 传感的目的。