杜舜尧① DU Shun-yao；陈明和① CHEN Ming-he；吴诗语② WU Shi-yu
（①南京航空航天大学机电学院，南京 210016；②南京工业大学先进材料研究院，南京 210009）
（①College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；
②Institute of Advanced Materials，Nanjing Tech University，Nanjing 210009，China）
摘要： 文章介绍了旋转式电弧传感器技术的研究背景，综述国内外旋转式电弧传感器技术的研究现状，并对旋转式电弧传感器技术的未来发展趋势作了展望。
Abstract： This paper describes the research background of rotating arc sensor technology. Domestic and foreign research situation of rotating arc sensor technology is reviewed. At the same time， the future development trends of rotating arc sensor technology are provided.
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关键词 ： 旋转式电弧传感器技术；研究背景；研究现状；发展趋势
Key words： rotating arc sensor technology；research background；research situation；development trends
中图分类号：TG441.3文献标识码：A文章编号：1006-4311（2015）25-0127-04
收稿日期：2015年7月12日。
作者简介：杜舜尧（1991-），男，江苏南京人，硕士研究生，主要研究方向为金属材料的性能与表面处理。
0 引言
焊接是一种将材料永久连接并具有给定功能结构的技术，它是现代制造技术的一个重要组成部分，在制造业的很多领域应用广泛。比如在金属制造业中，焊接已经成为了第三大产业，仅次于装配和机械加工。但由于诸多客观原因的限制，我国一直没有实现焊接过程和焊接工艺的自动控制和智能化。当前社会现代科学技术得到了空前的发展，比如计算机技术、人工智能、控制理论等，随着现代科学技术的不断发展，加快了焊接过程自动化和智能化的步伐，因此不难发现，焊接自动化、机器人化和智能化是未来的大势所趋[1]。
焊接智能化的核心是焊缝跟踪技术，而焊缝跟踪技术的关键是传感器，只有传感器正常高效运行才能保证焊缝的高跟踪精度[2]。在实际的电弧焊接过程中，很多的因素都会干扰到传感器，比如弧光、飞溅、烟尘、高温辐射等，面对这种形势，要想保证焊缝跟踪技术真正的发挥作用，必须使传感器与时俱进，改革传统的传感器，使传感器满足当代社会的要求。
1 旋转式电弧传感器技术的研究背景
所谓焊缝自动跟踪是指实时的检测和调整电弧在坡口中的位置，从而使传感器真正的发挥作用，在该过程中传感方式至关重要，它决定了结论是否精确。按照传感方式划分，可将焊缝跟踪传感器分成两类，分别是附加式传感器和电弧传感器。
1.1 附加式传感器
附加式传感器是指在焊炬上固定一个附加的电磁、机械或者光学装置，以此来检测焊缝的相对位置。附加式传感器的分类还有很多，比较常见的是光学传感器、机械接触式传感器等。
很多国家的学者都对附加式焊缝跟踪传感器进行了研究，认为该传感器具有良好的应用效果，优势明显，比如可有效实现焊缝跟踪等。然而，任何一种传感器都是有利有弊的，附加式传感器除了上述优势外，还存在以下缺点 [3]：
①传感器先行。由于传感器的检测点并不是实际的焊接点，通常都会超前电弧50~100mm，在这种情况下得出的结论，难免会出现误差，甚至导致结论无意义。因此，为了确保跟踪成功，必须在系统中采用记忆、延迟、再现方式跟踪焊缝，必要时还需要将焊枪和传感器分别驱动，同时还需要采用有效方式记录传感器和焊枪之间的偏移量，如此一来，传感器的控制系统的复杂程度大大增加了。
②无法抵抗磁偏吹干扰和焊丝弯曲干扰。附加式传感器通过检测焊炬和坡口之间的相对位置来达到自身的目的，但是实际的焊接过程中，磁偏吹是很容易出现的影响因素，一旦其出现，就可能影响最终的焊接质量。再加上焊丝弯曲也会给焊接造成很大的不利影响，在上述两种不利因素的作用下，附加式传感器很难真正的发挥作用。
③附加式传感器很容易受到干扰因素的影响，并且通常附加式传感器的整个系统设计非常复杂，导致其价格昂贵。
1.2 电弧传感器
电弧传感器的基本原理[4]是对于角接接头或开坡口的对接接头，在焊炬沿着焊接方向运动的同时，通过一定的方法使焊炬进行旋转或垂直于焊接方向摆动，从而造成焊炬至工件的距离（CTWD）有规律的变动，当焊炬沿坡口或角焊缝的中线运动时，由于焊炬旋转或摆动而造成的CTWD变动是对称的，反之，则是不对称的。所以，只需通过检测变动就可以达到焊缝跟踪的目的。
电弧传感器的传感信号是电弧，通过观察电弧电压波形的变化和电弧电流波形来达到跟踪焊缝的目的。所以，与附加式传感器相比，其具有以下优势[5-7]：
①由于电弧传感器的检测点就是实际焊接点，不存在跟踪盲区，跟踪实时性好。
②焊枪不附加任何其他的装置就可以达到跟踪焊缝的目的，不仅焊枪所占空间减少了，其灵活性和可达性也提高了。
③该传感器几乎不受任何因素的影响，抗干扰能力强。
④该传感器符合未来焊接装置的发展趋势，并且成本低、质量好。
⑤该传感器除了具有附加式传感器的所有功能外，还具有改善焊缝成形的作用。
所以，现阶段全世界范围内最受青睐的传感器就是电弧传感器，比较常见的电弧传感器类型主要有以下四种：
①双丝并列式电弧传感器[8]。
这种电弧传感器利用两个彼此独立的并列电弧对工件进行施焊，当焊枪的中心线未对准坡口中心时，其左右两焊丝具有不同的干伸长度，对于平外特性电源将造成两个焊接电流（电压）不相等，因此左右两焊丝的焊接电流（电压）差值就提供了两个电弧之间的中心线是否偏离焊缝的信息，据此可实现焊缝跟踪。这种电弧传感器的传感信号是电弧静态特性参数的变化，同时还要求将两个参数相同的独立回路电源并列进行坡口焊接，如此一来，焊枪的结构必然会非常复杂，导致其实际的应用中受到很大的限制。
②熔化极摆动扫描式电弧传感器[9]。
摆动扫描式MIG/MAG电弧传感器是电弧传感器发展较早的形式之一，如图1所示，它利用焊炬的低频摆动实现电弧对坡口的扫描。图中L为扫描的左折返点，R为右折返点，C为扫描的中心。通过比较CL与CR之间的电流电压波形也可以判断C是否对准坡口中心线。这种传感器虽然焊接质量良好，然而其对摆动频率的要求很高，并且采集数据周期很长，导致其跟踪精度低，尤其不利于用于转折焊缝的跟踪。
③非熔化极摆动扫描式电弧传感器[9]。
该传感器跟踪系统中引入弧压闭环反馈控制，使焊炬在X方向上的摆动扫描过程中，自动调整其自身在Y轴上的位置。安装在Y轴上的位移传感器使得焊炬在Y轴上的摆动中心与坡口中心一致，并可在坡口宽度变化时自动调整摆动宽度。其传感原理和熔化摆动式的原理是一样的，不同的是一个电极是不熔化的，一个是熔化的，两者的缺点也是一致的，因此，在实际应用中还需要进一步的改进。
④旋转式电弧传感器。
旋转电弧传感器是一种新型的传感器，在传统的传感器相比，具有以下优势[10]：
1）旋转频率高。其旋转频率可高达100Hz，远远高于传统的传感器，如此有利于跟踪进度的提升，适用范围更加广泛。2）机械振动小。机械振动越小，越有利于传感器的精度提高。3）具有良好的动态品质，能够改善焊缝成形，保证良好的焊接质量。4）结构简单，重量轻，没有附加装置。
鉴于旋转式电弧传感器具有以上优点，它逐渐成为电弧传感器的新宠。因此为了提高焊缝跟踪的自动化和智能化程度，对旋转式电弧传感器进行深入的研究具有重要的意义。
2 旋转式电弧传感器技术的研究现状
2.1 国外研究现状
旋转式电弧传感器最早见于日本NKK公司关于窄间隙焊接的报道中[11]。该传感器的原理和摆动式MIG/MAG电弧传感器相同，但是其旋转频率可达到50Hz，大大提高了跟踪精度。然而有利有弊，其也存在以下不足：
①扫描直径的调节需要更换导电嘴才能进行。
②数百安培电流要通过电刷接入，导电的可靠性和安全性不高。
③由于导电杆自身转动，难以保证冷却。
④焊丝和导电嘴之间存在相对高速旋转运动，磨损严重。
针对上述扫描直径的调节问题，韩国的C.H.Kim等人[12]制作了一种圆锥式高速旋转电弧传感器，这种传感器依靠导电嘴的偏心来实现电弧的旋转运动，导电嘴的偏心度就是电弧的旋转半径。尽管它的转动机构非常简单、紧凑，但是高速的旋转运动，还是加剧了导电嘴的损耗。而且，这种旋转式电弧传感器中还存在飞溅的问题，并且旋转频率越大，飞溅的问题越严重。
针对焊丝与导电嘴之间的磨损以及导电的可靠性和安全性不高的问题，德国Aachen公司在韩国学者制作的圆锥式高速旋转电弧传感器的基础上开发了一种改进的的导电杆圆锥转动方式[13]。通过应用该导电杆圆锥转动方式，可有效解决设备摩擦和磨损的问题，增加设备的使用寿命。但是，这种旋转式电弧传感器还是没有能够解决冷却和飞溅的问题。
为了完善旋转式电弧传感器的功能，德国的U. Dilthey等人[14]在Aachen公司的研究基础上对高速旋转电弧传感器做了大量的，全面的研究工作，解决了飞溅等问题，成功研制了可以应用于焊缝自动跟踪中的旋转式电弧传感器。
2.2 国内研究现状
我国从上世纪80年代末期就开始对旋转电弧传感器进行了研究，其中尤以清华大学潘际銮院士带领的研究小组研究的最为深入，该小组在研究过程中取得了不错的成绩。清华大学费跃农[15]提出了圆锥摆动方案，研制出RAT-1型旋转电弧传感器。导电杆作圆锥摆动，而不绕自身转动，在锥顶处运动的幅度很小，气、电、焊丝都可直接接入。这种结构的优势是：一是解决了冷却的问题；二是导电杆不需要电刷；三是设备各零件之间没有发生相对运动，不会对导电嘴造成磨损。虽然如此，该旋转电弧传感器还是有以下的缺点：一是此结构调节扫描直径需要调节齿轮的偏心距离，不利于操作；二是传动件不仅易受烟尘污染，而且安装精度低；三是运行时会制造很大的噪声；四是焊枪的可达性差。因此，这种结构的旋转式电弧传感器实用性较差。
针对上文中提出的问题，吴世德等人提出了一种双偏心调节方案[16]，该方案的偏心齿轮由两个内外相配的双偏心套构成，通过调节双偏心套的相对角度来改变偏心距离，从而使得调节结构更加紧凑可靠。
1993年，清华大学廖宝剑等人在费跃农和吴世德研究成果的基础上，研制成功了一种空心轴电机驱动的旋转式电弧传感器[17]，并获得了国家专利。这种旋转电弧传感器由电机直接驱动，省去了齿轮传动，结构简单，制成的焊枪比较小巧，焊接可达性好；传动时，受力均匀而平稳；机械振动和噪声也得到了相应的改善，并且气、丝、电可以方便的送入。虽然该种旋转式电弧传感器较之前的几种形式有了极大程度的改善，但是振动问题和结构偏大仍然是阻碍其应用在焊接机器人中最直接，最关键的问题。
为了减小振动和体积，南昌大学机器人与焊接自动化试验室经过不断的改进，贾剑平、张华等人提出了减少传感器振动方案：利用力学，推算出高速旋转扫描电弧传感器的额定旋转频率，并找到偏心质量的位置，在偏心质量对称中心的另一侧面配重，使转子的重心尽量靠近旋转中心，以减少震动。同时提出了小型化的方案：选用小而轻的直流电动机作为高速旋转扫描电弧传感器的驱动电机，电机的外径由80mm减少到45mm，体积减小了10%，重量减轻了20%，减振性能更好，并已应用在弧焊机器人上，向实用化迈进了一大步[18-19]。
3 旋转式电弧传感器技术的发展趋势
3.1 三维偏差识别，实现三维空间焊缝的智能全自动高精度跟踪
应用于平面焊缝跟踪的旋转式电弧传感器技术已经相当成熟了，但是应用在空间焊缝跟踪时效果不是很理想。其主要原因是，熔池，即熔焊时焊件上所形成的具有一定几何形状的液态金属部分，会对旋转电弧产生很大的影响。熔池的形状、尺寸、重力、流动性等因素对平面焊缝的影响具有一定的规律性，相对而言比较容易控制。但是，对于三维空间焊缝，由于液态金属流动的不规则性，熔池的形状和尺寸受到重力因素的影响较大而实时变化，使得较平面焊缝而言，熔池变化的随机性和不规则性更强，因而其对旋转电弧的影响不易控制，焊缝跟踪的精度不高，焊缝质量较差。
对于上述的问题，可以尝试在二维模糊控制算法的基础上引入三维坐标轴，发展三维模糊控制算法并与神经网络算法相融合，改变传统的以焊缝位置信号作为输入信号，而是将位置偏差和偏差变化率二者共同作为控制器的输入信号，应用在旋转式电弧传感器的控制器件中。这样，即使没有精确的数学模型，模糊控制理论也可以进行焊缝纠偏。同时，神经网络算法可以使得旋转式电弧传感器具有学习、记忆和联想等功能，可以解决三维空间焊缝跟踪中不规则性和随机性大的问题，从而提高焊缝跟踪的精度。
3.2 实现薄板件对接和搭接过程中的智能焊缝跟踪
目前，旋转式电弧传感器主要应用于角焊缝、开坡口对接焊缝和窄间隙焊缝，由于薄板坡口呈阶梯形急剧变化，使得其难以在薄板件的对接和搭接过程中进行焊缝的跟踪，限制了旋转式电弧传感器的应用范围。
为了提高旋转式电弧传感器的普及率，上述问题必然会成为未来的研究重点。鉴于此，可以选择通过减小电动机和偏心机构的尺寸而进一步减小旋转扫描焊炬的外径以及通过增大旋转频率而提高旋转扫描的速度，较小的焊炬外径和较高的旋转扫描速度均有利于提高旋转式电弧传感器的快速响应特性，从而满足薄板坡口呈阶梯形急剧变化的需要，以实现薄板的对接和搭接。
3.3 发展应用于水下焊缝自动跟踪的旋转式电弧传感器
发展应用于水下焊缝自动跟踪的旋转式电弧传感器将会是该领域中一个新的发展方向和研究趋势。由于水的存在，使焊接过程变得更加复杂，并且会出现各种各样陆地焊接所未遇到的问题，其中对焊接过程有直接影响的主要有可见度差、氢含量高、冷却速度快以及压力的影响等因素[20]，这些均是发展应用于水下焊缝自动跟踪的旋转式电弧传感器所要解决的问题。
目前，水下焊接方法分为三大类，即湿法、干法及局部干法[21]，其中局部干法是指用气体把正在焊接的局部区域的水人为地排开，形成一个较小的气相区，使电弧在其中稳定燃烧的焊接方法，这是一种较为先进的水下焊接方法。鉴于此，可以考虑将局部干法与微型自适应排水罩技术相结合，共同应用于旋转式电弧传感器中，从而创造出近似于陆地焊接的工作环境，以实现旋转式电弧传感器在水下焊缝自动跟踪技术中的应用。
4 结语
焊缝跟踪技术到目前为止已经得到了很大程度的发展，其中，传感器是至关重要的一部分，旋转式电弧传感器由于其突出的优越性而成为传感器中的新宠。为了实现全方位、高精度、全自动、智能化的焊缝自动跟踪，在未来的发展中，还需要对旋转式电弧传感器进行更深层次的研究和探索。
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