基于旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的焊接電流波形研究*

樂 健，張 華，葉艷輝

（南昌大學(xué)江西省機器人與焊接自動化重點實驗室，江西南昌 330031）

0 引言

隨著工業(yè)的發(fā)展，特別是船舶業(yè)、汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，對焊接的質(zhì)量和自動化提出了更高的要求［1］。再加上焊接環(huán)境的惡劣，有些地方焊接空間狹窄、密閉，不適合人工焊接，必須研制出新型的傳感器，利用新型的全方位移動焊接機器人，實現(xiàn)焊接自動化，焊接機器人的產(chǎn)業(yè)化，推動工業(yè)的發(fā)展。

旋轉(zhuǎn)電弧傳感器不受弧光、噪聲、磁場等干擾［2，3］。焊接點就是檢測點，不存在超前和滯后誤差，轉(zhuǎn)動速度快并且穩(wěn)定，一直受到國內(nèi)外的重點研究。但是，由于短路過渡、焊接電源電壓的波動、送絲速度不穩(wěn)定等，旋轉(zhuǎn)電弧傳感器采集系統(tǒng)采集到的電流信號中仍然存在大量的噪聲。如果單獨采用一種濾波方法，無法將大部分噪聲濾去;如果用含有噪聲的焊接電流波形去進行偏差識別，將會得到錯誤的偏差，進而得不到正確的控制量，使焊接機器人不能準(zhǔn)確的跟蹤焊縫。因此，必須通過多種濾波技術(shù)，才能得到比較理想的焊接電流信號。

本文重點研究基于旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的焊接電流波形，由于焊接過程中，焊槍會出現(xiàn)前傾、后傾，左偏和右偏的情況［4］，必須通過焊接電流波形，對焊槍的姿態(tài)進行正確的識別，使焊接機器人能正確地跟蹤焊縫，最終實現(xiàn)焊接的自動化。

1 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的工作原理

圖1（a）為焊槍向右偏離焊縫，偏差為e。當(dāng)t=0時，焊絲順時針轉(zhuǎn)到最右端，焊絲的旋轉(zhuǎn)半徑為r，焊絲轉(zhuǎn)1圈，焊槍的高度經(jīng)歷了1個周期;焊槍偏左的情況也類似。

圖1 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的工作原理Fig 1 Working principle of rotating arc sensor

圖1（b）為焊槍對中焊縫，焊槍轉(zhuǎn)1圈，焊槍高度經(jīng)歷了2個周期。由于焊接高度與焊接電流一一對應(yīng)，分別對［0，T/4）和［T/4，T/2）內(nèi)的焊接高度積分求和，然后相減，負(fù)值表明焊槍偏右，零值為對中，正值為偏左，同時也可以根據(jù)差值的大小求出偏差e的大小。

2 焊接電流的濾波

焊接電流的濾波過程如圖2（a）所示。

首先采用空間均值濾波，為了減少計算量，可以采用一維縱向均值濾波和一維橫向均值濾波代替。空間均值濾波平滑了采樣電流的局部變化，降低了噪聲。為了讓焊接電流波形再平滑一點，采用大小為1×5，濾波器系數(shù)全為0.2的濾波器模板，詳見圖2（b）。經(jīng)過上面2次濾波后，可能仍然存在較多的細(xì)節(jié)分量（此文指噪聲），必須經(jīng)過軟閾值小波濾波。由于此處電流值是離散的，故采用離散小波變換（discrete wavelet transform，DWT）［5］。采用 Dau（4）小波，選擇Dau（4）小波濾波器系數(shù)。進行尺度四分解，在每個尺度內(nèi)選取一個閾值［6］，將小于閾值的近似分量和細(xì)節(jié)分量置0，大于閾值的近似分量和細(xì)節(jié)分量減去閾值。再進行反向DWT［5］;經(jīng)過尺度分解，軟閾值處理和小波重構(gòu)后，焊接電流的波形更加平滑，去除了大部分的噪聲。最后，利用大小為3×4的平滑濾波器，此平滑濾波器的模板見圖2（c）所示，此種濾波方法是在空間和時間上對焊接電流進行處理，從而得到較理想的焊接電流波形。

圖2 濾波流程圖和濾波器模板Fig 2 Flow chart of filtering and filter templates

3 焊接電流濾波后的波形

3.1 實驗前的說明

沿著焊接方向看去，焊槍上端落后于末端為后傾，焊槍上端超前于末端為前傾。當(dāng)機器人靜止時，焊絲末端的軌跡近似于圓。關(guān)于電弧長度的數(shù)學(xué)模型［6］，分前傾、后傾和焊炬中心線垂直于焊縫3種情況。

圖3（a）為焊接機器人在江西江洲造船廠焊接時的實物圖，當(dāng)完全對中時，焊縫所在直線與焊絲末端軌跡如圖3（b）所示，其中r為旋轉(zhuǎn)半徑。

圖3 機器人實物圖和焊絲末端軌跡Fig 3 Physical map of robot and welding wire terminal trajectory

直線l為焊縫所在直線，l上箭頭所指方向為焊接方向，電弧轉(zhuǎn)動為逆時針。a點為光藕所在位置，每當(dāng)光碼盤的深槽轉(zhuǎn)到位置a時，數(shù)據(jù)采集卡ART2932受觸發(fā)，開始采樣時，焊絲末端在b位置，由于安裝誤差，焊絲末端實際在c點。

3.2 小彎曲角焊縫

圖4為小彎曲角焊縫跟蹤實物圖，實驗表明:跟蹤的效果很好。

圖4 小彎曲角焊縫實驗Fig 4 Experiment of small bending fillet weld

沿著焊接方向看去，圖5（a）為完全偏左，從第1～16個采樣點，電弧長度變短，對應(yīng)的焊接電流變大，從第17～48個采樣點，焊接電流慢慢變小，由于噪聲，擬合時誤差的影響，焊接電流最小值為第52個采樣點，與理論的第48個采樣點很接近;從第52～64個采樣點，焊接電流值又變大。

由圖5（b）可知，前面半個波形的波峰值大于后面半個波形的波峰值，并且，前面半個波形具有35個采樣點，而后面半個波形只有29個采樣點。沿著焊接方向，為部分偏左。

由圖5（c）中擬合的電流波形可以看出，2個半波的波峰值相同，每個半波具有的采樣點數(shù)都是32個;電弧轉(zhuǎn)1圈，焊接電流波形經(jīng)歷了2個周期，所以，此時剛好對中。

沿著焊接方向，圖5（d）為部分偏右。前面半個波形的波峰值小于后面半個波形的波峰值;前面半個波形含有22個采樣點，后面半個波形含有42個采樣點。所以，為部分偏右。

關(guān)于完全偏右的波形，此處不再詳述。在進行小彎曲角焊縫跟蹤時，上面幾類波形交替出現(xiàn)。

圖5 與小彎曲角焊縫對應(yīng)的幾種焊接電流波形Fig 5 Several welding current waveforms corresponding to small bending fillet weld

3.3 直角轉(zhuǎn)彎角焊縫

圖6（a）為直角轉(zhuǎn)彎角焊縫跟蹤的實物圖。

如圖6（b）所示，當(dāng)機器人跟蹤a板和b板之間的角焊縫時，前面半個波形大約含有12個采樣點，后面半個波形含有52個采樣點;前面半個波形的波峰值小于后面半個波形的波峰值，所以，為右偏。由圖3（b）知，數(shù)據(jù)采集卡受觸發(fā)時，焊絲實際位置為c，此處剛好是在焊縫上，所以，第一個采樣點接近波谷。然后焊接電流增大，接著又減小。由于第一個波谷的值小于第二個波谷的值，所以，為后傾。沿著焊接方向，此時為后傾和右偏。

圖6（c）是直角拐彎角點處焊接電流波形，第一個半波含有31個采樣點，對應(yīng)a板;第二個半波大約含有8個采樣點，對應(yīng)b板;第三個半波含有25個采樣點，對應(yīng)d板。由于第一個半波含有的采樣點數(shù)和波峰值大于第三個半波的采樣點數(shù)和波峰值，第三個半波的采樣點數(shù)和波峰值又大于第二個半波的采樣點數(shù)和波峰值，并且，開始采樣后，經(jīng)歷4個采樣點后到達第一個波谷，所以，沿著焊a板時的焊接方向，此時偏左;沿著焊d板時的焊接方向，此時偏左。此處不涉及高度誤差，在一定的范圍內(nèi)，水平滑塊的移動和干伸長的變化可以抵消高度誤差。由第一個波谷值小于第二個和第三個波谷值知，此時焊槍的傾角小于45°，第二個波谷值與第三個波谷值近似相等，說明此時剛好到達角點。

如圖6（d）所示，沿著焊接方向，此時為前傾和左偏。當(dāng)機器人跟蹤d板和e板之間的角焊縫時，判定其為左偏的理由有三點:1）第一個半波含有36個采樣點，第二個半波含有28個采樣點;2）第一個半波的波峰值大于第二個半波的波峰值;3）第一個采樣點前面還有5個采樣點才是波谷。由于是左偏，并且第一個波谷值小于第二個波谷值，所以，為前傾。關(guān)于直角轉(zhuǎn)彎過程中其它波形，分析方法類似，不再重復(fù)。

圖6 直角轉(zhuǎn)彎角焊縫實驗Fig 6 Experiment of right angle corner fillet weld

4 結(jié)論

1）由于短路過渡，焊接電源電壓不穩(wěn)定，送絲速度不穩(wěn)定等，會使采樣得到的焊接電流含有大量的噪聲。依次經(jīng)過空間均值濾波，用大小為1×5的濾波器模板進行濾波，軟閾值小波濾波，大小為3×4的濾波器模板進行濾波，最后得到較理想的焊接電流波形。

2）當(dāng)焊槍傾角為45°時，進行小彎曲角焊縫和直角轉(zhuǎn)彎角焊縫跟蹤時，會出現(xiàn)前傾、后傾和既不前傾也不后傾，左偏、右偏和對中的情況。此時通過濾波后64個采樣點構(gòu)成的波形來判斷。根據(jù)多個波峰值之間的關(guān)系，多個波谷值之間的關(guān)系，每個半波含有的采樣點數(shù)，第一個采樣電流的大小來判斷。

［1］熊震宇，張 華，潘際鑾.電弧傳感器的發(fā)展?fàn)顩r及應(yīng)用前景［J］.焊接技術(shù)，2001，30（5）:2-5.

［2］彭俊斐，張 華，毛志偉，等.新型旋轉(zhuǎn)電弧傳感系統(tǒng)的研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2007，26（12）:12-18.

［3］熊 勇，張 華，賈劍平，等.旋轉(zhuǎn)電弧傳感器信號消噪的研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2010，29（5）:41-43.

［4］高延峰，張 華，肖建華.旋轉(zhuǎn)電弧傳感器焊槍空間姿態(tài)識別［J］.焊接學(xué)報，2009，30（3）:81-84.

［5］Gonzalez R C，Woods R E.Digital image processing［M］.3rd ed.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2010.

［6］高延峰.移動機器人旋轉(zhuǎn)電弧傳感焊槍偏差與傾角檢測及角焊縫跟蹤［D］.南昌:南昌大學(xué)，2008.