焊缝跟踪传感方式对比与选用

三浦健二，贾蒙，王海松，洪峰

苏州澳冠智能装备股份有限公司 江苏苏州 215000

1 序言

对于传统的示教-再现型弧焊机器人而言，零件的焊缝位置误差必须＜1mm才能保证机器人焊接时不会产生偏焊现象。为了解决这一工艺问题，通常采用焊接夹具定位夹紧的方法来提高产品的定位精度[1，2]。对于板厚通常在10mm以上的建筑机械零部件而言，板材切割下料精度不佳叠加板材自身产生弯曲等因素，即使在液压夹具的作用下，焊缝与原始示教位置相比仍然会产生较大的定位误差。因此，利用焊接夹具和焊缝跟踪传感器配合来消除工件定位误差的方式在生产中的应用越来越广泛[3-8]。

针对中厚板弧焊领域这一现状，很多机器人厂商都开发了焊缝跟踪传感功能。但是，因终端客户对各种跟踪传感方式的优缺点、使用方法与限制条件不了解而导致的选型失误也时有发生。本文结合自身经验，对各种焊缝跟踪传感方式精度、跟踪性能及限制条件进行论述，以帮助读者根据实际产品来确定合适的焊缝跟踪传感方式。

2 焊缝跟踪传感概念

虽然焊缝跟踪传感的概念已经得到了广泛的认可和使用，但是对于刚刚接触这一概念的人来说，相关概念的描述仍然显得过于笼统。因此，从焊接生产实际出发来对焊缝跟踪的概念进行分类是非常有必要的。

起始点寻位与焊缝跟踪示意如图1所示。图1中实线表示机器人示教时的焊缝位置，虚线表示实际焊缝相对示教位置的偏移。实际工作时，首先要在焊前通过传感的方式获得焊缝起始点相对于示教位置的偏移量；然后再次通过传感的方式来确保焊接过程中焊丝始终指向焊缝的适当位置处。因此，焊缝跟踪传感这一概念实际上包含两部分的内容：①焊缝起始点寻位。②焊缝位置跟踪。

图1 起始点寻位与焊缝跟踪示意

焊缝起始点寻位和焊缝位置跟踪功能的组合应用对于保证最终焊接质量是不可或缺的。根据传感方式的不同，目前在企业中常用的焊缝跟踪传感技术共有两种：①焊缝起始点接触寻位+基于摆动电弧传感器的焊缝位置跟踪检测。②激光传感器起始点寻位+基于激光传感器的焊缝位置跟踪检测。下面分别就以上两种组合方式的优缺点进行论述。

3 接触寻位+摆动电弧传感跟踪的特点

虽然接触寻位和电弧传感跟踪都将焊丝作为传感回路导通不可或缺的一部分，但是根据需求的不同，两种应用场景下所需的硬件配置也完全不同。如图2所示，接触寻位功能的存在需要首先在焊丝和母材之间施加幅值为300～400V的高电压，然后通过移动焊接机器人使得焊丝末端缓慢靠近母材表面并与之接触。当焊丝与母材接触瞬间回路导通，电压值从300V以上的高压降至0V，接触传感器将这一变化作为检测信号反馈给机器人，由机器人控制系统来计算工件起始段位置偏移量。

图2 接触寻位原理

工业生产中已经投入使用的电弧跟踪方法有两种：①基于摆动电弧的跟踪传感。②基于旋转电弧的跟踪传感。因旋转电弧跟踪传感需要额外配置焊丝/焊枪旋转装置而更多应用在焊接专机中，而不是机器人自动化焊接中。摆动电弧跟踪原理如图3所示。现有的气体保护焊焊接工艺均基于等速送丝原理，当母材高度变化导致焊丝干伸长产生变化时，焊丝自身的固有调节作用将导致焊接电流也随之产生变化。电弧摆动最常见的方式是正弦曲线摆动，此外还有三角形和锯齿形摆动两种方式。

摆动电弧传感器通常在一个周期内进行一次位置校正，因此当焊接速度越慢、摆动频率越快时，电弧传感器的精度也越高。为了保证生产效率，焊接速度在实际应用时的可变范围并不大，而摆动频率则成为了对电弧传感器精度影响最大的变量。以下4方面因素将对摆动频率产生影响。

（1）焊接机器人的摆动方式 常用的电弧摆动方式是通过焊接机器人的6轴同时动作实现的。在控制6轴同时摆动时，受6轴同时控制速度、臂的转动惯量差异等因素影响，电弧摆动的频率不是无限提高的。对于安装方式为地面固定的焊接机器人，摆动频率的极限通常为5Hz。然而对于安装在外部行走轴上或者以倒吊方式安装的焊接机器人来说，摆动频率的极限则为3Hz。倒吊安装机器人设定摆动振幅和实际摆动振幅的差值如图4所示。当设定摆动频率提高到4Hz时，由于机器人摆动频率和固定机架之间产生共振，导致设定摆动振幅和实际摆动振幅产生偏离，摆动波形也会出现异常。

图4 设定摆动振幅和实际摆动振幅的差值

（2）电流采样周期 电流采样周期同样对电弧摆动频率的提高产生很大影响，电流采样周期越短，允许机器人摆动频率越高。近年来，由于机器人控制装置性能的提高，采样与数据处理的速度也不断提高，这也使得高速微弧传感器的应用成为可能，如图5、图6所示。

图5 采样周期为1ms

图6 采样周期为0.1ms

（3）机器人与焊机的通信方式 借助双方通信方式，机器人控制焊接电源的启动/停止、焊接参数以及焊接模式的调整，同时焊接电源一侧将起弧成功信号、电流信号以及异常信号反馈给焊接机器人一侧。上述内容也表明，焊接机器人和焊接电源之间产生数据通信是实现电弧传感跟踪功能不可缺少的环节。

根据硬件配置的不同，焊接机器人和焊接电源之间的通信共有两种可行方案：①数字量+模拟量复合通信（见图7）。②全数字化通信（见图8）。二者最大的不同在于电流信号的采集与反馈方式。对于第一种方案，外部电流传感器对焊接电流采样并直接将获得的模拟量信号传送至焊接机器人控制器的A/D转换器之中；对于第二种方案，焊接内部集成的电流传感器完成电流的采样、A/D转换并将其输送至机器人控制器。

图7 数字量+模拟量复合通信系统

图8 全数字化通信系统

数字量+模拟量通信的优点在于数据传输速度更快，且不受焊机制造商的影响，基本上不需要担心机器人和焊机通信协议是否匹配等问题。但是，数字量+模拟量通信的缺点在于需要通过实际硬件连线完成工作任务。而全数字量通信通过电子电路的方式省去了硬件连线，同时数据传输过程抗干扰能力更强。

（4）电弧传感器相位延迟 由于受到焊接机器人运动性能、电流传感器采样周期和A/D转换速度三方面因素的影响，导致机器人控制器接收到的焊接电流波形相对于实际焊接电流波形在时间上产生相位延迟。电弧传感器的相位延迟现象如图9所示。因此，在使用电弧传感器时需要将相位延迟时间作为重要参数进行设定，否则将会对电弧传感器的精度产生影响。

图9 相位延迟

4 激光寻位+激光跟踪的特点

近年来，随着激光传感器技术的快速发展，激光传感器在焊缝起始点寻位和焊缝跟踪领域也已经有实际应用。激光跟踪系统如图10所示。焊接开始前使用线结构激光照射焊件来直接确定焊缝起始点的空间位置，使用相对超前于焊枪的线激光投射在焊缝表面上来实现焊缝激光传感跟踪。

图10 激光跟踪系统

激光传感器既可以实现起始点寻位，又可以实现焊缝跟踪功能。与接触寻位+电弧跟踪传感的方式相比，采用激光传感器具有以下优点。

1）与接触传感起始点寻位方式比较，激光传感起始点寻位可节约1/2的时间。

2）与电弧传感焊缝跟踪方式比较，激光传感焊缝跟踪功能不需要进行摆动，焊接速度可进一步 提高。

3）激光传感器可检测到焊缝细微的高度变化，其结果不受焊丝干伸长变化和焊丝弯曲等因素的 影响。

虽然激光传感器具有节约时间、无需摆动等优点，但是其缺点也是非常明显的，主要包括以下几个方面内容。

1）激光传感器使用时必须将线结构光垂直照射到焊缝表面上，因此焊枪姿势调整受到限制。

2）由于碰撞等原因导致的焊枪与激光传感器相对安装位置产生偏移，将直接导致偏焊现象发生。

3）焊丝弯曲现象时有发生，激光传感器无法纠正焊丝弯曲带来的偏焊现象；厚板深坡口激光跟踪焊接时，极易产生因焊丝弯曲而导致的根部未熔合现象。

4）电弧传感器可以通过异常保护检测到焊枪管线包的断线、漏电等现象，而激光传感器则无法实现这一功能。

以上两种传感方式优缺点对比见表1。

表1 两种传感方式优缺点对比

5 结束语

通过上述内容中对电弧传感跟踪和激光传感跟踪特点以及优缺点的对比，建议根据如下条件合理进行选用。

1）对于6mm以下的薄板长直焊缝和大圆弧焊缝、板厚落差＜5mm的搭接焊缝，以及数量很多的角焊缝工件，推荐选择激光传感器来实现所需 功能。

2）对于厚板开坡口焊缝、空间狭小的焊缝等工况，则建议优先考虑接触寻位+电弧跟踪传感的 方式。