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焊接自动化论文
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题目：焊缝跟踪用传感技术研究现状及开展趋势


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analyzes the arc welding process typical weld tracking sensor principle, characteristics and application development.
关键字：焊缝跟踪、传感器、传感技术、焊接自动化
前言 ：在金属制造业中，焊接是仅次于装配和机械加工的第三大产业。然而，目前90％的焊接工作都是手工完成的。焊接过程中存在着强烈的热、烟尘和弧光，工作环境非常恶劣，对工人的体能消耗很大。据统计，工人实际焊接的时间缺乏其工作时间的30％，因而效率很低。另外，手工作业导致焊接质量差，许多工艺需要进行二次加工。因此，为了提高焊接质量，提高生产率，节省人力，国内外焊接工作者一直在不断地采取各种方法进行研究，以实现焊接过程的自动化。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开展的必然趋势。焊缝自动跟踪主要由传感器、控制器、执行机构三大局部组成，并构成一个闭环反响系统〔见附图〕。
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1 焊缝跟踪用传感技术研究现状
目前，用于焊缝跟踪的非接触式传感器主要有电磁传感器、光电传感器、超声波传感器、红外传感器及CCD 视觉传感器等. 按工作原理可分为机械、机电、电磁、电容、射流、超声、红外、光电、激光、视觉、电弧、光谱及光纤式等。
焊用传感器可分为直接电弧式、接触式和非接触式3大类。按用途分有用于焊缝跟踪、焊接条件控制(熔宽、熔深、熔透、成形面积、焊速、冷却速度和干伸长)及其他如温度分布、等离子体粒子密度、熔池行为等。据日本焊接技术学会1994年所做的调查显示,在日本、欧洲及其他兴旺国家,用于焊接过程的传感器有80%是用于焊缝跟踪的。由于视觉传感器所获得的信息量大， 结合计算机视觉和图像处理的最新技术成果，能极大的增强弧焊机器人的外部适应能力，因此视觉传感器被认为是最有前途的焊缝跟踪传感器。下面对几种传感器一一介绍，其中局部详细介绍。
．机械传感器
机械式传感器是目前提出较早且较成熟的接触式传感器。它以导杆或导轮在焊缝前方探测焊缝位置，可分为机械式和电子式两种。前者是靠焊缝形状对导杆的强制力来导向；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，抗磁、光、烟尘和飞溅等干扰，性能好，工作可靠，价格廉价，维护方便，已应用于生产实际。但假设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接触时，容易失去跟踪点。为防止此类情况，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。
．电磁式传感器
电磁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lOkHz，涡流传感器的频率那么为30～160kHz。电磁传感器适用于对接、搭接和角焊缝，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太严格的场合。涡流传感器体积小，所有金属材料焊接时都能采用，但是焊接非铁磁材料时灵敏度降低。
．超声波传感器
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超声波传感器可分为接触式和非接触式两种。接触式超声波传感器利用超声波在金属内传播时的界面反射现象，由探头接受反射波脉冲；由入射一反射波脉冲的行程，测得界面位置嗍。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焊缝跟踪传感器。非接触式超声波传感器通过气体介质传播超声波，采用纵波形式。由于超声波在气体介质中传播损耗大，所以必须参加匹配层进行声、电匹配，利用聚焦声透镜技术提高空气超声波传感器的灵敏度。目前，空气超声波传感器已应用于二氧化碳气体保护焊和埋弧焊。
．电弧特性传感器
电弧特性传感器是利用焊接电弧本身(电弧电压、电弧电流、弧光辐射、电弧声等)提供有关