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传感器在焊缝跟踪过程中的应用引言我们这学期学习了《传感器与检测技术》。
了解到了传感器在现代生产生活中起着越来越重要的作用，同时在焊接过程中也越来越受到重视。
现在的焊接要求精确化，智能化，自动化,在这些要求中往往离不开一个重要的技术~~传感器技术，本文我们就来研究传感器在焊接过程中的应用。
、传感器根据国家标准GB7665-87,传感器定义为：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件装置。
传感器作为检测工具，要求检测研究对象的物理或化学的信息，其工作过程要求稳定、可靠、精度高，所以对传感器有以下几个要求：(1适应恶劣环境能力强传感器一般工作环境十分广，从极寒至酷热地区，许多在露天环境下工作，能抗飞沙走石、灰尘，还应耐潮湿，较高的抗盐类腐蚀、酸性腐蚀的能力，有抗污染气体干扰的能力，能适应在高温、极寒、强烈振动、冲击以及在其他条件下正常工作的能力，还应抗噪声能力强，信噪比高。
(2价格适中，适于大批量生产要求传感器一致性好，适宜自动化批量生产，对加工设备有较高要求，以便排除人工操作带来的不一致性和失误。
(3稳定性和可靠性高传感器是一种高精度检测仪器，在军事、航空、航天中应用都有严格要求，产品都须经过严格测试才能应用。
所以传感器生产是一种高新技术的具体运用和体现。
一种传感器是否有较高的技术附加值体现在所包含的技术含量和加工工艺的技术是否高新。
有部分传感器由于其应用环境的状况需金属封装，一般采用焊接密封，如压力传感器、力传感器、霍尔传感器、光电传感器、温度传感器等，这类传感器内部有敏感元件和集成电路，充惰性气体或抽真空与外界隔绝，有耐压、气密性要求，另有焊接强度要求和漏气率要求，对焊接质量要求高，而且焊接过程中要求变形小，不能对内部元件和微电路有损坏。
目前传感器密封焊接有电阻焊、钨极氩弧焊、等离子弧焊、电子束焊和激光焊。
所谓焊缝跟踪，即以焊炬为被控对象，电弧（焊炬相对于焊缝中心位置的偏差作为被调量，通过视觉传感、接触传感、超声波传感、电弧传感等多种传感测量手段，控制焊炬使其在整个焊接过程中始终与焊缝对口。
焊缝跟踪和焊缝寻位的原理
一、焊缝跟踪原理
焊缝跟踪是焊接过程中的一项重要工作，它能够确保焊接质量和工艺
参数的一致性。
其原理是通过焊缝检测传感器或视觉传感器对焊接过
程中的焊缝进行实时监测，根据预置的规程控制焊接电流和速度实现
焊接质量的稳定性。
焊缝跟踪系统一般由控制器、传感器、信号接口等组成。
其中，传感
器可分为近红外传感器、激光传感器、摄像头传感器等，根据不同的
焊接场景选择相应的传感器。
通过掌握焊接过程中的实时参数，如焊
接速度、电流强度、电压等，可以及时调整焊接参数，确保焊接质量。
二、焊缝寻位原理
焊缝寻位是焊接前的重要工作，它可以在焊接前精确定位焊接部位，
降低焊接质量测评成本，提高焊接效率。
焊缝寻位技术可以通过机械
手臂、计算机视觉、激光测量等方式实现。
消费电子产品采用的主要焊缝寻位技术是机械手臂寻位，通过机械臂
精确控制焊枪位置，实现对焊接部位的寻位。
另外，一些大型生产厂
家也使用了激光测量的方法，在焊接前使用激光传感器对焊接部位进行测量，确定焊接位置。
三、焊缝跟踪与焊缝寻位的关系
焊缝跟踪和焊缝寻位是两个不同的概念，但它们在焊接中有着密切的关系。
首先，焊缝寻位可以为焊缝跟踪提供准确的焊接部位信息，避免焊接过程中出现偏差。
同时，焊缝跟踪技术也可以为焊缝寻位的自动化提供支持，通过对焊接过程中的数据分析，优化焊缝寻位方案，提高寻位精度和效率。
总之，焊缝跟踪和焊缝寻位是两项相互依存的技术，在焊接过程中都发挥着重要作用，提高焊接质量，降低成本。
自动焊缝跟踪系统的设计与实现摘要:本文介绍了一种基于旋转电弧传感器的焊接机器人系统。
系统采用惯量小，成本低，灵活性大的新型十字滑块系统作为机械传动机构；旋转电弧传感器的位置精度高，焊缝偏差小，使用各类焊缝类型；配合步进电机完成整个系统位移单元的传动，并进行位置伺服。
环境预检测系统完成工作环境的检测，确保系统的安全运行，DSP主控系统完成整个系统的管理和控制，并设计了包括软件保护，机械限位保护，报警保护，电源管理保护在内的各种保护措施。
为了方便系统的维护和升级，预留了标准的串口和以太网接口，可以方便对系统进行扩展升级。
关键词：焊缝跟踪；旋转电弧传感器；位置伺服；十字滑块目录1项目背景 (1)2设计要求和需求分析 (1)3系统总指标分析 (2)3.1 系统静态指标 (2)3.2系统动态指标 (2)3.3运动精度指标 (2)3.4智能性指标分析 (2)3.5可扩展性指标分析 (2)3.6应用指标 (2)3.7环境要求 (3)3.8装配指标分析 (3)4 模块设计指标和方案分析 (3)4.1总体设计方案 (3)4.2主控系统指标分析和方案比较 (4)4.3机械结构指标分析和方案比较 (4)4.4 反馈系统模块指标分析和方案比较 (6)4.5运动控制模块指标分析和方案比较 (7)4.6机械保护模块的指标分析和方案比较 (7)4.7环境检测保护模块指标分析和方案比较 (8)4.8接口扩展模块指标分析和方案比较 (8)4.9 电源管理模块指标分析和方案比较 (8)4.10 焊接指标分析与方案论证 (9)5硬件系统方案的实现 (9)5.1总控制核心系统的实现 (9)5.2机械传动结构方案的实现 (10)5.3反馈系统模块的实现 (14)5.3.1 电弧传感器的分类及选型 (14)5.3.2 旋转电弧传感器结构与工作原理 (17)5.3.3 跟踪与纠偏原理 (18)5.4运动控制模块的方案实现 (20)5.4.1步进电机的选取 (20)5.4.2步进电机驱动器的选取 (22)5.4.3直线步进电机的选取 (23)5.4.4直线步进电机驱动器的选取 (24)5.5 机械保护模块方案实现 (25)5.6环境检测系统的实现 (25)5.7接口扩展模块的方案实现 (27)5.8 电源管理模块方案的实现 (28)5.9报警模块的方案实现 (29)6软件控制平台的实现 (29)6.1传感器的控制算法和模型 (29)6.1.1 传感器与系统的初始化 (29)6.1.2 传感器的算法分析 (30)6.1.3 电弧长度模型与平面拟合算法分析 (31)6.2电机驱动的算法 (33)7 成本估计 (34)8 项目总结与改进 (34)8.1 项目总结 (34)8.2.1 旋转扫描电弧传感器的问题与改进 (35)8.2.2 系统与无线传感网络的通信 (35)8.2.3 系统的可移植性改进 (35)9 心得体会 (35)参考文献： (38)附件分工明细 (39)1项目背景焊接是一门材料连接技术，通过某种物理化学过程使分离的材料产生原子或者分子间的作用力而连接在一起，随着焊接技术的不断发展，它在生产中的应用日趋广泛，到目前为止已经成为一种重要的加工手段。
无损检测中的焊缝跟踪系统分析作者：徐义广来源：《科学与信息化》2017年第29期摘要从日常生活用品，如家用电器、水暖设备等的生产到飞机、潜艇、火箭、飞船等尖端科技产品都离不开高效率、现代化的焊接技术，而焊缝跟踪系统通过应用各种传感器技术，采集焊接过程中产生的电、光、热、力、磁等物理信号，大大提高了焊接质量和焊接过程的自动化程度，加强焊缝跟踪系统研究分析有着重要的意义。
文章就该系统展开了论述。
关键词无损检测；焊缝跟踪系统；分析前言随着焊接技术的不断发展，它在生产中的应用日趋广泛，到目前为止已经成为一种重要的加工手段。
图像处理算法是焊缝跟踪的关键技术，它在分析检测图像的基础上，应用图像增强、边缘检测、图像分割等算法，确定了图像处理的实现算法，根据结果能够得到检测目标的实际位置，以此实现对检测目标的跟踪，保证超声波无损检测的实时性，下文也就此方面做出了简析。
1 图像处理的研究现状图像处理是焊缝跟踪系统的关键步骤，优越的图像处理技术保证了焊缝跟踪系统的准确性，实时性，提高了焊缝跟踪系统的适应性。
一般的视觉传感系统的图像处理技术，包括了图像滤波及增等改善提取图像质量的处理技术；图像的特征提取主要包括边缘检测，纹理或色彩特征以及图像分割等方面，是提取焊缝边缘或分割焊缝区域范围的重要方法；图像处理由于计算量大，需要设计并改进专门的硬件系统，同时需要优化软件的算法[1]。
2 焊缝跟踪中的图像处理2.1 预处理焊缝图像的滤波去噪是根据噪声特征设计合适的滤波器，主要分为线性和非线性滤波器。
线性滤波器是平滑处理，虽然利于滤波去噪，但是会使图像边缘模糊化，不利于特征提取。
最常用的非线性滤波是中值滤波器，中值滤波器能在滤波去噪的同时保持图像边缘不被模糊化。
对于图像中的一些特定噪声，需要根据噪声特征设计合适的滤波去噪方法。
但是滤波去噪在除去了大量的噪声的同时，图像也变得模糊，因此通常需要对焊缝图像进行图像增强处理，以便于图像目标分割。
收稿日期:2000-07-12作者简介:何祖清(1969)),男,湖北随州人,工程师,硕士,主要从事高速旋转电弧传感器在垂直位置焊缝跟踪中的应用研究。
基于单片机80C196的旋转电弧跟踪控制系统何祖清,周方明,冯曰海(华东船舶工业学院材料环境工程系,江苏镇江212003)摘要:介绍了自行开发的旋转电弧焊缝自动跟踪系统,采用性能更高的80C196KB 单片机实时控制。
提出动态采样区域法进行离散采样、数字滤波,实现焊缝双向跟踪,使系统抗干扰能力强。
所开发的系统可直接应用于生产上。
关键词:电弧传感;跟踪;单片机中图分类号:TG439.9 文献标识码:A 文章编号:1001-2303(2000)10-0014-05Control system of the rotating welding arc sensor based on single -chip microcontroller 80C 196HE Zu -qing,ZHOU Fang -ming,FENG Yue -hai (Dept 1of Materials and Environment Eng.,East C hina Shipbuilding Institute,Zhenjiang 212003,China)Abstract:Control system of the rotating welding arc sensor was developed by the authors.It was timing controlled by the prior single -chip m-i crocontroller 80C196KB.Discrete sampling with dynamic sampling range was put forward i n this paper.In the sampli ng range digital filter was done.The dual directional seam tracking was achieved by this con trol system and ant-i disturbance was strengthened.The developed system may be used directly in the production.Key words:arc sensor;seam tracking;single -chip microcontroller1 前言在研究开发高速旋转电弧传感器焊缝跟踪系统中,采用单片机进行各种信号的采集、计算处理以及对系统各种执行机构进行自动控制。
电弧传感器焊缝跟踪系统
1 前言
随着电弧传感技术的发展，焊缝跟踪引入了电弧传感技术，电弧传感器作为一种实时传感的器件与其它类型的传感器相比，具有结构较简单、成本低和响应快等特点，是焊接传感器的一个重要的发展方向，具有强大的生命力和应用前景主要应用在两方面：一方面主要用在弧焊机器人上，另一方面主要用在带有十字滑块的自动焊上。
本文对国内外焊缝跟踪系统电弧传感技术、信号处理技术和控制技术的研究现状分别做一介绍，在此基础上总结出一套较为先进的焊缝跟踪系统的实施方案，为焊缝跟踪系统研制提供依据。
2、电弧传感焊缝跟踪技术的发展状况
2.1 电弧传感器发展概述
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，即气体保护焊焊缝自动跟踪系统的传感信号。
目前，国际、国内焊接界对电弧传感器的研究非常活跃，用于焊缝跟踪的电弧传感器主要有以下几种类型:
(1)并列双丝电弧传感器。
利用两个彼此独立的并列电弧对工件施焊，当焊枪的中心线未对准坡口中心时，其作用焊丝具有不同的干伸长度，对于平外特性电源将造成两个电流不相等，因此根据两个电流差值即可判别焊炬横向位置并实现跟踪。
(2)旋转扫描电弧传感器。
在带有焊丝导向的喷嘴旋转时，旋转速度与焊接电流之间存在一定的关系。
高速旋转电弧传感器可用于厚板间隙及角接焊缝的跟踪，在结构上比摆动式电弧传感器复杂，还需要在焊接工艺、信息处理等方面进行深入的研究。
(3)焊炬摆动式电弧传感器。
当电弧在坡口中摆动时，焊丝端部与母材之间距离随焊炬对中位置而变化，它会引起焊接电流与电压的变化。
由于受机械方面限制，摆动式电弧传感器的摆动频率一般较低，限制了在高速和薄板搭接接头焊接中的应用。
在弧焊其他参数相同的条件下，摆动频率越高，摆动式电弧传感器的灵敏度越高。
2.2 电弧传感器的工作原理
电弧传感器的基本原理是：利用焊炬与工件之间距离变化引起的焊接参数变化来探测焊炬高度和左右偏差，在等速送丝调节系统中，送丝速度恒定，焊接电源一般采用平或缓降的外特性，在这种情况下，焊接电流将随着电弧长度的变化而变化。
电弧传感器的工作原理如图1所示。
L为电源外特性曲线，在稳定焊接状态时，电弧工作点为A0，弧长L0 ，电流I0 ，当焊炬与工件表面距离发生阶跃变化增大时.弧长突然被拉长为L1.此时干伸长还来不及变化，电弧在新的工作点A1.燃烧，电流突变为I1，电流瞬时变化为△I1反之亦然。
从上述分析可以得出，电弧位置的变化将引起电弧长度的变化，焊接电流也相应变化，从而可以判断焊炬与焊缝间的相对位置。
2.3 电弧传感器的数学模型
控制系统包括控制器和对象二大部分，其中被控对象的动态特性是主要的，所以建立被控对象的数学模型是所有工作的第一步，所谓“系统建模”，就是对软件中过程的抽象描述。
常用的建模方法有：a机理分析法;b统计建模法;c神经网络建模法;d智能建模法。
我们在这要分析的是旋转电弧焊炬长度和焊接电流之间的数学模型H(s)—I(s)，其中输入量是弧长，输出量是实时的焊接电流。
虽然不同系统中具体的结果各异，但结果均为二阶的对应关系。
根据文献有如下结论：
设G(s)为焊炬高度H(s)到电流I(s)的传递函数，则它在理论上可表示为：
其中Ka,Kn,Kr,Kq为与电源外特性、焊接材料、电弧气氛有关的常数，P(s)为电源的动态外特性，当电源外特性为一阶惯性环节P(s)=P0/(TpS+1)时，式(1)可简化为：
对象的数学模型将有助于指导我们以下的工作：可以以模型为对象设计和评价控制器;可以通过对数学模型的分析，找出最灵敏的工作频率，进而确定最佳电弧旋转角速度;可以用模型来对所用的控制器进行仿真，比较不同结构和参数控制器的优缺点，从而设计出符合要求的数字控制器。
设某个焊接过程为对象H(s)=(1+3s)/(1+2s)(1+8s)，由于所给传递函数代表的对象是线性时不变的，所以用简单的比例控制是可行的，只要比例系数恰当，跟踪误差将会足够小;如果加上积分项将可以在较小的比例系数的情况下得到很好的跟踪精度;加上微分项可以减小超调量。
图2 PID控制器仿真结构图
在图的仿真结构图中，适当调整各系数，就可使系统跟踪阶跃信号的上升时间、超调量和稳态精度满足要求,如图2图3所示。
图3 PID控制器仿真结果图
3、电弧传感焊缝跟踪技术
3.1 焊缝跟踪的实现
以旋转电弧传感器为例，旋转电弧传感器将一周的焊炬运动离散为64个点，经过霍尔传感器的采集之后送给A/D转换器件以提取各点的电流值。
对这些电流值的分析得到当前焊枪下的焊道的信息，当焊缝的左右偏差和高低变化的数值计算出来后，通过固高公司生产的四轴运动控制器来控制小车车体和十字滑块的协调运动，运动器的核心是ADSP2181数字信号处理器，实现高性能的控制计算，包括实时轨迹规划，位置，速度或加速度控制，主机命令处理和本身I/O管理，实现焊缝的精确跟踪。
3.2 控制设计
3.2.1控制方法
整个控制系统采用模糊控制、PI控制、bang-bang控制相结合的方法：设置两个不同的阈值，在误差超过大阈值时用bang-bang控制;小于大阈值而大于小阈值时用FUZZY，在误差接近0时用PI方法，加入积分以消除最终误差。
a 模糊控制
当大于大阈值值而大于小阈值的时候，采用模糊控制，取偏差e和偏差的变化ec作为作为模糊控制的输入量，经模糊推理后得到输出的控制量。
根据模糊控制规则表，制定出合适的论域，然后我们就可以用重心法解模糊求出控制量U。
b PI控制
当系统偏差很小时采用PI控制，取偏差e作为输入量，则根据PI控制算法得到控制量U的计算公式如下：
U(k)=U(k-1)+Kp*(e(k)-e(k-1))+Ki*e(k)(3)
c bang-bang控制
当系统的偏差很大时采用bang-bang控制，取偏差e和偏差的变化ec作为输入量，根据
bang-bang控制的算法，我们可以得到控制量U。
3.2.2控制器结构
图4 控制器结构图
设计了FUZZY、FUZZY-P及FUZZY-PI等多种控制方法在水平直线V字焊缝上进行多次实验。
旋转电弧能够进行弯曲焊缝的跟踪。
4、电弧传感器技术的应用状况
电弧传感器已经成为近些年来焊接自动跟踪发展的热点,同时随着计算机技术及模糊数学等相关学科的发展，旋转电弧传感器已经步入实用的阶段，如清华大学研制的旋转电弧传感器应用于东风汽车公
司的汽车贮气筒环缝的自动焊中。
南昌大学将高速旋转电弧传感器安装在焊接机器人上实现了焊缝的自动跟踪。
而国外电弧传感器的应用较为成熟和广泛，如德国CLOOS的ROMAT 76SW型机器人和日本松下的Pana—Robo型机器人就安装了摆动式电弧传感器,韩国的HANGIL Autowelding公司生产的旋转电弧传感器可用于弧焊机器人和自动焊中。
以上说明电弧传感器是有着广泛的应用前景的。
5、结束语
随着电子技术、智能技术、网络技术、机器人技术等的进一步发展，焊缝跟踪技术将要沿着网络化、智能化的方向发展。
电弧传感器术将在焊缝跟踪技术中得到更加广泛的应用。
