基于復合傳感器的船舶焊接全過程自動化實現

彭奇平

（舟山技師學院，浙江 舟山 316012）

0 引 言

造船業對所有的海上事業都具有重要的意義，船舶焊接對于造船業很重要，著眼最近幾年，全自動智能化的船舶全過程焊接正在飛速發展。自動焊接的發展方向以自動化的裝配步驟，外加對于焊接質量的自動監控，以及全自動化的焊接設備為主。依照當今社會的進步程度，船舶質量的要求也在逐漸提高，因為不能滿足船舶制造的進度，傳統的焊接技術已經被逐漸淘汰。我國已經開發了自己的焊接生產線和不同數量的焊接設備，從國外進口了一些設備用來輔助制造，從各方面的表現可以看出，目前國內的船舶焊接技術與理想的水平狀態還有一段距離。在工業生產中，自動焊接技術不僅應用于機械制造，在其他的領域之內也得到了廣泛的應用，比如鐵路運輸和石油化工等。焊接的質量需要嚴格管理，這是生產中的重要條件。焊接技術為了能夠更加嚴謹，也做出了很大的變化，為了適應制造從最初始的加工技術逐漸進步為自動化加工。想要將我國的機械工業提高層次，減小與國外在制造業上的差距，就必須在工業制造中融入全過程自動化的焊接技術，將復合傳感器作為技術支持的一部分。船舶焊接中了解各部件的詳情很重要，裝配的間隙是否存在誤差，幾何形狀的部件是否有形狀偏差，在焊接過程中部件是否因為受熱而變形，這就使得復合傳感器起到了很大的作用。目前，基于復合傳感器的自動焊接技術在船舶制造中得到了廣泛的關注，提高自動焊接技術水平可以增強自動焊接技術在船舶制造中的重要性。

1 基于電弧傳感器的船舶焊縫自動跟蹤

造船是一項大型工程，其焊接工藝非常復雜，需要許多設備一起操作，相互結合才能完成。想要實現船舶焊接的全過程自動化，有很關鍵的兩個要素，第一是焊縫跟蹤，第二是實時測控焊接的質量。保證船舶焊接質量是焊縫跟蹤的基本需求，能夠實現對焊縫的全過程自動跟蹤檢測，是船舶焊接技術想要提高的首要解決問題。

跟蹤過程中少不了傳感器的加入，電弧傳感器以電弧本身作為傳感器主體，對焊接過程中的電流以及電壓做出提取，依照焊接電弧的基本屬性將提取到的數據進行變化，以此來作為傳感器收集到的信號。擺動電弧傳感器由于機制的局限性，掃描頻率通常低于5 赫茲，使靈敏度降低，利用電弧式傳感器進行焊縫跟蹤的主要注意事項是考慮弧長變化對跟蹤結果的影響。同時，流動或填滿的液態金屬焊接坡口識別也給船舶焊接自動化帶來障礙，圖1為由于焊槍導電噴嘴與工件表面距離的變化而改變焊接參數的過程。

圖1 弧長變化對工作點的影響

觀察外測電源和平面之間的關系尋找其屬性特點，以相等的送絲速度進行調節時，弧長變化對工作點的影響如上圖1中所示，電弧傳感器在靜態時所呈現的屬性曲線用來表示，描述電源外側的特性曲線用E 來表示，等熔曲線用C來表示。在相對穩定的焊接狀態下，設置電弧的工作點位于A的位置上，電弧的弧長為，在送絲時的伸長變化要看實際焊接過程中的變化情況；平等融化曲線與以上兩個數據相對應，用來表示等熔曲線。當工件表面與焊槍之間的步長發生變化時，若補償增加到，電弧長度就會被拉長為1。這個時候的伸長并不存在時間上的改變，在新的工作點上，電弧開始進行燃燒，然后過程中電流出現變化，數值也變化為1。電弧傳感器這個時候就會觸發自我調節裝置，在經過一定量的調節之后，電弧在新的工作點A上較為穩定，弧長用表示，對應的等熔曲線為，對應的電流為；由此可以看出，電弧的伸長率和弧長一起增長，比原來的數值要更大一些。

弧長變化對工作點的影響中涵蓋了兩個狀態變化過程，△I代表了動態變化的調整過程，△I是穩定點在建立新的點位之后所保持的靜態變化。之所以會產生動態的變化，一般情況下是因為焊絲在熔化的時候速度受限，焊槍高度的突發性變化會讓焊絲難以適應，而電弧傳感器的自適應調節會帶來靜態變化的屬性特征。想要得知焊槍焊點的具體位置，就需要在電弧傳感器信號中進行審視，船舶焊縫的左、右、高、低偏差信息尤為重要，這些數據是焊縫在實際校正中不可缺少的一部分。對焊縫進行識別時，需要采用積分差的計算方法消波，屏蔽船舶焊接中電流噪聲。電弧傳感器的識別裝置，深入研究電弧傳感器信息的輸入與輸出，使信息空間交換，利用特征諧波法來識別其凹槽，在數字濾波技術中二次曲線擬合處理電弧傳感器信息，將焊接電流信號擬合成信號值成反比的曲線；改變擺動的方向使曲線擬合焊接電流信號作為焊縫跟蹤信號，實現船舶焊接控制下的焊縫自動跟蹤。

2 基于復合傳感器的焊縫識別方法

2.1 用于船舶焊接的復合傳感器設計

在整個船舶焊接識別中，傳感器是一個重要環節，本文的復合傳感器包含了電弧傳感器和附加式傳感器，具體如下圖2所示。

圖2 傳感器種類

根據圖2剖析最適合的船舶微開關改為精密位移傳感器，也就是一種精密船舶電位計，傳感器上傳的信號存在實時連續偏差且相對平滑，有效克服動作的限值。在傳感器中安裝兩個精密正交電位器，采用同一種探頭驅動感知凹槽坐標，使得傳感器輸出的信號為兩個電平值，接觸式傳感器的數學模型可以描述為公式（1）：

式中，為探頭外伸長度，為探頭內縮長度，為系統比例常數；為電源標準電壓。由于設備或電池組件的安裝，有一個傳感器坐標相近的現象，即傳感器組件必須安裝在焊炬L 多頭部位，因此，要考慮前槍L 和區別當前點的坐標將丟失。

2.2 焊縫實時識別模塊

焊縫實時識別模塊的基本原理和思路由傳感器、控制器和執行器三部分組成。其中傳感器負責處理和收集傳感器信號，對信號進行采樣，隨后放大和存儲數值，對信號進行運算記錄。焊縫實時自動識別協調超前處理，保證真實的識別模式；對焊接過程中出現的干擾進行降低，確保裝置的識別無誤，執行驅動之后對焊接過程進行實時的跟蹤檢測。為了提高整個焊接自動化設計的穩定性和抗干擾性能，做出的雙向坐標信號從傳感器發出之后，一定要被放大才能進入被隔離的模擬電路之中。進行傳感器信號的采樣，將初始信號AD 轉換成數字量，經過數據處理和計算就可以在REM 中儲存，這樣就完成了坐標值的采樣過程。由于使用了REM數據存儲解決檢測坐標，安裝完系統后無論探頭尺寸大小，只要容量足夠就可以確定距離，無論何時焊炬電弧以及焊接速度的如何，焊縫的坐標都會被記住。在探頭的初始檢測位按下起弧開關，同時檢測位坐標剛好為最合適的距離點。

3 基于復合傳感器的船舶焊接全過程自動化控制設計

3.1 參數測控

船舶焊接的全過程自動化實現可以自主選擇焊接材料并預置焊接。電流是一個經常需要在工業場所進行調整的物理量，在電弧焊接過程中電站輸出的電壓波動及送絲速度變化都會對焊接電流測控產生干擾。基于復合傳感器的船舶焊接很難建立準確的模型，需要在控制實現焊接時采用必要的算法，對模型實現最優功能控制。由于焊接過程中的控制管理需要高度集中，所以也存在著一定的危險，傳感器需要采用運行速度快、精度高、抗干擾能力強的工控機。其負責存儲各種數據信息，負責歸檔各個接頭焊接的參數數值。PID 調節器具有良好的控制效果，是一種較為優質的線性調節器。它包括比例（P）、積分（I）和微分（D）三個步驟，該調節器技術成熟廣為熟知，不依靠過于煩瑣的數學模型就可以很好地進行控制，PID 的基本算法如式（2）所示:

式中，T為積分時間，為微分時間，為比例系數，為e=0 時的控制常量。在具體控制焊接電流時，應采取具體措施提高PID 調節周期的綜合性能。針對電流信號的特點，應采用IP 調節。在調整的過程中，只要不消除系統的偏差，整體效果就會不斷增加，最后微電腦的輸出會在兩個極端中發展，通過使執行器隨每次的增加和減少而固定要控制的步長。在該模式下，通過增加第一個控制周期的控制量，使系統的動態響應速度逐漸接近給定值，從而提高系統的動態響應速度，這樣就可以按照具體的條件和要求，在一定程度下靈活選擇合適的控制方式快速對應船舶焊接電流。

3.2 自動化焊接流程

基于復合傳感器的船舶焊接全過程自動化生產線根據工件結構及流程分步進行設計，其構成及布局如圖3所示。

圖3 自動化焊接流程圖

船舶焊接上料工位主要由軌道車、送料門及抓取、轉彎裝置和拼裝臺組成。點焊位主要由點焊平臺、焊接切割龍門架裝置、龍門傳動裝置、焊接頭、焊接位置檢測、控制系統、焊接除塵裝置、焊接保護裝置等組成。點焊平臺壓緊壓平部件，對點焊步驟進行操作，點焊位焊接切割龍門架設置直線導軌，可沿地面導軌移動，采用齒輪齒條傳動焊接升降。電弧傳感器焊接裝置為兩個輸出光學分裂系統，一個用于焊接點焊，另一個用于切割；該控制系統實現了點焊焊接和切割的自動控制。焊接切割時的粉塵應由真空裝置清除，并設置相應的防護柵欄等安全防護裝置。焊接位檢測裝置主要由焊接平臺和工件矯直裝置組成。切割位由切割頭、切割平臺、切割頭配升降機械臂、切割平臺配垂直和水平定位、縱向導向、鍵盤式壓緊裝置組成，還需要設置渣箱和切割粉塵處理裝置，工件可以實現動力傳輸。卸車工位由卸車架、抓斗和軌道車組成，將焊接好的部件送到軌道車，采用海綿吊帶的形式將焊接工件回轉到特定位置。

4 實例實驗

4.1 實驗準備

使用船焊接調整機制基于復合傳感器設計，這艘船是在曲線上進行焊接焊縫的三維空間z 字形彎曲板，板的彎曲角是250°，實際的焊縫高低彎曲角是180°，在焊接跟蹤實驗中，焊接跟蹤過程中左右、高低方向誤差信號的輸出波形相差不大，實際焊縫的雙向自動跟蹤在整個焊接過程中處于良好的跟蹤狀態。焊接參數為板厚=2 mm，焊絲=1.2 mm，電流=120 A，電壓=20 V，焊接速度=500 mm/min。

4.2 實驗結果

按照以上的設計步驟，結合基于復合傳感器的船舶焊接全過程自動化實現技術，先確定薄板對接焊縫的示意圖，以此來提高焊縫質量，實現焊接全過程的自動化技術，圖4是I 型薄板對接焊縫的示意圖。

圖4 I 型對接焊縫及搭接對接焊縫示意圖

根據以上搭接方式，整個焊接過程的跟蹤狀態較為穩定，焊接跟蹤實驗結果具體數值如表1所示。

表1 搭縫焊接跟蹤結果

從以上跟蹤數據表可以看出，本文的設計方法已經應用于2.0 mm+2.0 mm 和1.5 mm+ 1.5 mm 的薄板搭焊，跟蹤數據是準確的。基于復合傳感器實現船舶焊接自動化主要有兩個問題，焊縫跟蹤和焊接質量控制，結果表明跟蹤效果好，焊接成型較為美觀，搭接焊縫完美融合，焊接的質量得以保證。焊接組裝點的定點位置標明適當的點位，表明傳感器對不均勻點等方法進行濾波，焊縫跟蹤過程記錄由于在基于復合傳感器的焊接跟蹤中，焊炬對焊縫的運動和在離開焊縫時的運動是不同的。焊炬首先向坡口移動，之后再離開焊縫，這反映在變化上有些許變動，其中點固點的影響會有較大的增加。自動焊接技術采用全過程自適應控制，采用先進的傳感技術，可以在實際造船中實現智能焊接，在過程中不斷調整使參數更優化，使船舶焊接更精確。

5 結 論

船舶制造依賴于焊接技術，焊接技術的精度在船舶生產中起著重要的作用，為此本文提出了基于復合傳感器的船舶焊接全過程自動化方法，利用電弧式傳感器實現船舶焊接焊縫的跟蹤；通過設計電弧傳感器和附加傳感器，融合二者為復合傳感器，根據參數控制自動化焊接流程，最終達到船舶焊接的全過程自動化實現。實驗發現所設計的方法搭縫焊接跟蹤結果較為準確，可在一定程度上保證焊接質量。希望通過基于復合傳感器的船舶焊接自動化實現的研究與應用，為船舶自動焊接技術的研究與發展提供良好的基礎，為船舶企業創造更好的經濟效益和社會效益。