第9章多傳感器器在焊接機器人中的應用CONTENTS焊接機器人常用的傳感器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焊接機器人常用的傳感器9.1焊接機器人常用的傳感器14

焊接機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行處理。在焊接的過程中，存在著強烈的弧光、電磁干擾及高溫輻射、煙塵等因素，并伴隨著物理化學反應，工件會產生熱變形，因此，焊接傳感器也必須具有很強的抗干擾能力。

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；按工作原理分為機械式、光纖式、光電式、機電式、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，實時性好，不需要在焊槍上附加任何裝置，焊槍運動的靈活性和可達性好，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：當電弧位置變化時，電弧自身電參數(shù)相應發(fā)生變化，從中反應出焊槍導電嘴至工件坡口表面距離的變化量，進而根據(jù)電弧的擺動形式及焊槍與工件的相對位置關系，推導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，實現(xiàn)高低及水平兩個方向的跟蹤控制。電弧傳感系統(tǒng)27（2）旋轉電弧傳感器

擺動電弧傳感器的擺動頻率一般只能達到5Hz，限制了電弧傳感器在高速和薄板搭接接頭焊接中的應用。與擺動電弧傳感器相比，旋轉電弧傳感器的高速旋轉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。

高速旋轉掃描電弧傳感器結構如圖9-1所示，采用空心軸電機直接驅動，在空心軸上通過同軸安裝的同心軸承支承導電桿。在空心軸的下端偏心安裝調心軸承，導電桿安裝于該軸承內孔中，偏心量由滑塊來調節(jié)。當電機轉動時，下調心軸承將撥動導電桿作為圓錐母線繞電機軸線作公轉，即圓錐擺動。氣、水管線直接連接到下端，焊絲連接到導電桿的上端。電弧掃描測位傳感器為遞進式光電碼盤，利用分度脈沖進行電機轉速閉環(huán)控制。圖9-1高速旋轉掃描電弧傳感器結構電弧傳感系統(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果，但在非V形坡口及非射流過渡焊時，坡口識別能力差、信噪比低，應用遇到很大困難。為進一步擴大電弧傳感器的應用范圍、提高其可靠性，在建立傳感器物理數(shù)學模型的基礎上，利用數(shù)值仿真技術，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，兩個超聲波探頭置于焊縫兩側，距焊縫相等距離。兩個超聲波傳感器同時發(fā)出具有相同性質的超聲波，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，適于V形坡口焊縫和搭接接頭焊縫。圖9-4所示為P-50機器人焊縫跟蹤裝置，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，超聲波傳感器始終與工件成45°角，旋轉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，傳感器的旋轉軸位于焊槍正前方，代表焊槍的即時位置。超聲波傳感器在旋轉過程中總有一個時刻超聲波聲束處于坡口的法線方向，此時傳感器的回波信號最強，而且傳感器和其旋轉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間差作為焊縫的縱向信息，通過計算超聲波由傳感器發(fā)射到接收的聲程時間ts，可以得到傳感器與焊件之間的垂直距H，從而實現(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上，利用超聲波反射原理進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Hi為傳感器掃描過程中測得的第i點的垂直高度，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。當傳感器掃描到焊縫坡口左棱邊時，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點的垂直高度。

當傳感器掃描到右邊終點時，采集到的右側水平方向的檢測點共PR個。根據(jù)PL、PR即可算出焊炬的橫向偏差方向及大小?？刂啤⒄{節(jié)系統(tǒng)根據(jù)檢測到的橫向偏差的大小、方向進行糾偏調整。（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組成的系統(tǒng)，而主動視覺一般指使用具有特定結構的光源與攝像機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，這對于焊接質量自適應控制非常有利。但是，直接觀測法容易受到電弧的嚴重干擾，信息的真實性和準確性有待提高。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，分別稱為結構光法和激光掃描法。視覺傳感跟蹤系統(tǒng)418

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

②激光掃描視覺傳感器

同結構光方法相比，激光掃描方法中光束集中于一點，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構。