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用于焊接机器人的磁控电弧焊缝跟踪传感器（湘潭大学，机械工程学院，湘潭，411105 ）摘要：针对目前机械式电弧传感器普遍存在的易磨损、噪声大且稳定性差等问题，提出了将磁场控制电弧的技术应用于焊缝跟踪；设计了磁控电弧传感器，对其基本原理进行了详细阐述，并依据电磁场理论和磁控电弧规律分析了相关影响参数，通过对传感器的改进，从而更好地实现对焊缝的跟踪。关键词：焊接机器人，磁控，焊缝跟踪，传感器，纵向交流磁场中图分类号：TG409序言 焊缝跟踪作为一门综合性应用技术，具有多学科交叉融合的特点，包括电子技术、计算机、焊接、结构、材料、流体、光学、电磁等学科。国内外众多研究工作者投入到这一领域进行研究，从示教型焊接机器人到程序控制焊接系统，再到移动式自动焊缝跟踪技术，焊接自动化的每一次进步都显著提高了生产效率。焊接技术的自动化、柔性化与智能化是未来焊接技术发展的必然趋势。 1、电弧传感焊缝跟踪技术的研究现状及发展状况焊缝自动跟踪方面，传感器提供着系统赖以进行处理和控制所必须的有关焊缝的信息。我们研究电弧传感器就是要从焊接电弧信号中提取出能够实时并准确反映焊炬与焊缝中心的偏移变化信号，并将此信号采集出来，作为气体保护焊焊缝自动跟踪系统的输入信号，即焊缝自动跟踪系统的传感信号。在国内研究电弧传感器的先驱者中有清华大学潘际銮院士1。潘院士首次建立起电弧传感器的动、静态物理数学模型，且成功研究出新型MIG焊接电弧控制法 “QH-ARC法”。国外，日本NKK公司发明了一种旋转电弧式传感器2。韩国的C.H.Kim研制出一种转动结构比较简单的电弧式传感器3。 Tseng和Savage4研究了TIG焊外加磁场时导致电弧摆动，对HY-80钢焊缝微观组织和热裂纹的影响。他们发现当励磁频率为l Hz左右时，焊缝区组织晶粒的大小和热裂纹倾向大大降低。湘潭大学焊接实验室，针对自动化焊接技术的迫切需求，开展焊接过程自动化及机器人焊接技术、数字化焊机联网技术等方面研究，突破焊缝跟踪技术，针对其机构设计的稳定性以及可控性等问题，根据运动特点推导出焊炬的运动学模型，由旋转电弧焊缝跟踪原理应用进行焊缝跟踪仿真5，实现了机构设计以及控制方法对焊缝跟踪的影响。2：焊接机器人的发展趋势 (1)多传感器信息智能融和技术单一传感信号难以保证输入信息的准确性和可靠性，利用各种传感信息，获得对环境的正确理解，使机器人系统具有容错性。(2)虚拟现实技术虚拟现实技术是基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。(3)多智能焊接机器人系统多个机器人主体间具有共同的目标，完成相互关联的任务。各智能体之间相互通信、彼此协调工作，共同完成复杂的业务。(4)智能化控制技术在跟踪系统中引入模糊控制、神经网络、专家系统、遗传算法等先进的智能控制技术是提高焊接机器人控制精度的一个必然趋势，它能使焊接机器人具有一定智能行为。第一章 磁控焊缝跟踪机器人传感器电气系统设计磁控焊缝跟踪机器人的工作原理：首先通过电磁控制电弧摆动，实现电弧对焊缝坡口的扫描，采用霍尔电流传感器电流传感器将包含焊缝现状和位置消息的焊接电流信号采集出来，利用有效的滤波电路，排除干扰信号，将有效信息提取并且放大，依靠单片机采集处理这些有效信息，得到实时的焊缝偏差信息，再根据单片机的输出信号控制歩进电机PWM驱动电路，以驱动十字滑架实现焊缝的识别跟踪。单片机系统处理驱动焊枪十字滑架PWM产生电路霍尔电流传感信号采集硬件电路处理图1-1一、磁控焊缝跟踪系统电器系统设计本文所设计研发的焊缝跟踪系统主要针对平焊V型焊缝。因此，为了实现在焊缝跟踪过程中对焊接电源的控制，本次设计对原有的焊接控制柜进行了相应的改造，增加了焊接电源的切换开关。本文所设计的磁控焊缝跟踪系统焊缝跟踪部分的系统布局主要由图1-2所示图1-2 机器人焊件系统组成通过上图可以看出，本次设计的焊缝跟踪系统将主要由执行机构和控制系统两大部分组成。1）磁场的发生装置 我们选用LM386集成功率放大器作为焊接实验过程中的集成放大电路。LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。具有静态功耗低，约为4mA，可用于电池供电；工作电压范围宽，4-12V或5-18V；外围元件少；电压增益可调，20-200；低失真度等特性；其次，在应用方面，主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件达到最少，电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。输入端以地为参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW，使得LM386特别适用于电池供电的场合。以下是几种典型的LM386应用放大电路：图1-3 LM386应用电路图之增益=20图1-4 LM386应用电路图之增益=200图1-5 LM386应用电路图之增益=50图1-6 LM386应用电路图之低频提升放大器通过对各种电路的分析测量，以及联系到影响焊接过程稳定性，焊缝成形，焊接缺陷等问题。我们大致得出相应的结论。针对LM386是一种低电压通用型低频集成功率放大器。由于该电路功耗低、允许的电源电压范围宽、通频带宽、外接元件少,广泛用于收录音机、对讲机、电视伴音等系统中。同时LM386具有温度稳定性好，电源利用率高，功率较低，非线性失真较小等优点，将其运用到焊接可以极大的提高电源利用率，焊接过程稳定，焊缝缺陷少等特点。相比于其他的集成放大电路，更有利于焊接工艺过程的优化和改进。同时它也可以构成各种保护电路，如过流保护，过热保护以及过压保护等也集成在芯片内部，使焊接过程更加平稳，安全。减小因电流过大造成的飞溅损失。调节性和精度也得到了很大程度的提高。（LM386集成电路放大器如下图所示）图1-7 LM386集成功率放大器2） A/D采样电路A/D转化电路，亦称“模拟数字转换器”，简称“模数转换器”。将模拟量或连续变化的量进行量化（离散化），转换为相应的数字量的电路。A/D变换包含三个部分：抽样、量化和编码。一般情况下，量化和编码是同时完成的。抽样是将模拟信号在时间上离散化的过程；量化是将模拟信号在幅度上离散化的过程；编码是指将每个量化后的样值用一定的二进制代码来表示。A/D转换的原理是基于二值化平切割法，利用数字脉冲填充的方式进行测量。二值化处理将检波得到的光电信息整形为脉冲信号，以利于计算机进行数字信号处理。一般有两种设计方案可供选择。一种是采用模拟二值化电路加计数器的方法实现输出信号的二值化，其优点是电路成本低廉，转换速度快，易于实现。但这种方案具有明显的缺点：模拟二值化电路易受干扰，且体积较大，转换精度较低，不利于集成。另一种A/D转换方案是将经过放大滤波预处理后的输出信号首先通过高速A/D转换芯片转化为与模拟信号相应的、能够反应图像灰度变化的数字量，以提高测量精度和分辨率，再送入CPLD中进行软件二值化处理。在这种情况下，模拟二值化电路由软件二值化算法（位移提取算法的主要部分）加以替代。例如一个基于PC104标准结构的16位16个单端输入通道/8个差分输入通道的A/D采样电路，电路原理框图如下所示：图1-8电路原理框图A/D采样电路的几个关键环节是多路模拟开关、程控放大器、A/D采样芯片和电源电路。同时A/D采样电路中重要的技术指标有：分辨率 指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。分辨率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。转换速率 是指完成一次从模拟转换到数字的A/D转换所需的时间的倒数。积分型A/D的转换时间是毫秒级属低速A/D，逐次比较型A/D是微秒级属中速A/D，全并行/串并行型A/D可达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率 必须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是ksps和Msps，表示每秒采样千/百万次。量化误差 由于A/D的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率A/D的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率A/D（理想AD）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。偏移误差 输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。3）控制系统与执行机构之间的硬件连接 本次设计的控制系统主要为计算机控制系统，以计算机控制为中心形成一套闭环式的焊缝跟踪系统，由计算机根据采集到的信息发出相应的控制指令给执行机构，使其完成焊缝纠偏运动，而本次的执行机构主要由焊机和焊接机器人构成，但是为了使焊接过程更加智能化，使控制系统也可以控制视觉传感系统电源开关。 首先要采集焊接过程中各个阶段的信号，由于起弧信号和峰值信号因为是极值可以更加容易地采集到，所以首先采集极值信号中的起弧信号来判断是否起弧成功，而磁控传感器是否可以采集图像就是由峰值信号确定的。基值电流、峰值电流和送丝速度这些关系到跟踪精度的信息也需要在焊接过程中被控制系统实时地采集到，起到了对焊接生产的实时检测作用。因此，为了满足上文中所提出的想法，在本次设计中将控制系统与焊接电源之间进行信号连接。连接方式如图1-9所示。数据采集PCI-1762的功能为实时采集到起弧信号和峰值信号，如表1所示，PCI-1762数据采卡的具体信息。采集到信号之后对信号进行分析，最后将分析得到的焊接生产所需的基值电流、峰值电流等数据传输给执行机构的控制系统，完成对焊接过程的检测功能。图1-9控制与焊接电源及送丝机控制器信号交流图表1 PCI-1762 基本参数控制系统与机器人控制系统如图1-10所示控制系统与机器人控制柜的信号连接关系主要是通过专用输入口进行连接的。传感功能输入即为视觉传感系统，通过实时的计算偏差值而完成对焊枪的纠偏。专用输入输出口则是为控制系统对机器人焊接过程中各个部件传输指令的通道。图1-10 控制系统与焊接机器人信号交流图4）执行结构信息在本次设计的焊缝跟踪系统中主要是由机器人作为执行机构。在本次研发机器人焊缝跟踪系统中，采用由我国新松公司自主研发的M10C型机器人和该公司配套生产的JM-56型送丝机和CS-501型送丝装置。所设计的人机界面和对于执行机构的控制方式主要通过C语言进行编写，实现了在焊接过程中实时地对焊接机器人的控制。2.1.2焊缝跟踪系统软件设计1）计算机与执行机构通信 通信的主要作用是将PC机分析处理出的数据传输给机器人控制系统中。基于MATLAB图像处理软件对采集到的图像进行处理分析得出偏差值，再基于之前的标定结果得出在实际环境中机器人手臂末端的焊枪与焊缝中心点的偏差值，最后由控制系统基于得出的实际生产中焊缝偏差值来制定指令传输给执行机构。2）使用串口技术编程 C+提供的MSComm是Windows运行系统下自带的串行通信编程ActiveX控件，通过对于串口接口的收发信息功能完成通讯。现在常用的串口通讯技术主要使用以下两种办法进行传输数据的，第一种就是基于ActiveX控件;第二种就是通过API进行函数通信。而本次设计所使用的正是ActiveX控件，该方法的优点为:编程较为简单且结构清晰，而缺点则是灵活度较差;API通信函数的优缺点与ActiveX控件基本相反，但是根据本次设计的环境只需选用简单的ActiveX控件编程即可。下面将会详细介绍在本次设计中是如何使用ActmeX控件完成通讯的6 7。步骤如下:（1）在工程中添加控件 在本次设计中，所使用的控件为Class Wizard，在下表2记录了本次设计的设置属性极其相关变量类型。表2 控件及属性设置情况(2)初始化串口 首先需要对串口设置初始化语句，由于初始化语句的设定，可以方便对后续的串口控件的设定以及对于串口通讯的调节。本次设计的代码如下: int port=4; m_ ctrlComm.SetCommPort(port); m_ ctrlComm.SetSettings(9600,N,8,1”); m_ ctrlComm.SetInBufferSize(1024); m_ ctrlComm.SetOutBufferSize(1024); m_ ctrlComm.SetPortOpen(true); m_ ctrlComm.SetInBufferCount(0); m_ ctrlComm.SetOutBufferCount(0); m_ ctrlComm.SetInputLen(0); m_ ctrlComm.SetInputMode(1); m_ ctrlComm.SetRThreshold(1); m_ ctrlComm.SetSThreshold(0); （3)数据收发 对于数据收发功能本次设计采用MSComm控件，它的作用对串口接收到的数据进行处理以及分析，然而随着焊接过程的进行，串口接口会不断接收到新的数据，程序会根据新接收的数据自动调用函数进行处理。以下为在函数中新添加的程序: void CComDlg:OnButtonManualsend) UpdateData(TRUE); m ctrlComm.SetOutput(COleVariant(m_ strEditTXData);上文介绍的内容为手动收发数据，但是要想实现自动化的焊缝跟踪就需要自动自动识别数据并且自动运行收发功能，也就是当程序运行时，需要有一个实时的响应程序，也就是本次设计的OnTimer()语句;只需要在定时响应中断之前完成上文所介绍的一系列操作即可，最后通过m_ ctrlComm.SetOutput(COleVariant(m_ data)把焊枪的偏差数据发送给机器人控制系统中的接收程序。3）机器人控制模块 根据上文所介绍的内容还不足以完成自动化焊缝跟踪，还需要设计一个机器人控制模块。首先编写程序控制机器人手臂运行的轨迹，使其焊枪前端会自行运动到焊缝的起弧处。这样在焊接开始和运动时就可以一方面接收计算机分析处理之后得到的信息而另一方面由于之前的机器人手臂路径规划，可以快速达到焊接位置，这样就方便了计算机对于机器人手臂下一步轨迹的规划。 本实验使用为新松公司自主研发的sRHloc型机器人，RAPID语言为该机器人控制系统自带的计算机语言，该语言与其他计算机语言相比较为简单。在使用RAPID语言进行编程之前只需要有其它计算机语言的编写基础即可，这样就可以快速且准确的编写出本次设计需要的程序。 RAPID语言不但提供了大量的应用指令，还有很多指令为特定的某一功能指令，这样一个具有高灵活度的语言可以发挥机器人运行的无限潜能8 在对新松机器人进行编程的同时，还可以考虑通过一些辅助手段编程进而完成实验所需，不过对于机器人手臂也可以通过示教器进行控制，在编程结束之后将编好的文件通过网线传输给机器人控制系统中，在本次实验中连接计算机和机器人控制柜的就是简单的一根网线，为了增加焊接效率也就是提高焊缝跟踪的实时性，本次数据传输所就是使用FTP方式。RAPID程序类型有三种:procedures, functions和trap routines oprocedure即子程序;function返回一个特殊类型的值;trap routines是一种响应中断方法，可以在设定好的程序中添加定时响应程序，比如:当焊接进行到某一部分时，可以自动进行程序中断9 数据类型有三种:constant, variable和persistent其中constant代表了一个静态值，只能手动的赋值。variable并不是静态值，通过它可以对正在运行的程序中的变量进行赋值。persistent可以描述为一个“永久”的值。而这个值如果被确定保存下来之后，就会不可更改，变为编辑程序的初始值。 如图1-11所显示的就是为本次程序设计的基本思路和工作流程。在实现自动跟踪纠偏之前对起弧点进行示教操作。如流程图1-11所示，在打开串口并且定义好初始量之后，通过示教或者定义编程方式将焊枪移到焊缝起弧点处，于此同时视觉系统己经开始采集焊缝图像并且进行图像处理并且完成对偏差值的计算，最后将偏差值导入到机器人控制系统中，改变离线编程的路径，使焊枪一直沿着焊缝中心线进行运动，完成焊接的纠偏运动。以下为本次设计焊枪基于偏差值而调整的程序。程序源代码如下:PROCmain()Closecom;Opencom3:,comBin;C1earIOBuffcom;MoveJp10,v200,fine,tool0;WriteStrBincom,0;WaitTime3;RXData:=ReadStrBin(com,22);Closecom;xData:=StrPart(RXData,1,ll);ok:=StrToVal(xData,xdis);yData:=StrPart(RXData,12,11);ok:=StrToVal(yData,ydis);pos0:=Offs(p10,xdis,ydis,0);MoveLp20,v100,fine,tool0;.ENDPROC 图1-11 焊枪运动原理图第二章 磁控焊缝跟踪磁控头结构设计一、焊缝跟踪磁控头三维设计图我们设计的磁控电弧焊缝跟踪传感器具有以下优点：1） 磁控电弧焊缝跟踪传感器磁场发生装置结构方面的设计具有结构小巧，加工容易，拆卸方便，控制精度高的优点。（磁控焊缝跟踪传感器磁场发生装置结构设计三维、二维图如下图2-1、图2-2所示。）图2-1 磁控电弧焊缝跟踪传感器磁场发生装置结构二维示图图2-2 磁控电弧焊缝跟踪传感器磁场发生装置结构三维示图二、磁控头加纵向 交流磁场仿真模拟1）理论上，在理想条件下，电极不会漏磁，但由于线圈之间有一定的缝隙，缝隙之间形成小的电磁体，形成闭合的磁感应线，在空中形成漏磁，进而在焊接的时候造成磁偏吹，影响焊缝质量，因此，要想实现高质量的焊缝必须解决电极漏磁的问题。该装置考虑到这个因素，采用活动、可旋转的电极和纵向磁场较好的改善了漏磁。由于磁控电弧传感器的励磁电流是一定频率的正弦电流，产生的磁场是交流纵向磁场，故可利用有限元软件中的二维谐波磁场分析对该磁场进行分析，模型所涉及的媒质有励磁线圈、导磁铁芯、开放的空间。传感器纵向磁场的有限元软件摸拟结果如下图所示：图2-3 传感器纵向磁场磁场分布-有限元仿真模拟示意图由以上的仿真模拟图可以看出：在改用该装置并且采用纵向磁场进行焊接较好的改善了漏磁，使得漏磁减少。小结：磁场发生装置中的结构设计是整个磁控电弧传感器中非常重要的部分，它的作用是给励磁线圈通以交变的电流，在两个磁极间产生纵向磁场。该装置主要由励磁线圈、套筒、基板、磁极等组成。该装置与焊枪一体化设计，整个装置通过紧固板用螺钉固定在焊枪上，拆卸和调整位置都十分的方便。两个磁极固定在基板上的调整槽内，套筒套在磁极上。2） 外加纵向磁场可以使电弧中的带电粒子产生旋转运动，从而产生“束弧”作用。且对纵向磁场进行调控,就能对电弧形态进行控制,从而控制焊缝的熔宽和熔深。 如装置简图2-4 所示，在外加纵向磁场作用下，由于电弧存在横向速度的分量，电弧中带电粒子的运动将变成平行磁力线的螺旋运动，在合适的磁场强度和分布下，将导致电弧整体旋转。外加磁场强度越大，螺旋的半径越小。因此纵向磁场可以限制电弧的扩散，起到对弧柱的压缩作用，使电弧能量更集中，增加焊缝熔深。外加均匀的纵向磁场能够使等离子能量分布更均匀。图2-4 纵向磁场产生模型 由于采用焊接或切割等工艺的工件往往是铁磁性材料，因此在外加磁场的焊接或切割等工艺中，必须分析工件对磁场分布的影响进行分析,。因此我们运用限元分析软件COMSOL仿真模拟了磁感线分布(如图2-5所示)和磁场大小分布云图（如图2-6（a）和图2-6（b）所示），可以看出主要的磁场分布中心附近，且纵向磁场方向By为主导方向。图2-5 磁感线分布图（a)(b)图2-6（a）上、（b）下磁场大小分布云图 在焊接过程中引入纵向磁场,由于带电粒子(以电子为例进行分析)电子存在径向运动,速度为vr ,即电子作切割磁力线运动,因而产生洛仑兹力FLt。在FLt作用下,电子产生切向速度分量vt ,电子的这种切向运动,是因为切割磁力线的运动而在径向产生一洛仑兹力FLr ,同时,电子在切向速vt 作用下绕轴线旋转,因旋转便产生离心力FLx ,各力大小分别为: FLt = qvrB ; FLr = qvtB ; FLx = (mv2t) /r(式中B 为磁场强度; vr 为径向速度; r 为电子旋转半径) 因此,电子在电场和磁场共同作用下的受力状况及电子运动的速度分量如图2-7所示。电子的运动轨迹为绕轴线的螺旋线,如图2-8所示。最后电子达到阳极。 图2-7 电子在电场和磁场共同作用下的受力图图2-8 纵向磁场作用下电子运动轨迹 上述综合运动的结果是带电粒子沿轴向方向的螺旋运动。有径向运动的带电粒子受到磁场力的制约变成圆周运动,而且速度值增大。,也可以分析出负离子的运动为从阴极到阳极的绕轴线收缩的螺旋管运动,最后负离子在阳极(钨极)处集中。这样, 不仅约束了带电粒子的径向扩散,而且等离子体的总体动能增大,且电子和正离子的螺旋管运动对外加纵向磁场有一定的削弱作用。不同磁场大小对电弧形态影响也不同。 当B较小时，FLt=qvrB,由此产生的电子的切向速度vt 较小,FLr = qvtB ,则FLr因B和vt 较小所以更小。这表明,与无外加磁场的情况相比,电子增加了慢速的绕轴线的旋转运动,因为,此时电子运动轴向速度vz 较大,所以电子的旋转可能不到一周就达到电极区。另外,与无磁场时电弧相比,因B 较小,电子在径向增加的FLr 和离心力FLx非常小,因而只能引起电弧的轻微发散。电弧中心区的压力pmax 以及中心区电流密度jmax 略有下降,能量密度分布也只是稍有改变。总之,B 较小时, 电弧形态基本不变。 当磁场B增强时,FLt明显增大, vt 增大,FLr增大,FLx = (mvt2) /r ,即FLx增大更快,这样,电子在绕轴线高速旋转时产生离心运动,离心运动的结果使电子向电弧边缘集中。由于电子对正离子的吸引作用,正离子也向边缘集中,使得电弧中心压力和电流密度进一步降低,而边缘处则进一步增大。当B达到临界值B临,中心处压力p为0,B B临,电弧中带电粒子在离心力作用下在一圆环区域内集中,压力p出现明显的双峰,电弧形成空心电弧。空心部分带电粒子极少,可视为0,此时电流密度也出现类似p的双峰。这时的能量密度分布同样地出现双峰而与无外加磁场作用时电弧能量密度分布有明显差别。电弧形态及压力分布如图2-9所示。图2-9 纵向磁场作用下电弧形态 由前述可知,引入纵向磁场可以使电弧形态,包括电弧压力、电流密度、能量分布发生改变。因此,对纵向磁场进行控制,就能对电弧形态进行控制,从而控制焊缝的熔宽和熔深。当磁场B 交替变化时,因对熔池金属有搅拌作用,即可以控制熔池金属的结晶过程,改善焊缝的组织和性能。第三章 小结（1） 运用AtuoCAD和Pro/Engineer对磁控传感器外观进行二维.三维的设计。为制作成型提 供理论基础。（2） 对磁场的发生装置的激励电路加以改进。使整个装置更好的调节励磁电流和励磁频率，方便控制。（3） 运用有限元软件COMSOL对外加纵向磁场时电磁场进行了仿真和模拟。结合仿真结果对外加纵向磁场对电弧影响的进行了分析。并且通过多次的具体实验室操作，采集焊接电流实时的信号（即焊缝跟踪偏差信号），分析磁控传感器的磁场对焊接电弧状态的影响规律，解决磁场对电弧造成的影响。参考文献1 潘际銮. 新型自动焊接跟踪系统J. 机械工程学报. 1980(1): 1-14.2 H.Nomuar, Y.Sugitnai. 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