（精密仪器及机械专业论文）激光扫描式焊缝跟踪传感器的研究.pdf

中文摘要 机器人自动焊接技术是现代焊接技术的重要研究领域之一，在自动化焊接 中，检测和引导是焊接质量的保证，因此，焊缝跟踪传感技术是实现机器入自动 焊接的重要前提，本文分析了焊缝自动识别与跟踪技术的国内终现状，对比了不 同类型的焊缝跟踪传感器，设计了以线阵c c d 作为光电接收器件，基于激光三角 法和转镜扫攒技术的激光扫描式焊缝跟踪传感器。 本文所设计的激光扫描式传感器以红外点状激光作为光源，通过转镜扫描系 统对王件进行逐点扫描，最后岗成像透镜成像在线阵c c d 上。本文依据直射式三 角法设计了焊缝跟踪传感器的光路，并根据系统的分辨率和测量范围确定了光路 参数。根据转镜扫描技术设计了一种符合传感器系统要求的转镜扫播系统。 本文分析c c d 基本结构、工作原理和驱动脉冲时序逻辑的基础上，设计了基 于复杂可编程逻辑器件( c 甩d 技术的线阵c c d 驱动电路，并根据c c d 模拟输 出信号的特点，实现了用于c c d 输出信号数字化处理的高性能放大滤波电路和 a d 转换电路。 本文完成了激光扫描式焊缝跟踪传感器实验装置的设计、制作和调试，包括 各部分机械结构的设计和线阵c c d 硬件电路板的制作，并进行了测量实验，实现 了图像信息的采集和上传，实验结果验证了设计原理，提出了下一步工作的要求。 关键词；焊缝跟踪转镜扫描激光三角法线阵c c dc p l d a b s t r a c t t h ea u t o m a t i cw e l d i n gr o b o tt e c h n o l o g yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e s e a r c h f i e l d so fm o d e mw e l d i n gt e c h n o l o g y i na u t o m a t i cw e l d i n g ，d e t e c t i o na n dc o n d u c t i o n i ss e c u r i t yo ft h eq u a l i t yo fw e l d i n g t h e r e f o r e ，w e l d i n gs e a mt r a c k i n gs e n s o r t e c h n o l o g yi st h ep r e c o n d i t i o no ft h ei m p l e m e n t a t i o no fr o b o tw e l d i n ga u t o m a t i c a l l y 1 nt h i sp a p e r , a f t e ra n a l y z i n gb o t hd o m e s t i ca n do v e r s e a sr e s e a r c hc o n d i t i o n so f w e l d i n gs e a mi d e n t i f i c a t i o na n dt r a c k i n gt e c h n o l o g y , a sw e l la sc o n t r a s t i n gd i f f e r e n t t y p e so fs e a mt r a c k i n gs e n s o r , al a s e rs c a n n i n gs e a mt r a c k i n gs e n s o r i sd e s i g n e d ， w h i c hi sb a s e do nl a s e rt r i a n g u l a t i o na n dr o t a t i n gm i r r o rs c a n n i n gt e c h n o l o g y , a n d u s e sal i n e a rc c da st h er e e e p t i o nd e v i c eo fl i g h t - s p o t 。 t h el a s e rs c a n n i n gs e a mt r a c k i n gs e n s o ru s e sai n f r a r e ds p o t t e dl a s e ra sl i g h t s o u r c e ，a f t e rs c a n n i n gw o r kp i e c ep o i n t - t o - p o i n tb yt h er o t a t i n gm i r r o rs c a n n i n g s y s t e m ，f i n a l l yf o r m si m a g eo nt h el i n e a rc c d 1 1 1 el i g h tp a t ho fw e l d i n gt r a c k i n g s e n s o ri sd e s i g n e db a s e do ns t r a i g h tt r i a n g u l a t i o n ，a n dt h ep a r a m e t e ro fl i g h tp a t hi s c e r t i f i e db a s e do nd i s t i n g u i s ha b i l i t yo ft h es y s t e ma n dm e a s u r i n gr a n g e t h u sa r o t a t i n gm i r r o rs c a n n i n gs y s t e mw h i c hm e e t st h es e n s o rs y s t e mr e q u i r e m e n t i s d e s i g n e d b a s e do na n a l y s i so f 饿eb a s i cs t r u c t u r eo fc c d 。a sw e l la sw o r kp r i n c i p l ea n d s e q u e n t i a ll o g i co fd r i v i n gp u l s e ，d r i v i n gc i r c u i to fl i n e a rc c d b a s e do nc o m p l i c a t e d c p l di s d e s i g n e d a c c o r d i n gt o 饿ec h a r a c t e ro fc c da n a l o go u t p u ts i g n a l ， h i g h p o w e r e da m p l i f i e df i l t e rc i r c u i ta n d 加s w i t c h i n gc i r c u i tf o rt h eu s a g eo f d i g i t i z i n go f c c do u t p u ts i g n a l si sr e a l l i z e d t h ee x p e r i m e n td e v i c eo fl a s e rs c a n n i n gw e l d i n gt r a c k i n gs e n s o ri sd e s i g n e d m a n u f a c t u r e d 。a n dd e b u g g e d m e c h a n i c a ls t r u c t u r eo fe a c hp a r ti sd e s i g n e d ，a n d l i n e a rc c dh a r d w a r ec i r c u i tb o a r di sm a n u f a c t u r e da sw e l l t h r o n g i n gt h em e a s u r i n g e x p e r i m e n li m a g ed a t aa c q u i s i t i o na n du p l o a di sr e a l l i z e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t c e r l ：i f i e dt h ed e s i g np r i n c i p l e a n dr e q u i r e m e n tf o rn e x tw o r ki sa l s op r e s e n t e d k e yw o r d s ：w e l d i n gs e a mt r a c k i n g ；r o t a t i n gm i r r o rs c a n n i n g ； l a s e rt r i a n g u l a t i o n ；l i n e a rc c d ；c p l d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：黼签字日期：) 7年月如e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：将氓 导师签名： 众 签字日期：油7 年月e t签字日期：勋7年，月如同 第一章绪论 1 。 引言 第一章绪论 焊接是一种将材料永久连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。焊接 技术在国民生产中的有着越来越重要的地位，哥前几乎所有的产品，从几十万吨 臣轮到不足l 克的微电予元件，在生产中都不同程度地依赖焊接技术。焊接已经 渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、可靠性和寿命以及生产的成 本、效率和市场反应速度。我国2 0 0 5 年的钢产量预计达3 亿吨，成为世界最大的 钢材生产国和消费匡。嚣前，钢材是我国最主要的结构材料，在今后2 0 年钢材仍 将占有重要的地位。由于焊接结构具有重量轻、成本低、质量稳定、生产周期短、 效率高、市场反应速度快等优点，焊接结构的应用日益增多。与世界工业发达国 家一祥，我国焊接加工豹钢材总量比其他加王方法多。因此，发展我国制造业， 尤其是装备制造业，必须高度重视焊接技术的同步提高。 焊接时焊接对象的状态参数是否准确，直接影响着产品焊接的强度、性能 的好坏。比如根据焊缝的宽度、深度、坡口的类型等，实时调整焊剂送入量、焊 接方式等，这就需要实时测量。同时，焊接过程一般都由工业机器人自动完成， 实现高质量的焊接，也需要通过测量信息对机器人的焊接路径进行实时引导。 目前，有三种焊接方法：手工、遥过机械操作、计算机实现的自动。每种 方法在某种程度上依赖于操作技巧和干扰，很多鞠素决定了焊接质量，并且要 花费大量的时间进行操作训练。几年来，计算机技术的飞速发展带动了焊接自 动化的巨大进步。随着先进制造技术的发展，实现焊接产品制造的自动化、柔 性化与智能化已成为必然趋势强】。 1 2 当今的焊接自动化技术 焊缝自动跟踪是现代焊接技术的一个重要方面，糟确的焊缝跟踪是保证焊 接质量的首要关键。尽管焊缝跟踪技术得到了很大的发展，但由于焊接是一个 非常复杂的过程，焊接生产中工件的加工误差、热变形、电磁干扰、卡其误差 及其它各种干扰因素的影噙，致使研究成果的实震纯进程十分缓慢。研究和发 展自动化、智能化焊接过程控制系统是保证焊接质量，提高生产效率，改善劳 动条件的重要手段，是未来焊接技术的发展方向。世界上许多著名焊接设备研 第一章绪论 究和制造机构都在努力开发这一领域。 近年来，随着焊接自动化以及机器人焊接技术的发展，焊缝自动跟踪系统 的研制和应用显得越来越重要，焊缝自动跟踪系统一般由传感器、信息处理系 统和跟踪执行机构组成。在焊接过程中传感器不断检测关焊缝中心位置的信息， 信息处理机构则对偏差信息进行处理，缛出焊缝的中心位置，然后输出控制信 号是执行机构产生所需的运动，实现焊缝的实时跟踪近年来，运用计算机视觉、 数字图像处理、模式识别、智能控制等当代高薪技术，焊缝跟踪研究已取得了 相当大的成就。图1 1 为焊缝跟踪系统的原理框图。 - ，一、- | 圭。 白| t1 口1 j ；i 糖 il l r 住，r - l l 一l m i l |k _ 。l 岫lt 。 r 、-广1 佰思皴理糸统i 7 i 娠繇执行机构i 7 i 控制对象j 传感器 图l - 1 焊缝跟踪系统原理框图 7 0 年代嚣，焊缝跟踪主要是接触式传感器鳕度获得焊缝跟踪信息，但有跟 踪精度低、使用不便等缺点。从7 0 年代起，焊接工作者对非接触式传感器进行 了大量的研究工作，但因结构复杂受到限制。在8 0 年代末9 0 年代初，国外普 逶埋孤焊已普遍采用阙环控制和焊缝跟踪技术，提高了埋弧焊自动控制水平和 焊接质量。目前，对于焊缝自动跟踪的研究已经取得了相当的成就，采用激光、 光纤、c c d 传感、摄像、图像处理、计算机控制等当代高新技术使跟踪系统的 先进性大大提高。实际的焊接生产过程，为了得到稳定的高质量焊接产品都必 须在合理选用焊接条件和焊接参数之后，还要在焊接过程采用实时的焊接质量 检测与控制来达到目的。传统的焊接生产过程是利用熟练技术工人的技能来实 现这种实时质量检测与控制的，蔼在现代的焊接生产过程，则是采用人工智能 囊动质量检测与控制系统来完成的。 1 3 国内外焊缝跟踪技术的发展概况 1 。3 1 国外的焊缝跟踪系统发展概况 发达国家对弧焊过程的焊缝跟踪已进行? 很多年的研究和探索，取得了可 观的成绩。近代由于模糊数学和神经网络的出现，并将其应用到焊接这一复杂 的不确定性的非线性系统，使焊缝跟踪踏入一个崭新的时代一智能焊缝跟踪时 2 第一章绪论 代。同时，国外对焊接机器人的焊缝跟踪的研究开展的比较早，研究的也比较 广泛。但是国外主要集中在控制算法方面对许多新的控制算法进行了研究 而对于焊缝跟踪用传感器研究较少。 9 0 年代初日本焊接工作者在焊缝跟踪方面作出了很大贡献，使焊缝跟踪 控制达到了很高的自动化水平，同时也证明了将模糊控制理论应用到焊接这一 不确定性系统是可行的。目前，美国、英国、加拿大、瑞典都有激光焊缝跟踪 的商业化产品。 美国w o r t h i n g t o ni n d u s t r i e s 公司开发一种焊缝跟踪设备对激光焊接进行跟 踪，据报道其定位精度可达土o0 5 0 r a m 。 英国的m e t am a c h i n e sl t d 的m e t at o r c h 2 0 0 和5 0 0 激光光学焊缝跟踪系统 可用于精密部件的t i g 焊接，三维跟踪精度可达0l m m 。 加拿大q u e b e c 的s e r v o r o b o t 公司则开发了一套高分辨的激光摄像机及焊 缝跟踪系统，可用于自动焊接和机器人焊接的焊缝跟踪、导向和探伤，晟高可 跟踪的焊接速度为1 0 m r a i n 。 加拿大m o d u l a rv i s i o ns y s t e m 公司向市场上推出了一种三维激光视觉传感 器，可对仅有o0 5 0 r a m 的根部开口或误差的待焊接投在高2 0 m m i n 的焊接速度 下进行跟踪，跟踪精度为00 2 0 m m l 2 1 。 瑞典a s e a 公司的l a s e r t r a k 激光视觉跟踪系统无须对焊缝路径进行预先 示教，能自动找到焊缝的起点并跟踪，直到完成焊接。该系统可以完成对接、 措接、角接三种类型的焊接的跟踪，焊接精度为o4 r a m ，焊接速度为 1 2 0 m m m i n l 3 。 图l 一2 为英国m e t a 公司、加拿大s e r v o r o b o t 公司和美国j e t i n e e n g i n e e r i n g 公司等焊缝跟踪系统的代表产品。 k 量黧 s e r v o - r o h o t 公司 j e t l i a e e n g i n e e r i n g 公司m e t a 公司 图l t 焊缝跟踪系统代表产品 总之，国外焊接界的研究者们对焊接过程中焊缝的自动跟踪技术进行了大 第一章绪论 量面黑富有成效豹研究，特剿是在控制算法上进行了诲多尝试，从传统的控制 算法到现代控制算法，以及目前比较受人们关注的模糊控制和神经网络算法都 进行细致的研究，并获得了许多宝贵的应用成果。但是，在传感器的应用上， 主要集中在接触式传感器、电弧传感器等上面，丽对于匿前比较流行酶视觉传 感器应用较少，即使有的研究者使用了视觉传感器，也是带有复杂激光系统的 视觉传感器系统。这些传感器存在着结构复杂、成本较高、不利于推广应用等 缺点。 1 3 2 国内的焊缝跟踪系统发展概况 国内对焊缝跟踪的研究比较晚，尤其对焊接机器人的研究，研究手段和研 究方法还处子探索时瓣。但是这些焊缝跟踪都是针对我国焊接行业的国情进行 的，是我国进行焊缝跟踪研究工作的基础，对进一步研究焊缝跟踪提出很多有 益的启示。 清华大学潘际銮院士、陈强和何方殿等教授对弧焊跟踪系统中的传感器和 其中的控制系统分别进行了研究，详尽论述了用于焊缝跟踪系统的各种传感器， 并提出了一种基于焊缝c c d 图像模式特征的焊缝轨迹识别的新算法【5 。7 】。但是该 方法必须以获得清晰的焊缝图像为前提。 华南理工大学毒1 9 9 3 年开始，在篱家和省自然科学基金的立项支持下，在 焊缝跟踪方面主要侧重于应用视觉传感器来检测焊缝，利用视觉传感器所获信 息量大，接近人的视觉等突出优点，并将神经网络和模糊控制应用到焊缝跟踪 系统中跚3 】。 天津大学胡绳荪等人研制了一种非接触超声传感焊缝跟踪系统，采用了新 型的超声波传感器，用一套扫描装置使传感器在焊道上方左右扫描，超声传感 器发射超声波遇到焊件金属表面时超声波信号被反射回来，并由超声传感器接 收，遥过计算传感器发射到接收的声程时闻可以褥到传感器与焊件之闻的垂直 距离。控制系统则根据检测到的偏差大小及方向在高度方向进行纠偏调整i l 引。 华东船舶工业学院王加友、陈刚和刘启东等采用m c s 5 1 单片机控制的接 触式弧焊跟踪系统，该系统具有焊缝双向自动跟踪和自寻起焊点的双重触觉功 能。但是接触传感器精度较低【l 引。 哈尔滨工业大学吴威、刘丹军、尤波和蔡鹤皋等人对机器人在焊缝自动跟 踪方面进行研究，设计了机器入触觉的力传感器。采用对力信号进行解耦及信 号解算，有效地消除了机器人在工作过程中振动、抖动对力信号的干扰，使机 器人有能力自动识别、跟踪焊缝及焊枪位置修正，从而保证焊接质量。但是算 法复杂导致系统滞后严重，精度低，实时性较差玲键。 4 第一寒鳍论 溪悲工业大学机器人研究所的岳新宏、孙立薪、李慨等人采用结构光视觉 的方法对焊缝进行检测和跟踪，研制了套焊缝遗动跟踪系统。在图象处理方 磷采用l o g 滤波和图象分割滤波等有效的方法，经实验证明，实际焊接时的跟 踪误差小于麦0 5 m m ，能够满足一般焊接懿要求h 7 1 。 总之，国蠹在焊缝跟踪的研究方面起步较魄，但是宥营多 的先进成果可以 借鉴，所以发展较快。 1 。4 本文的意义及主要研究内容 焊缝跟踪技术的发展直接决定着焊接自动化技术的发展，在焊缝跟踪系统 中，引导和检测是实现焊缝鼹踪鹩重要前提，焊缝视擞检测技术的发展大大瓣 推动了焊缝鼹踪系统的发曩，其中，激光捆接式传感器具有高精度、实时性较 好帮菲接触健测量等特点，弱前国际上较为先进的焊缝跟踪系统都采雳此种方 式设计的传感嚣。 本文根据豳内外焊缝跟踪技术的发展现状，参照困内外焊缝跟踪系统的先 进成果，慰魄了不同类型的爆缝鼹踪系统，提出并设计实现了一种用予焊缝跟 踪系统中的激光据描焊接传感器。 本文主要竞成以下几方黼的内容： 1 对常见焊缝跟踪系统及其传感器的原理进行研究，对比了多种焊缝跟踪系统 的优缺点，设计了一种用于焊缝跟踪系统中斡激光扫描式传惑器。 2 设计算实现了传感器盼各个兰要组成都分，包括光路参数设计，光学元件选 择，机械结构设计。 3 。设计基于c p l d 的线阵c c d 驱动电路，制箨了硬件毫路叛并调试毫踌较徉程 序。 4 。分析传感器理论误差，制作了实验装鼍，对c c d 进行图像采集实验，对传感 器进行测量实验，分析结果。 1 5 本章小结 本章首先介绪焊接技术在嚣爱生产中熬重要意义，接着介绍了当今懿霹接 国动能技本租煨凄传感技术，接着介绥了阑起外焊缝跟踪技术酶发屣概况，最 腊叙述了本文的意义以及主要完成的工作。 5 第二章焊缝跟踪传感器的基本覆理 第二章焊缝跟踪传感器的基本原理 2 。1 焊缝跟踪传感器的分类 为了实现焊缝的自动跟踪，其中最关键的技术问题是要解决焊缝轨迹的实时 识别。因此研究结构简单、王作可靠、灵敏度高的焊缝跟踪传感器至关重要。到 鼷蓠为止己经研究出了多静焊缝跟踪传感器。根据传感器的特性，焊缝跟踪传感 器可以分为以下几种类型1 8 。2 0 1 ，如图2 1 所示： 2 。_ l 。1 机械传感器 图2 - 1 焊缝跟踪传感器的分类 机械传感器1 2 1 1 是哥前为止应用时间最长，应用范围最广的一种接触式传感 器。所谓接触式，就是检测元件直接与王件接触，利用跟踪滚轮或触指或机械式 传感器沿焊缝坡口滚( 滑) 动或沿靠模滚( 滑) 动实现焊缝跟踪。它以导杆或导轮在 焊炬前方探测焊缝位置。它分为机械式和机械电子式两种。前者是靠焊缝形状或 导秆的导向力来导向。后者是当焊炬与焊缝中心线发生偏差时，导杆经电子装置 发出信号( 它能表示偏差的大小与方向) ，控铡机械装置使焊炬及传感器恢复正确 位置。机械电子式传感器可以按照机电信号转换方式分为：机械式、机械一开关 6 第二章焊缝跟踪传感器豹基本原理 式、机械一差动交压器式、机械一差动变压器式。 机械传感器适用于x 型、y 型坡口窄间隙焊缝和角焊缝，一般应用于长直焊 缝的单层焊、角焊。机械传感器结构简单，动作状态直观，操作方便，不怕电弧 的磁、光、烟尘飞溅等的干扰。存在的闯题是：对不霜形式的坡曩需要不同形式 的探头；由予采用接触式测量，探头磨损大、易变形；有反向冲击作用，跟踪精 度低：不适用于高速焊接；且对在坡口内有定位焊的焊缝，或在板端等焊接端点 焊道上升又下降的情况，传感器有失灵的缺点。由于是接触式跟踪，因此工件坡 豳的形式，加工精度等会对跟踪系统产生干扰，使其应用范围受到一定限制。像 检测电位这样的微弱信号时，遇到表面有锈、氧化铁皮或金属飞溅的影响，会出 现较大的测量误差。因此随着测量技术的发展，越来越多的是采用非接触式的传 感方式。 2 。1 。2 电磁感应式传惑器 电磁感应式传感器是一种非接触式传感器f 9 - 2 弱。它可按频率分为电磁传感器 和涡流传感器两种。电磁传感器的频率低予1 0 k h z ，涡流传感器的频率则为3 0 1 6 0 k h z 。 1 电磁传感器 ( 1 ) 电磁传感器的王作原理 电磁传感器的工作原理如图2 2 a 所示，它实质上是共用初级线圈的两个变 压器，绕在中柱上的初级线圈通过交流电压u ，两个次级线圈为反极性串联， 输出电压g o = 弘一致，当传感器对准焊缝中心时，主磁通在两个侧柱豹分配相 等，即西，= 蛾，两个次级线圈感应电势相同，故总的输出电压乩= o 。若传感器 偏离焊缝中心，则主磁通在两个侧柱的分配不等，即m ，则次级一个差动 信号输出。瓯的极性的大小取决予传感器与焊缝中心偏差的方向和大小。 ( a ) 正常时( b ) 错边时 图2 - 2 三柱式电磁传感器原理图 7 第二章挥缝跟踪传感嚣熬基本原理 这种传感器的阂题是对工件装淝时的错边缀敏感。如瑟f 1 2 - 2b 中，即使传感器 对中良好，主磁通在两侧柱的分配也因错边的影响而不均匀，导致产生误信号。 为了抑制错边引起的干扰信号，已研究了自动消除这些干扰信号的电磁传感器， 但其灵敏度有所降低。 ( 2 ) 电磁传感器的特点及应用范围 电磁传感器适用于对接、搭接和角焊缝。缺点是：易受强大焊接电流的电磁干 扰，且体积大，使用灵活性差，此井只适用于工件是铁磁性材料( 不锈钢工件不 适用) ，一般应用于对精度要求不是很严格的场合网。 2 。1 。3 超声传感器 1 超声传感器澄, 2 4 1 的工作原理 超声传感器利用超声波脉冲在金属逸传播时的界面反射现象，可以接受到反 射波脉冲，由入射一反射波脉冲的行程，即可测得界面位置。一般用横波探头作 为焊缝跟踪传感器，见图2 3 。当探头离焊缝边缘的位嚣发生左右变化时，接受 到的反射波脉冲的时闻就发生变化。探头与焊炬刚性固定，当焊炬与焊缝对中时， 探头的位置即为平衡位置，其对应的声程( 时间) 为标准声程。当焊炬偏离焊缝中 心时，其获得的声程与标准声程之差即为左右跟踪信号。 图2 - 3 超声波横波探头 2 超声传感器的适用范围 它可以用于钢和铝等材料的焊接。板厚一般要 l o m m ，材料越厚则系统工作 越好。由予探头要与工件表弱可靠接皴。故要求王件表面平整。它不怕电弧的电 磁、光、烟尘等的干扰，且兼有焊缝跟踪和熔深控制的可能，所以也是种很有 前途的传感器。 2 1 4 电弧特性传感器 电弧特性传感器1 2 5 1 ，是利用电弧长度与电弧电压或电流的关系简研制成的一 类传感器，电弧传感器的信号是在焊炬与工件相对位置变化时，由电弧自身电参 窖 第二章焊缝跟踪传感器蕊基本原理 数的变化孛提取的。在焊接过程中当焊炬与王件之间的相对位置发生变化时，会 引起电弧电流，电弧电压的静态及动态的变化。电参数的静态变化( 如并列双丝 式) 及动态变化( 如旋转电弧式) 都可作为特征信号被提取来实现高低及水平两个 方向上的跟踪控制。由于通常动态变化璧奠二静态变亿量相对更为显著，所以取动 态变化量为特征信号可具有更高的跟踪控制精度。电弧传感器结构简单，方便灵 活，不需要在焊接区域附加传感装置便可实现对坡口状态、焊炬高度等的实时传 感跟踪。其跟踪信号由电弧本身取出，没有传感器的位置导前误差。电弧传感器 具有响应快、速度赢、抗干扰性强等特点。因电弧传感器不受弧光、磁场、辐射、 飞溅及烟尘等影响，故在生产中易于使用。当前在国内外，电弧传感器己作为一 种有效、实用的传感器发展和应用起来，它可以成功地应用予弧焊机器入及一般 盘动焊机的焊缝自动跟踪。但是，这类传感器对于不开坡口的对接焊道( 埋弧焊 焊接经常不开坡口) ，是难以实现对中跟踪的。 2 1 。5 射流传感器 射流式焊缝跟踪传感器f 2 6 翊是一个气动射流反射型位移传感器，结构上包括。 发射气孔和接收气孔，其原理是通过发射气孔向工件侧壁射出气体，由接收气孔 接收反射回来的气体，并测得其压力，若传感器与工件侧壁距离发生变化，则测 得气体的莲力发生交化，将这个压力值作为捡测信号，可实现焊缝跟踪。根据焊 接工件的坡豳形式，可采用不同形状的气体射流位移传感器进行焊缝跟踪，此种 跟踪尤其适用于窄间隙气体保护焊。利用传感器的不同布置亦可实现x 轴、y 轴 两坐标跟踪。焊接工件的错边对传感器检出信号无影响，坡溜内的高温、金属蒸 汽及飞溅不影响其正常工作。跟踪精度可达0 3 m m 。缺点是传感器的耗气量大， 约为4 0 。6 0 升分。 2 1 6 光电式传感器 光电式传感器 2 6 j ( g 括激光、红外传感器) 是耳前研究最多的一种焊缝自动跟 踪传感器，也是本文主要讨论的传感器类型。凡是在跟踪信号的获取过程中进行 了由光信号到电信号转换的传感器统称为光电式传感器。按照检测的特征分有单 光点式传感器和视觉传感器两类。前者以单令或足个光电接受管为检测元件，习 惯上称为光学传感器，视觉传感器则以集成光电器件在现场范围内进行扫描检 测，它必须要用微机进行信号处理。 1 单光点式传感器 此法利用简单的光电元件检测坡口棱边或白线，以激光、红外线，可见光， 或弧光为光源。下面以跟踪白线的光电传感器为便说明其工作原理。图2 4 是跟 9 第二章焊缝跟踪传感器的基本瘴毽 踪自线的光瞧式传感器原理匿。它的跟踪基准是在焊缝一侧与焊缝平行的宽为 1 - 2 m m 的白线，光电元件接收屏上安装了两只光电接收管。当工件上的白线位于 光斑中心位置时( 图2 - 4 b ) ，两个光电接收管的受光面积相等，它们的输出信号也 相等。当自线偏向光斑中心一侧时( 图2 能，d ) ，两只光电接收管的受光面积不等， 它们输出的差值可以作为左右跟踪信号。它的检测精度取决予焊炬高度误差和白 线与焊缝的平行度。其优点是传感器安装在焊缝侧面能消除附加的导前跟踪误 差。这种传感器适焉予不同的接头形式( 对接、搭接) 和不同的坡曰形式，适用于 碳钢、不锈钢、锅、铝等各种金属的焊接。 a 国 穆 b ”、气 ，f “1 、f 。4 。、 口警日西燎目 、蟛7- 。秒飞：少7+ 弋：少 c d 图2 - 4 跟踪白线的光电传感器 渤示意圈线条屠中( e ) 线条偏左d ) 线条偏右 2 c c d 视觉传感器 c c d 是种半导钵集成光电敏感元件。它分为线阵( 一列光敏元件、是利用 射线管摄像机) 和面阵( 多列光敏元件、c c d 固体摄像机) 两种，利用c c d 摄取图 像信息，进行一定的转换或预处理后，送入计算机，由计算机计算出跟踪信息、 输出控制信号，控制执行部分进行绷偏。 c c d 视觉传感器1 28 l ，就其应用有下面几种： ( 1 ) 光切割式传感器 光切割式传感器也称为结构光式传感器，所谓光切割法，如图2 5 所示，是采 1 0 第二章焊缝跟踪传感器的基本原理 用激光等细长而扁平的光线，以4 5 。方向斜射在工件上，从而得到与坡口断面形 状相似的光线图形，此图形能反映坡口的形状、深度。摄像机在工件正上方，将 此图形摄入并利用计算机进行图像处理可以求出坡口的中心位置，坡口宽度等数 据。 卜黼 图2 - 5 光切割式传感器图2 6 激光扫描式传感器 ( 2 ) 激光扫描式传感器 利用激光扫描坡口和工件表面，并用一系列光电接收管( c c d ) 同步接受反 射光，从中检测坡口的位置和形状，如图2 6 所示。由于点光源比线光源更容易 达到较高的亮度，激光扫描式比光切割式具有更高的信噪比和更强的抗弧光干扰 能力。本文所设计的传感器就是此类型。 ( 3 ) 直接拍摄电弧式传感器 将包括电弧、熔池，导电咀、焊丝伸出头和坡口等的图像，通过适当的光学 滤波器，采用工业电视( i t v ) 进行摄像，根据图像求出坡口宽度，然后判断焊 丝是否对中及其伸长度是否合适。由于光电传感器是非接触式，因此具有良好的 再现性及耐久性该传感器不仅可以跟踪焊缝，还可预测坡口形状和截面积，并 能用于焊接条件的适应控制，可适用于各种坡口形状。 2 2 激光扫描式焊缝跟踪传感器的基本原理 通过对多种焊缝跟踪传感器类型的原理及应用的对比可以看出，光电式传感 器具有非接触测量，精度高，实时性好等特点，能更好的适应焊接自动化生产的 需求，也是当今焊接自动化领域应用最为广泛的一种传感器，而c c d 视觉传感器 第二章焊缝跟踪传感嚣憨基本骧理 又是当中应用较多的类型。在c c d 视觉传感爨的各种类型中，激光扫接式传感器 又具有较高的亮度，数据高速传输等优点，下面就其工作原理作详细介绍。 2 。2 。1 激光三角法 在非接触三维形貌测量中，基子激光三焦法的测量系统毒子结构篱单、测量 速度快、具有实时处理能力、使用灵活、适应力强，已在机器人视觉、实物仿形、 自动加工、工业检测等领域得到广泛的应用。特别是9 0 年代以来，随着逆向工程 和快速成型制造技术豹迅速发展，对三维物体形貌进行快速耩密测量的需求嚣益 增长。从工业实际应用情况来看，利用漫反射光接收的兰角法测量是使用最为广 泛的非接触测量手段【2 9 1 。三角法测量的本质是通过分析受到三维物体表面形貌 调制的光场，从而获得物体表面的三维信息。下面将对这种方法的基本原理、结 构改进以及误差因素进行系统的分析。 三角法测量物体表面形貌 的基本结构l 弼】如黼2 7 所示。 图中，激光器的轴线、成像物 镜的光轴以及线阵c c d ，三者 位于同一个平面内。激光光源 作为测量的指示光源，将一个 理想的点光斑投射在被测表 面上。该光斑将随其投射点位 置的深度坐标变化而沿着激 光器的轴向作同样距离的位 移。点光斑同时又通过物镜成 图2 7 三角法测量的基本结构 像在线阵c c d 上，且成像位置与光斑的深度位置有唯一的对应关系。测出线阵 c c d j 匕所成实像的中心位置，即可通过几何光学的计算方法求出光斑此刻的深度 坐标，从而得到被测表面该点处的深度参数。通过对若干采样点的测量，得到被 测表面形貌的一组数据。这种基本的光学三角法测量属于逐点测餐。 由于三角法测量原理中包含有凸透镜成像过程，因此光源、物镜及线阵c c d 三者的位置关系必须满足高斯定理。 图2 - 8 所示为激光器轴线、物镜主平面及光轴、线阵c c d - - - 者关系，它们之 阆的位置与姿态关系由a o ，b o ，磊，多四个参数确定强。其中，a o 是激光器轴线与 物镜光轴的交点到物镜光心的距离；b o 是线阵c c d 与物镜光轴的交点到物镜光心 的距离；a 为激光器轴线与物镜光轴的夹角；b 为线阵c c d 与光轴的夹角。 第二章焊缝跟踪传感器的基本原理 激光器 图2 堪三角法测量的光路设计 根据高凝定理，当投射在被测表面上的光斑恰好位于物镜光轴上时( 可将这个 位置作为测量的参考零点) ，簧使光斑通过物镜在线阵c c d 上成清晰实像，满足 ll l = 一十 n qb 公式( 2 i ) 式中联f 物镜焦距。蔼对于光辘以外豹光斑，也要使其在线阵c c d 上成渍晰实像， 此时物距为 露：旦k l + t a n p c o t a 像距为 6 ： 鱼 1 一t a n p c o t a 、b 也必须满足高斯定理，因此有 l11 ab f 联立公式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 ) 可以得到 a o t a n a = 西b t a n p 公式( 2 - 2 ) 公式( 2 3 ) 公式( 2 4 ) 公式( 2 5 ) 该式的物理含义邸，激光器轴线、物镜主警蕊、线阵c c d 兰者的延长线交于一点 ( 或三者相互平行) 。满足公式( 2 1 ) 和式( 2 5 ) 的三角法测量装置就可使投射光斑无 论远近，皆可通过物镜在线阵c c d 上成清晰实像。这一条件实际上就是著名的 s e h e i m p f l u g 条件【3 2 】。 根据图2 1 e 所示原理，下蓠导出三焦法测量的传递蘧数。取物镜光辘与激光 器轴线交点为物方零位参考点。对应的线阵c c d 上像点为像方零点。菜任意情 第：章姆缝跟踪传感器瓣基本原壤 况下，投射光斑镳离零点豹健移必r ，嚣此刻像光斑偏离零点的位移先s ，则根 据几何关系有 a o r c o s 搿 r s i n 掰 h _ _ 。_ _ _ _ - _ - _ 一= 。_ _ _ _ - - _ 一 b s c o s s s i n 器 公式( 2 6 ) 显然，这是一个甚线性龚擘关系。当且仅当a 茹1 3 = 9 0 。封( 即激光器轴线、物镜 主平面以及线阵c c d 三者平行) ，上式可简化为 r 燃迎 魂 公式( 2 7 ) 就蹲豹输入与输赶方为线性关系。另外可求燃三煮法测量的灵敏度表达式。鄹当 线阵c c d 上像点移动as 时，物点位移为 艘然丽a 磊o b 磊o s i n 面a - 再s i n d 衍鲻 公式( 2 _ 8 ) 浅s 漩窿+ s s 墩( 露强2 一 鸯此式哥知三囊法测量鹣灵敏度在零点处( s 嘞最嵩，也是非线牲的。 2 。2 。2 激光三角测量法的对比与选择 按照入射竞线与被测工件表嚣法线酌关系，霹分游直射式禳斜射式瑟赘。在 设计光路之前，首先要确定采用那种类型的三角测量法。 2 2 2 1 直射式激光三角测量法 直射式兰角测量法光路图如图2 9 所示，激光器1 发出光线，经汇聚透镜2 聚焦后垂直入射到被测物体表面3 上，物体移动或表面变化，导致入射点沿入射 光鞋移动，接浚透镜4 接收来鑫入射光点处媳教射光，并将其戒像在光点位置探 测器5 ( 如p s d 、c c d ) 的敏感冠上瞰】。但是由于传感器激光光束与被测面垂直， 只有个准确调焦的位置，其余位置的像都处于不同程度的离焦状态。离焦将弓l 起像点静弥散，获 蠹降低了系统麓测量精度，梵了提高糖度，霰嚣只必须满足 s c h e 两p j f l u g 条件1 3 5 】：像平磷、物平匿、透镜平面相交于一条直线，即： t 肌织= 萝t a n 吼 公式( 2 。9 ) 式中夕为横向放大率。此时定景深范围内的被测点都能成交的成像在探测器 上，从而保证了精度。 若光点在成像面土酶短移鸯，利用穗似三毙形备边之闻酶比铡关系，按下 式可求出被测西的位移 x 篇蕊而a x 忑 s i n 丽0 2 丽 公式( 2 - l 。) x 篇_ ?雀武k 2 一l u ， 矗s i n 镤一x s i n 统+ 穰l 一 第二牵焊缝跟踪传感嚣的基本原理 式中，a 为激光束光轴和接收透镜光轴的交点銎l 接收透镜前主厦的距离；b 接收 透镜后主面到成像面中心点的距离；最为激光束光轴与接收透镜光轴之间的夹 角；岛为探测器接收面与接收透镜光轴之间的夹角。 图2 - 9 卷射式光路匿 l 一激光器2 一会聚透镜3 一被测表面 2 2 。2 。2 斜射式激光三角测量法 匿2 1 0 斜射式光路圈 4 一接收透镜5 一光点位置探测器 图2 1 0 为斜射式三角测量原理圈。激光器发出的光穰被测面的法线方离成 一定兔度入射到被测面上，同样用接收透镜接收光点在被测砸的散射光。此时必 须满足的s c h e i m p f l u g 条件为： t g ( o , + 岛) = f l t 9 0 3 公式( 2 一1 1 ) 若光点的像在探测器敏感面上移动，利用相似三角形的比例关系，刘物体 表露沿法线方向的移动距离 z = 蕊雨酉a x s 磊i n o a 丽c o s 0 丽l 公式( 2 - i z “)z = _ 2 0 i kk _ z 一 ， 6 s i n ( 鼠+ 吼) 一x s i n ( 幺+ 岛+ 绣) 式中，o l 为激光束光轴和被测面法线之间的夹角；职为接收透镜光轴和被测面法 线之间的夹角；绣为探测器光轴与接收透镜光轴乏间的夹角。 当岛为0 。时，原理如图2 1 1 所示，为斜入射直接收式。光点移动x ，则被 测面法线方向移动的距离 =赢a而xsi忑n03c丽osx面 公式( 2 _ 1 3 )= 公，kkz jj 6 s i n 织一一s i n 织+ 织l 一 1 5 第二章焊缝跟黥抟感嚣戆基本原理 式中各个参数的含义同圈2 一l o 所示，它属于斜入式传感器的一个特例。 图2 - 1 1 斜入射直接收式 2 。2 2 。3 参数关系分析及对比 基于直射式激光三角法或斜射式激光三角法的传感器都可以对被溯面进行 高精度、高速度和非接触测量，但比较起来有一下几点区别【3 6 3 刀： 1 ) 斜射式可接收来自被测物体的正散射光，比较适合测量表面较为光滑的 物体。直射式蠢于其接收散射光的特点，适合予测量散射性能好的表面。 如果表面较为光滑，则可能由于耦合到光电探测器的散射光光强太弱甚 至为零，使测量无法进行，也就是说可能存在测量盲区1 3 8 j 。 2 ) 取相同的系数参数用m a t l a b 藏出公式( 2 。1 0 ) 和( 2 。1 3 ) 式给憋的童射 式与斜射式的物像关系图，如图2 1 2 所示。横坐标x 7 为像点位移，纵 坐标x 为物点位移。曲线的斜率t g a = 会越小，说明c c d 可分辨的尺寸 x 越小，即灵敏度越南、分辨力越大。从图中可以看出，斜射式传感器曲 线斜率较小，则分辨率略高于直射式。进一步验证了前面的理论计算。 同时，斜入射式传感器的体积要大于直入射式。 3 ) 在被测物体便面发生如图2 1 0 所示位移x 时，斜射式入射光光点照射在 物体不同的点，因此无法直接知道被测物体莱点的位移情况，这一点是 影响斜射式测量精度和稳定性的一个重要因素。 4 ) 由于直射式的激光光斑较小、光强集中，是入射在被测面的同一点，不 会因与被测面不垂赢而扩大光斑，所以被测面的倾斜和扭转对测量结果 的影镌不大。所以在实际测量中精度较高，常被采用。 在具体的应用中，应该根据实际情况，如被测面的粗糙度、工作距离、测量 范围、安装位置、精度要求等，来决定选择那种类型。 1 6 第二章焊缝跟踪传感器的基本覆理 图2 - 1 2 直入射式与斜入射式最小分辨尺寸比较 本文所设计德传感器应用于焊缝跟踪系统，工作对象为焊缝，测量表面较为 粗糙，工作距离和测量范围较小，对精度要求较高，要求体积较小，因此综合考 虑，采用直射式激光三角法。 2 2 3 激光扫描式焊缝跟踪传感器的测量原理 激光扫描式传感器的光源是由点光源通过马达驱动形成扫描光条，在逐点测 量方式下，测量一个表面时需按照一定盼分布方式安排足够的采祥点，依次测量 每一个采样点的深度数据，而后再利用插值方法求出整个表丽的形貌数据。这种 方法不仅精度有限，而且测量的速度受到制约，效率低。采用光条法，测量中投 射到被测表面的是一线形的光斑，同时测量一定宽度范豳内的表面形貌。再辅以 相对予被测表蘧垂直于光条方向的扫描运动，则一定蕊积的被测表面可以连续地 进行测量，大大提高了测量的效率。 实现光条法测量，需对一般的三角法测量作两部分改进，一是光源，二是 c c d 接收器。光源部分通常可采用扫攒转镜来实现