第9章多傳感器器在焊接機(jī)器人中的應(yīng)用CONTENTS焊接機(jī)器人常用的傳感器9.1電弧傳感系統(tǒng)9.2超聲傳感跟蹤系統(tǒng)9.3視覺傳感跟蹤系統(tǒng)9.4焊接機(jī)器人常用的傳感器9.1焊接機(jī)器人常用的傳感器14

焊接機(jī)器人所用的傳感器要求精確地檢測出焊口的位置和形狀信息，然后傳送給控制器進(jìn)行處理。在焊接的過程中，存在著強(qiáng)烈的弧光、電磁干擾及高溫輻射、煙塵等因素，并伴隨著物理化學(xué)反應(yīng)，工件會產(chǎn)生熱變形，因此，焊接傳感器也必須具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

弧焊用傳感器分為電弧式、接觸式、非接觸式；按用途分，有用于焊縫跟蹤的和焊接條件控制的；按工作原理分為機(jī)械式、光纖式、光電式、機(jī)電式、光譜式等。電弧傳感系統(tǒng)9.2電弧傳感系統(tǒng)26（1）擺動電弧傳感器

擺動電弧傳感器是從焊接電弧自身直接提取焊縫位置偏差信號，實(shí)時(shí)性好，不需要在焊槍上附加任何裝置，焊槍運(yùn)動的靈活性和可達(dá)性好，尤其符合焊接過程低成本、自動化的要求。

擺動電弧傳感器的基本工作原理是：當(dāng)電弧位置變化時(shí)，電弧自身電參數(shù)相應(yīng)發(fā)生變化，從中反應(yīng)出焊槍導(dǎo)電嘴至工件坡口表面距離的變化量，進(jìn)而根據(jù)電弧的擺動形式及焊槍與工件的相對位置關(guān)系，推導(dǎo)出焊槍與焊縫間的相對位置偏差量。電參數(shù)的靜態(tài)變化和動態(tài)變化都可以作為特征信號被提取出來，實(shí)現(xiàn)高低及水平兩個(gè)方向的跟蹤控制。電弧傳感系統(tǒng)27（2）旋轉(zhuǎn)電弧傳感器

擺動電弧傳感器的擺動頻率一般只能達(dá)到5Hz，限制了電弧傳感器在高速和薄板搭接接頭焊接中的應(yīng)用。與擺動電弧傳感器相比，旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的高速旋轉(zhuǎn)增加了焊槍位置偏差的檢測靈敏度，極大地改善了跟蹤的精度。

高速旋轉(zhuǎn)掃描電弧傳感器結(jié)構(gòu)如圖9-1所示，采用空心軸電機(jī)直接驅(qū)動，在空心軸上通過同軸安裝的同心軸承支承導(dǎo)電桿。在空心軸的下端偏心安裝調(diào)心軸承，導(dǎo)電桿安裝于該軸承內(nèi)孔中，偏心量由滑塊來調(diào)節(jié)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)，下調(diào)心軸承將撥動導(dǎo)電桿作為圓錐母線繞電機(jī)軸線作公轉(zhuǎn)，即圓錐擺動。氣、水管線直接連接到下端，焊絲連接到導(dǎo)電桿的上端。電弧掃描測位傳感器為遞進(jìn)式光電碼盤，利用分度脈沖進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。圖9-1高速旋轉(zhuǎn)掃描電弧傳感器結(jié)構(gòu)電弧傳感系統(tǒng)28（3）電弧傳感器的信號處理

電弧傳感器的信號處理主要采用極值比較法和積分差值法。在比較理想的條件下可得到滿意的結(jié)果，但在非V形坡口及非射流過渡焊時(shí)，坡口識別能力差、信噪比低，應(yīng)用遇到很大困難。為進(jìn)一步擴(kuò)大電弧傳感器的應(yīng)用范圍、提高其可靠性，在建立傳感器物理數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值仿真技術(shù)，采取空間變換，用特征諧波的向量作為偏差量的大小及方向的判據(jù)。圖9-2焊縫糾偏系統(tǒng)超聲傳感跟蹤系統(tǒng)9.3超聲傳感跟蹤系統(tǒng)310

超聲傳感跟蹤系統(tǒng)中使用的超聲波傳感器分兩種類型：接觸式超聲波傳感器和非接觸式超聲波傳感器。（1）接觸式超聲波傳感器

接觸式超聲波傳感跟蹤系統(tǒng)原理如圖9-3所示，兩個(gè)超聲波探頭置于焊縫兩側(cè)，距焊縫相等距離。兩個(gè)超聲波傳感器同時(shí)發(fā)出具有相同性質(zhì)的超聲波，根據(jù)接收超聲波的聲程來控制焊接熔深；比較兩個(gè)超聲波的回波信號，確定焊縫的偏離方向和大小。圖9-3接觸式超聲波傳感跟蹤系統(tǒng)原理超聲傳感跟蹤系統(tǒng)311（2）非接觸式超聲波傳感器

非接觸超聲波傳感跟蹤系統(tǒng)中使用的超聲波傳感器分聚焦式和非聚焦式，兩種傳感器的焊縫識別方法不同。①非聚焦超聲波傳感器

非聚焦超聲波傳感器要求焊接工件能在45°方向反射回波信號，焊縫的偏差在超聲波聲束的覆蓋范圍內(nèi)，適于V形坡口焊縫和搭接接頭焊縫。圖9-4所示為P-50機(jī)器人焊縫跟蹤裝置，超聲波傳感器位于焊槍前方的焊縫上面，沿垂直于焊縫的軸線旋轉(zhuǎn)，超聲波傳感器始終與工件成45°角，旋轉(zhuǎn)軸的中心線與超聲波聲束中心線交于工件表面。圖9-4P-50機(jī)器人焊縫跟蹤裝置超聲傳感跟蹤系統(tǒng)312

焊縫偏差幾何示意如圖9-5所示，傳感器的旋轉(zhuǎn)軸位于焊槍正前方，代表焊槍的即時(shí)位置。超聲波傳感器在旋轉(zhuǎn)過程中總有一個(gè)時(shí)刻超聲波聲束處于坡口的法線方向，此時(shí)傳感器的回波信號最強(qiáng)，而且傳感器和其旋轉(zhuǎn)的中心軸線組成的平面恰好垂直于焊縫方向，焊縫的偏差可以表示為（9-1）

式（9-1）中，δ為焊縫偏差；r為超聲波傳感器的旋轉(zhuǎn)半徑；R為傳感器檢測到的探頭和坡口間的距離；D為坡口中心線到旋轉(zhuǎn)中心線間的距離；h為傳感器到工件表面的垂直高度。圖9-5焊縫偏差幾何示意超聲傳感跟蹤系統(tǒng)313

②聚焦超聲波傳感器

超聲波傳感器發(fā)射信號和接收信號的時(shí)間差作為焊縫的縱向信息，通過計(jì)算超聲波由傳感器發(fā)射到接收的聲程時(shí)間ts，可以得到傳感器與焊件之間的垂直距H，從而實(shí)現(xiàn)焊炬與工件高度之間距離的檢測。焊縫左右偏差的檢測，通常采用尋棱邊法，其基本原理是在超聲波聲程檢測原理基礎(chǔ)上，利用超聲波反射原理進(jìn)行檢測信號的判別和處理。焊縫左右偏差檢測原理如圖9-6所示。圖9-6焊縫左右偏差檢測原理超聲傳感跟蹤系統(tǒng)314

假設(shè)傳感器從左向右掃描，在掃描過程中可以檢測到一系列傳感器與焊件表面之間的垂直高度。假設(shè)Hi為傳感器掃描過程中測得的第i點(diǎn)的垂直高度，H0為允許偏差。如果滿足（9-2）

則得到的是焊道坡口左邊鋼板平面的信息。當(dāng)傳感器掃描到焊縫坡口左棱邊時(shí)，會出現(xiàn)兩種情況。第一種情況是傳感器檢測不到垂直高度H；第二種情況是該點(diǎn)高度偏差大于允許偏差，即（9-3）超聲傳感跟蹤系統(tǒng)315

式（9-4）中，Hj為傳感器掃描過程中測得的第j點(diǎn)的垂直高度。

當(dāng)傳感器掃描到右邊終點(diǎn)時(shí)，采集到的右側(cè)水平方向的檢測點(diǎn)共PR個(gè)。根據(jù)PL、PR即可算出焊炬的橫向偏差方向及大小?？刂啤⒄{(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)檢測到的橫向偏差的大小、方向進(jìn)行糾偏調(diào)整。（9-4）視覺傳感跟蹤系統(tǒng)9.4視覺傳感跟蹤系統(tǒng)417

在弧焊機(jī)器人中，根據(jù)使用的照明光的不同，可以把視覺方法分為“被動視覺”和“主動視覺”兩種。這里被動視覺指利用弧光或普通光源和攝像機(jī)組成的系統(tǒng)，而主動視覺一般指使用具有特定結(jié)構(gòu)的光源與攝像機(jī)組成的視覺傳感系統(tǒng)。（1）被動視覺

在大部分被動視覺方法中電弧本身就是監(jiān)測位置，所以沒有因熱變形等因素所引起的超前檢測誤差，并且能夠獲取接頭和熔池的大量信息，這對于焊接質(zhì)量自適應(yīng)控制非常有利。但是，直接觀測法容易受到電弧的嚴(yán)重干擾，信息的真實(shí)性和準(zhǔn)確性有待提高。它較難獲取接頭的三維信息，也不能用于埋弧焊。（2）主動視覺

為了獲取接頭的三維輪廓，人們研究了基于三角測量原理的主動視覺方法。由于采用的光源的能量大都比電弧的能量要小，一般把這種傳感器放在焊槍的前面以避開弧光直射的干擾。主動光源一般為單光面或多光面的激光或掃描的激光束，為簡單起見，分別稱為結(jié)構(gòu)光法和激光掃描法。視覺傳感跟蹤系統(tǒng)418

①結(jié)構(gòu)光視覺傳感器圖9-7所示為與焊槍一體式的結(jié)構(gòu)光視覺傳感器結(jié)構(gòu)。激光束經(jīng)過柱面鏡形成單條紋結(jié)構(gòu)光。由于CCD攝像機(jī)與焊槍有合適的位置關(guān)系，避開了電弧光直射的干擾。圖9-7焊槍一體式的結(jié)構(gòu)視覺傳感跟蹤系統(tǒng)419

②激光掃描視覺傳感器

同結(jié)構(gòu)光方法相比，激光掃描方法中光束集中于一點(diǎn)，因而信噪比要大得多。目前用于激光掃描三角測量的敏感器主要有二維面型PSD、線型PSD和CCD。圖9-8所示為面型PSD位置傳感器與激光掃描器組成的接頭跟蹤傳感器的原理結(jié)構(gòu)。