智能焊接技术及应用 课件 2.2.4 激光跟踪

智能焊接技术及应用传感类型目录Contents学习目标01激光跟踪02学习总结03一、学习目标理解激光跟踪基于激光测距与定位追踪目标物体的技术原理，掌握飞行时间法、调频连续波等核心测距原理，明晰其在工业焊接等领域的应用逻辑。学习目标熟悉激光跟踪典型设备的工作原理和系统组成，像激光扫描头、高速摄像头、光学传感器及数据处理单元等组件的功能和协同机制。学会激光跟踪在焊接等场景中的操作流程，包括扫描、滤波、特征点提取和路径规划，了解激光跟踪焊接机器人各系统构成。0204对比分析激光跟踪技术的优势与不足，精准掌握其高精度、非接触测量等优点，以及成本高、环境敏感等缺点，能依据实际场景评估适用性。0103应用领域：广泛应用于工业焊接、航空航天、智能驾驶等领域。核心优势：在于非接触测量、高精度（微米级）和强抗干扰能力。技术原理：是一种基于激光测距与定位的高精度动态传感技术，通过发射激光束并接收反射信号，结合飞行时间法（ToF）、调频连续波（FMCW）或相位干涉等原理，实时追踪目标物体的三维位置、姿态及运动轨迹，反映焊缝的几何形状。二、激光跟踪（CST）1.技术原理无过程焊接功能(离线):1.位置跟踪,寻找焊道。2.静态测量侧边的绝对值和相对值，以及高度值。3.静态测量焊道的几何数据：焊道体积和宽度差距。焊接过程中的功能(在线):1.在线焊道引导补偿操作。2.焊道的起始和检测位置检测。2.以线性或离散控制的焊接参数为基础的几何测量值的视觉传感器。二、激光跟踪（CST）二、激光跟踪（CST）激光传感器的工作原理是扫描工件表面。传感器发出一束激光。一个摄像头接收从工件的表面反射的光束。在宽度从24到71毫米的范围，一个梯形光幕探测工件的表面根据传感器的类型。在焊接区内传感器得益于基本的焊道形式的数据的求值软件的支持。传感器系统的编程设计可以满足其他焊道形式和识别工作。二、激光跟踪（CST）2.关键技术类型飞行时间法（ToF）通过测量激光脉冲发射与接收的时间差（Δt）计算距离（d）：d=c∙∆t/2其中c为光速，ToF测量范围广（0.5-250m），但精度较低（±1mm），适用于动态目标粗定位。激光频率随时间线性调制，通过反射信号与发射信号的频率差（Δf）计算距离：d=c∙∆f/2∙df/dt利用激光束的干涉条纹变化检测微小位移，精度可达纳米级，但测量范围受限（<1mm），常用于精密仪器校准。调频连续波（FMCW）相位干涉法​​二、激光跟踪（CST）3.典型设备（1）工作原理：主要设备包括激光扫描头、高速摄像头、光学传感器及配套的数据处理单元。激光测距：采用激光干涉仪（如He-Ne激光）或相位式测距，精度可达±0.01mm。01动态跟踪：通过反射靶球（或合作靶标）实时反馈焊枪/工件位姿，采样频率通常≥100Hz。02闭环控制：机器人根据位姿偏差动态调整路径（如PID控制或阻抗控制）。03二、激光跟踪（CST）（2）典型系统组成焊缝跟踪设备组装和运行组件功能说明激光跟踪头发射激光并接收反射信号（如LeicaAT960支持0.5-40m测量范围）反射靶标安装于焊枪末端或工件表面（耐高温靶标可承受1500℃）控制单元实时解算六自由度（6DoF）位姿数据防护系统防尘/防飞溅设计（如气幕保护光学窗口）精度极高，测量精度可达±0.05mm，远超传统电弧跟踪技术；非接触式测量，避免干扰工件；适应性良好，能对反光、氧化或油污表面进行处理。优势成本高昂，激光传感器及配套算力设备的投入较大；对环境敏感，强环境光或烟尘会降低信号质量；实时性存在挑战，复杂算法会带来毫秒级延迟，需要优化软硬件协同来解决。不足二、激光跟踪（CST）4.激光跟踪的优势与不足二、激光跟踪（CST）5.操作案例扫描：激光传感器固定于机器人未端，基于三角测星原理获得被测物的距离信息，通过扫描焊件采集焊缝坡口的轮廓特征信息，如图（a）所示。滤波：将采集的信息输送入工控机进行滤波及平滑噪声，如图（b）所示。二、激光跟踪（CST）5.操作案例提取特征点：采用2阶导数法与线性拟合相结合的方法定位焊缝特征点的坐标，如图（c）所示。路径规划：经过标定传感器将特征点转换到焊枪坐标系下，转换成机器人的运动轨迹，机器人控制柜接收到位姿信号，驱动机器人移动来引导焊枪运动，实现焊缝的实时跟踪，如图（d）所示。激光跟踪焊接机器人构成：V形坡口工件、机器人系统、送丝焊接系统、激光视觉传感系统和计算机，如图（d）所示；工业机器人系统构成：机器人本体、示教器和控制柜；送丝焊接系统构成：焊枪、送丝机构和焊接电源；激光视觉传感构成：摄像机、激光器、激光器处理器。二、激光跟踪（CST）激光跟踪焊接机器人系统视频来源：/video/BV1uVDdYgECR/?spm_id_from=333.1391.0.0&vd_source=37676f899c88a6610f2f50eb1e23a774三、学习总结激光跟踪通过发射和接收激光信号，利用飞行时间法等原理实时追踪目标物体的三维位置和运动轨迹，在工业焊接等领域发挥关键作用。技术原理回顾典型设备由激光扫描头、高速摄像头等构成，各组件相互配合实现高精度测距和动态跟踪，系统具备防护功能以适应复杂工业环境。设备系统总结激光跟踪精度极高、采用非接触测量且适应性良好，但成本高昂、对环境敏感，实时性也面临挑战，使用时需权衡其利弊。技术优势与局限未来激光跟踪技术将致力于优化软硬件协同，降低成本、提高环境适应性和实时性，拓展在更多领域的应用，助力工业自动化发展。技术发展展望操作流程包括扫描焊件获取轮廓信息、滤波降噪、提取特征点和规划焊枪运动路径，激光跟踪焊接机器人由多个系统协同工作实现焊缝实时跟踪。操作流程梳理智能焊接技术及应用感谢聆听主讲:朱征宇课后习题1.下列哪种激光跟踪关键技术精度可达纳米级，但测量范围受限（<1mm），常用于精密仪器校准（）A.飞行时间法（ToF）B.调频连续波（FMCW）C.相位干涉法D.激光三角测量法答案：C解析：相位干涉法利用激光干涉条纹变化检测微小位移，精度达纳米级，测量范围<1mm，适用于精密仪器校准；A测量范围广但精度低，B兼具精度与范围，D非激光跟踪关键技术，故排除A、B、D。课后习题2.激光跟踪典型设备中，反射靶标的主要功能是（）A.发射激光束并接收反射信号B.安装于焊枪末端或工件表面，实时反馈位姿C.实时解算六自由度位姿数据D.防尘、防飞溅保护光学部件答案：B解析：课件提到反射靶标安装于焊枪末端或工件表面，可实时反馈焊枪/工件位姿，耐高温型还能承受1500℃；A是激光跟踪头功能，C是控制单元功能，D是防护系统功能，均不符合反射靶标作用。课后习题3.激光跟踪焊接机器人的送丝焊接系统不包括以下哪个组件（）A.焊枪B.送丝机构C.焊接电源D.高速摄像头答案：D解析：送丝焊接系统由焊枪、送丝机构、焊接电源构成；D是激光跟踪典型设备的组件，不属于送丝焊接系统，故答案为D。课后习题4.激光跟踪技术的核心优势包括（）（多选）A.非接触式测量，避免干扰工件B.精度极高，可达±0.05mmC.能处理反光、氧化或油污表面D.成本低，软硬件投入少E.不受强环境光和烟尘影响答案：ABC解析：课件明确激光跟踪优势为非接触测量、高精度（±0.05mm）、能处理反光等表面；D和E是其不足，成本高昂且受环境光、烟尘影响，故排除D、E。课后习题5.激光跟踪焊接机器人系统的组成部分包括（）（多选）A.机器人系统（本体、示教器、控制柜）B.送丝焊接系统（焊枪、送丝机构、焊接电源）C.激光视觉传感系统（摄像机、激光器、处理器）D.反射靶标和激光跟踪头E.防护系统（气幕保护等）答案：ABCDE解析：课件指出激光跟踪焊接机器人由机器人系统、送丝焊接系统、激光视觉传感系统构成，且典型设备包含反射靶标、激光跟踪头及防护系统，故所有选项均正确。课后习题6.激光跟踪技术的在线功能包括在线焊道引导补偿操作和焊道起始、检测位置检测。（）答案：正确解析：激光跟踪在焊接过程中的在线功能有在线焊道引导补偿、焊道起始与检测位置检测，与题干表述一致。课后习题7.激光跟踪操作流程包括扫描、滤波、（）和路径规划四个步骤。答案：提取特征点解析：课件明确激光跟踪操作流程为扫描获取轮廓、滤波降噪、提取特征点、路径规划，因此填空处为提取特征点。课后习题8.激光跟踪典型设备的动态跟踪和闭环控制功能分别是什么？答案：动态跟踪功能是通过反射靶球（或合作靶标）实时反馈焊枪/工件位姿，采样频率通常≥100Hz；闭环控制功能是机器人根据位姿偏差，通过PID控制或阻抗控制动态调整路径。课后习题9.激光跟踪技术的核心测距原理不包括（

）。A.飞行时间法（ToF）B.调频连续波（FMCW）C.相位干涉法D.超声波反射法答案：D解析：激光跟踪的核心原理包括飞行时间法、调频连续波和相位干涉法，未涉及“超声波反射法”，故选D。课后习题10.激光跟踪系统中，用于发射激光并接收反射信号的核心组件是（

）。A.反射靶标B.激光跟踪头C.控制单元D.防护系统答案：B解析：“激光跟踪头”是发射激光并接收反射信号的核心组件，反射靶标用于反馈位姿，控制单元处理数据，防护系统防尘防飞溅，故选B。课后习题11.激光跟踪操作流程的正确顺序是（

）。A.滤波→扫描→提取特征点→路径规划B.扫描→滤波→提取特征点→路径规划C.提取特征点→扫描→滤波→路径规划D.路径规划→扫描→滤波→提取特征点答案：B解析：操作流程为“扫描焊件→滤波降噪→提取特征点→路径规划”，故选B。课后习题4.激光跟踪技术的主要局限性是（

）。A.无法检测动态目标B.抗干扰能力弱C.成本高且环境敏感D.只能测量二维数据答案：C解析：激光跟踪的不足为“成本高昂、对环境敏感（强环境光/烟尘影响信号）、实时性挑战”