郭輝

（廣東福維德焊接股份有限公司，廣東 廣州 510663）

就現(xiàn)階段弧焊機器人測控系統(tǒng)的研發(fā)而言，能夠在弧焊機器人測控系統(tǒng)中形成鎖孔效應的焊接技術(shù)主要包含激光焊接技術(shù)、真空電子束焊技術(shù)和等離子焊接技術(shù)三大類別。其中，激光焊接技術(shù)和真空電子束焊接技術(shù)所用設備較為昂貴，整個焊接過程對外界焊接條件以及待焊構(gòu)件要求非常苛刻，而等離子焊機則需進一步壓縮電弧，保證其焊接能量處于較高密度狀態(tài)。此外，等離子焊機焊槍設計結(jié)構(gòu)較為復雜，往往需要較高頻率的維護，以保證等離子焊機相關(guān)參數(shù)信息的敏感性。目前，上述三種焊接技術(shù)對10～12mm以上鈦合金均無法實現(xiàn)單面焊接后雙面成型的一次性焊接功能，整個焊接過程成本高昂，不利于焊接產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。在此背景下，本文對焊接機器人測控系統(tǒng)進行深入分析和研究，也就具備重要理論意義和現(xiàn)實價值。

1 弧焊測控原理與理論基礎

焊接電弧作為常見的氣體放電現(xiàn)象，是焊接測控原理的重要內(nèi)容。光輻射作為焊接電弧較為明顯的物理現(xiàn)象特質(zhì)，從光輻射理論以及光子能量理論的諸多應用出發(fā)，即可進一步研究弧焊測控原理及其理論基礎。首先，電弧光輻射主要通過運動著的電子或離子等載體相互碰撞時所產(chǎn)生的加速行為或減速行為而造成的能量變化，最終產(chǎn)生最普遍的輻射現(xiàn)象，此過程往往被人們稱為連續(xù)光譜輻射現(xiàn)象。同時，電子或離子碰撞還能產(chǎn)生復合輻射以及復數(shù)輻射等諸多不同類別的輻射，各種輻射具備各自特征，也有著截然不同的應用。線光譜作為應用最廣泛的重要類別，連續(xù)譜拓寬方法得到了物理學界的廣泛重視。在利用光譜信息進行弧焊測控原理分析時，主要通過光輻射分解為光譜方式，得到特征譜線方法，利用光譜強度和電弧等離子體內(nèi)溫度、濃度甚至成分等因素之間的相互關(guān)系，測定內(nèi)部物理狀態(tài)以及物理過程，最后將所得結(jié)果作為控制信號實時反饋到整個弧焊焊接測控系統(tǒng)中。

2 焊接測控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2.1 測量子系統(tǒng)

圖1即為焊接測控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框架示意圖，被檢測對象通過外界傳感器和調(diào)整電路進行數(shù)據(jù)采集，此后數(shù)據(jù)采集得到數(shù)據(jù)后，利用電腦中某一程序語言開發(fā)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)進行整個焊接測控系統(tǒng)的整體調(diào)度與管理，采集得到的數(shù)據(jù)信息則進一步進入信號分析子系統(tǒng)進行實時在線或離線的數(shù)據(jù)分析，最后通過輸出控制子系統(tǒng)得到隱藏在諸多數(shù)據(jù)后的信息價值并作出決策。

圖1 焊接測控系統(tǒng)框架示意圖

焊接測控系統(tǒng)中的測量子系統(tǒng)是對焊接測控系統(tǒng)中諸如焊接電流值、焊接電壓值、焊接設備、裝置狀態(tài)、設備啟動運行狀態(tài)等諸多數(shù)據(jù)信息進行采集的重要系統(tǒng)，主要完成焊接測控系統(tǒng)中輸入信號方式選擇、觸發(fā)方式判別、輸入信號判別等諸多等功能。當測量子系統(tǒng)采用高速采樣方式時，還需進一步考慮焊接測控系統(tǒng)中的硬盤容量、總線數(shù)據(jù)吞吐量等參數(shù)，保證整個焊接測控系統(tǒng)處于高效運轉(zhuǎn)狀態(tài)，圖2即為某連續(xù)采樣的模擬輸入任務參數(shù)設定。

圖2 某連續(xù)采樣的模擬輸入任務參數(shù)設定

2.2 信號分析子系統(tǒng)

焊接測控系統(tǒng)中的信號分析子系統(tǒng)是指在數(shù)據(jù)采集后進行分析處理以滿足焊接測控系統(tǒng)基本應用需要的重要結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)開發(fā)運營過程實現(xiàn)了超越限值檢測濾波處理，涵蓋周期信號檢測和超閾值極值點檢測等功能，圖3即為某項目帶閾值的極值點檢測示意。

圖3 某項目帶閾值的極值點檢測示意

2.3 模擬輸出子系統(tǒng)

模擬輸出子系統(tǒng)主要是對焊接測控系統(tǒng)進行模擬量的輸出管理與控制。其中，焊接測控系統(tǒng)中的模擬量和數(shù)字量可采取輸入采樣形式、觸發(fā)形式或其它參數(shù)輸入與信號輸入方式進行設置。同時，考慮到焊接測控系統(tǒng)實際功能需求滿足，還需進一步加強對過程控制以及脈沖寬度調(diào)制輸出控制等功能的模擬和實現(xiàn)。就脈沖輸出寬度調(diào)制功能控制而言，可借助脈沖寬度調(diào)制程序?qū)崿F(xiàn)該功能目標。由于脈沖產(chǎn)生和普通脈沖序列產(chǎn)生原因類似，但焊件焊接測控系統(tǒng)中的脈沖數(shù)量處于動態(tài)變化過程，實際脈沖區(qū)占空比與普通脈沖序列有所不同，因此可由某一局部變量和函數(shù)結(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)對脈沖數(shù)據(jù)的調(diào)整和設計。

3 弧焊機器人測控系統(tǒng)的應用情況

3.1 在電弧溫度、成分、濃度等測試方面的應用

20世紀60年代初期，部分外國專家學者從量子力學角度和統(tǒng)計學角度出發(fā)，系統(tǒng)闡述了光譜測試的基本原理，并進一步探究了原子和離子活躍程度、躍遷可能、譜線強度等詳細信息，分析了該技術(shù)在焊接機器人測控系統(tǒng)中的應用現(xiàn)狀，給出了理論模型、判斷依據(jù)以及診斷方法的實際應用，使離子光譜診斷方法在理論和實踐上得到了較大發(fā)展。20世紀80年代以來，弧焊機器人測控系統(tǒng)在電弧溫度、成分和濃度等測試方面的研究不斷深入與發(fā)展，諸多專家學者在對電弧光譜診斷過程進行系統(tǒng)比較和研究的基礎上，獲得了對電弧等離子體局部熱力學平衡和光學性質(zhì)理論體系的構(gòu)建，搭建起了電弧光譜診斷裝置，且深入探查了焊接溫度場、壓力場甚至混合氣體電弧成分分布而造成的焊弧機器人測控系統(tǒng)應用差別，圖4即為利用光譜法測得的電弧溫度與成分分布圖，由此得出電弧測試過程中存在著有害氫氣體，為弧焊機器人測控系統(tǒng)在不同溫度、不同成分以及不同濃度測試條件下的應用提供了重要參考。

圖4 電弧溫度與成分分布圖

3.2 在焊接電弧氣氛實時測控方面的應用

弧焊機器人測控系統(tǒng)在焊接電弧氣氛實時測控方面的應用，主要體現(xiàn)在電弧光譜測試技術(shù)的直接應用上。美國學者曾利用清光譜實時監(jiān)測焊接一個電弧中的氫污染以及后果，從而提出需控制焊縫金屬中的氫氧含量和氫氣孔比例，以降低外界環(huán)境的不良污染這一結(jié)論。同時，美國軍隊工程研究所進一步利用光導纖維素收集電弧方式，并將收集得到的電弧傳導至光譜設備入口處，利用光譜設備入口處的光譜信息分析完成了弧焊機器人測控系統(tǒng)在電弧氣氛實時監(jiān)測上的信息轉(zhuǎn)換。最后，利用上述光譜信息，焊接工作人員能夠?qū)崟r控制弧焊機器人的具體操作過程，且能夠進一步將該類數(shù)據(jù)信息存儲起來，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)或數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，以備后續(xù)弧焊機器人測控系統(tǒng)精度提升或流程簡化等的分析與處理。圖5即為弧焊機器人測控系統(tǒng)在焊接電弧氣氛實時監(jiān)測中應用的結(jié)構(gòu)示意，該圖體現(xiàn)了電弧中氫元素濃度超過預期標準值時，整個弧焊機器人測控系統(tǒng)自動發(fā)出警告并調(diào)整電弧氣氛的控制反應過程，實現(xiàn)了弧焊機器人焊接電弧氣氛自動診斷和控制的基本目的。

圖5 弧焊機器人測控系統(tǒng)示意

4 結(jié)論

總而言之，弧焊機器人測控系統(tǒng)能通過光譜學理論和等離子物理學基礎理論科學，綜合兩種理論科學中的物理方程、具體參數(shù)值和參數(shù)方程等，通過光譜強度和電弧熱力學系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)及參數(shù)方程的不同形式，從熱力學角度探究焊弧機器人測控系統(tǒng)在電弧溫度、成分、濃度以及焊接電弧氣氛實時監(jiān)測方面的諸多應用，為弧焊機器人測控系統(tǒng)中焊接效率的快速提升以及焊接過程控制管理水平的快速增強帶來更多參考和思路。