1、 焊接自动控制是生产过程 中自动 控制技 术的一 个分支 ，因此 ，它的 理论基 础 也就是自动控制理论。 大多数焊接质量自动控制 系统的 理论基 础只限 于经典 控制理 论部分 。 从自动控制的观点来看， 焊接特 别是电 弧焊和 其他加 工过程 的控制 有着不 同 的特征。所以，焊接自动 控制也 有和其 他加工 工艺过 程自动 化控制 不同的 特 点。 2、焊接自动控制 焊接（电弧焊）自动控制的特点 在一个自动控制系统，首先 必须 选择能 恰当地 表现控 制对象 本来面 目的 物理量作为被控制量。其 数目不 一定是 一个， 可以是 若干个 。 其次 要研究检出此被控制 量的手 段，确 定合理
2、 的检测 元件。 从构成 自动 控制系统的目的来说，被 控制量 必须能 在动态 过程中 进行测 量。凡 是动 态过程中不可能测量的变 量，不 具备作 为被控 制量的 条件。 所以， 从测 量、检测方面来说，必须 把被控 制量的 测量性 的好坏 作为选 定被控 制量 的条件。当直接测量作为 直接变 量的被 控制量 有困难 或不可 能时， 可检 测与被控制量动态、静态 特性一 一对应 的二次 量，并 把它作 为被控 制量 的检测值，这种二次量称 作间接 变量。 再者 ，要想能动地作用于 控制对 象，还 必须确 定控制 元件和 操作量 ，并 希望操作量与被控制量应 相适应 。这时 对于操 作量与 被
3、控制 量的因 果关 系，必须给予充分的考虑 。 一、被控制量选择的特点 研究电弧焊自动控制时，其控制对象 必然是 电弧本 身，这就 产生了 用什 么样的物理量作为被控制量，才 能恰当 地反映 出电弧焊 对象这 样一个问 题。当焊接过程正在进行时，如 果可以 在电弧 附近检测 （前提 是反馈控 制) ，就必须考虑近弧区诸 量的检测 。如果 把距离电 弧较远 地方的检 测 量作为被控制量就有一个时间延 迟的问 题。 将焊接过程中电弧的直接变量或 者间接 变量中 可以测量 的、而 且是测量 性能良好的量作为被控制量，那 将是最 理想的 。 但是，焊接过程中可能受到各种 干扰， 使被控 制量的检 测非
4、常 困难。下 面我们将作进一步分析； 在电弧焊过程中，可以考虑作为 直接变 量的被 控制量有 ： 焊缝的熔深； 焊缝的熔宽； 焊缝的截面面积和形状； 有加强高的焊缝外观； 焊缝缺陷的状态等。 然而在上述变量当中，事前能够直 接测得的 几乎不 可能。可 以考虑 作为间接变量的被控制量有： 熔池附近的温度和温度梯度： 熔池及其周围的凝固部分和工件的 形状： 熔池金属的流动状态； 电弧( 或等离子弧) 的形状、 大小、 辉度等。 因此， 只能测量 其间接 变量。 如前所述，间接变量与直接变量 必须在 动态、 静态特性 上一一 对应。但 是，间接变量的测量也存在不少 困难， 其原因 是： 1 由于电弧
5、发出的光、热、声波、飞溅等的 干扰，在 其他领 域可使 用的测量技术在近弧区无法使用 。另外 ，埋弧 焊时因为 熔渣的 存在也妨 碍了有效的测量； 2 电弧焊多半是工件固定电弧移动，要在有 电弧的一 面检测 ，必须 使检测器与焊炬连接在一起同时 移动。 这样就 必须使用 能沿焊 缝移动的 长探测头，这是相当麻烦的。另 外，使 用垫板 也会使焊 缝背面 的检测性 能变环。 3 因为近缝区金属处于不稳定的过渡过程与 不平衡状 态，所 以对它 的检测要测得很准确也是困难的 。因此 ，在考 虑电弧焊 的自动 控制时， 就产生了被控制量检测的困难问 题。 综上所述，在电弧焊的自动控制 系统中 ，被控 制
6、量的检 测较为 困难。 可以在焊接过程中，能考虑出一 些恰当 的能控 制、调整 被控制 量的操作 量，将使问题得以解决，电弧焊 时可供 作操作 量的有： 电弧电压、焊接电流、电弧形状， 焊接速度、送丝速度， 保护气体流量、焊剂供给量； 焊炬的位置和倾角(姿态) ； 焊件的位置及倾斜度； 带不带垫板操作等等。 要组成自动控制系统，当然要在所选定的 被控制量 中，选 出有决 定意 义的一个或多个物理量来定出操 作量。 对操作 量与被控 制量间 的静态和 动态关系，事先就要有充分的了 解。为 了弄清 楚它们的 静态关 系，最好 进行实验，但动态关系则往往不 大容易 弄得十 分清楚， 故电弧 焊的自动
7、 控制中操作量的选择也较复杂。 二、干扰因素多 干扰因素有两种 ，一种是作用 于控制元件的 ，使前面的操 作量发生变化 ， 另一种是焊接工艺和材料自身存 在的。 属于前一种的有： 由于电源波动引起的电弧电压， 焊接电流 ，电弧 形状，焊 接速度 ，送 丝速度等的变动； 由于供气源贮量不足和送气发生 障碍而造 成的保 护气流量 ，离子 气流 量，焊剂给送量的变动； 由于焊接位置二维的、三维的变 动引起焊 枪与工 件相对位 置的变 化； 由于垫板状态的改变等。 属于后一种的有 工件厚度、形状，组成的改变； 焊丝成份的改变； 坡口形状的改变； 对熔池作用力的改变； 工件积蓄的热量发生变化等。 这些作
8、用于电弧焊自动控制的干扰具 有以下特 点： 1 干扰中有的对控制对象有很大的影 响； 2 与被控制量的检测相比，容易检测 的干扰 居多； 3 多为事先能预想得到的干扰。 对于第一个特点，分析研究一下焊 缝中心线 的变化 情况就清 楚了。 只 要能对焊缝中心线的改变进行一 些补偿 和调整 ，则焊接 的结果 就比较理 想 了。 第二个特点的最恰当的例子是电源 的波动。 无论是 直接检测 电源的 波 动，或者是检测焊接电流等的波 动，都 是比较 容易的。 第三个特点的例子，是固定管子的 环缝焊接 。这时 焊接位置 的变动 表 现在管子的外圆，这是能够预想 到的。(将这个变动 当作干 扰来处理 是没有
9、 异议的， 因为这和焊接位置二维变动没有本质 的区别)。再有在焊 接过程 中也能够根据沿管子外圆移动的 焊枪的 位置， 检测出与 之相对 应的作用 于 熔池的力和积蓄的热量的变化。 三、控制方式的改变 由于电弧焊过程中干扰因 素多和 被控制 量的检 测又较 困难( 检测 性不好) 。 迄今为止，电弧焊工艺所 采用的 自动控 制方式 属于完 全的反 馈系统 的例 子较少，而多数是属于干扰 控制或前 馈控制 。 可以在干扰作用达到控制 对象以 前，将 干扰消 除。这 种控制 方式适 合于 弧焊中焊 缝变 动时使用 。对 于容易预 见的 干扰，检 测元 件也就不 必要 了。焊接自动控制的特点 一、被
10、控制量选择的特点 二、干扰因素多 三、控制方式的改变3、新型焊接自动控制技术 3.1焊缝位置自动跟踪控制 焊接电弧对准接缝位置是保证焊 接接头 成形和 质量的前 提。焊 缝位置自 动跟踪控制的目的就是通过传感 器检测 电弧偏 离焊缝的 信息， 通过自动 控制系统和伺服装置调节电弧与 焊缝的 相对位 置，使偏 离减小 ，直至消 失。所使用的传感器就称为焊缝 位置自 动跟踪 传感器。传感器3.1.1 焊缝位置自动跟踪传感器 1）传感器的分类 按传感器与电弧的关系，焊缝位 置自动 跟踪传 感器可分 为直接 式和间接 式两类。直接利用电弧本身特征 作为信 号的传 感器称 直接式焊 缝位置自 动跟踪传感
11、器；不利用电弧本身 信号， 而利用 电弧以外 的特征 信号的传 感器称间接式焊缝位置自动跟踪 传感器 。间接 式焊缝位 置自动 跟踪传感 器按信号的转换原理又可分为 机械传感 器、电 磁感应式 传感器 、电容式 传感器、气动式传感器、光学( 包括激光， 红外线) 式传感器 、超声式 传 感器、电弧(摆动) 式传感器等 类型 。（1）机械传感 器 机械 传感 器是一种接触 式传感器。 它以导杆或导轮在焊缝前方探测 焊缝位 置，见 图。 它可分为机械式和电子式两种， 前者是 靠焊缝 形状 对导杆( 轮)的强制力 来导向； 后者是 当焊枪 与焊缝 中心发生偏离时，导杆经电子装 置发出 信号( 它能
12、表示偏离的大小和方向) 再控制驱 动装置使 焊枪及 传感器恢复正确位置，此时传感 器输出 信号为 零， 实现自动跟踪。 机械传感器结构简单，抗电弧的 磁、光 、烟尘 和飞 溅等干扰性能好 ，工作可靠， 价格便宜，维 护方便， 已应用于生产实际。但若坡口或 缝隙的 加工装 配不 均匀，机械传感器的导杆或导轮 与工件 的接触 时， 容易失去跟踪点。为避免此类情 况，焊 接速度 不能 太快，此外导杆 或导轮的磨损 也影响传感器 的精度。 所以在现代焊接技术中，已逐渐 被非接 触式传 感器 替代。 a用导轮接触间隙 B 用导杆以焊道与坡口面交点为 基准 C 用导杆以坡口中心为基准 D 用双导杆以工件表
13、面为基准（2）电磁传感器 电磁感应式传感器是一种非接触 式传感 器，可 分为普通频率式(简称电磁 传感器) 和 高 频式( 简 称涡流传感器)两种。电磁 传感器 的频率低 于 10kHz，涡流传感器的频 率则为30160kHz 。 电磁传感的原理如图8.2 所示 ，一次 线圈中流 过 高频励磁电流后在二次线圈上产 生感应 电动势 U21 、U22。偏差的存在将 使左右两 个二次 线 圈的磁路出现不对称。利用U21 、U22 之差 可 以反映偏差的大小和方向，为了 抑制错 边、点 固点引起的干扰 信号，现己研 制出漏磁抑制 式、 电势抑制式和扫描式电磁传感器 。 电磁式传感器适用于对接、搭接和角
14、焊缝，其体积 较大，使用灵活性差，且对磁场干扰和工件装配条 件比较敏感。一般应用于对精度要求不甚严格的场 合。涡流传感器的频率较高，能克服 电磁式 传 感器易受强大焊接电流干扰，且 体积较 大 的缺陷。其结构图如图8.3所示。 二次线圈2 、3反向串联，当一 次线圈1 加 高频电流时产生高频电磁通，在 工件表 面 产生涡流，涡流产生的磁力线要 削弱主 磁 通，使二次线圈2 、3 的感应 自 动 势 减小。 由于涡流不能穿过工件边界的缝 隙，从 工 件两边涡流的强弱即线圈2 、3的感应 电 动势的大小可以判断电弧的对中 状态。 涡流传感器体积小，所有金属材 料焊接 时 都能采用，焊接 非铁磁材料
15、时 灵敏度降低。涡流传感器的频率较高，能克服 电磁式 传 感器易受强大焊接电流干扰，且 体积较 大 的缺陷。其结构图如图8.3所示。 二次线圈2 、3反向串联，当一 次线圈1 加 高频电流时产生高频电磁通，在 工件表 面 产生涡流，涡流产生的磁力线要 削弱主 磁 通，使二次线圈2 、3 的感应 自 动 势 减小。 由于涡流不能穿过工件边界的缝 隙，从 工 件两边涡流的强弱即线圈2 、3的感应 电 动势的大小可以判断电弧的对中 状态。 涡流传感器体积小，所有金属材 料焊接 时 都能采用，焊接 非铁磁材料时 灵敏度降低。（3）光学传感器 光学传感器是目前研究最多也最 有前途 一类焊 缝跟踪传 感器
16、， 光学传感 器精度高、再现性好，不仅可以 用于焊 缝跟踪 ，而且可 以用于 检测坡口 形状、宽度和截面，为焊接参数 的自适 应控制 提供依据 。因此 ，光学传 感器是焊接跟踪系统中比较理想 的传感 器。考 虑检测原 理、对 象、光源 种类等因素，光学传感器大致可 以分为 以下几 种： 单点光电式 光切割图像处理式 光电扫描式 焊缝直观图像处理方式（CCD 跟踪传 感器） 单点光电式 利用简单的光电元件G检测坡口棱边或人工白色标志带。图84是以 激光为光源的棱边跟踪传感器示意图。此外还有以红外线、可见光、 弧光为光源的传感系统。 光切割图像处理式 用线光源从坡口斜上方照射，得到与坡口形状相应的
17、弯曲光线图形， 如图8 。5所示。将此图形摄入摄像机进行图像文理，可以求出坡口 中心位置，还可以求出坡口宽度等数据。 光电扫描式 利用一束激光扫描坡口和工件表面，并用一系列光电接收管 同步地接收反射光，从中检测坡口的位置和形状。由于点光 源比线光源更容易达到较高的亮度，光电扫描比光切割法具 有更高的信噪比，更强的抗弧光干扰能力。 焊缝直观图像处理方式（CCD跟踪传感器） 用工业电视把电弧、熔池、导电嘴，焊丝伸出和焊接坡口一起摄成图像，并 根据电弧附近的图像求得坡口宽度，然后判断焊丝是否对准中心位置及焊丝 伸出长度是否合适。（4）超声传感器 可分为接触式和非接触式。 接触式超声传感器利用超声波在
18、金属内传播时的界面反射现 象，由探头接受反射波脉冲；由入射反射波脉冲的行程， 测得界面位置。当探头离钢板接缝边缘的位置发生左右变化 时，接受到的反射波脉冲的时间就要发生变化，当焊枪偏离 平衡位置时，其获得的声程与平衡位置时的标准声程之差为 左右跟踪的信号。一般采用横波探头作为焊缝跟踪传感器。 非接触式超声传感器通过气体介质传播超声波，采用纵波形 式。由于超声在气体介质中传播损耗大，所以必须加入匹配 层进行声、电匹配，利用聚焦声透镜技术提高空气超声传感 器的灵敏度。目前，空气超声传感器已应用于二氧化碳气体 保护焊和理弧焊。（5）电弧传感器 电弧传感器是利用焊接电弧现象本身(电弧电压、电弧电流、弧
19、光辐射、电弧 声等)提供有关电弧轴线是否偏离焊接对缝的信息，实时控制焊接电弧始终跟 踪焊缝。为了能从与电弧现象有关的参数变化中，得到电弧轴线与焊接对缝 相对位置的信息，必须创造两个条件：一是使电弧相对焊接对缝产生周期性 的横穿运动，亦即使电弧相对焊接对缝产生一定频率的横向摆动时，与电弧 现象有关的参数可以产生足够大的变化，方可能用来判断电弧轴线与焊接对 缝相对位置的偏差，得到电弧轴线与焊接对缝偏离的信息；二是控制执行机 构调节电弧与焊接对缝的相对位置，使偏离减少，直至消失。 电弧传感器焊缝跟踪在非熔化极气体保护电弧焊中虽然也曾被采用过，但是， 由于必须使电弧产生横向摆动，结构较复杂、成本较高，
20、与其他焊缝位置跟 踪方法相比，没有优势，故没有得到发展(但仍然有用作焊枪高度控制的) 。 对于熔化极气体保护电弧焊，虽然也有横向摆动机构的麻烦，但由于这种方 法在技术可靠性及经济性等方面与其他方法相比，有较大的优势，所以在实 际中被广泛应用。3.1.2 焊缝位置自动跟踪系统 焊缝位置自动跟踪控制系统由 传感器、信号处理器和伺服装置 三部分组成。传感 器获取所需的物理量并将其转化为相应的电信号，然后传送给信号处理器信号处 理器对传送来的电信号进行处理，包括去除噪声干扰，将调制信号解调放大及运 算，最后经功率放大部分输出驱动信号给伺服装置，由伺服装置对焊枪进行适时 调整，实现焊接过程的自动跟踪。
21、信号处理器根据传感器的种类、所能提供的信息量的大小及所需要的处理速度分 别采用模拟电路、数字控制电路直至微型计算机 进行信号处理。例如单光点式光 学传感器系统由于所需处理信息量少，则只使用模拟电路控制，而对使用CCD摄 像机的光学传感器系统，由于每幅图像需处理的信息量大，而焊缝自动跟踪的实 时自动控制又需要很高的运算速度，因此配以微型计算机进行运算处理。一般来 说，需要处理的信息量越大，信号处理器的构成越复杂、成本也越高。但同时跟 踪的精度越高，应用的范围也越广。伺服系统是一个小型的电机伺服 控制系 统。它 可以采用 普通的 直流伺服 电动机、步进电机、中、小惯量 的力矩 电机以 及印刷电 机
22、等， 其驱动控 制可采用模拟控制或数字控制。 焊缝位置自动跟踪系统是以电弧 （焊枪 ）相对 于焊缝（ 坡口） 中心位置 的偏差作为被调量，以焊枪位移 量作为 操作量 的闭环控 制系统 。当电弧 发生偏差时，传 感器能自动检 测出这一偏差 输出信号，实 时地调整焊炬 ， 使之准确地与焊缝对中。实际生 产中经 常要求 同时进行 焊炬左 右位置和 高低位置的自动跟踪，这种双向 焊缝跟 踪系统 更具有实 用价值 。为了进 行双向跟踪，焊炬必须相对于焊 接小车 有两个 自由度： 即要有 两套随动 机构，它们通常是由一个传感器 发出两 个方向 的跟踪信 号来控 制的。3.1.3 焊缝位置自动跟踪控制的应用
23、 薄板搭接CO2气体保护焊生产气体储气罐 材质：20# 板厚：2-2.5mm 工艺参数：焊丝直径1.6mm I ：180-250A U ：20-25V 在加工装配过程中，不可避免地会产生一些 误差，另外转胎转动时也常引起焊缝的轴向 移动，因此，在这种焊接工艺过程中，必须 采用焊缝跟踪系统，使焊接电弧始终对准焊 缝中心。该系统远用电弧传感器，系统由电流信号检测、采样，跟踪执行机构，手动控 制盒和跟踪控制系统等部分组成。系统的控制核心为Intel 公司8089单片机，采 用STD总线模板式结构。由霍尔传感器检取电流信号并与焊接回路进行绝缘隔 离，8089内部A D转换器进行转 换，经单片机处理后输
24、出控制信号，驱动焊 炬的旋转和十字机构的上下移动，构成闭环调节系统。实践表明，该系统跟踪 效果良好。3.2 焊接过程计算机控制技术 采用微型计算机对焊接过程进行测示和控制是现代焊接技术的最新发 展，已给焊接生产和研究工作带来了革命性变化。 利用微型计算机的意义： 可以对焊接电流、电压、焊接速度、气体流量和压力等参数进行快速综合 运算分析和控制， 可对各种焊接过程的数据进行数理统计分析， 总结出焊接不同材料、不同板厚的最佳参数方程与图表。 采用微型计算机代替常规数控来控制焊接工卡具自动定位和焊机(或焊 件)运动轨迹，其精度可达0.002 5 mm，而且通用性强，故将获得广泛应 用。微型计算机和传
25、感器连接，可以构成各种焊接过程的质量监控系统，例 如焊接熔池大小与形状的适应控制，焊缝背面熔宽的适应控制等。图4-23所 示是利用微型计算机监控气体保护焊焊接质量的示意图。1.微型计算机可以储存有关生产技术的操作程序、焊接程序、焊接参数调整 程序等。 2.微型计算机从焊接执行情况与参数中提取信息，而后在微型计算机中进行 对比，再通过数字模拟转换器控制电源、送丝机构、气流阀、伺服机构等 及时反馈，调整操作与参数，从而确保焊接质量。 3.输出装置中还可以设有电视监视、打印、录像等，以便记录质量情况，指 示监测结果。 埋弧自动焊与气体保护焊方面： 可以通过焊接轨迹线跟踪或焊接 温度场 微型计 算机测
26、定 作为对 比监控信 息， 或用微型计算机进行电弧区的图像摄制处 理， 通过图像传感器对焊接质量反馈监控。 用微型计算机对电弧焊进行质量监控已在 生产实际 中应用 。弧焊机器人： 在现代工业生产中，已经采用了相当数量的焊接机器人。弧焊机器人是 其中主要的一种，它能自动进行弧焊操作。 从智能上看，它具有记忆功能，靠人对它示教，机器人记忆每一步示教， 然后重复再现示教的动作。 这种焊接机器人的控制部分采用了许多计算机技术，如编程序控制技术、 记忆存储装置等。现在，已在研制具有视觉、听觉和触觉功能的机器人。 3.3焊接机器人技术焊接机器人的特点： 焊接机器人具有手工操作所固有的灵活性，如果要焊接机器
27、人去焊接 另一种产品，只要对它重新示教就可以了。因此，焊接机器人不仅用于大 量生产的焊接生产自动线，而且为实现小批量生产自动化开辟了新的道路。 焊接机器人的优点是： (1) 能代替人在危险、污染或特殊情况下进行焊接，例如在高温、高 压、易爆、有毒、水下、放射性等条件下进行焊接。 (2) 能代替人从事简单而单调重复的焊接工作，可解放工人从事其它 更复杂的劳动。 (3) 焊接工作具有相当高的重复再现精度，不会发生人所常有的错误 动作，能保证焊接质量稳定可靠。 (4) 具有相当高的运动精度和焊接参数控制精度，可实现超小型焊件 的精密焊接。点焊机器人的模块化结构 a 点焊钳的2 个自由度 b 臂的4
28、个基本自由度 c 点焊钳与臂的安装连接 d 3头垂直安装式 e 6头3 对异步工作式 f 双头对称工作式 g 水平安装式 F 单头双钳式 前馈控制（又称扰动控制） 。 按扰动作用的大小进行控制。它属于开环控制系统， 如图(1)。根据不变性原理( 即扰动补偿原理) ，引进 补偿装置，实现扰动补偿作用。它能在扰动刚刚进入 的瞬间，被控量尚未改变时，通过“专用”调节器来 改变控制量，以补偿扰动作用对被控量的影响。因此 前馈控制比反馈控制“及时”得多。单纯的前馈控制 只能对某项扰动有补偿作用。它无法克服其余扰动对 被控量的影响，同时难以找到恰到好处的补偿装置。 通常，不单独使用前馈控制，多与反馈控制同
29、时运用， 构成前馈反馈复合控制系统，如图(2)。它既能 克服主要扰动作用的影响，又能利用偏差控制来消除 其余扰动作用的影响，获得满意的调节质量。通常所 说的前馈控制就是属于这种复合控制系统。前馈 反 馈控制系统多用于系统滞后大或对象时间常数很小的 场合。如高压大蒸发量水管锅炉的液位控制系统。它 能克服控制“不及时”和虚假液位变化的影响，保证 锅炉安全运行。 人体系统中也有许多前馈控制的例子。 例如，汽车爬坡，猎手打飞鸟等。 我们可以理解，简单的反馈系统是评定一个过程的输出，并把纠正措施应用于 系统，以得到所希望的输出结果。 可见，由于纠正过程中存在的时间滞后，简单反馈系统对大多数管理问题是不 太适用的。前馈系统对输入进行监控，以查明输入是合符合计划的要求；如果 输入不同于计划，则要改变输入，或改变过程，以保证计划目标的实现。前馈 系统与反馈系统性质的比较如图 在一定程度上，可以说前馈控制系统实际上是反馈系统的一种。确实，前馈 系统的信息馈入是在运行过程的输入端，所以它能在运行过程的输出结果受到 影响之前就作出纠正。但是，即使有了前馈系统，主管人员仍然要测定最终的 系统输出的，因为没有东西可以保证，最终输出会与所要求的完全一致。 return 幻 灯片
