弧焊機(jī)器人測控系統(tǒng)設(shè)計研究

郭輝

（廣東福維德焊接股份有限公司，廣東 廣州 510663）

就現(xiàn)階段弧焊機(jī)器人測控系統(tǒng)的研發(fā)而言，能夠在弧焊機(jī)器人測控系統(tǒng)中形成鎖孔效應(yīng)的焊接技術(shù)主要包含激光焊接技術(shù)、真空電子束焊技術(shù)和等離子焊接技術(shù)三大類別。其中，激光焊接技術(shù)和真空電子束焊接技術(shù)所用設(shè)備較為昂貴，整個焊接過程對外界焊接條件以及待焊構(gòu)件要求非常苛刻，而等離子焊機(jī)則需進(jìn)一步壓縮電弧，保證其焊接能量處于較高密度狀態(tài)。此外，等離子焊機(jī)焊槍設(shè)計結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，往往需要較高頻率的維護(hù)，以保證等離子焊機(jī)相關(guān)參數(shù)信息的敏感性。目前，上述三種焊接技術(shù)對10～12mm以上鈦合金均無法實現(xiàn)單面焊接后雙面成型的一次性焊接功能，整個焊接過程成本高昂，不利于焊接產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。在此背景下，本文對焊接機(jī)器人測控系統(tǒng)進(jìn)行深入分析和研究，也就具備重要理論意義和現(xiàn)實價值。

1 弧焊測控原理與理論基礎(chǔ)

焊接電弧作為常見的氣體放電現(xiàn)象，是焊接測控原理的重要內(nèi)容。光輻射作為焊接電弧較為明顯的物理現(xiàn)象特質(zhì)，從光輻射理論以及光子能量理論的諸多應(yīng)用出發(fā)，即可進(jìn)一步研究弧焊測控原理及其理論基礎(chǔ)。首先，電弧光輻射主要通過運(yùn)動著的電子或離子等載體相互碰撞時所產(chǎn)生的加速行為或減速行為而造成的能量變化，最終產(chǎn)生最普遍的輻射現(xiàn)象，此過程往往被人們稱為連續(xù)光譜輻射現(xiàn)象。同時，電子或離子碰撞還能產(chǎn)生復(fù)合輻射以及復(fù)數(shù)輻射等諸多不同類別的輻射，各種輻射具備各自特征，也有著截然不同的應(yīng)用。線光譜作為應(yīng)用最廣泛的重要類別，連續(xù)譜拓寬方法得到了物理學(xué)界的廣泛重視。在利用光譜信息進(jìn)行弧焊測控原理分析時，主要通過光輻射分解為光譜方式，得到特征譜線方法，利用光譜強(qiáng)度和電弧等離子體內(nèi)溫度、濃度甚至成分等因素之間的相互關(guān)系，測定內(nèi)部物理狀態(tài)以及物理過程，最后將所得結(jié)果作為控制信號實時反饋到整個弧焊焊接測控系統(tǒng)中。

2 焊接測控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2.1 測量子系統(tǒng)

圖1即為焊接測控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框架示意圖，被檢測對象通過外界傳感器和調(diào)整電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，此后數(shù)據(jù)采集得到數(shù)據(jù)后，利用電腦中某一程序語言開發(fā)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)進(jìn)行整個焊接測控系統(tǒng)的整體調(diào)度與管理，采集得到的數(shù)據(jù)信息則進(jìn)一步進(jìn)入信號分析子系統(tǒng)進(jìn)行實時在線或離線的數(shù)據(jù)分析，最后通過輸出控制子系統(tǒng)得到隱藏在諸多數(shù)據(jù)后的信息價值并作出決策。

圖1 焊接測控系統(tǒng)框架示意圖

焊接測控系統(tǒng)中的測量子系統(tǒng)是對焊接測控系統(tǒng)中諸如焊接電流值、焊接電壓值、焊接設(shè)備、裝置狀態(tài)、設(shè)備啟動運(yùn)行狀態(tài)等諸多數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集的重要系統(tǒng)，主要完成焊接測控系統(tǒng)中輸入信號方式選擇、觸發(fā)方式判別、輸入信號判別等諸多等功能。當(dāng)測量子系統(tǒng)采用高速采樣方式時，還需進(jìn)一步考慮焊接測控系統(tǒng)中的硬盤容量、總線數(shù)據(jù)吞吐量等參數(shù)，保證整個焊接測控系統(tǒng)處于高效運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，圖2即為某連續(xù)采樣的模擬輸入任務(wù)參數(shù)設(shè)定。

圖2 某連續(xù)采樣的模擬輸入任務(wù)參數(shù)設(shè)定

2.2 信號分析子系統(tǒng)

焊接測控系統(tǒng)中的信號分析子系統(tǒng)是指在數(shù)據(jù)采集后進(jìn)行分析處理以滿足焊接測控系統(tǒng)基本應(yīng)用需要的重要結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)開發(fā)運(yùn)營過程實現(xiàn)了超越限值檢測濾波處理，涵蓋周期信號檢測和超閾值極值點(diǎn)檢測等功能，圖3即為某項目帶閾值的極值點(diǎn)檢測示意。

圖3 某項目帶閾值的極值點(diǎn)檢測示意

2.3 模擬輸出子系統(tǒng)

模擬輸出子系統(tǒng)主要是對焊接測控系統(tǒng)進(jìn)行模擬量的輸出管理與控制。其中，焊接測控系統(tǒng)中的模擬量和數(shù)字量可采取輸入采樣形式、觸發(fā)形式或其它參數(shù)輸入與信號輸入方式進(jìn)行設(shè)置。同時，考慮到焊接測控系統(tǒng)實際功能需求滿足，還需進(jìn)一步加強(qiáng)對過程控制以及脈沖寬度調(diào)制輸出控制等功能的模擬和實現(xiàn)。就脈沖輸出寬度調(diào)制功能控制而言，可借助脈沖寬度調(diào)制程序?qū)崿F(xiàn)該功能目標(biāo)。由于脈沖產(chǎn)生和普通脈沖序列產(chǎn)生原因類似，但焊件焊接測控系統(tǒng)中的脈沖數(shù)量處于動態(tài)變化過程，實際脈沖區(qū)占空比與普通脈沖序列有所不同，因此可由某一局部變量和函數(shù)結(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)對脈沖數(shù)據(jù)的調(diào)整和設(shè)計。

3 弧焊機(jī)器人測控系統(tǒng)的應(yīng)用情況

3.1 在電弧溫度、成分、濃度等測試方面的應(yīng)用

20世紀(jì)60年代初期，部分外國專家學(xué)者從量子力學(xué)角度和統(tǒng)計學(xué)角度出發(fā)，系統(tǒng)闡述了光譜測試的基本原理，并進(jìn)一步探究了原子和離子活躍程度、躍遷可能、譜線強(qiáng)度等詳細(xì)信息，分析了該技術(shù)在焊接機(jī)器人測控系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，給出了理論模型、判斷依據(jù)以及診斷方法的實際應(yīng)用，使離子光譜診斷方法在理論和實踐上得到了較大發(fā)展。20世紀(jì)80年代以來，弧焊機(jī)器人測控系統(tǒng)在電弧溫度、成分和濃度等測試方面的研究不斷深入與發(fā)展，諸多專家學(xué)者在對電弧光譜診斷過程進(jìn)行系統(tǒng)比較和研究的基礎(chǔ)上，獲得了對電弧等離子體局部熱力學(xué)平衡和光學(xué)性質(zhì)理論體系的構(gòu)建，搭建起了電弧光譜診斷裝置，且深入探查了焊接溫度場、壓力場甚至混合氣體電弧成分分布而造成的焊弧機(jī)器人測控系統(tǒng)應(yīng)用差別，圖4即為利用光譜法測得的電弧溫度與成分分布圖，由此得出電弧測試過程中存在著有害氫氣體，為弧焊機(jī)器人測控系統(tǒng)在不同溫度、不同成分以及不同濃度測試條件下的應(yīng)用提供了重要參考。

圖4 電弧溫度與成分分布圖

3.2 在焊接電弧氣氛實時測控方面的應(yīng)用

弧焊機(jī)器人測控系統(tǒng)在焊接電弧氣氛實時測控方面的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在電弧光譜測試技術(shù)的直接應(yīng)用上。美國學(xué)者曾利用清光譜實時監(jiān)測焊接一個電弧中的氫污染以及后果，從而提出需控制焊縫金屬中的氫氧含量和氫氣孔比例，以降低外界環(huán)境的不良污染這一結(jié)論。同時，美國軍隊工程研究所進(jìn)一步利用光導(dǎo)纖維素收集電弧方式，并將收集得到的電弧傳導(dǎo)至光譜設(shè)備入口處，利用光譜設(shè)備入口處的光譜信息分析完成了弧焊機(jī)器人測控系統(tǒng)在電弧氣氛實時監(jiān)測上的信息轉(zhuǎn)換。最后，利用上述光譜信息，焊接工作人員能夠?qū)崟r控制弧焊機(jī)器人的具體操作過程，且能夠進(jìn)一步將該類數(shù)據(jù)信息存儲起來，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)或數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，以備后續(xù)弧焊機(jī)器人測控系統(tǒng)精度提升或流程簡化等的分析與處理。圖5即為弧焊機(jī)器人測控系統(tǒng)在焊接電弧氣氛實時監(jiān)測中應(yīng)用的結(jié)構(gòu)示意，該圖體現(xiàn)了電弧中氫元素濃度超過預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)值時，整個弧焊機(jī)器人測控系統(tǒng)自動發(fā)出警告并調(diào)整電弧氣氛的控制反應(yīng)過程，實現(xiàn)了弧焊機(jī)器人焊接電弧氣氛自動診斷和控制的基本目的。

圖5 弧焊機(jī)器人測控系統(tǒng)示意

4 結(jié)論

總而言之，弧焊機(jī)器人測控系統(tǒng)能通過光譜學(xué)理論和等離子物理學(xué)基礎(chǔ)理論科學(xué)，綜合兩種理論科學(xué)中的物理方程、具體參數(shù)值和參數(shù)方程等，通過光譜強(qiáng)度和電弧熱力學(xué)系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)及參數(shù)方程的不同形式，從熱力學(xué)角度探究焊弧機(jī)器人測控系統(tǒng)在電弧溫度、成分、濃度以及焊接電弧氣氛實時監(jiān)測方面的諸多應(yīng)用，為弧焊機(jī)器人測控系統(tǒng)中焊接效率的快速提升以及焊接過程控制管理水平的快速增強(qiáng)帶來更多參考和思路。