基于霍爾電流傳感器的弧焊機器人焊縫偏差檢測技術研究

剛建華

【摘 ?要】本文通過旋轉電弧傳感器提取焊接過程中弧長變化引起的焊接電流的變化來獲取焊縫偏差的信息，針對弧焊在焊接V型工件時會在焊縫兩側做周期擺動的特點，采用霍爾電流傳感器來檢測焊縫偏差，從而確保焊接的精度。

【關鍵詞】霍爾傳感器;焊接;焊縫偏差;電弧傳感器

焊接時，由于工件加工誤差、安裝誤差以及焊接過程中的變形等因素的存在，會影響加工時實際焊縫與理想焊縫存在偏差，影響焊接質量。要實現機器人焊縫跟蹤首先要實現焊縫的偏差檢測。將獲得的焊縫偏差補償到機器人的運動軌跡中，使機器人能夠在焊接的過程中實時的調整其運動的目標點，確保焊接的精度。

1.焊縫偏差數據提取

1.1焊接電源分析

1.2焊接電流模型分析

電弧傳感的基本原理是利用導電嘴與工件的距離（Contact-tube to Workpiece distance，CTWD）有規律變化而引起焊接電流信號的變化來探測焊炬的高度和左右偏差的[1] 。電弧傳感焊縫跟蹤的基本原理正是利用了弧長變化引起的焊接電流或焊接電壓的變化，通過檢測焊接電流或焊接電壓來判斷焊炬與焊縫對中的情況。

2 焊縫偏差數據模型分析

2.1 霍爾電流傳感器采集焊接電流

霍爾電流傳感器工作原理：被測電流電纜從傳感器的圓環中間穿過，圓環中是可磁化的介質，由于電磁感應原理在圓環中產生磁場，磁場在霍爾元件中由于霍爾效應產生霍爾電壓，經放大器放大后輸出一個模擬量電壓，該電壓隨被測電流的變化而變化，被測電流越大，產生的磁場越強，則輸出電壓越大;反之，被測電流越小，產生的磁場越弱，則輸出電壓越小[2]。

在焊接過程中，霍爾電流傳感器的電壓輸出變化即可反映出焊接過程中的電流變化，從而實現焊接過程中電流信號的采集。

2.2焊縫偏差對焊接電流的影響

以焊接 V 型坡口焊接為例，在焊接過程中焊槍相對焊縫做正弦擺動。

由圖2可以看出，當焊槍左起擺，且焊槍向右偏離焊縫中線時，由于偏移導致前半個擺動周期的振幅小于后半個擺動周期的振幅。同理，可得當焊槍右起擺，且焊槍向左偏離焊縫中線時，由于偏移導致前半個擺動周期的振幅小于后半個擺動周期的振幅。

由以上仿真可得如下結論：[4]

（1）在一個擺動周期內，當焊槍對準焊縫中線的時候，一個擺動周期內兩個波峰的峰值大小相同;

（2）在一個擺動周期內，當焊槍偏離焊縫中線的方向與焊槍起擺的方向相同的時候，前半個周期的波峰峰值大于后半個周期的波峰峰值;

（3）在一個擺動周期內，當焊槍偏離焊縫中線的方向與焊槍起擺的方向相反的時候，前半個周期的波峰峰值小于后半個周期的波峰峰值;

（4）在一個擺動周期內，由公式（2-2） 可知，前半個周期的波峰峰值與后半個周期的波峰峰值之差，與焊槍到焊件的距離之間近似成線性關系，如公式（3-4） ?所示： ?（3-4）

由以上結論可知，只要得到焊接過程中的焊接電流的波形及其峰值，加上焊接起擺的方向，即可得到焊槍偏離焊縫中線的大小及方向。

參考文獻：

[1] 樂健.基于旋轉電弧傳感焊接機器人跟蹤矩形焊縫的研究[D].南昌大學，2018：31-36.

[2]劉念.弧焊機器人焊縫跟蹤系統的研究與實現[D].哈爾濱工業大學，2015：50-51.

[3]許燕玲.基于視覺及電弧傳感技術的機器人GTAW 三維焊縫實時跟蹤控制技術研究[D].上海交通大學，2013：1-10.

[4] 賴長川.機器人電弧焊縫跟蹤系統研究[D].哈爾濱工業大學，2017：31-41.

基金項目：

本論文是滄州市科學技術局重點研發計劃指導項目《基于霍爾電流傳感器的弧焊機器人焊縫識別與跟蹤技術研究》（課題編號：183102003）研究成果。

（作者單位：滄州師范學院）