「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的是弧焊焊缝跟踪系统。在焊接过程中，首先应该使电弧与焊缝对中，这是保证焊接质量的关键。焊缝自动跟踪系统是指自动焊接生产过程中，当电弧偏离焊缝时，及时而准确地将电弧调整回到焊缝位置这样一种装置。

随着生产的发展，对产品的焊接质量要求越来越高，同时要求改善工作环境降低焊接工人的劳动强度。焊接自动化是发展方向。在长期的生产实践中，人们已制作了各种各样的自动焊接装置。但如不采用自动跟踪系统，许多零件要求二次加工，以确保装配精度，才能满足自动焊的要求，从而提高了成本。由于焊接作业的特殊性一一焊接变形，许多场合没有焊缝跟踪系统就不能实现自动焊接。因此，人们研制了多种焊缝跟踪系统，焊缝跟踪系统一般由3部分组成：传感器、控制系统、执行机构。传感器的作用就是将被测的物理量转换成与之有对应关系的有用电量，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。根据信号的转换原理传感器可分为：a.机械式或机械 — 电子式传感器；b.电磁感应式传感器；c. 电弧式传感器；d.光学传感器等形式，各有其优缺点。

1、各种传感器简介

1.1机械式或机械—电子式传感器

机械式传感器利用导杆（轮）与工件的接触来导向，原理就像盲人的导杆一样，特别适用于角焊缝和有坡口焊缝的跟踪。但它是靠导杆（轮）与工件的接触来导向，故运行时容易失去跟踪点（因坡口或缝隙的加工装配不均匀引起），为避免此情况，往往要限制焊接速度不能太快；导杆（轮）的磨损也要影响传感器的精度，此外，存在导前误差，但由于机械传感器结构简单，维护方便，不怕电弧的磁、光、烟尘、飞溅等干扰，是国内外研究得最早也最成熟的传感器。

1.2电磁感应式传感器

传感器的电源频率低于10kHz, 习惯上简称为电磁传感器，30~160kHz者称为涡流传感器。电磁感应式传感器实质上是共用一次侧线圈的2个变压器。一次侧线圈绕在中柱上，反极性串联的2个二次侧绕组分别绕在2个侧柱上。当传感器对准焊缝时变压器2个二次侧绕组的感应电压大小相等，相位相反，二次侧电压等千零，当传感器偏离焊缝中心时，2个二次侧绕组上的电压跟着发生变化。传感器偏离焊缝中心的方向、多少决定了变压器二次侧电压的相位和大小。但传感器铁心的饱和磁通密度随温度变化的敏感性大，传感器的安装高度过高，灵敏度降低，过低容易受工件高低不平及振动因素影响，而使工作可靠性降低，而且对工件装配的错边很敏感。较适用于铁磁材料的焊接。

1.3电弧式（摆动式）传感器

当焊炬与焊缝的相对位置变化时，电弧参数（电压、电流）随着改变，电弧式传感器就是从这些变化参数中提取出焊缝位置信号，因为检测信号取自电弧，故没有导前误差，不怕飞溅、烟、光等干扰。70年代，清华大学潘际銮教授采用机械摆动焊炬提取出信号，摆动频率为30Hz左右。日本钢管株式会社从窄间隙旋转电弧焊中受到启发，并把它应用千焊缝跟踪，变摆动式为旋转电弧式，旋转速度达3kHz, 极大地提高检测精度。控制手段上也从检测电流、电压值变为电流、电压的积分值，从而提高了系统的抗干扰能力。电弧传感式是一种很有特色的检测方式。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光学式传感器

光学（包括激光、红外线）式传感器，是目前研究得最多的一类传感器，据统计焊工在手弧焊操作时，有80%的信息来自视觉，用光学方法进行焊缝检测是最有前途的方法之一。光学式传感器有多种形式，用光电管接收信号者习惯上称为光学传感器，用集成光电器件接收信号并用微机进行处理者习惯上称为视觉传感器。

早先的研究，利用白漆在钢板画上与焊缝平行的宽为 1~2 mm 的白线，澳鸽灯光源经透镜在钢板上形成一个长方形光斑，这光斑照射到白线上后，反射光斑经透镜系统照射到装有2只光电接收管的光电元件接收屏上，由2只光电接收管输出信号的相对大小，确定焊枪与焊缝的相对位置。此后，先后出现了三管点阵屏式、六管点阵屏式激光传感器，激光扫描传感器，线阵CCD传感器，面阵CCD传感器，而结构光式激光视觉传感器被认为是目前世界上最先进的焊缝跟踪用视觉传感器。

2、结构光式激光视觉传感器焊缝自动跟踪系统

系统由下面3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。焊缝跟踪系统原理如图1所示，结构图如图2所示。

2.1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上，传感器里的激光二极管发射一束可见激光，经光阑变成一束扇形光带照射到工件上，传感器里有一与激光二极管成一角度设置的CCD摄像机，来自工件表面的反射光就将接头的几何轮廓成像在 CCD 上，利用光学三角法，不但可检测到水平特征，而且传感器与工件间的高度也可确定。

传感器结构示意图如图 3 所示

传感器主要注意问题：光源和CCD。焊接过程中产生的强烈弧光及烟气对视觉传感器来说是极为不利的，可以用以下2种方法解决：a.采用合适频率的光源；b.加强主动光源，提高信号的信噪比弧光的光谱很宽，但在红光与红外段相对平稳，光源频率应选在这一段。激光有光强较大、频带窄的特点，易于从背景光中分离出来，所以在跟踪中，激光采用得较多。再则就是加强主动光源，主要是提高光源的功率，He-Ne激光器功率偏小，一般只有4mW，同时又有千余伏的高压，对现场生产不利。有人采用激光扫描方式，增加局部功率。现激光二极管功率可达到50mW, 可采用结构光式，去除扫描式传感器的扫描传动机构，使传感器简单紧凑，便于现场安装使用。

对CCD的要求有灵敏度、分辨率和精度，最主要一点是避免弥散现象”的发生，这是由于CCD的光电荷包是靠位阱来束缚的，当遇到局部强光时，满阱的电荷会溢出而造成整列光电信号失控，故制造时考虑在位阱附近把溢出的电荷立即吸收并尽量避免强光照射队。

面阵CCD摄像机摄取的图像信息非常丰富，如同人的视觉一样，故也称为视觉传感器，有742 x582个像素，甚至更多，CCD面世之后，在焊缝跟踪方面的应用，很长一段时间采用的是线阵CCD, 这是因为当时焊缝跟踪系统没有配备功能强大的计算机，不能像人一样快速准确辨别出焊缝边缘、点固点、飞溅、氧化物…对获取的信息只能作些简单的处理，如对面阵CCD进行处理根本达不到实时跟踪的要求。如今，因为技术进步，计算机功能强大而价格低廉，通过图像处理、模式识别等各种算法理论的处理，焊缝跟踪系统能够拥有智能，能够像人一样辨别焊缝位置、熔池大小、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。操作软件分成 3 个模块：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机视频信号，并送到图像采集卡，采集卡的作用就是图像的数字化和储存图像，并对视频信号的每一行做卷积分滤波运算，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

这个阶段分析来自采集卡的光带数据，并把它分割成几根线段，例如一个搭接焊缝就由2根成台阶的线段组成，对接焊缝由中间有一断点的2根线段组成。如图4所示。

2.2.3比较模块

这个阶段检查分段模块核定的线段，并把实际看到的焊缝形状与计算机预先储存好的理论上的标准焊缝形状进行比较从而判断出哪些线段构成了焊缝，是何种接头。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

这个阶段根据预先编制好的指令，提取出焊缝信息，利用这些信息就可确定焊缝与焊枪的相对位置，通过发出上、下、左、右的指令给驱动电源。驱动电源驱动伺服电机带动十字滑块做上、下、左、右运动，把焊枪调整到合适位置。如图5所示。

如果传感器与工件高度变化时，激光带成像会偏向一边，如图6所示。

如果传感器与工件（缝隙）相对位置变化时，激光带成像如图7所示。

确定了缝隙在CCD上的位置，也就确定了焊枪与工件的相对位置。通过调节 X、Y 轴电机使缝隙图像成像于CCD的正中心，也就是焊枪正对着焊缝。

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