1、导言
焊接是一个结合了光、电、热、力的归纳加工进程，在焊接进程中产生的热量会使焊接工件产生较大的热变形，然后产生焊接方位差错。为了战胜这种差错的影响，现在有2 种办法，其一是选用夹具定位，一般的夹具无法满足要求，为了保证精度，有必要选用更为准确的夹具。办法之二是选用恰当的传感器进行焊缝盯梢，经过比较发现，选用盯梢的办法比选用准确的夹具经济得多。
所谓焊缝盯梢，即以焊炬为被控目标，电弧（焊炬） 相关于焊缝中心方位的差错作为被调量，经过视觉传感、触摸传感、超声波传感、电弧传感等多种传感丈量手法，操控焊炬使其在整个焊接进程中一直与焊缝对口。其间触摸式传感是依靠在坡口中翻滚或滑动的触指将焊枪与焊缝之间的方位差错反映到检测器内，并使用检测器内装的微动开关判别差错的极性，其结构简略、操作便利、不受电弧烟尘和飞溅的影响，可是对不同方式的坡口需用不同探头，磨损大，易变形，点固点妨碍难以战胜。超声波传感是使用发射出的超声波在金属内传达时在界面产生发射原理制成的，是一种比较先进的焊缝盯梢传感器，使用在盯梢体系中，盯梢的实时性好。可是因为传感器要靠近工件，不可避免地会遭到焊接办法和工件尺度等的严厉约束。别的需求考虑外界轰动、传达时刻等要素，对金属外表情况要求高，其使用规模也就遭到约束。视觉传感具有供给信息量丰厚，活络度和丈量精度高，抗电磁场搅扰能力强，与工件无触摸的长处。可是算法杂乱，处理速度慢。
跟着电弧传感技能的开展，焊缝盯梢引入了电弧传感技能，电弧传感器作为一种实时传感的器材与其它类型的传感器比较，具有结构较简略、成本低和呼应快等特色，是焊接传感器的一个重要的开展方向，具有强壮的生命力和使用远景首要使用在两方面：一方面首要用在弧焊机器人上，另一方面首要用在带有十字滑块的主动焊上。本文对国内外焊缝盯梢体系电弧传感技能、信号处理技能和操控技能的研讨现状别离做一介绍，在此基础上总结出一套较为先进的焊缝盯梢体系的实施方案，为焊缝盯梢体系研发供给依据。
2、电弧传感焊缝盯梢技能的开展情况
2.1 电弧传感器开展概述
焊缝主动盯梢方面，传感器供给着体系赖以进行处理和操控一切必要的有关焊缝的信息。咱们研讨电弧传感器便是要从焊接电弧信号中提取出可以实时并准确反映焊炬与焊缝中心的偏移改变信号，并将此信号收集出来，作为气体维护焊焊缝主动盯梢体系的输入信号，即气体维护焊焊缝主动盯梢体系的传感信号。
现在，世界、国内焊接界对电弧传感器的研讨十分活泼，用于焊缝盯梢的电弧传感器首要有以下几种类型：
（1）并排双丝电弧传感器。使用两个互相独立的并排电弧对工件施焊，当焊枪的中心线未对准坡口中心时，其效果焊丝具有不同的干伸长度，关于平外特性电源将形成两个电流不相等，因而依据两个电流差值即可判别焊炬横向方位并完成盯梢。
（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必定的联系。高速旋转电弧传感器可用于厚板空隙及角接焊缝的盯梢，在结构上比摇摆式电弧传感器杂乱，还需求在焊接工艺、信息处理等方面进行深化的研讨。
（3）焊炬摇摆式电弧传感器。当电弧在坡口中摇摆时，焊丝端部与母材之间间隔随焊炬对中方位而改变，它会引起焊接电流与电压的改变。因为受机械方面约束，摇摆式电弧传感器的摇摆频率一般较低，约束了在高速和薄板搭接接头焊接中的使用。在弧焊其他参数相同的条件下，摇摆频率越高，摇摆式电弧传感器的活络度越高。
2.2 电弧传感器的作业原理
电弧传感器的基本原理是：使用焊炬与工件之间间隔改变引起的焊接参数改变来勘探焊炬高度和左右差错，在等速送丝调理体系中，送丝速度安稳，焊接电源一般选用平或缓降的外特性，在这种情况下，焊接电流将跟着电弧长度的改变而改变。电弧传感器的作业原理如图1所示。
L为电源外特性曲线，在安稳焊接情况时，电弧作业点为A0，弧长L0 ，电流Ｉ0 ，当焊炬与工件外表间隔产生阶跃改变增大时．弧长忽然被拉长为L1．此刻干伸长还来不及改变，电弧在新的作业点A1．焚烧，电流突变为Ｉ1，电流瞬时改变为△Ｉ1反之亦然。从上述剖析可以得出，电弧方位的改变将引起电弧长度的改变，焊接电流也相应改变，然后可以判别焊炬与焊缝间的相对方位。
2.3 电弧传感器的数学模型
操控体系包含操控器和目标二大部分，其间被控目标的动态特性是首要的，所以树立被控目标的数学模型是一切作业的第一步，所谓“体系建模”，便是对软件中进程的笼统描绘。
常用的建模办法有：a机理剖析法；b核算建模法；c神经网络建模法；d智能建模法。
咱们在这要剖析的是旋转电弧焊炬长度和焊接电流之间的数学模型H（s）—I（s），其间输入量是弧长，输出量是实时的焊接电流。尽管不同体系中详细的成果各异，但成果均为二阶的对应联系。依据文献有如下结论：
设G（s）为焊炬高度H（s）到电流I（s）的传递函数，则它在理论上可表示为：
其间Ka，Kn，Kr，Kq为与电源外特性、焊接资料、电弧气氛有关的常数，P（s）为电源的动态外特性，当电源外特性为一阶惯性环节P（s）=P0/（TpS+1）时，式（1）可简化为：
目标的数学模型将有助于辅导咱们以下的作业：可以以模型为目标规划和点评操控器；可以经过对数学模型的剖析，找出最活络的作业频率，然后确认最佳电弧旋转角速度；可以用模型来对所用的操控器进行仿真，比较不同结构和参数操控器的优缺点，然后规划出符合要求的数字操控器。
设某个焊接进程为目标H（s）=（1+3s）/（1+2s）（1+8s），因为所给传递函数代表的目标是线性时不变的，所以用简略的份额操控是可行的，只需份额系数恰当，盯梢差错将会满足小；假如加上积分项将可以在较小的份额系数的情况下得到很好的盯梢精度；加上微分项可以减小超调量。
在图的仿真结构图中，恰当调整各系数，就可使体系盯梢阶跃信号的上升时刻、超调量和稳态精度满足要求，如图2图3所示。
3、电弧传感焊缝盯梢技能
3.1 焊缝盯梢的完成
以旋转电弧传感器为例，旋转电弧传感器将一周的焊炬运动离散为64个点，经过霍尔传感器的收集之后送给Ａ／Ｄ转化器材以提取各点的电流值。对这些电流值的剖析得到当时焊枪下的焊道的信息，当焊缝的左右差错和凹凸改变的数值核算出来后，经过固高公司出产的四轴运动操控器来操控小车车体和十字滑块的和谐运动，运动器的中心是ADSP2181数字信号处理器，完成高性能的操控核算，包含实时轨道规划，方位，速度或加速度操控，主机指令处理和自身I／O办理，完成焊缝的准确盯梢。
3.2 操控规划
3.2.1操控办法
整个操控体系选用含糊操控、PI操控、bang-bang操控相结合的办法：设置两个不同的阈值，在差错超过大阈值时用bang-bang操控；小于大阈值而大于小阈值时用FUZZY，在差错挨近0时用PI办法，参加积分以消除终究差错。
a 含糊操控
当大于大阈值值而大于小阈值的时分，选用含糊操控，取差错e和差错的改变ec作为作为含糊操控的输入量，经含糊推理后得到输出的操控量。依据含糊操控规矩表，拟定出适宜的论域，然后咱们就可以用重心法解含糊求出操控量U。
b PI操控
当体系差错很小时选用PI操控，取差错e作为输入量，则依据PI操控算法得到操控量U的核算公式如下：
U（k）=U（k-1）+Kp＊（e（k）-e（k-1））+Ki＊e（k） （3）
c bang-bang操控
当体系的差错很大时选用bang-bang操控，取差错e和差错的改变ec作为输入量，依据bang-bang操控的算法，咱们可以得到操控量U。
3.2.2操控器结构
规划了FUZZY、FUZZY-P及FUZZY-PI等多种操控办法在水平直线V字焊缝上进行屡次试验。旋转电弧可以进行曲折焊缝的盯梢。
4、电弧传感器技能的使用情况
电弧传感器现已成为近些年来焊接主动盯梢开展的热门，一起跟着核算机技能及含糊数学等相关学科的开展，旋转电弧传感器现已步入有用的阶段，如清华大学研发的旋转电弧传感器使用于东风轿车公司的轿车贮气筒环缝的主动焊中。南昌大学将高速旋转电弧传感器安装在焊接机器人上完成了焊缝的主动盯梢。而国外电弧传感器的使用较为老练和广泛，如德国CLOOS的ROMAT 76SW型机器人和日本松下的Pana—Robo型机器人就安装了摇摆式电弧传感器，韩国的HANGIL Autowelding公司出产的旋转电弧传感器可用于弧焊机器人和主动焊中。以上阐明电弧传感器是有着广泛的使用远景的。
5、结束语
跟着电子技能、智能技能、网络技能、机器人技能等的进一步开展，焊缝盯梢技能即将沿着网络化、智能化的方向开展。电弧传感器术将在焊缝盯梢技能中得到愈加广泛的使用。
