焊接自动化过程中常用传感技术介绍

1 焊接自动化过程中常用传感技术介绍焊接自动化过程中常用传感技术介绍 摘摘 要 要 综合介绍不同类型焊缝智能定位传感器 焊缝跟踪用传感器的原理 及 在焊接过程控制中的应用情况和发展趋势 关键字 传感器 工作原理 发展趋势 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 working principle development trend 0引言 焊接作为一种重要的连接制造方法 要获得良好的质量 必须保证两个基本 条件 1 焊接工具中心点 TCP 对准接缝 2 控制合适的工艺参数 施加恰当 的能量 也就是所谓的 焊得准 和 焊得好 传统的手工或半自动焊接操 作中 操作者必须目视焊接区域 控制工具 焊枪等 的对中并调节焊接参数 在市场竞争的驱动下 现代焊接的生产过程在提高生产效率的同时 还需要提 高焊接质量 减少或消除人为因素的影响 并在批量生产中的保证过程和质量 的一致性 机器人和自动化专机是实现焊接自动化的两种重要形式 如果没有合适的传感 器 工业机器人或专用自动化设备就像 盲人 一样 只能凭借记忆实现一些 固定的动作或运动 因此 对于没有传感的自动化焊接系统 要求工件及其焊 缝坡口具有足够高的定位精度 并能在批量连续生产中保证装配的重复性 然 而 在很多的工业应用场合 由于工件尺寸大 薄或容易变形等因素 难以满 足焊接所需要的工件定位精度或接头的形位误差及其重复性 或者要做到足够 的精度需要付出更大的成本 这时 视觉技术就成为促进焊接过程自动化的一 种重要的传感手段 以下就有對有關於視覺傳感器在焊缝智能定位和焊缝智能 跟踪的運用做下簡紹 一 焊缝智能定位传感器 针对机器人焊接或切割的需求设计了3 种适合不同应用场合的智能焊缝搜 索定位传感器 包括Sense I D SF D SF D H 这些系统都采用了嵌入 式设计 所有的控制与处理部件都集成到传感头内部 所以无需外部的控制器 以太网是这些智能焊缝搜索定位系统的标准接口 当然 系统也可以根据用户 需要提供数字I O RS232 或RS422 串口和模拟量接口 1 Sense I D焊缝智能搜索定位传感器 Sense I D 是最早的焊缝智能搜索定位传感器 其原理 Sense I D 传 感器投射出一个激光斑点 照射在目标工件表面 利用激光三角测量原理 实 时高速的测量工件至传感器的距离 Sense I D 的工作距离范围为183 283 mm 它可以提供与大多数机器人常用的电接触式探测传感相同的信号接口 所 以 Sense I D 可以直接替换机器人的接触探测功能 与接触探测相比 Sense I D 具有以下优点 1 既有与接触探测相同的数字I O 接口 还有 标准以太网接口 并可通过转换模块转换为RS232 422 接口 2 响应速度快 可达0 5 ms 3 对应100 mm 视场的0 10 V 单端或差分模拟信号输出 4 参考位置可编程 5 传感器检测到参考距离后输出响声 Sense I D可以应用在三种场合 1 用于机器人搜索定位焊缝 实现轨 2 迹校正 2 取代电弧电压传感器 实现焊接或切割的实时高度跟踪 3 结合 横向的摆动 采集焊缝坡口截面的信息 实现横向与高度的焊缝跟踪 2 SF D焊缝智能搜索定位传感器 SF D 也是一种内置嵌入式控制器的焊缝智能搜索定位传感器 与 Sense I D 相比 SF D 投射出的是激光条纹 所以它可以直接测量焊缝坡 口截面的轮廓 位置和形状参数 搜索定位的速度更快 其中基本配置的图像 处理软件可以识别搭接 对接 外角接和T 型接头 高级图像处理算法可以处 理V 型坡口 卷边接头等复杂焊接接头 SF D 的工作距离大于180 mm 标准 配置的SF D 可以通过以太网或0 10 V 模拟输出及数字I O 接口与机器人或 专机连接 也可选RS232或RS422 接口 3 SF D H 焊缝智能搜索定位传感器 SF D H 焊缝智能搜索定位传感器除了SF D 所含有的基本功能之外 还 增加了2D 图像监控 通过视频监控屏幕可以实时观察焊接区域附近的情况 利 用2D 视频观测和3D 激光视觉的精确测量 机器人操作人员无需进入机器人的 工作空间内即可实现远程机器人示教或编辑 修改程序 由于结构上的更新设 计 SF D H 激光传感器的最小工作距离超过300 mm 传感器可以安装在机器 人末端关节的法兰之下 不影响焊枪的可达性 二 焊缝跟踪用传感器 1 图像处理技术所用的 CCD 视觉传感器 图像处理技术所用的 CCD 视觉传感器工作原理 CCD 视觉传感器获得焊 接图像 为了提高焊接图像的清晰度 可以在 CCD 前加一特定波长的滤光片 如图 1 所示 但仍有大量的噪声存在于焊缝图像中 再运用图像处理技术 对获得的焊接 图像进行有效的处理 可以得到焊缝中心的位置 控制系统根据所得到的焊缝 中心位置与焊枪位置的偏差进行实时纠偏 从而保证焊缝跟踪的实时性和精确 性 2 结构光视觉传感原理 目前 焊缝检测传感器主要有光学传感器 机械式传感器 电弧式传感器和焊缝检测传感器主要有光学传感器 机械式传感器 电弧式传感器和 电磁式传感器等电磁式传感器等 它们各有优缺点 基于结构光视觉传感 具有主动性 非接触 能获取物体的三维信息 精度高和抗电磁场干扰能力强等优点 被认为是焊缝 检测的主要发展方向 很有发展前途的视觉传感技术之一 线结构光法是一种 直接获取深度图像的方法 它可以获取焊缝的二维半信息 整个视觉传感系统 主要由CCD 摄像机 带通滤光片 激光器和柱透镜组成 采取CCD垂直对准工件 激光器倾斜布置的工作方式 激光器发出的激光 经柱透镜形成一光片照射到工 3 件上形成一条宽度很窄的光带 当该光带被工件反射或折射后 经滤光片保留 激光器发出的特定波长的光 而滤除其他波长的光 最后进入CCD 摄像机成像 由于坡口各处与工件在垂直方向深度不同 故从垂直工件的方向看去 反射光 成一折线 折线反映了光纹中心与焊缝坡口中心的三维位置关系 3 Auto Trac Mini自动焊接应用的智能视觉系统 Auto Trac Mini 是一种面向管道和风电塔柱自动焊接应用的智能视觉系 统 系统的主要組成如圖所示 其中Mini I D 激光传感器采用了数字传感器技术 能够抗反光和适应恶 劣的焊接环境 Mini I D的视场深度范围为100 mm 近端视场宽度27 mm 远 端视场宽度62 mm 视觉分辨率0 05 mm Mini Box控制单元是焊缝跟踪的中 心 它包含了焊缝跟踪和自适应焊接参数控制所需要的视觉处理和过程控制功 能 控制单元可以通过以太网 RS232 422 串行口 模拟信号和数字I O 与 机器人 PLC 或运动控制器 如Mini Drive 驱动器 通信 实现焊缝跟踪的功能 Mini Box 控制单元也可以连接其它型号的激光传感器 控制单元通过以太网 与PC 连接 由WeldCom人机界面实现传感器的参数设置 视觉算法选择 实时 接头轮廓显示 跟踪选项调整和事件记录 Y Z两轴的执行器及其驱动器 空 气冷却与过滤单元 示教盒等是可选项 可由用户自行提供或使用已有的装置 AutoTrac Mini 系统可应用于螺旋焊管 U O 直缝焊管 管道焊接 风 电塔柱和造船中船板和加强筋板的焊接 这些埋弧焊应用的场合经常需要人工 的辅助操作 专门设计的AutoTrac Mini 系统充分考虑了这些应用的需求 也 可以用于多丝埋弧焊的焊缝跟踪 Mini I D 激光传感器内部还集成了2D 视频图像摄像机 操作者可以通 过图像监视器远程观察焊接区域附近的情况 在必要的时候可根据指示激光条 纹和斑点及焊枪图标实现人工的焊缝跟踪操作 系统的设置 跟踪标定和操作 非常简单 一般工人只需经过简单培训即可进行操作 4 除此之外 新型的Quanta SP 330 是一种专门用于大厚度及窄间隙焊接 的激光视觉传感器 其视场深度可达330 mm 传感系统可以处理根部焊道 侧 面焊道 中间焊道及盖面焊道 该传感器既可与Mini Box 配套 用于多层多 道焊缝的跟踪 也可以用于基于IT 技术的平台 实现全自动化的厚板多层多道 焊 4 数字化智能激光焊接系统 随着汽车 航空航天等行业激光焊接应用的发展 对含有非平行直线或 曲线焊缝的剪裁激光拼焊板件的需求快速增长 柔性的机器人激光焊接应用也 随之增加 机器人激光焊接大多采用光纤传输的YAG 或光纤激光 聚焦后的激 光光斑直径往往小于0 6 mm 要获得良好的焊接质量必须使激光对准焊缝 精 度优于0 1 mm 由于板材剪切的误差 工件装夹的重复精度及机器人定位精度 的综合影响 如果没有激光视觉焊缝跟踪系统 目前的大多数关节式工业机器 人难以有效 高速地追踪重复性不足的焊缝 集成了激光视觉传感的DIGI LAS 激光焊接头系统特别适合于机器人或专机的激光焊接应用 DIGI LAS 数字焊 接头有模块化的MDL 和集成化的IDL 两种型式 MDL 采用了模块化的设计思想 可以根据需要选配不同的功能模块 完整 的MDL系统含有激光焊接头 包含准直与聚焦 功率光纤连接器 2 个Quanta 激光传感器 伺服控制的高速执行器等功能部件 DIGI LAS MDL 系统可在最 大20 kW 的激光功率下连续工作 在焊接头上可配置用于同轴监测的2D 摄像头 用于小孔或熔池的监控 还可以根据自适应填丝和熔透焊接 搭接熔透 工艺的 需要 分别选配送丝机构和侧面的滚轮压紧装置等 Quanta 传感器中集成了2D 图像监控传感器器 可以监视焊接区域周围的情况 便于机器人路径的示教和 过程监控 IDL 系统则是一种集成的激光焊接头系统 同样包含了焊缝搜索与跟踪 自适应参数控制 焊后焊缝检测功能 可使用的最大激光功率为5 kW 图11显 示了DIGI LAS 智能激光焊接系统的组成 其中 ROBONET MASTER 是基于IT 平台的控制器 它是图像处理与过程控制的核心 ROBONET DRIVER 驱动器通 过CAN 总线与ROBONET MASTER 通信 获得运动控制信息 控制精密高速执行 器 实现焊缝跟踪功能 DIGI LAS 系统配置了2 个激光传感器 前一个用于焊前搜索定位焊缝 实时焊缝跟踪及自适应控制 后一个用于实时检测焊缝 包括焊缝的成形尺寸 5 和探测表面缺陷 此外 DIGI LAS 的激光传感器能够记录机器人追踪焊缝的 误差 在焊接时给予补偿 保证了机器人系统可以满足高速激光焊接的精度要 求 经过补偿后 在超过6 m min 的焊接速度下 系统追踪曲率半径为50 mm 的曲线焊缝的对中误差小于100 m 在焊接结束后 DIGI LAS 立即通过系 统IO 输出检测的结果 使生产线能够自动分捡不合格的产品 以避免不良焊件 被装运出厂 三 结论 智能视觉技术是机器人焊接系统或专用自动焊接设备获得更高焊接质量与 生产效率的一种关键技术 智能数字激光视觉传感技术保证了电弧或激光热源 能准确地对中焊缝 在焊接过程中能够根据所测量的间隙和错边等数据实时调 整焊接过程参数 并能在线检测焊缝成形和表面缺陷 专门为焊接应用而开发 的数字激光传感器能够适应各种恶劣的焊接条件 能够抵抗焊接烟尘与飞溅 振动及高频电磁干扰 应用智能化激光视觉传感技术 可以提高焊接质量和一 致性 并提高生产效率 减少焊接生产成本 有效地提高焊接产品的质量和价 格的竞争力 智能视觉系统易于使用和操作的特性使得焊接自动化更为简单 四 参考文献 1 鞠益兰 程金松 结构光式激光视觉传感器的焊缝跟踪系统 电焊机 2002 32 5 9 11 2 朱六妹 宋国军 王 伟 等 激光视觉焊缝跟踪实时图像处理研究 光电子技术 2002 22 4 231 235 3 孙立新 韩 炜 刘冰清 等 结构光焊缝检测传感器设计理论的研 究 光