三浦健二，賈蒙，王海松，洪峰

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1 序言

對(duì)于傳統(tǒng)的示教-再現(xiàn)型弧焊機(jī)器人而言，零件的焊縫位置誤差必須＜1mm才能保證機(jī)器人焊接時(shí)不會(huì)產(chǎn)生偏焊現(xiàn)象。為了解決這一工藝問題，通常采用焊接夾具定位夾緊的方法來提高產(chǎn)品的定位精度[1，2]。對(duì)于板厚通常在10mm以上的建筑機(jī)械零部件而言，板材切割下料精度不佳疊加板材自身產(chǎn)生彎曲等因素，即使在液壓夾具的作用下，焊縫與原始示教位置相比仍然會(huì)產(chǎn)生較大的定位誤差。因此，利用焊接夾具和焊縫跟蹤傳感器配合來消除工件定位誤差的方式在生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛[3-8]。

針對(duì)中厚板弧焊領(lǐng)域這一現(xiàn)狀，很多機(jī)器人廠商都開發(fā)了焊縫跟蹤傳感功能。但是，因終端客戶對(duì)各種跟蹤傳感方式的優(yōu)缺點(diǎn)、使用方法與限制條件不了解而導(dǎo)致的選型失誤也時(shí)有發(fā)生。本文結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)，對(duì)各種焊縫跟蹤傳感方式精度、跟蹤性能及限制條件進(jìn)行論述，以幫助讀者根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品來確定合適的焊縫跟蹤傳感方式。

2 焊縫跟蹤傳感概念

雖然焊縫跟蹤傳感的概念已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可和使用，但是對(duì)于剛剛接觸這一概念的人來說，相關(guān)概念的描述仍然顯得過于籠統(tǒng)。因此，從焊接生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)來對(duì)焊縫跟蹤的概念進(jìn)行分類是非常有必要的。

起始點(diǎn)尋位與焊縫跟蹤示意如圖1所示。圖1中實(shí)線表示機(jī)器人示教時(shí)的焊縫位置，虛線表示實(shí)際焊縫相對(duì)示教位置的偏移。實(shí)際工作時(shí)，首先要在焊前通過傳感的方式獲得焊縫起始點(diǎn)相對(duì)于示教位置的偏移量；然后再次通過傳感的方式來確保焊接過程中焊絲始終指向焊縫的適當(dāng)位置處。因此，焊縫跟蹤傳感這一概念實(shí)際上包含兩部分的內(nèi)容：①焊縫起始點(diǎn)尋位。②焊縫位置跟蹤。

圖1 起始點(diǎn)尋位與焊縫跟蹤示意

焊縫起始點(diǎn)尋位和焊縫位置跟蹤功能的組合應(yīng)用對(duì)于保證最終焊接質(zhì)量是不可或缺的。根據(jù)傳感方式的不同，目前在企業(yè)中常用的焊縫跟蹤傳感技術(shù)共有兩種：①焊縫起始點(diǎn)接觸尋位+基于擺動(dòng)電弧傳感器的焊縫位置跟蹤檢測(cè)。②激光傳感器起始點(diǎn)尋位+基于激光傳感器的焊縫位置跟蹤檢測(cè)。下面分別就以上兩種組合方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行論述。

3 接觸尋位+擺動(dòng)電弧傳感跟蹤的特點(diǎn)

雖然接觸尋位和電弧傳感跟蹤都將焊絲作為傳感回路導(dǎo)通不可或缺的一部分，但是根據(jù)需求的不同，兩種應(yīng)用場(chǎng)景下所需的硬件配置也完全不同。如圖2所示，接觸尋位功能的存在需要首先在焊絲和母材之間施加幅值為300～400V的高電壓，然后通過移動(dòng)焊接機(jī)器人使得焊絲末端緩慢靠近母材表面并與之接觸。當(dāng)焊絲與母材接觸瞬間回路導(dǎo)通，電壓值從300V以上的高壓降至0V，接觸傳感器將這一變化作為檢測(cè)信號(hào)反饋給機(jī)器人，由機(jī)器人控制系統(tǒng)來計(jì)算工件起始段位置偏移量。

圖2 接觸尋位原理

工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)投入使用的電弧跟蹤方法有兩種：①基于擺動(dòng)電弧的跟蹤傳感。②基于旋轉(zhuǎn)電弧的跟蹤傳感。因旋轉(zhuǎn)電弧跟蹤傳感需要額外配置焊絲/焊槍旋轉(zhuǎn)裝置而更多應(yīng)用在焊接專機(jī)中，而不是機(jī)器人自動(dòng)化焊接中。擺動(dòng)電弧跟蹤原理如圖3所示。現(xiàn)有的氣體保護(hù)焊焊接工藝均基于等速送絲原理，當(dāng)母材高度變化導(dǎo)致焊絲干伸長(zhǎng)產(chǎn)生變化時(shí)，焊絲自身的固有調(diào)節(jié)作用將導(dǎo)致焊接電流也隨之產(chǎn)生變化。電弧擺動(dòng)最常見的方式是正弦曲線擺動(dòng)，此外還有三角形和鋸齒形擺動(dòng)兩種方式。

擺動(dòng)電弧傳感器通常在一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行一次位置校正，因此當(dāng)焊接速度越慢、擺動(dòng)頻率越快時(shí)，電弧傳感器的精度也越高。為了保證生產(chǎn)效率，焊接速度在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的可變范圍并不大，而擺動(dòng)頻率則成為了對(duì)電弧傳感器精度影響最大的變量。以下4方面因素將對(duì)擺動(dòng)頻率產(chǎn)生影響。

（1）焊接機(jī)器人的擺動(dòng)方式 常用的電弧擺動(dòng)方式是通過焊接機(jī)器人的6軸同時(shí)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)的。在控制6軸同時(shí)擺動(dòng)時(shí)，受6軸同時(shí)控制速度、臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量差異等因素影響，電弧擺動(dòng)的頻率不是無限提高的。對(duì)于安裝方式為地面固定的焊接機(jī)器人，擺動(dòng)頻率的極限通常為5Hz。然而對(duì)于安裝在外部行走軸上或者以倒吊方式安裝的焊接機(jī)器人來說，擺動(dòng)頻率的極限則為3Hz。倒吊安裝機(jī)器人設(shè)定擺動(dòng)振幅和實(shí)際擺動(dòng)振幅的差值如圖4所示。當(dāng)設(shè)定擺動(dòng)頻率提高到4Hz時(shí)，由于機(jī)器人擺動(dòng)頻率和固定機(jī)架之間產(chǎn)生共振，導(dǎo)致設(shè)定擺動(dòng)振幅和實(shí)際擺動(dòng)振幅產(chǎn)生偏離，擺動(dòng)波形也會(huì)出現(xiàn)異常。

圖4 設(shè)定擺動(dòng)振幅和實(shí)際擺動(dòng)振幅的差值

（2）電流采樣周期 電流采樣周期同樣對(duì)電弧擺動(dòng)頻率的提高產(chǎn)生很大影響，電流采樣周期越短，允許機(jī)器人擺動(dòng)頻率越高。近年來，由于機(jī)器人控制裝置性能的提高，采樣與數(shù)據(jù)處理的速度也不斷提高，這也使得高速微弧傳感器的應(yīng)用成為可能，如圖5、圖6所示。

圖5 采樣周期為1ms

圖6 采樣周期為0.1ms

（3）機(jī)器人與焊機(jī)的通信方式 借助雙方通信方式，機(jī)器人控制焊接電源的啟動(dòng)/停止、焊接參數(shù)以及焊接模式的調(diào)整，同時(shí)焊接電源一側(cè)將起弧成功信號(hào)、電流信號(hào)以及異常信號(hào)反饋給焊接機(jī)器人一側(cè)。上述內(nèi)容也表明，焊接機(jī)器人和焊接電源之間產(chǎn)生數(shù)據(jù)通信是實(shí)現(xiàn)電弧傳感跟蹤功能不可缺少的環(huán)節(jié)。

根據(jù)硬件配置的不同，焊接機(jī)器人和焊接電源之間的通信共有兩種可行方案：①數(shù)字量+模擬量復(fù)合通信（見圖7）。②全數(shù)字化通信（見圖8）。二者最大的不同在于電流信號(hào)的采集與反饋方式。對(duì)于第一種方案，外部電流傳感器對(duì)焊接電流采樣并直接將獲得的模擬量信號(hào)傳送至焊接機(jī)器人控制器的A/D轉(zhuǎn)換器之中；對(duì)于第二種方案，焊接內(nèi)部集成的電流傳感器完成電流的采樣、A/D轉(zhuǎn)換并將其輸送至機(jī)器人控制器。

圖7 數(shù)字量+模擬量復(fù)合通信系統(tǒng)

圖8 全數(shù)字化通信系統(tǒng)

數(shù)字量+模擬量通信的優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)據(jù)傳輸速度更快，且不受焊機(jī)制造商的影響，基本上不需要擔(dān)心機(jī)器人和焊機(jī)通信協(xié)議是否匹配等問題。但是，數(shù)字量+模擬量通信的缺點(diǎn)在于需要通過實(shí)際硬件連線完成工作任務(wù)。而全數(shù)字量通信通過電子電路的方式省去了硬件連線，同時(shí)數(shù)據(jù)傳輸過程抗干擾能力更強(qiáng)。

（4）電弧傳感器相位延遲 由于受到焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能、電流傳感器采樣周期和A/D轉(zhuǎn)換速度三方面因素的影響，導(dǎo)致機(jī)器人控制器接收到的焊接電流波形相對(duì)于實(shí)際焊接電流波形在時(shí)間上產(chǎn)生相位延遲。電弧傳感器的相位延遲現(xiàn)象如圖9所示。因此，在使用電弧傳感器時(shí)需要將相位延遲時(shí)間作為重要參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，否則將會(huì)對(duì)電弧傳感器的精度產(chǎn)生影響。

圖9 相位延遲

4 激光尋位+激光跟蹤的特點(diǎn)

近年來，隨著激光傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，激光傳感器在焊縫起始點(diǎn)尋位和焊縫跟蹤領(lǐng)域也已經(jīng)有實(shí)際應(yīng)用。激光跟蹤系統(tǒng)如圖10所示。焊接開始前使用線結(jié)構(gòu)激光照射焊件來直接確定焊縫起始點(diǎn)的空間位置，使用相對(duì)超前于焊槍的線激光投射在焊縫表面上來實(shí)現(xiàn)焊縫激光傳感跟蹤。

圖10 激光跟蹤系統(tǒng)

激光傳感器既可以實(shí)現(xiàn)起始點(diǎn)尋位，又可以實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤功能。與接觸尋位+電弧跟蹤傳感的方式相比，采用激光傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1）與接觸傳感起始點(diǎn)尋位方式比較，激光傳感起始點(diǎn)尋位可節(jié)約1/2的時(shí)間。

2）與電弧傳感焊縫跟蹤方式比較，激光傳感焊縫跟蹤功能不需要進(jìn)行擺動(dòng)，焊接速度可進(jìn)一步 提高。

3）激光傳感器可檢測(cè)到焊縫細(xì)微的高度變化，其結(jié)果不受焊絲干伸長(zhǎng)變化和焊絲彎曲等因素的 影響。

雖然激光傳感器具有節(jié)約時(shí)間、無需擺動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，但是其缺點(diǎn)也是非常明顯的，主要包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容。

1）激光傳感器使用時(shí)必須將線結(jié)構(gòu)光垂直照射到焊縫表面上，因此焊槍姿勢(shì)調(diào)整受到限制。

2）由于碰撞等原因?qū)е碌暮笜屌c激光傳感器相對(duì)安裝位置產(chǎn)生偏移，將直接導(dǎo)致偏焊現(xiàn)象發(fā)生。

3）焊絲彎曲現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，激光傳感器無法糾正焊絲彎曲帶來的偏焊現(xiàn)象；厚板深坡口激光跟蹤焊接時(shí)，極易產(chǎn)生因焊絲彎曲而導(dǎo)致的根部未熔合現(xiàn)象。

4）電弧傳感器可以通過異常保護(hù)檢測(cè)到焊槍管線包的斷線、漏電等現(xiàn)象，而激光傳感器則無法實(shí)現(xiàn)這一功能。

以上兩種傳感方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1。

表1 兩種傳感方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

5 結(jié)束語

通過上述內(nèi)容中對(duì)電弧傳感跟蹤和激光傳感跟蹤特點(diǎn)以及優(yōu)缺點(diǎn)的對(duì)比，建議根據(jù)如下條件合理進(jìn)行選用。

1）對(duì)于6mm以下的薄板長(zhǎng)直焊縫和大圓弧焊縫、板厚落差＜5mm的搭接焊縫，以及數(shù)量很多的角焊縫工件，推薦選擇激光傳感器來實(shí)現(xiàn)所需 功能。

2）對(duì)于厚板開坡口焊縫、空間狹小的焊縫等工況，則建議優(yōu)先考慮接觸尋位+電弧跟蹤傳感的 方式。