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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Savage[4]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lHz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Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ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1-3LM386应用电路图之增益=20图1-4LM386应用电