「知识点分享」结构光式激光视觉传感器的焊缝跟踪系统

焊缝跟踪系统一般指弧焊缝跟踪系统。在焊接过程中，电弧应与焊缝对齐，这是保证焊接质量的关键。焊缝自动跟踪系统是指在自动焊接生产过程中，当电弧偏离焊缝时，及时准确地将电弧调整回焊缝位置的装置。

随着生产的发展，对产品焊接质量的要求越来越高，需要改善工作环境，降低焊工的劳动强度。焊接自动化是发展方向。在长期的生产实践中，人们制造了各种自动焊接装置。然而，如果不使用自动跟踪系统，许多零件需要二次加工，以确保装配精度，以满足自动焊接的要求，从而提高成本。由于焊接作业的特殊性，许多情况下没有焊缝跟踪系统就无法实现自动焊接。因此，人们开发了多种焊缝跟踪系统，一般由三部分组成：传感器 、控制系统 、执行机构。传感器的功能是将和控制的要求，传感器的相对应的有用电量，以满足信息处理和控制的要求。控制系统对来自传感器的信号进行分析处理，得到控制信号。执行机构一般由电机和十字滑块组成，伺服电机由控制信号控制。传感器根据信号转换原理可分为：a.机械或机械 — 电子传感器；b.电磁感应传感器；c. 电弧传感器；d.光学传感器等形式各有优缺点。

1.介绍各种传感器

1.机械或机械-电子传感器

机械传感器采用导杆（轮）与工件的接触，原理与盲导杆相同，特别适用于角焊缝和坡焊缝的跟踪。但是，它是由导杆（轮）与工件的接触引导的，因此在运行过程中很容易失去跟踪点（由于坡口或间隙的加工装配不均匀），以避免这种情况 ，焊接速度不宜过快；导杆（轮）的磨损也会影响传感器的精度。此外，还存在导向误差，但由于机械传感器的结构 简单，维护方便，不怕磁、光、烟、飞溅等电弧干扰，是国内外研究最早、最成熟的传感器。

1.2电磁感应传感器

传感器的电源频率低于10kHz, 习惯上简称为电磁传感器，30~160kHz它被称为涡流传感器。电磁感应传感器本质上是两个共用一次侧线圈的变压器。一次侧线圈绕在中柱上，两个反极性串联的二次侧绕组分别绕在两个侧柱上。当传感器对准焊缝时，变压器两个二次侧绕组的感应电压相等，相位相反，二次侧电压相等。当传感器偏离焊缝中心时，两个二次侧绕组上的电压随之变化。变压器二次侧电压的相位和大小取决于传感器偏离焊缝中心的方向。但传感器铁芯的饱和磁通密度随温度变化而变化，传感器的安装高度过高，灵敏度降低 ，过低容易受到工件不均匀和振动因素的影响，降低工作可靠性，对工件装配的错边非常敏感。更适合焊接铁磁材料。

1.电弧(摆动)传感器

当焊接火炬和焊缝的相对位置发生变化时，电弧参数（电压、电流）发生变化，电弧传感器从这些变化参数中提取焊缝位置信号，因为检测信号来自电弧，没有导向误差，不怕飞溅、烟雾、光等干扰。20世纪70年代，清华大学潘际銮教授用机械摆动焊炬提取信号，摆动频率为30Hz左右。日本钢管有限公司受到窄间隙旋转电弧焊的启发，并采用千焊缝跟踪，变摆动为旋转电弧，旋转速度为3kHz, 大大提高了检测精度。从检测电流、电压值到电流、电压的积分值，从而提高了系统的抗干扰能力。电弧传感是一种非常独特的检测方法。但对焊机、焊丝的要求较高，否则杂乱的短路过渡过程会影响跟踪信号的提取。

1.4光学传感器

光学(包括激光、红外)传感器，是目前研究最多的传感器， 据统计，在手弧焊操作中，80%的信息来自视觉，光学焊缝检测是最有前途的方法之一。光学传感器有很多种 形式上，用光电管接收信号的人习惯上称为光学传感器，用集成光电器件接收信号，用微机处理的人习惯上称为视觉传感器。

早期的研究使用白漆平行于钢板画和焊缝 的宽为 1~2 mm 对于白线，澳鸽光源通过透镜在钢板上形成矩形光斑。光斑照射到白线上后，反射光斑通过透镜系统照射到装有两根光电接收管的光电元件接收屏上。焊枪和焊缝的相对位置由两根光电接收管的输出信号确定。此后，出现了三管点阵屏、六管点阵屏激光传感器， 激光扫描传感器，线阵CCD传 感器，面阵CCD结构光激光视觉传感器被认为是世界上最先进的焊缝跟踪视觉传感器。

2.结构光激光视觉传感器焊缝自动跟踪系统

系统由以下三部分组成：a. 激光视觉传感器； b. 焊缝跟踪控制器；c. 十字滑块。焊缝跟踪系统的原理如图1所示，结构图如图2所示 。

2.激光视觉传感器

小巧紧凑的激光视觉传感器一般安装在焊矩边缘。传感器中的激光二极管发射一束可见激光，通过光阑变成一束风扇光带照射到工件上。传感器中有一个角度与激光二极管设置CCD摄像机 ，工件表面的反射光将接头的几何轮廓成像 CCD 采用光学三角法，不仅可以检测到水平特征，还可以确定传感器和工件之间的高度。

传感器结构示意图如图所示 3 所示

传感器主要注意：光源和CCD。焊接过程中产生的强弧和烟雾对视觉传输有影响 感器极其不利，可用以下两种方法解决：a.采用适当频率的光源；b.加强主动光源，提高信号的信噪比弧光的光谱很宽，但在红光和红外段相对稳定，应选择光源频率。激光具有光强大、频带窄的特点，易于从背景光中分离，因此激光在跟踪中应用较多。加强主动光源，主要是提高光源功率，He-Ne激光功率小，一般只有4mW，同时，高压千余伏，不利于现场生产。有些人使用激光扫描来增加局部功率。现在激光二极管的功率可以达到500mW, 扫描传感器的扫描传动机构可采用结构光式去除，使传感器简单紧凑，便于现场安装使用。

对CCD灵敏度、分辨率和精度的要求 ，最重要的是避免弥散，这是因为CCD光电荷包缚的光电荷包， 当遇到局部强光时，全套电荷会溢出，导致整个光电信号失控。因此，在制造过程中，考虑立即吸收位置陷阱附近溢出的电荷，并尽量避免强光照射队。

面阵CCD相机摄取的图像信息非常丰富，就像人类的视觉一样，所以它也被称为视觉传感器，有742 x582个像素甚至更多 ，CCD面世之后 ，应用于焊缝跟踪， 长期使用的是线阵CCD, 这是因为焊缝跟踪系统没有配备强大的计算机，焊缝边缘、点固点、飞溅、氧化物不能像人一样快速准确地识别…只能简单地处理获得的信息，比如对面阵列CCD处理不能满足实时跟踪的要求。如今，由于技术进步，计算机功能强大，价格低廉。通过图像处理、模式识别等各种算法理论的处理，焊缝跟踪系统可以智能识别焊缝位置、熔池大小和工件的三维尺寸…

2.2焊缝跟踪控制器

控制器包括图像采集卡、工业PC、电源 、电机驱动放大和接口电路。操作软件分为 3 模块：分段模块、比较模块、提取模块。

2.2.1图像采集卡

控制器接收来自传感器的摄像头视频信号，并将其发送到图像采集卡。采集卡的功能是图像的数字化 并存储图像，并对视频信号的每一行进行卷积分滤波操作。滤波器知道光带的宽度和形状 ，并沿着每条视频线寻找相匹配的光带。

2.2.2分段模块

本阶段分析了采集卡的光带数据，并将其分为几个线段。例如，一个搭接焊缝由两个线段组成，对接焊缝由中间有一个断点的两个线段组成。如图4所示。

2.2.3比较模块

现阶段检查分段模块批准的线段，理论上预先存储实际焊缝形状和计算机 比较标准焊缝的形状，判断哪些线段构成 什么样的接头是焊缝。标准焊缝包括搭接焊缝、对接焊缝、角焊缝和V形坡口焊缝。

2.2.4提取模块

本阶段根据预先编制的指令提取焊缝信息 ，通过发出上、下、左、右的指令，确定焊缝和焊枪的相对位置。驱动电源驱动伺服电机驱动十字滑块上、下、左、右运输 移动，将焊枪调整到合适的位置。如图5所示。

如图6所示，激光带成像在传感器和工件高度变化时会偏向一侧。

激光带成像如图7所示，如传感器与工件(缝隙)相对位置发生变化。

确定缝隙在CCD焊枪和工件的相对位置由上部位置确定。通过调整 X、Y 轴电机使缝隙图像成像CCD中心，也就是 焊枪正对着焊缝。

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