摆动式TIG焊焊缝跟踪技术(1)
第
３６卷第１０期２００６年１０月
ＥｌｅｃｔｒｉｃＷｅｌｄｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ
Ｖｏｌ．３６Ｎｏ．１０Ｏｃｔ．２００６
摆动式TIG 焊焊缝跟踪技术
龚
海，洪
波，屈岳波，尹
力，周文军，李安强
（湘潭大学机械工程学院，湖南湘潭４１１１０５）
硬件设计方面，采用两级滤波的方法，前摘要：介绍以弧压为传感信号的摆动式ＴＩＧ焊焊缝跟踪技术。
级主要用来保护控制电路，后级主要用来滤除杂波。软件处理方面，针对搭接ＴＩＧ焊的特点，采用摆动焊接方法，利用积分比较法，实现了焊缝的自动跟踪；提出加权处理的方法，对积分比较法进行修正，进一步保证了跟踪的实现，提高了跟踪精度。试验证明，该技术控制可靠，焊缝跟踪效果好。
关键词：ＴＩＧ焊；焊缝跟踪；积分比较；加权处理
中图分类号：ＴＧ４０９文献标识码：
Ａ文章编号：１００１－２３０３（２００６）１０－００２６－０３
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｓｅａｍｔｒａｃｋｉｎｇｉｎａｒｃ－ｓｗｉｎｇｔｙｐｅＴＩＧｗｅｌｄｉｎｇ
专
题讨论焊缝跟踪技术
ＧＯＮＧＨａｉ，ＨＯＮＧＢｏ，ＱＵＹｕｅ－ｂｏ，ＹＩＮＬｉ，ＺＨＯＵＷｅｎ－ｊｕｎ，ＬＩＡｎ－ｑｉａｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＸｉａｎｇｔａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｎｇｔａｎ４１１１０５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｓｅａｍｔｒａｃｋｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎａｒｃ－ｓｗｉｎｇｔｙｐｅＴＩＧｗｅｌｄｉｎｇ，ｗｈｉｃｈｔａｋｅｓｔｈｅａｒｃｖｏｌｔａｇｅａｓｓｅｎｓｏｒ
ｓｉｇｎａｌ．Ｆｏｒｈａｒｄｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｉｎｇ，ｉｔａｄｏｐｔｅｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｔｗｉｃｅｆｉｌｔｅｒｉｎｇ．Ｔｈｅｐｒｉｍａｒｙｉｓｍａｉｎｌｙｕｓｅｄｔｏｐｒｏｔｅｃｔｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔ，ａｎｄｔｈｅｓｅｃｏｎｄａｒｙｉｓｕｓｅｄｆｏｒｆｉｌｔｅｒｉｎｇ．Ｆｏｒｓｏｆｔｗａｒｅ，ｉｔｔａｋｅｓｕｓｅｏｆｔｈｅｓｗｉｎｇｔｏｒｃｈａｎｄｉｎｔｅｇｒａｌｃｏｎｔｒａｓｔｍｅｔｈｏｄｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｓｅａｍａｕｔｏｔｒａｃｋｉｎｇａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｌａｐｊｏｉｎｔＴＩＧｗｅｌｄｉｎｇ；Ｉｔｐｏｉｎｔｓｏｕｔｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｗｅｉｇｈｔｅｄｈａｎｄｌｉｎｇｔｏｐｒｏｃｅｅｄａｒｅｖｉｓｉｎｇｔｏｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｌｃｏｎｔｒａｓｔ，ｗｈｉｃｈｅｎｓｕｒｅｓｔｈｅｔｒａｃｋｉｎｇｐｒｏｐｅｒｌｙａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｔｒａｃｋｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｐｒｏｖｅｔｈａｔｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｒｅｌｉａｂｌｅａｎｄｔｈｅｓｅａｍｔｒａｃｋｉｎｇｗｏｒｋｓｗｅｌｌ．
——
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＴＩＧｗｅｌｄｉｎｇ；ｓｅａｍｔｒａｃｋｉｎｇ；ｉｎｔｅｇｒａｌｃｏｎｔｒａｓｔ；ｗｅｉｇｈｔｅｄｈａｎｄｌｉｎｇ
０前言
ＴＩＧ焊作为一种高质量的焊接方法已在生产实
夹钨，保证焊接质量，通常采用非接触式的高频高压引弧。这种引弧方式的振荡频率高达２５０ｋＨｚ，功率可达１５０Ｗ，产生的电磁干扰不仅频率高而且含有大对于交流ＴＩＧ焊，不但需要高频高压引弧，量的谐波［１］。
而且还要高频高压稳弧，以保证焊接过程的稳定性。
高频高压的存在会对整个控制系统产生严重的干扰，导致控制失灵。为了防止干扰，应采取有效地隔离和屏蔽措施。此外，为了防止高频高压对控制电路带来的电磁冲击，还要进行有效地滤波处理。
践中获得了广泛的应用，并正向自动化和机器人化方向发展。其关键技术主要是对ＴＩＧ焊过程中几个重要参数的控制，包括弧长的控制和焊缝的自动识别。
可检测弧压的传感方法很多，如机械传感式、光电式、电磁式等，但在实际应用中存在困难。在此直接采用电弧作为传感器，利用焊接过程中弧压变量作为跟踪信号。与其他传感方式相比，电弧传感检测点即为电弧工作点，具有良好的实时性，不会带来附加误差。
本研究针对搭接ＴＩＧ焊的特点，介绍了两级滤波电路的设计，讨论了焊缝跟踪的积分比较处理方法，并在此基础上，提出加权处理方法。
１．１初级滤波
图１为ＲＣπ型滤波电路，是在电容滤波的基础
上再加一级ＲＣ滤波电路组成。其滤波原理为：经电容Ｃ１滤波之后，Ｃ１两端的电压包含一个直流分量和一个交流分量，作为ＲＣ２滤波的输入电压。对直流分量，Ｃ２可视为开路，负载ＲＬ上的输出直流电压为
１滤波器的设计
在ＴＩＧ焊中，为了提高引弧成功率，避免焊缝
收稿日期：２００６－０５－３０
作者简介：龚海（１９８２—），男，湖南娄底人，硕士，主要从
事焊接方法、设备和自动化方面的研究工作。
ＵＬ＝ＲＵｉ，
Ｌ
对于交流分量ｕｉ，其输出交流电压为
（１）
专题讨论
龚海等：摆动式ＴＩＧ焊焊缝跟踪技术第１０期
Ｒ３＝
１＝４９．９４ｋΩ。１２２
ｃ
经过次级滤波，可以得到控制需要的信号。
图１
初级滤波电路
Ｆｉｇ．１Ｐｒｉｍａｒｙｆｉｌｔｅｒｃｉｒｃｕｉｔ
２
２．１
（２）
积分比较法
方法一
１
２ｕ，ｕＬ＝ｉ
Ｒ＋ＲＬ／／
２
若满足ＲＬ＞＞１，Ｒ＞＞１，
２２
ＲＬ／／
则有
采用积分比较法，可以实现对ＴＩＧ焊搭接焊缝
的跟踪。如图３所示，焊炬在焊缝自动跟踪系统工作的情况下，绕铅垂位置为中心以小角度β向左右两边往复摆动。摆动时，由于β的存在，弧长会有一个较小的变化，这一ｙ方向的位移信号可由弧压检测电路检测出。在单片机控制下，以焊枪铅垂位置为
ｕＬ≈
１ｕｉ，
２
（３）
分界点，分别对左右两边弧压信号采样，采集足够数据后，对左右两边弧压采样值Ｕｋ积分，得出Ｓ左和Ｓ右。焊炬的起始位置在焊道中心时（见图３ａ），左右两边的积分值分别为Ｓ左和Ｓ右，记为Ｓ左０和Ｓ右０，如果焊炬位置偏左，则此时Ｓ右相Ｓ左０－Ｓ右０＝ΔＳ０。
对焊道中心位置增大，Ｓ左基本不变，那么Ｓ左－Ｓ右＝
如果焊炬位置偏右，则此时Ｓ左相对焊道中ΔＳ＜ΔＳ０。
心位置减小，而Ｓ右基本不变，那么也有Ｓ左－Ｓ右＝ΔＳ＜ΔＳ０。此时，如果ΔＳ－ΔＳ０＞Ｃｏｎｓｔ１（设定的允许偏差值１），则视为焊枪对中焊缝有偏差，需要进一步判断。将Ｓ左、Ｓ右分别与Ｓ左０、Ｓ右０比较：若Ｓ
Ｓ右＝Ｓ右－Ｓ右０，则表示偏左；若Ｓ右＝Ｓ右０，ΔＳ左＝Ｓ右０，Δ
这样，判定焊枪中心是偏左＝Ｓ左－Ｓ左０，则表示偏右。
左或偏右后，将ΔＳ左或ΔＳ右与Ｃｏｎｓｔ２（设定的允许偏差值２）作比较后，将差值进行一定的数据处理，用来控制步进电机作横向移动修正焊炬的位置，使其摆动中心位于焊道中心，进而实现焊缝跟踪。
由式（１）可知，Ｒ愈小，输出的直流分量愈大；由式（３）可知，ＲＣ２愈大，输出的交流分量愈小，滤波效果愈好。所以Ｒ受两方面的制约，只能兼顾选择。
在电容和电阻的参数选择方面，应尽量选取耐高压元件，以防止元件在工作中无法承受冲击而烧坏。
作为前级电路，ＲＣπ型滤波器主要用于滤除高频的信号带，吸纳高压的冲击，保护后级的控制电路。
专
题讨论焊缝跟踪技术
——
１．２次级滤波
经初级滤波后，得到的波形中存在１００Ｈｚ左右
谐波，将会大大降低采样精度，影响跟踪效果。本研究设计了一个二阶Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ低通滤波器［２］对信号滤波处理，见图２。为了抑制干扰信号，选取滤波器的截止频率为ｆｃ＝２０Ｈｚ，通带的电压放大倍数Ａ０＝－１。
２．２
图２
二阶无限增益多路反馈低通滤波电路
方法二
Ｆｉｇ．２ＴｗｏｒａｎｋｓｉｎｆｉｎｉｔｅｐｌｕｓｍｕｌｔｉｆｅｅｄｂａｃｋＬＰＦｃｉｒｃｕｉｔ
电路的传递函数
Ａ０
Ａ（ｓ）＝Ｕｏ（ｓ）＝＝
ｉ１＋＋ｃｃ－Ｒ／Ｒ，１２２３２３１２１３２１式中
在单片机控制下，以焊炬铅垂位置为分界点，分别对左右两边弧压信号采样，采样足够数据后，对左右两边弧压Ｕｋ积分，得出Ｓ左和Ｓ右。焊炬的起始位置在焊道中心时（见图３ａ），左右两边的积分值分别为
如果焊炬位置偏左，则此时Ｓ左和Ｓ右，记为Ｓ左０和Ｓ右０。
如果Ｓ右相对焊道中心位置增大了，而Ｓ左基本不变。
焊炬位置偏右，则此时Ｓ左相对焊道中心位置减小，而Ｓ右基本不变。这样将Ｓ左、Ｓ右分别与Ｓ左０、Ｓ右０比较：若Ｓ左＝Ｓ左０，ΔＳ右＝Ｓ右－Ｓ右０，则表示偏左；若Ｓ右＝Ｓ右０，ΔＳ左＝Ｓ左－Ｓ左０，则表示偏右。这样，判定焊枪中心是偏左或偏右后，将ΔＳ左或ΔＳ右与Ｃｏｎｓｔ（设定的允许偏差值）作比较，将差值进行一定的数据处理，用来控制步进电机作横向移动修正焊炬的位置，使其摆动中心位于焊道中心，从而实现焊缝跟踪。
（４）
截止角频率ωｃ＝３ｄＢ；品质因数Ｑ＝" ／２＝
０．７０７；通带电压放大倍数Ａ０＝－Ｒ２／Ｒ１＝－１。
选择Ｃ１＝０．１μＦ，Ｃ２＝０．０１μＦ，得
Ｃ－Ｒ２＝＝１２．６８ｋΩ，
ｃ１２
Ｒ１＝－Ｒ２／Ａ０＝１２．６８ｋΩ，
专题讨论
第３６卷
图３摆动式ＴＩＧ搭接焊示意
Ｆｉｇ．３Ｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆａｒｃ－ｓｗｉｎｇ－ｔｙｐｅｄＴＩＧｂｕｔｔ－ｗｅｌｄｉｎｇ
图４是实现上述方法二焊缝自动跟踪控制过
程的程序流程框图。
图５焊枪摆动示意
Ｆｉｇ．５Ｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｗｅｉｇｈｔｅｄｈａｎｄｌｉｎｇ
专题讨论焊缝跟踪技术
律，引入一个调整因子αｋ［３］对数据进行加权校正，从而达到减小误差的目的。即Ｕ＇ｋ＝Ｕｋｇ调整因子αｋ。
αｋ的作用实际上就是加权因子。
如图５所示，以Ｏ点作为焊枪摆动的起始点，当焊枪摆动到与水平面夹为φ的位置时，可以近似的认为此时对应的弧压反映的弧长是ＡＢ段，与真实的弧长ＡＣ段存在一定的差别。因此，在进行修正时，取αｋ＝ｓｉｎφ，则Ｕ＇ｋ＝Ｕｋｇｓｉｎφ（其中，Ｕｋ表示焊枪摆动到φ时对应的弧压信号）。
图４
程序流程
——
Ｆｉｇ．４
Ｐｒｏｇｒａｍｆｌｏｗｃｈａｒｔ
４结论
（１）硬件设计方面，采用两级滤波的方法，既起
以上提出了两种实现焊缝自动跟踪的方法，在理想的情况下，方法二较方法一简洁。
运用积分比较法，实现了ＴＩＧ搭接焊的焊缝跟踪。但是，由于焊枪摆动引入的干扰因素，影响了跟踪的效果，降低了跟踪的精度。为了尽量减小焊枪摆动所带来的固有误差，需要进行改进。在此，提出一种改进的方法，即对采集的弧压信号数据进行加权修正。
到了保护控制电路的作用，又达到了信号滤波的效果。
（２）运用积分比较法，实现了搭接ＴＩＧ焊焊缝的
识别和自动跟踪，但是，由于焊枪的摆动，该方法还存在不完善的地方。
（３）运用加权修正对采样得到的弧压信号进行处
理，既克服了摆动本身带来的误差，又保持了弧压信号的原有规律。通过加权修正，提高了跟踪的精度。
３加权修正
在焊接过程中，焊枪始终是摆动的，因此，焊枪
（４）该技术成功地实现了低频摆动下的焊缝跟踪。
跟踪精度、焊缝成形均符合要求，具有很好的使用前景。跟踪精度为±０．５ｍｍ，响应时间１０ｍｓ，已可实用。
钨极以一个变化的角度斜扫向搭接板，这个角度的存在，使得焊炬斜落到板上，如图５所示。这样，弧压信号并没有真实的反映弧长的信息，而是存在一定的偏差。因此，为了获得真实有效的信息，就必须对得到的信号进行必要的处理。
实际上，斜向的弧炬的形状很难用精确的数学表达式来描述，根据斜向的弧炬引入误差的变化规
参考文献：
［１］邓集杰，路登平，刘建屏，等．国内弧焊设备电磁兼容性
研究进展［Ｊ］．电焊机，２００３，３３（９）：１－４．
［２］康华光，陈大钦．电子技术基础（模拟部分）［Ｍ］．北京：高等
教育出版社，１９９９：３６５－３６９．
［３］熊震宇，张华，贾剑平，等．基于旋转电弧传感的弧焊机
器人焊缝跟踪系统［Ｊ］．中国机械工程，２００３（６）：１０３９－１０４２．