1、焊接自動(dòng)化過程中常用傳感技 術(shù)介紹摘要：綜合介紹不同類型焊縫智能定位傳感器、焊縫跟蹤用傳感器的原理，及 在焊接過程控制中的應(yīng)用情況和發(fā)展趨勢。關(guān)鍵字：傳感器;工作原理;發(fā)展趨勢Abstract: Comprehensive introduction to different types of weld intelligent positioning sensor, seam tracking sensor principle, and application in welding process control and development trend.Keywords: sensor; w

2、orking principle; development trend0引言焊接作為一種重要的連接制造方法，要獲得良好的質(zhì)量，必須保證兩個(gè)基本 條件：（1）焊接工具中心點(diǎn)（TCP）對準(zhǔn)接縫；控制合適的工藝參數(shù)，施加恰當(dāng) 的能量。也就是所謂的“焊得準(zhǔn)”和“焊得好”。傳統(tǒng)的手工或半自動(dòng)焊接操 作中，操作者必須目視焊接區(qū)域，控制工具（焊槍等）的對中并調(diào)節(jié)焊接參數(shù)。 在市場競爭的驅(qū)動(dòng)下，現(xiàn)代焊接的生產(chǎn)過程在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，還需要提 高焊接質(zhì)量，減少或消除人為因素的影響，并在批量生產(chǎn)中的保證過程和質(zhì)量 的一致性。機(jī)器人和自動(dòng)化專機(jī)是實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化的兩種重要形式。如果沒有合適的傳感 器，工業(yè)機(jī)器人或?qū)?/p>

3、用自動(dòng)化設(shè)備就像“盲人”一樣，只能憑借記憶實(shí)現(xiàn)一些 固定的動(dòng)作或運(yùn)動(dòng)。因此，對于沒有傳感的自動(dòng)化焊接系統(tǒng)，要求工件及其焊 縫坡口具有足夠高的定位精度，并能在批量連續(xù)生產(chǎn)中保證裝配的重復(fù)性。然 而，在很多的工業(yè)應(yīng)用場合，由于工件尺寸大、薄或容易變形等因素，難以滿 足焊接所需要的工件定位精度或接頭的形位誤差及其重復(fù)性，或者要做到足夠 的精度需要付出更大的成本。這時(shí)，視覺技術(shù)就成為促進(jìn)焊接過程自動(dòng)化的一 種重要的傳感手段。以下就有封有於視嵬傅感器在焊縫智能定位和焊縫智能 跟蹤的用做下ffio一、焊縫智能定位傳感器針對機(jī)器人焊接或切割的需求設(shè)計(jì)了3種適合不同應(yīng)用場合的智能焊縫搜 索定位傳感器，包括Se

4、nse I/D、SF/D、SF/DH。這些系統(tǒng)都采用了嵌入 式設(shè)計(jì)，所有的控制與處理部件都集成到傳感頭內(nèi)部，所以無需外部的控制器。 以太網(wǎng)是這些智能焊縫搜索定位系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)接口。當(dāng)然，系統(tǒng)也可以根據(jù)用戶 需要提供數(shù)字I/O、RS232 或RS422串口和模擬量接口。SenseI / D焊縫智能搜索定位傳感器Sense I / D是最早的焊縫智能搜索定位傳感器。其原理:Sense I/D傳 感器投射出一個(gè)激光斑點(diǎn)，照射在目標(biāo)工件表面，利用激光三角測量原理，實(shí) 時(shí)高速的測量工件至傳感器的距離。SenseI/D的工作距離范圍為183283 mm，它可以提供與大多數(shù)機(jī)器人常用的電接觸式探測傳感相同的信號(hào)

5、接口。所 以，SenseI/D可以直接替換機(jī)器人的接觸探測功能，與接觸探測相比，Sense I/D具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）既有與接觸探測相同的數(shù)字I/O接口，還有標(biāo)準(zhǔn)以 太網(wǎng)接口，并可通過轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為RS232 / 422接口； （2）響應(yīng)速度快，可達(dá) 0. 5 ms； （3）對應(yīng)100 mm視場的010 V單端或差分模擬信號(hào)輸出；參考 位置可編程；傳感器檢測到參考距離后輸出響聲。Sense I/D可以應(yīng)用在三種場合：（1）用于機(jī)器人搜索定位焊縫，實(shí)現(xiàn)軌 跡校正；（2）取代電弧電壓傳感器，實(shí)現(xiàn)焊接或切割的實(shí)時(shí)高度跟蹤；（3）結(jié)合橫向的擺動(dòng)，采集焊縫坡口截面的信息，實(shí)現(xiàn)橫向與高度的焊縫跟蹤。SF/

6、D焊縫智能搜索定位傳感器SF/D也是一種內(nèi)置嵌入式控制器的焊縫智能搜索定位傳感器，與Sense- I/D相比，SF/D投射出的是激光條紋，所以它可以直接測量焊縫坡口截面 的輪廓、位置和形狀參數(shù)，搜索定位的速度更快。其中基本配置的圖像處理軟 件可以識(shí)別搭接、對接、外角接和T型接頭。高級(jí)圖像處理算法可以處理V型 坡口、卷邊接頭等復(fù)雜焊接接頭。SF/D的工作距離大于180 mm，標(biāo)準(zhǔn)配置的 SF/D可以通過以太網(wǎng)或010 V模擬輸出及數(shù)字I/O接口與機(jī)器人或?qū)C(jī)連 接，也可選RS232或RS422接口。SF /D-H焊縫智能搜索定位傳感器SF/D-H焊縫智能搜索定位傳感器除了SF/D所含有的基本功能

7、之外，還 增加了2。圖像監(jiān)控。通過視頻監(jiān)控屏幕可以實(shí)時(shí)觀察焊接區(qū)域附近的情況。利 用2D視頻觀測和3D激光視覺的精確測量，機(jī)器人操作人員無需進(jìn)入機(jī)器人的 工作空間內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程機(jī)器人示教或編輯、修改程序。由于結(jié)構(gòu)上的更新設(shè) 計(jì)，SF/D-H激光傳感器的最小工作距離超過300 mm。傳感器可以安裝在機(jī)器 人末端關(guān)節(jié)的法蘭之下，不影響焊槍的可達(dá)性。二、焊縫跟蹤用傳感器圖像處理技術(shù)所用的CCD視覺傳感器圖像處理技術(shù)所用的CCD視覺傳感器工作原理：CCD視覺傳感器獲得焊 接圖像，為了提高焊接圖像的清晰度,可以在CCD前加一特定波長的濾光片, 如圖1所示。圖1 陣挎自動(dòng)跟費(fèi)而雄但仍有大量的噪聲存在于焊縫

8、圖像中。再運(yùn)用圖像處理技術(shù)，對獲得的焊接 圖像進(jìn)行有效的處理，可以得到焊縫中心的位置。控制系統(tǒng)根據(jù)所得到的焊縫中 心位置與焊槍位置的偏差進(jìn)行實(shí)時(shí)糾偏,從而保證焊縫跟蹤的實(shí)時(shí)性和精確性。結(jié)構(gòu)光視覺傳感原理目前，焊縫檢測傳感器主要有光學(xué)傳感器、機(jī)械式傳感器、電弧式傳感器和 電磁式傳感器等，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)?；诮Y(jié)構(gòu)光視覺傳感，具有主動(dòng)性、非接觸、 能獲取物體的三維信息、精度高和抗電磁場干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是焊縫 檢測的主要發(fā)展方向，很有發(fā)展前途的視覺傳感技術(shù)之一。線結(jié)構(gòu)光法是一種 直接獲取深度圖像的方法，它可以獲取焊縫的二維半信息。整個(gè)視覺傳感系統(tǒng) 主要由CCD攝像機(jī)、帶通濾光片、激光器和柱透鏡

9、組成。采取穴。垂直對準(zhǔn)工件, 激光器傾斜布置的工作方式，激光器發(fā)出的激光，經(jīng)柱透鏡形成一光片照射到 工件上形成一條寬度很窄的光帶。當(dāng)該光帶被工件反射或折射后，經(jīng)濾光片保 留激光器發(fā)出的特定波長的光，而濾除其他波長的光，最后進(jìn)入。攝像機(jī)成像。由于坡口各處與工件在垂直方向深度不同，故從垂直工件的方向看去，反 射光成一折線，折線反映了光紋中心與焊縫坡口中心的三維位置關(guān)系。3 Auto Trac /Mini自動(dòng)焊接應(yīng)用的智能視覺系統(tǒng)Auto Trac /Mini是一種面向管道和風(fēng)電塔柱自動(dòng)焊接應(yīng)用的智能視覺系 統(tǒng)，系統(tǒng)的主要鮑成如圈所示空氣冷卻與過濾（可選）、土 一.工廠逐縮空氣Mini-B（警制器2

10、4 DC以太網(wǎng)連接其中Mini-I/D激光傳感器采用了數(shù)字傳感器技術(shù)，能夠抗反光和適應(yīng)惡 劣的焊接環(huán)境。Mini-I/D的視場深度范圍為100皿，近端視場寬度27 mm,遠(yuǎn) 端視場寬度62 mm,視覺分辨率0. 05 mm。Mini-Box控制單元是焊縫跟蹤的中 心，它包含了焊縫跟蹤和自適應(yīng)焊接參數(shù)控制所需要的視覺處理和過程控制功 能。控制單元可以通過以太網(wǎng)、RS232 / 422串行口、模擬信號(hào)和數(shù)字I/O與 機(jī)器人、PLC或運(yùn)動(dòng)控制器（如Mini Drive驅(qū)動(dòng)器）通信，實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤的功能。 Mini-Box控制單元也可以連接其它型號(hào)的激光傳感器?？刂茊卧ㄟ^以太網(wǎng) 與PC連接，由Weld

11、Com人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)傳感器的參數(shù)設(shè)置、視覺算法選擇、實(shí)時(shí) 接頭輪廓顯示、跟蹤選項(xiàng)調(diào)整和事件記錄。Y-Z兩軸的執(zhí)行器及其驅(qū)動(dòng)器、空 氣冷卻與過濾單元、示教盒等是可選項(xiàng)，可由用戶自行提供或使用已有的裝置。AutoTrac / Mini系統(tǒng)可應(yīng)用于螺旋焊管、U-O直縫焊管、管道焊接、風(fēng) 電塔柱和造船中船板和加強(qiáng)筋板的焊接。這些埋弧焊應(yīng)用的場合經(jīng)常需要人工 的輔助操作，專門設(shè)計(jì)的AutoTrac / Mini系統(tǒng)充分考慮了這些應(yīng)用的需求，也 可以用于多絲埋弧焊的焊縫跟蹤。Mini-I/D激光傳感器內(nèi)部還集成了2D視頻圖像攝像機(jī)，操作者可以通 過圖像監(jiān)視器遠(yuǎn)程觀察焊接區(qū)域附近的情況，在必要的時(shí)候可根據(jù)指示

12、激光條 紋和斑點(diǎn)及焊槍圖標(biāo)實(shí)現(xiàn)人工的焊縫跟蹤操作。系統(tǒng)的設(shè)置、跟蹤標(biāo)定和操作 非常簡單，一般工人只需經(jīng)過簡單培訓(xùn)即可進(jìn)行操作。除此之外，新型的Quanta / SP / 330是一種專門用于大厚度及窄間隙焊接 的激光視覺傳感器。其視場深度可達(dá)330 mm，傳感系統(tǒng)可以處理根部焊道、側(cè)面焊道、中間焊道及蓋面焊道。該傳感器既可與Mini-Box配套，用于多層多 道焊縫的跟蹤，也可以用于基于IT技術(shù)的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的厚板多層多道 焊。數(shù)字化智能激光焊接系統(tǒng)隨著汽車、航空航天等行業(yè)激光焊接應(yīng)用的發(fā)展，對含有非平行直線或 曲線焊縫的剪裁激光拼焊板件的需求快速增長，柔性的機(jī)器人激光焊接應(yīng)用也 隨之增加

13、。機(jī)器人激光焊接大多采用光纖傳輸?shù)腨AG或光纖激光，聚焦后的激 光光斑直徑往往小于06皿要獲得良好的焊接質(zhì)量必須使激光對準(zhǔn)焊縫，精 度優(yōu)于0.1 mm。由于板材剪切的誤差、工件裝夾的重復(fù)精度及機(jī)器人定位精度 的綜合影響，如果沒有激光視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)，目前的大多數(shù)關(guān)節(jié)式工業(yè)機(jī)器 人難以有效、高速地追蹤重復(fù)性不足的焊縫。集成了激光視覺傳感的DIGI-LAS 激光焊接頭系統(tǒng)特別適合于機(jī)器人或?qū)C(jī)的激光焊接應(yīng)用，DIGI-LAS數(shù)字焊 接頭有模塊化的MDL和集成化的IDL兩種型式。2D視頻電纜A送絲從驅(qū)動(dòng) （可選）執(zhí)行機(jī)構(gòu)電纜KOBONET/DK1VE驅(qū)動(dòng)器送絲控制盒安全電纜2D圖像監(jiān)視器2xllSB

14、2連接盒HM1-PC（可選）據(jù)n Open 總線塊化的設(shè)計(jì)思想，可以根據(jù)需要選配不同的功能模塊，完整BS-232MDL采用了的皿1系統(tǒng)含有激光焊接頭（包含準(zhǔn)直與聚焦）、功率光纖連接器、i2Quanta激 光傳感器、伺服控制的高速執(zhí)行器等功能部件。DIGI-LAS/MDL系統(tǒng)可在最大 20 kW的激光功率下連續(xù)工作。在焊接頭上可配置用于同軸監(jiān)測的2D攝像頭， 用于小孔或熔池的監(jiān)控。還可以根據(jù)自適應(yīng)填絲和熔透焊接（搭接熔透）工藝的 需要，分別選配送絲機(jī)構(gòu)和側(cè)面的滾輪壓緊裝置等。Quanta傳感器中集成了2D 圖像監(jiān)控傳感器器，可以監(jiān)視焊接區(qū)域周圍的情況，便于機(jī)器人路徑的示教和 過程監(jiān)控。IDL系統(tǒng)

15、則是一種集成的激光焊接頭系統(tǒng)，同樣包含了焊縫搜索與跟蹤、 自適應(yīng)參數(shù)控制、焊后焊縫檢測功能，可使用的最大激光功率為5 kW。圖11顯 示7DIGI-LAS智能激光焊接系統(tǒng)的組成。其中，ROBONET / MASTER是基于IT 平臺(tái)的控制器，它是圖像處理與過程控制的核心。ROBONET / DRIVER驅(qū)動(dòng)器通 過CAN總線與ROBONET / MASTER通信，獲得運(yùn)動(dòng)控制信息，控制精密高速執(zhí)行 器，實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤功能。DIGI-LAS系統(tǒng)配置了2個(gè)激光傳感器，前一個(gè)用于焊前搜索定位焊縫、 實(shí)時(shí)焊縫跟蹤及自適應(yīng)控制；后一個(gè)用于實(shí)時(shí)檢測焊縫，包括焊縫的成形尺寸 和探測表面缺陷。此外，DIGI-L

16、AS的激光傳感器能夠記錄機(jī)器人追蹤焊縫的 誤差，在焊接時(shí)給予補(bǔ)償，保證了機(jī)器人系統(tǒng)可以滿足高速激光焊接的精度要 求。經(jīng)過補(bǔ)償后，在超過6m/ min的焊接速度下，系統(tǒng)追蹤曲率半徑為50 mm的 曲線焊縫的對中誤差小于100 “ m。在焊接結(jié)束后，DIGI-LAS立即通過系統(tǒng) IO輸出檢測的結(jié)果，使生產(chǎn)線能夠自動(dòng)分撿不合格的產(chǎn)品，以避免不良焊件被 裝運(yùn)出廠。三、結(jié)論智能視覺技術(shù)是機(jī)器人焊接系統(tǒng)或?qū)Ｓ米詣?dòng)焊接設(shè)備獲得更高焊接質(zhì)量與 生產(chǎn)效率的一種關(guān)鍵技術(shù)。智能數(shù)字激光視覺傳感技術(shù)保證了電弧或激光熱源 能準(zhǔn)確地對中焊縫，在焊接過程中能夠根據(jù)所測量的間隙和錯(cuò)邊等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào) 整焊接過程參數(shù)，并能在線檢測

17、焊縫成形和表面缺陷。專門為焊接應(yīng)用而開發(fā) 的數(shù)字激光傳感器能夠適應(yīng)各種惡劣的焊接條件，能夠抵抗焊接煙塵與飛濺、 振動(dòng)及高頻電磁干擾。應(yīng)用智能化激光視覺傳感技術(shù)，可以提高焊接質(zhì)量和一 致性，并提高生產(chǎn)效率，減少焊接生產(chǎn)成本，有效地提高焊接產(chǎn)品的質(zhì)量和價(jià) 格的競爭力。智能視覺系統(tǒng)易于使用和操作的特性使得焊接自動(dòng)化更為簡單。四、參考文獻(xiàn)鞠益蘭，程金松.結(jié)構(gòu)光式激光視覺傳感器的焊縫跟蹤系統(tǒng)電焊機(jī),2002, 32( 5): 9- 11.朱六妹，宋國軍，王偉，等.激光視覺焊縫跟蹤實(shí)時(shí)圖像處理研究.光電子技術(shù)，2002, 22( 4): 231- 235.孫立新，韓煒，劉冰清，等.結(jié)構(gòu)光焊縫檢測傳感器設(shè)計(jì)理論的研究.光學(xué)