羅 雨，陳儀平，焦向東，張中亮，楊成功，余成強(qiáng)

（北京石油化工學(xué)院能源工程先進(jìn)連接技術(shù)北京高校工程研究中心，北京102617）

基于擺動電弧傳感的管道焊接焊縫跟蹤技術(shù)研究現(xiàn)狀

羅 雨，陳儀平，焦向東，張中亮，楊成功，余成強(qiáng)

（北京石油化工學(xué)院能源工程先進(jìn)連接技術(shù)北京高校工程研究中心，北京102617）

基于電弧傳感器的焊縫跟蹤技術(shù)是目前焊接領(lǐng)域的一個重要研究方向，精確的焊縫跟蹤可以快速實現(xiàn)焊縫的精確定位，是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。介紹了擺動頻率影響跟蹤精度的工作原理，綜述了電弧傳感器的發(fā)展與研究現(xiàn)狀，分析了各類電弧傳感器的應(yīng)用特點，論述了擺動電弧傳感器的在管道焊接機(jī)器人系統(tǒng)中集成應(yīng)用情況。

擺動電弧傳感器；焊縫跟蹤；管道焊接機(jī)器人

0 前言

焊接導(dǎo)軌是裝卡在管子上供焊接機(jī)器人機(jī)械本體行走和定位的專用機(jī)構(gòu)，焊接開始前，需要對焊接導(dǎo)軌進(jìn)行安裝以保證軌道與坡口保持全位置下的平行，同時還要保證全位置下焊槍與坡口高度的一致性，因此導(dǎo)軌的安裝過程復(fù)雜、費時，大大影響鋪管效率。此外，大多數(shù)成熟的管道焊接機(jī)器人的焊接參數(shù)都是根據(jù)實際作業(yè)條件預(yù)先設(shè)置，焊接時通過插補(bǔ)方法得到不同位置處的焊接參數(shù)，在焊接時缺少外部信息傳感和自動調(diào)整控制功能，需要焊工實時調(diào)整焊槍姿態(tài)，保證焊縫的嚴(yán)格對中，由于需要同時對焊炬的左右和高低位置進(jìn)行調(diào)整，所以要求焊工調(diào)整過程快速、熟練，這樣增加了焊工的勞動強(qiáng)度，而且調(diào)整的效果也很難得到保證。同時，管道焊接對焊接作業(yè)條件的穩(wěn)定性要求嚴(yán)格。實際管道鋪設(shè)中，由于管道坡口加工和軌道裝配誤差很難保證焊絲端部與焊縫位置保持恒定的距離，再加上焊接過程工件受熱及散熱條件改變會造成焊道變形而無法形成恒定的焊道厚度。為克服焊接過程中各種不確定性因素對焊接質(zhì)量的影響，研究基于電弧傳感的管道焊接技術(shù)意義重大[1]。

1 擺動頻率影響電弧傳感靈敏度的工作原理

利用導(dǎo)電嘴端部與母材之間距離變化引起的焊接參數(shù)變化來獲得焊炬的空間位置信息。擺動掃描方式和旋轉(zhuǎn)掃描方式是電弧傳感與跟蹤控制焊縫的兩種主要方法。很多學(xué)者認(rèn)為當(dāng)使用高的擺動或旋轉(zhuǎn)頻率時，電弧信號的敏感性會增加。電弧的自調(diào)節(jié)引起的電弧信號變化與導(dǎo)電嘴到工件的距離變化一致[2]。原理如圖1所示。

圖1 焊槍高低擺動頻率下弧長的差別

對于恒壓熔化極氣體保護(hù)焊來說，干伸長的變化可導(dǎo)致焊接電流明顯的變化。相同的導(dǎo)電嘴到工件的距離在使用不同的擺動頻率下可產(chǎn)生不同的電弧信號變化值。對于低的擺動頻率，自調(diào)節(jié)作用會使電弧長度及干伸長達(dá)到一個新的平衡點，高頻率擺動下電弧自調(diào)節(jié)作用沒有形成新的平衡，干伸長度沒時間自調(diào)節(jié)變化，因此導(dǎo)電嘴到工件距離的變化就是電弧長度的變化，圖1中La1=La3，La2＞La4因此La3-La4＞La1-La2，故高的擺動頻率使電弧信號的敏感性提高。

2 電弧傳感器的分類

2.1 旋轉(zhuǎn)式掃描電弧傳感器

在日本NKK的關(guān)于窄間隙焊文獻(xiàn)中，旋轉(zhuǎn)掃描焊炬用來改善兩側(cè)熔合和角焊縫及多道焊的成形，但后來發(fā)現(xiàn)該焊炬還可用于電弧傳感，且靈敏度更高，因而成功研究了高速旋轉(zhuǎn)電弧傳感器[3-5]。韓國的C.H.Kim等人制作的偏心導(dǎo)電嘴高速旋轉(zhuǎn)電弧傳感器可實現(xiàn)電弧的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，但焊絲在導(dǎo)電嘴中的高速旋轉(zhuǎn)，會加劇導(dǎo)電嘴的損耗[6]。德國亞琛科技大學(xué)的U.Dilthey等人也在高速旋轉(zhuǎn)電弧傳感器方面做了大量的研究工作[7]。

國內(nèi)以清華大學(xué)潘際鑾院士為首的研究機(jī)構(gòu)，在旋轉(zhuǎn)電弧傳感器方面做了大量的研究工作。清華大學(xué)博士生廖寶劍在博士生費躍農(nóng)的研究成果的基礎(chǔ)上，研制成功了一種空心軸電機(jī)驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)掃描傳感器，之后國內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)對旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)以及性能進(jìn)行深入的研究，包括有湘潭大學(xué)的洪波教授團(tuán)隊、南昌大學(xué)機(jī)器人與焊接自動化重點實驗室以及華南理工大學(xué)的曾松盛。江蘇科技大學(xué)的王加友以及哈爾濱工業(yè)大學(xué)的楊春利發(fā)明了針對窄間隙焊接的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器[8-12]。

基于旋轉(zhuǎn)掃描的焊炬旋轉(zhuǎn)頻率能達(dá)到100 Hz以上，在保證改善兩側(cè)熔合和角焊縫及多道焊的成形質(zhì)量的同時，高旋轉(zhuǎn)頻率的旋轉(zhuǎn)電弧還可提高電弧傳感的靈敏度。尤其在窄間隙多層焊接中的，較高頻率的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器可實現(xiàn)細(xì)絲大電流的高速焊接，因此基于電旋轉(zhuǎn)掃描方式的電弧傳感具有較大的應(yīng)用價值。但旋轉(zhuǎn)電弧傳感器在焊接過程中的旋轉(zhuǎn)半徑無法自適應(yīng)調(diào)整，只能在焊接前進(jìn)行調(diào)整，對于窄坡口管道焊接以及中厚板焊接來說，前期坡口加工精度、工件組對、焊接過程變形導(dǎo)致的實際焊縫坡口的寬度不一致，焊接時旋轉(zhuǎn)電弧傳感器固有的旋轉(zhuǎn)半徑顯然無法自適應(yīng)變化，無法滿足特殊行業(yè)焊接的應(yīng)用要求。

2.2 擺動式電弧傳感器

擺動掃描式電弧傳感器是目前應(yīng)用最廣的一種電弧傳感器，該傳感器通過擺動裝置的來回擺動而實現(xiàn)焊縫跟蹤。而弧焊機(jī)器人上的擺動電弧傳感通過機(jī)器人手臂帶動焊槍作橫向擺動來完成焊縫跟蹤。但弧焊機(jī)器人的擺動頻率一般較低，限制了電弧傳感器在高速和薄板搭接接頭焊接中的應(yīng)用。

高速擺動電弧傳感器是旋轉(zhuǎn)電弧以及擺動電弧技術(shù)的融合，雖然沒有對高速擺動這個概念進(jìn)行清晰的定義，但一些作者認(rèn)為超過5 Hz的擺動頻率為高速擺動。這項技術(shù)要求擺動系統(tǒng)穩(wěn)定并通過改善溶滴特性來保證側(cè)壁熔合，同時能提高焊縫跟蹤的敏感度，在熔化極氣體保護(hù)焊中，焊槍擺動頻率在5～15 Hz之間能有好的溶滴形狀以及低的飛濺產(chǎn)生[13]。

M.Kodama[14-15]等人發(fā)明的電磁高速擺動電弧傳感器由兩側(cè)的永磁鐵和激勵線圈組成，一定頻率的電流通過激勵線圈后，導(dǎo)電桿便會產(chǎn)生一定頻率的

擺動。如圖2所示，該高速擺動電弧傳感器的擺動頻率范圍為0～40 Hz，結(jié)構(gòu)比較簡單，且電弧擺動時，焊槍外殼不動，該擺動傳感器適合裝配在焊接機(jī)器人上使用。新日鐵的MIG-II型管道焊接機(jī)器人系統(tǒng)集成了該高速擺動電弧傳感器，可完成高頻擺動下的電弧跟蹤。

圖2 電磁高速擺動電弧傳感器

英國Cranfied大學(xué)的David Yapp在研究基于電弧傳感的窄坡口管道焊接時，發(fā)明了一種凸輪式高速擺動器，可以進(jìn)行高速擺動下的電弧跟蹤試驗，該高速擺動器的擺動頻率為0～40Hz，如圖3所示。由于高速擺動裝置內(nèi)增加了控制擺寬的電機(jī)，所以可以實現(xiàn)擺寬的自動調(diào)整，但整個機(jī)構(gòu)復(fù)雜、體積較大，無法集成與管道焊接中[16]。

圖3 高速擺動電弧傳感器的應(yīng)用

文獻(xiàn)[17]針對現(xiàn)有掃描焊炬無法滿足較高擺動頻率下擺動寬度的自動調(diào)整功能，打破原有焊接擺動器使用齒輪-齒條或?qū)к壗z杠傳動方式，采用具有線性控制、高加速度、快速響應(yīng)等特點的特種電機(jī)直接驅(qū)動焊槍高速擺動，同時，通過程序控制可使焊槍在較高的擺動速率下實現(xiàn)擺動寬度的任意調(diào)整，圖4a、圖4b為高速擺動器設(shè)計圖以及實物圖，高速擺動器采用光柵尺作為音圈電機(jī)直線平臺的閉環(huán)檢測機(jī)構(gòu)，控制精度高，同時沒有齒輪齒條傳動固有的間隙，保證了焊槍擺動過程中較高的擺寬精度，高速擺動器的最大擺寬為8 mm,在擺動寬度為6 mm時的最大擺動頻率可達(dá)15 Hz，該高速擺動器可以進(jìn)行高頻擺動下的窄坡口電弧跟蹤試驗研究，為進(jìn)一步實現(xiàn)電弧傳感在管道焊接的集成應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。將高速擺動器安裝于三軸控制平臺可用于擺動電弧傳感的跟蹤試驗[17]，試驗平臺如圖5所示。

1—擺動電機(jī)；2—電機(jī)編碼器；3—送絲管；4—送氣管；5—電源連接；6—桿管；7—位移傳感器；8—自動移動對準(zhǔn)軸承；9—固定對準(zhǔn)軸承；10—氣體噴嘴；11—導(dǎo)電嘴；12—焊炬底盤；13—直線軸承；14—凸輪。b高速擺動器實物圖4 高頻擺動焊炬

3 擺動電弧傳感焊縫跟蹤技術(shù)的應(yīng)用狀況

目前國外擺動電弧焊縫跟蹤技術(shù)的應(yīng)用較為成熟和廣泛，如德國的KUKA、REIS等弧焊機(jī)器人都配備了擺動電弧焊縫跟蹤模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的

焊縫跟蹤。日本KOBELCO的ARCMAN型中厚板焊接機(jī)器人，使用最新控制技術(shù)的高精度擺動性能，避免了擺動時上下動作等原因產(chǎn)生誤差，本機(jī)器人具有實現(xiàn)高精度電弧傳感功能。針對多層多道焊接也可自動跟蹤焊接。此外，該型號機(jī)器人還可實現(xiàn)坡口寬度的自適應(yīng)跟蹤。

圖5 高速擺動焊槍實物

國外的雙絲管道全位置焊接機(jī)器人將電弧傳感技術(shù)集成與管道焊接中，包括美國的CRC、法國的DASA、韓國現(xiàn)代重工以及日本新日鐵公司。其中韓國現(xiàn)代重工將擺動電弧傳感集成與雙絲Tandem管道焊接機(jī)器人中（見圖6），采用恒流特性焊接電源，系統(tǒng)對采樣的電流信號進(jìn)行截止頻率為50 Hz硬件低通濾波，然后采用區(qū)域移動平均數(shù)算法提取焊縫偏差特征值，實現(xiàn)了電弧跟蹤功能[18]。加拿大郵政RMS MOW II鋪管焊接機(jī)器人將帶CAN總線接口的焊接電流傳感器集成于電弧傳感的焊縫跟蹤系統(tǒng)中，采用凸輪式高速擺動器掃描坡口，產(chǎn)生高速擺動的電弧，進(jìn)行了窄坡口管道焊接電弧跟蹤的應(yīng)用研究[16]。日本的新日鐵公司的管道焊接機(jī)器人采用基于電弧傳感的方式可實現(xiàn)焊縫跟蹤及擺動寬度的自適應(yīng)控制[19]。

圖6 串聯(lián)雙絲焊接機(jī)器人

國內(nèi)的應(yīng)用研究與國外有一定差距，但從第6屆國際管道大會上的產(chǎn)品介紹可知，許多研究機(jī)構(gòu)都已將電弧跟蹤集成在管道焊接中，最典型的產(chǎn)品有廊坊管道局的CPP900-W2型雙炬管道焊接機(jī)器人（見圖7）以及熊谷的A-610CW型雙炬管道焊接機(jī)器人，據(jù)技術(shù)人員介紹，這兩款產(chǎn)品也都已集成了單絲的電弧傳感功能，但一些跟蹤的性能測試參數(shù)還未見報道。

圖7 基于電弧傳感的管道雙炬焊接機(jī)器人

北京石油化工學(xué)院的海底管道鋪設(shè)焊接機(jī)器人系統(tǒng)也集成了高低方向的跟蹤，可以實現(xiàn)不同焊接規(guī)范下的高低跟蹤[20]，圖8是高低方向的跟蹤試驗。

圖8 窄坡口高低跟蹤過程

針對左右方向的窄坡口電弧跟蹤問題，實驗室也進(jìn)行了相應(yīng)的機(jī)理研究，圖9是短路過渡下電弧信號的處理結(jié)果，該處理結(jié)果可作為橫向跟蹤的偏差提取信號。圖10是最終的跟蹤效果圖。此外，擺寬自適應(yīng)的電弧跟蹤正在實驗室調(diào)試階段。

4 結(jié)論

焊接機(jī)器人作為焊接自動化的一個重要載體必將得到廣泛的應(yīng)用，而基于電弧傳感的焊縫跟蹤技術(shù)是焊接機(jī)器人應(yīng)用的一個重要研究方向。以提高焊接質(zhì)量及效率、節(jié)約成本為目的，國外管道鋪設(shè)焊接機(jī)器人朝著操作自動化、功能智能化及網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，其中基于電弧傳感的焊縫跟蹤技術(shù)作為智能

化應(yīng)用技術(shù)被集成到管道焊接機(jī)器人中，得到了初步的應(yīng)用，國內(nèi)的應(yīng)用研究起步較晚，但基于電弧傳感的智能化集成也得到了很好的發(fā)展。隨著智能控制技術(shù)的應(yīng)用和焊縫偏差提取與自適應(yīng)實時控制算法等一系列關(guān)鍵技術(shù)問題的解決，基于擺動電弧傳感的管道焊接機(jī)器人將得到更加廣泛的應(yīng)用。

圖9 高頻擺動電弧傳感信號處理

圖10 V型坡口橫向跟蹤焊縫

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Research status of pipe welding seam tracking technology based on the swing arc sensor

LUO Yu，CHEN Yiping，JIAO Xiangdong，ZHANG Zhongliang，YANG Chenggong，YU Chengqiang
（Beijing Institute of Petrochemical Technology Research Center of Energy Engineering Advanced Joining Technology，Beijing 102617，China）

The seam tracking technology based on arc sensor is an important research direction in the field of welding，precision of weld seam tracking can quickly realize the accurate location of welding line，it is the key to ensure the quality of welding.This paper introduces the working principle of oscillation frequency tracking precision，summarizes the research status and the development of the arc sensor，and analyzes the application characteristics of various arc sensor，especially discusses the integration application of swing arc sensor in pipe welding robot system.

swing arc sensor；seam tracking of welding；pipe welding robot

TG409

C

1001-2303（2016）08-0001-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.08.01

2016-03-03；

2016-06-20

國家自然科學(xué)基金項目（51305037）；北京市屬高校創(chuàng)新團(tuán)隊建設(shè)提升計劃（IDHT20130516）；北京石油化工學(xué)院URT資助項目（2015J00083）

羅雨（1981—），男，內(nèi)蒙古人，講師，主要從事焊接自動化與焊接控制的研究工作。