焊縫跟蹤傳感方式對比與選用

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

對于傳統的示教-再現型弧焊機器人而言，零件的焊縫位置誤差必須＜1mm才能保證機器人焊接時不會產生偏焊現象。為了解決這一工藝問題，通常采用焊接夾具定位夾緊的方法來提高產品的定位精度[1，2]。對于板厚通常在10mm以上的建筑機械零部件而言，板材切割下料精度不佳疊加板材自身產生彎曲等因素，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產生較大的定位誤差。因此，利用焊接夾具和焊縫跟蹤傳感器配合來消除工件定位誤差的方式在生產中的應用越來越廣泛[3-8]。

針對中厚板弧焊領域這一現狀，很多機器人廠商都開發了焊縫跟蹤傳感功能。但是，因終端客戶對各種跟蹤傳感方式的優缺點、使用方法與限制條件不了解而導致的選型失誤也時有發生。本文結合自身經驗，對各種焊縫跟蹤傳感方式精度、跟蹤性能及限制條件進行論述，以幫助讀者根據實際產品來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得到了廣泛的認可和使用，但是對于剛剛接觸這一概念的人來說，相關概念的描述仍然顯得過于籠統。因此，從焊接生產實際出發來對焊縫跟蹤的概念進行分類是非常有必要的。

起始點尋位與焊縫跟蹤示意如圖1所示。圖1中實線表示機器人示教時的焊縫位置，虛線表示實際焊縫相對示教位置的偏移。實際工作時，首先要在焊前通過傳感的方式獲得焊縫起始點相對于示教位置的偏移量；然后再次通過傳感的方式來確保焊接過程中焊絲始終指向焊縫的適當位置處。因此，焊縫跟蹤傳感這一概念實際上包含兩部分的內容：①焊縫起始點尋位。②焊縫位置跟蹤。

圖1 起始點尋位與焊縫跟蹤示意

焊縫起始點尋位和焊縫位置跟蹤功能的組合應用對于保證最終焊接質量是不可或缺的。根據傳感方式的不同，目前在企業中常用的焊縫跟蹤傳感技術共有兩種：①焊縫起始點接觸尋位+基于擺動電弧傳感器的焊縫位置跟蹤檢測。②激光傳感器起始點尋位+基于激光傳感器的焊縫位置跟蹤檢測。下面分別就以上兩種組合方式的優缺點進行論述。

3 接觸尋位+擺動電弧傳感跟蹤的特點

雖然接觸尋位和電弧傳感跟蹤都將焊絲作為傳感回路導通不可或缺的一部分，但是根據需求的不同，兩種應用場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，然后通過移動焊接機器人使得焊絲末端緩慢靠近母材表面并與之接觸。當焊絲與母材接觸瞬間回路導通，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信號反饋給機器人，由機器人控制系統來計算工件起始段位置偏移量。

圖2 接觸尋位原理

工業生產中已經投入使用的電弧跟蹤方法有兩種：①基于擺動電弧的跟蹤傳感。②基于旋轉電弧的跟蹤傳感。因旋轉電弧跟蹤傳感需要額外配置焊絲/焊槍旋轉裝置而更多應用在焊接專機中，而不是機器人自動化焊接中。擺動電弧跟蹤原理如圖3所示。現有的氣體保護焊焊接工藝均基于等速送絲原理，當母材高度變化導致焊絲干伸長產生變化時，焊絲自身的固有調節作用將導致焊接電流也隨之產生變化。電弧擺動最常見的方式是正弦曲線擺動，此外還有三角形和鋸齒形擺動兩種方式。

擺動電弧傳感器通常在一個周期內進行一次位置校正，因此當焊接速度越慢、擺動頻率越快時，電弧傳感器的精度也越高。為了保證生產效率，焊接速度在實際應用時的可變范圍并不大，而擺動頻率則成為了對電弧傳感器精度影響最大的變量。以下4方面因素將對擺動頻率產生影響。

（1）焊接機器人的擺動方式 常用的電弧擺動方式是通過焊接機器人的6軸同時動作實現的。在控制6軸同時擺動時，受6軸同時控制速度、臂的轉動慣量差異等因素影響，電弧擺動的頻率不是無限提高的。對于安裝方式為地面固定的焊接機器人，擺動頻率的極限通常為5Hz。然而對于安裝在外部行走軸上或者以倒吊方式安裝的焊接機器人來說，擺動頻率的極限則為3Hz。倒吊安裝機器人設定擺動振幅和實際擺動振幅的差值如圖4所示。當設定擺動頻率提高到4Hz時，由于機器人擺動頻率和固定機架之間產生共振，導致設定擺動振幅和實際擺動振幅產生偏離，擺動波形也會出現異常。

圖4 設定擺動振幅和實際擺動振幅的差值

（2）電流采樣周期 電流采樣周期同樣對電弧擺動頻率的提高產生很大影響，電流采樣周期越短，允許機器人擺動頻率越高。近年來，由于機器人控制裝置性能的提高，采樣與數據處理的速度也不斷提高，這也使得高速微弧傳感器的應用成為可能，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）機器人與焊機的通信方式 借助雙方通信方式，機器人控制焊接電源的啟動/停止、焊接參數以及焊接模式的調整，同時焊接電源一側將起弧成功信號、電流信號以及異常信號反饋給焊接機器人一側。上述內容也表明，焊接機器人和焊接電源之間產生數據通信是實現電弧傳感跟蹤功能不可缺少的環節。

根據硬件配置的不同，焊接機器人和焊接電源之間的通信共有兩種可行方案：①數字量+模擬量復合通信（見圖7）。②全數字化通信（見圖8）。二者最大的不同在于電流信號的采集與反饋方式。對于第一種方案，外部電流傳感器對焊接電流采樣并直接將獲得的模擬量信號傳送至焊接機器人控制器的A/D轉換器之中；對于第二種方案，焊接內部集成的電流傳感器完成電流的采樣、A/D轉換并將其輸送至機器人控制器。

圖7 數字量+模擬量復合通信系統

圖8 全數字化通信系統

數字量+模擬量通信的優點在于數據傳輸速度更快，且不受焊機制造商的影響，基本上不需要擔心機器人和焊機通信協議是否匹配等問題。但是，數字量+模擬量通信的缺點在于需要通過實際硬件連線完成工作任務。而全數字量通信通過電子電路的方式省去了硬件連線，同時數據傳輸過程抗干擾能力更強。

（4）電弧傳感器相位延遲 由于受到焊接機器人運動性能、電流傳感器采樣周期和A/D轉換速度三方面因素的影響，導致機器人控制器接收到的焊接電流波形相對于實際焊接電流波形在時間上產生相位延遲。電弧傳感器的相位延遲現象如圖9所示。因此，在使用電弧傳感器時需要將相位延遲時間作為重要參數進行設定，否則將會對電弧傳感器的精度產生影響。

圖9 相位延遲

4 激光尋位+激光跟蹤的特點

近年來，隨著激光傳感器技術的快速發展，激光傳感器在焊縫起始點尋位和焊縫跟蹤領域也已經有實際應用。激光跟蹤系統如圖10所示。焊接開始前使用線結構激光照射焊件來直接確定焊縫起始點的空間位置，使用相對超前于焊槍的線激光投射在焊縫表面上來實現焊縫激光傳感跟蹤。

圖10 激光跟蹤系統

激光傳感器既可以實現起始點尋位，又可以實現焊縫跟蹤功能。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點。

1）與接觸傳感起始點尋位方式比較，激光傳感起始點尋位可節約1/2的時間。

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行擺動，焊接速度可進一步 提高。

3）激光傳感器可檢測到焊縫細微的高度變化，其結果不受焊絲干伸長變化和焊絲彎曲等因素的 影響。

雖然激光傳感器具有節約時間、無需擺動等優點，但是其缺點也是非常明顯的，主要包括以下幾個方面內容。

1）激光傳感器使用時必須將線結構光垂直照射到焊縫表面上，因此焊槍姿勢調整受到限制。

2）由于碰撞等原因導致的焊槍與激光傳感器相對安裝位置產生偏移，將直接導致偏焊現象發生。

3）焊絲彎曲現象時有發生，激光傳感器無法糾正焊絲彎曲帶來的偏焊現象；厚板深坡口激光跟蹤焊接時，極易產生因焊絲彎曲而導致的根部未熔合現象。

4）電弧傳感器可以通過異常保護檢測到焊槍管線包的斷線、漏電等現象，而激光傳感器則無法實現這一功能。

以上兩種傳感方式優缺點對比見表1。

表1 兩種傳感方式優缺點對比

5 結束語

通過上述內容中對電弧傳感跟蹤和激光傳感跟蹤特點以及優缺點的對比，建議根據如下條件合理進行選用。

1）對于6mm以下的薄板長直焊縫和大圓弧焊縫、板厚落差＜5mm的搭接焊縫，以及數量很多的角焊縫工件，推薦選擇激光傳感器來實現所需 功能。

2）對于厚板開坡口焊縫、空間狹小的焊縫等工況，則建議優先考慮接觸尋位+電弧跟蹤傳感的 方式。