焊縫跟蹤傳感方式對(duì)比與選用

三浦健二，賈蒙，王海松，洪峰

蘇州澳冠智能裝備股份有限公司 江蘇蘇州 215000

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(wèn)題，通常采用焊接夾具定位夾緊的方法來(lái)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(lái)消除工件定位誤差的方式在生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)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(kāi)發(fā)了焊縫跟蹤傳感功能。但是，因終端客戶(hù)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(lái)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(lái)說(shuō)，相關(guān)概念的描述仍然顯得過(guò)于籠統(tǒng)。因此，從焊接生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)來(lái)對(duì)焊縫跟蹤的概念進(jìn)行分類(lèi)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(guò)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(guò)傳感的方式來(lái)確保焊接過(guò)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(guò)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(lái)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(zhuān)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(jiàn)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(guò)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(wú)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(lái)說(shuō)，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(lái)，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(jiàn)圖7）。②全數(shù)字化通信（見(jiàn)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(wèn)題。但是，數(shù)字量+模擬量通信的缺點(diǎn)在于需要通過(guò)實(shí)際硬件連線完成工作任務(wù)。而全數(shù)字量通信通過(guò)電子電路的方式省去了硬件連線，同時(shí)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)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(lái)，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(kāi)始前使用線結(jié)構(gòu)激光照射焊件來(lái)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(lái)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(wú)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(wú)法糾正焊絲彎曲帶來(lái)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(guò)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(wú)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(jiàn)表1。

表1 兩種傳感方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)所需 功能。

2）對(duì)于厚板開(kāi)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。