智能焊接技术及应用 课件 2.2.3激光传感

智能焊接技术及应用传感类型目录Contents学习目标01激光寻位02学习总结03一、学习目标2、熟悉激光三角测量法、激光回波分析法等关键技术，以及结构光传感器、线激光轮廓传感器等典型设备的工作原理与特点。1、理解激光寻位基于激光传感检测物体的原理，掌握其核心组件，如半导体激光器、滤镜、图像采集装置等的作用。4、了解激光寻位在焊接、装配、检测等领域的应用，学会不同激光结构光在焊缝检测等场景的操作与应用。3、优势局限分析，能分析激光寻位在精度、测量方式、响应速度等方面的优势，以及成本、环境适应性、数据处理等方面的局限。5、关注激光寻位多传感器融合、深度学习应用等发展方向，认识其推动智能焊接发展的意义。二、激光寻位技术原理：基于激光传感，通过投射激光束并分析反射光信号，实现对物体位置、姿态、表面形貌的检测，可用于焊接过程中焊缝和工件的实时检测与定位。应用场景：能提升机器人在复杂环境中的适应性和操作精度，适用于自动化焊接、装配、检测等领域，iCSE激光传感器可用于非接触探测焊缝位置。技术特点：具有非接触式测量、高精度、实时性和抗干扰性的特点，可避免磨损干扰、实现微米级分辨率、动态反馈位置变化并适应一定环境干扰。测量方式：点激光传感可快速检测边缘和一维距离，首次识别失败时会换模板再次扫描，单次扫描可用于多层焊接等不同位置的测量。1.技术原理与核心组件核心原理：包括激光三角测量法、激光回波分析法和调频连续波（FMCW）技术，结合光学干涉、数字信号处理（DSP）算法实现高精度测量，定位精度可达微米级。（1）激光三角测量法光路设计：激光束以固定角度（通常30°-60°）投射至被测表面，反射光通过接收透镜成像于CCD/CMOS线性相机，如图所示。几何三角关系计算物体位移公式为：∆d=

∆x∙L/f∙sinθL为激光器与相机基线距离，f为透镜焦距，θ为入射角二、激光寻位（ICSE）2.关键技术类型激光三角测量传感器原理图适合远距离（250m）测量，但精度较低（±1mm），常用于大型结构件（如船舶分段）的粗定位、AGV导航、仓储物流等大场景。二、激光寻位（ICSE）

激光回波分析法传感器原理图二、激光寻位（ICSE）通过非线性频率调制实现相干检测，兼具高精度与大范围测量能力，激光频率随时间线性变化，反射信号与发射信号的频率差（Δf）与目标距离（d）成正比，公式如下所示：

其中，c为光速，df/dt为调频斜率优势在于抗干扰能力强，支持同轴光路设计，适用于深孔、复杂结构的非接触测量，重复精度可达0.01μm。（3）调频连续波（FMCW）技术d=c∙∆f/2∙df/dt（1）结构光传感器工作原理：将编码图案（如条纹、网格）投射到物体表面，通过相机捕捉变形图案，利用相位解算或三角测量重建三维轮廓。特点：支持全字段三维扫描，精度可达±0.02mm，用于逆向工程、复杂曲面检测。二、激光寻位（ICSE）3.典型设备激光回波分析法传感器原理图（2）线激光轮廓传感器工作原理：发射线状激光，通过二维相机捕获激光线在物体表面的变形轮廓，逐行扫描生成三维点云。特点：扫描速度高（≥3000profiles/s），适合动态生产线（如传送带上的零件检测）。二、激光寻位（ICSE）3.典型设备线激光轮廓传感器原理图二、激光寻位（ICSE）4.激光寻位的优势与不足优势：可达微米级甚至亚微米级精度，远超传统跟踪技术。超高测量精度避免接触损伤，适用于柔性屏、陶瓷基板等脆弱材料。非接触式测量采样频率超10kHz，能在高速生产线实时调整。快速响应与动态适应结构光技术可重建高精度三维点云，用于逆向工程和质量检测。三维建模与复杂场景适配特定波长和滤波算法可抑制环境光干扰，部分传感器强光下测距精度有保障。部分场景抗干扰性好二、激光寻位（ICSE）4.激光寻位的优势与不足局限性：硬件和维护费用远超电弧跟踪设备。成本高昂强光、反光或透明材质会使测量失效。环境敏感性三维点云处理需高性能算力，算法开发周期长。数据处理复杂部分传感器在远距离测量时误差大，无法满足大场景检测需求。远距离精度衰减需定期校准，对技术人员要求高。专业操作门槛激光视觉传感器的组成半导体激光器滤镜图像采集装置CCD或CMOS(complementarymetal-oxidesemiconductor)等部件。按照激光结构光的形式分类单线激光结构光十字线激光结构光多线激光结构光点阵激光结构光圆形激光结构光网格线激光结构光等。二、激光寻位（ICSE）PARTTWO.5.操作案例多线激光结构光：如用2条红光和1条绿光激光结构光检测薄板窄对接空间3D曲缝，如图（c）所示。二、激光寻位（ICSE）单线激光结构光：可检测带有V型坡口的之字形焊缝，提取坡口边缘点为机器人提供位置信息，如图（a）所示。十字线激光结构光：通过CCD相机连续捕捉其在工件表面的图像进行相关检测，如图（b）所示。网格线激光结构光：应用于多层多道焊接，通过算法提取特征点，计算焊缝特征点坐标，检测当前层焊缝并预知下一层焊接路径，如图（f）所示。二、激光寻位（ICSE）点阵激光结构光：投射到熔池表面，通过点阵激光变形推导熔池3D形状，如图（d）所示。圆形激光结构光：针对“点”和“线”激光视觉传感器的不足，用于搭接接头检测，能恢复多种接头深度信息，实现3D寻位，如图（e）所示。应用领域：在汽车制造焊接中用于检测焊缝位置、修正焊枪路径；在精密装配中引导机器人抓取微型零件、寻找螺栓孔等；还可检测工件表面缺陷、测量参数用于质量管控。二、激光寻位（ICSE）适用场景与局限：适用于高反光、高精度需求场景和动态环境下实时响应，但在透明、吸光材料以及强光、粉尘环境下存在信号衰减和受干扰的问题。二、激光寻位（ICSE）适用场景与局限：适用于高反光、高精度需求场景和动态环境下实时响应，但在透明、吸光材料以及强光、粉尘环境下存在信号衰减和受干扰的问题。二、激光寻位（ICSE）发展方向：未来将通过多传感器融合（结合视觉、力觉等）提升复杂场景适应性，利用深度学习优化特征识别与误差补偿，推动在中小型企业的普及。二、激光寻位（ICSE）技术意义：激光寻位技术凭借非接触、高精度等特性，成为智能焊接核心使能技术，随着技术发展，将拓展在高端制造中的应用边界，推动焊接自动化向全闭环演进。二、激光寻位（ICSE）三、学习总结操作案例与发展方向优势与局限性设备特点与应用场景技术原理与关键技术学习总结激光寻位通过投射和分析激光束检测物体，激光三角测量法等关键技术实现高精度测量，定位精度可达微米级。其优势在于精度高、非接触测量、响应快等；局限是成本高、易受环境影响、数据处理复杂等。结构光传感器可重建三维轮廓，线激光轮廓传感器扫描速度高。激光寻位适用于高精度、动态检测场景，如汽车制造焊接、精密装配等。不同激光结构光在焊缝检测等方面有不同应用。未来将通过多传感器融合和深度学习优化，拓展在高端制造中的应用。智能焊接技术及应用感谢聆听主讲:朱征宇课后习题1.下列哪种激光寻位技术适合深孔、复杂结构的非接触测量，且重复精度可达0.01μm（）A.激光三角测量法B.激光回波分析法C.调频连续波（FMCW）技术D.点激光传感技术答案：C解析：调频连续波（FMCW）技术通过非线性频率调制实现相干检测，抗干扰能力强，支持同轴光路设计，适用于深孔、复杂结构的非接触测量，重复精度可达0.01μm；激光三角测量法精度较高但多用于常规表面测量；激光回波分析法适合远距离粗定位，精度较低（±1mm）；点激光传感主要用于快速检测边缘和一维距离，并非针对深孔复杂结构。课后习题2.下列哪种激光结构光适合用于多层多道焊接，可检测当前层焊缝并预知下一层焊接路径（）A.单线激光结构光B.十字线激光结构光C.网格线激光结构光D.点阵激光结构光答案：C解析：网格线激光结构光用于多层多道焊接，能检测当前层焊缝还能预知下一层路径；A用于V型坡口之字形焊缝，B靠相机捕图检测，D用于推导熔池3D形状，都不符合需求。课后习题3.激光回波分析法的典型精度范围和适用场景是（）A.微米级精度，适用于深孔测量B.±1mm精度，适用于大型结构件粗定位C.亚微米级精度，适用于柔性屏检测D.0.01μm重复精度，适用于复杂曲面检测答案：B解析：“激光回波分析法精度约±1mm，适合大型结构件粗定位；A是激光三角测量法特点，C不是该技术精度，D是调频连续波技术参数，故ACD错。课后习题4.激光寻位技术的核心组件包括（）（多选）半导体激光器

滤镜

图像采集装置（CCD/CMOS）力传感器数字信号处理（DSP）模块答案：ABCE解析：课件明确提到激光寻位的核心组件有半导体激光器、滤镜、图像采集装置（CCD或CMOS），且结合数字信号处理（DSP）算法实现高精度测量；力传感器属于力觉传感范畴，并非激光寻位的核心组件，故排除D选项。课后习题5.下列属于激光寻位技术优势的有（）(多选）A.可达微米级甚至亚微米级精度B.非接触式测量，避免接触损伤C.采样频率超10kHz，实时响应D.硬件和维护费用低E.能重建高精度三维点云，适配复杂场景答案：ABCE解析：激光寻位的优势包括超高测量精度（微米级甚至亚微米级）、非接触式测量、快速响应（采样频率超10kHz）、三维建模与复杂场景适配、部分场景抗干扰性好；而“硬件和维护费用低”是错误的，其成本高昂，硬件和维护费用远超电弧跟踪设备，故排除D选项。课后习题6.激光回波分析法适合远距离（250m）测量，精度可达微米级，常用于大型结构件的精确定位。（）答案：错误解析：课件明确说明激光回波分析法适合远距离（250m）测量，但精度较低（±1mm），常用于大型结构件（如船舶分段）的粗定位，而非精确定位，题干中“精度可达微米级”“精确定位”表述错误。课后习题7.结构光传感器通过将（）投射到物体表面，捕捉变形图案后利用（）或三角测量重建三维轮廓，精度可达±0.02mm。答案：编码图案（如条纹、网格）；相位解算解析：课件指出结构光传感器的工作原理是“将编码图案（如条纹、网格）投射到物体表面，通过相机捕捉变形图案，利用相位解算或三角测量重建三维轮廓”，据此可得出填空答案，其精度±0.02mm也是结构光传感器的关键参数特征。课后习题8.简述激光寻位技术在应用过程中的局限性。答案：激光寻位技术的局限性主要包括5个方面：一是成本高昂，硬件和维护费用远超电弧跟踪设备；二是环境敏感性强，强光、反光或透明材质会使测量失效；三是数据处理复杂，三维点云处理需高性能算力，算法开发周期长；四是远距离精度衰减，部分传感器在远距离测量时误差大，无法满足大场景检测需求；五是专业操作门槛高，需定期校准，对技术人员要求高。课后习题9.激光寻位技术的核心原理不包括（

）。A.激光三角测量法B.激光回波分析法C.声波反射法D.调频连续波（FMCW）技术答案：C解析：激光寻位的核心原理包括激光三角测量法、激光回波分析法和调频连续波（FMCW）技术，未涉及“声波反射法”，故选C。课后习题10.激光三角测量法的位移计算公式为Δd=∆x∙L/f∙sinθ，其中L代表（

）。A.透镜焦距B.激光器与相机基线距离C.入射角D.反射光强度答案：B解析：公式中明确“L为激光器与相机基线距离”，f为透镜焦距，θ为入射角，故选B。课后习题11.线激光轮廓传感器的典型扫描速度是（

）。A.≥3000profiles/sB.≤100profiles/sC.500-1000profiles/sD.10-50profiles/s答案：A解析：线激光轮廓传感器“扫描速度高（≥3000profiles/s）”，适用于动态生产线，故选A。课后习题12.激光寻位在多层多道焊接中常用的激光结构光是（