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工业国

摆动式焊缝自动跟踪电弧传感器的研制

姚河清，祁涛，姚诗涛，蒋爽，尹永珍

(河海大学机电工程学院，江苏常州213022)

摘要：介绍了焊鲻自动跟踪系统的组成及电弧传感器的工作原理；针对熔滴过渡所产生的高频干扰，设计了二阶巴特沃思低通滤

波器对传感信号进行滤波。取得了良好的滤波效果；利用离散积分求差值的方法对焊枪左摆和右摆过程中的电流进行离散积分，

通过比较积分差值判断焊枪偏移方向和偏移量。针对焊接过程中具有非线性、时变性等特征，很难建立跟踪过程的精确数学模型，

采用了参数自调整的模糊控制方法对系统进行控制，明显的改善了系统的性能。

关键词：焊缝跟踪；电弧传感器；信号处理；参数自调整；模糊控制

中图分类号：TG441．7文献标识码：A文章编号：1009—9492(2009)03—0021-03

l序暑向和偏移量大小输出控制信号使执行机构产生纠偏所需的

焊接过程中。由于工件会受到自身的加工误差、热变动作，实现焊缝的实时跟踪。

形等因素的影响，焊枪经常会偏离焊缝中心，影响焊接质3电弧传感器的工作原理

量，为保证焊接的可靠性．必须对焊缝的位置进行实时检在使用等速送丝配合恒压或缓降外特性的焊接电源

测，使焊枪始终对准焊缝中心，即焊缝实时跟踪。由于焊时，由于电弧的自调节作用，弧长的变化可以引起电弧参

接是一个非常复杂的动态过程，具有强烈的光、热、烟雾数的变化，从而获取电弧扫描时焊枪高度的变化，并根据

和电磁干扰，对传感器的要求很高。

同时，鉴于焊接过程具有众多的随机

干扰、多变量的非线性和时变性等特

征，焊缝的跟踪过程很难用精确的数

学模型来描述，采用常规控制理论方

法很难获得满意的效果。而模糊控制

作为一种基于人类思维来设计的智能

控制方法，控制策略不需要数学模型，

图1焊缝跟踪系统结构示意图

为实现焊接自动化提供了一条较好的

途径【l】。因此本系统采用具有较强的

抗弧光、高温和强磁场能力的摆动式电弧传感器对焊缝位焊炬与焊缝的几何关系推导出焊炬与焊缝的相对位置等被

置进行实时检测，同时设计了滤波器对电弧传感信号进行传感量。电弧传感器的基本原理就是利用焊炬高度的变化

了滤波处理，并采用离散积分求差值的方法来获得焊枪偏而引起的焊接电流参数变化来探测焊枪相对焊缝的高度和

移信息，应用参数自调整的模糊控制方法，在焊接过程中左右偏差的【3】。

取得了较好的焊缝跟踪效果。图2说明了焊枪导电嘴与工件表面距离变化引起焊接

2焊缝跟踪系统组成参数变化的过程。在整个变化过程中主要有两个状态过

程，即调节过程的动态变化(△，D)和新的稳定点建立后

焊缝自动跟踪是焊接自动化领域的重要研究课题【2)。

的静态变化(△，s)。静态变化的原因是由于电弧的自调节

一个典型的实时跟踪系统一般由焊缝偏差信号传感器、控

特性，动态变化是由于焊丝的熔化速度受到限制。当电弧

制器和跟踪执行机构组成，整个跟踪系统结构如图l所

沿着焊缝的垂直方向扫描时，焊接电流将随着扫描引起的

示。在焊接过程中，传感器不断检测有关焊缝中心位置的

焊枪高度的变化而变化，从而获得焊缝坡口信息，达到传

信息，控制器则对偏差信息进行处理，根据具体的偏移方

收稿日期：2008—1