基于傳感器焊縫跟蹤技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

向進(jìn)，楊芙

（沈陽(yáng)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

可以代替人類執(zhí)行體力活動(dòng)的機(jī)器被稱為機(jī)器人，其中最常見(jiàn)的是工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人的使用場(chǎng)合從物料搬運(yùn)到各種各樣的生產(chǎn)中，包括檢測(cè)質(zhì)量控制，機(jī)加工和焊接。在機(jī)器人焊接中，焊槍沿焊縫路徑不斷移動(dòng)，來(lái)完成工件的焊接。但在焊接的過(guò)程中會(huì)遇到各種因素的干擾，例如，表面形變和熱工件的變形等，使得焊槍偏離即將要焊接的位置，從而導(dǎo)致焊縫質(zhì)量下降甚至失效，致使精力浪費(fèi)和材料損失。這些問(wèn)題可以通過(guò)使用傳感器進(jìn)行焊縫跟蹤和焊縫檢查來(lái)輕松解決，傳感器與機(jī)器人機(jī)械手臂的集成方式能改善焊接過(guò)程，在各種各樣的焊接狀況下，要求傳感器可以及時(shí)的檢測(cè)出焊槍偏差，并將焊接狀態(tài)參數(shù)及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)送給處理器，以確保焊接質(zhì)量的可靠性。所以傳感器的研究尤其重要，根據(jù)不同的場(chǎng)合，生產(chǎn)情況，了解其優(yōu)缺點(diǎn)。提高經(jīng)濟(jì)價(jià)值，從而減少資源的浪費(fèi)，就顯得十分必要。

1 焊縫跟蹤技術(shù)概述

焊縫跟蹤是指在焊接工件的過(guò)程中，焊槍偏離或遠(yuǎn)離焊縫中心點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)識(shí)別，自動(dòng)檢測(cè)的方式對(duì)焊槍進(jìn)行及時(shí)糾偏，使焊槍始終跟蹤在將要焊接部位的技術(shù)。目前，裝配條件的變化及外在不確定因素的干擾，示教機(jī)器無(wú)法滿足生產(chǎn)質(zhì)量及多樣性的要求，而焊接智能化技術(shù)可以解決以上問(wèn)題。在焊接智能化技術(shù)發(fā)展的過(guò)程，焊接領(lǐng)域的專家學(xué)者采用不同類別的傳感器，用于自動(dòng)辨別焊接條件的改變，從而糾正焊槍的位置，以滿足智能化的要求。

2 焊縫跟蹤傳感器

在焊縫跟蹤系統(tǒng)中，中心部件是傳感器，它能夠檢測(cè)出焊縫具體位置、外部環(huán)境信息、焊口形狀，并將信息狀態(tài)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳遞給控制系統(tǒng)。待檢測(cè)信息被控制系統(tǒng)及時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)出來(lái)，根據(jù)所檢測(cè)的信息，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)整焊槍的位置，從而實(shí)現(xiàn)焊縫自動(dòng)跟蹤。在焊縫跟蹤系統(tǒng)發(fā)展的過(guò)程中，根據(jù)接觸方式，主要有三種方式：電弧式、接觸式和非接觸式。

2.1 電弧式傳感器

電弧傳感器是應(yīng)用焊接電弧現(xiàn)象本身，具體包括電壓、電流、電弧輻射和聲音等，提供焊槍是否偏離焊縫的信息，實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤?；『笝C(jī)器人上大部分都使用電弧傳感器，在焊接的時(shí)候，傳感器根據(jù)焊縫的變化軌跡，及時(shí)地對(duì)系統(tǒng)中的程序并根據(jù)焊縫軌跡進(jìn)行修正，提取電弧中的電流和電壓的變化，實(shí)現(xiàn)焊縫自動(dòng)跟蹤。電弧傳感器的實(shí)時(shí)性好，不需要在焊槍上額外增加任何裝置，降低了傳感器與焊槍之間的視野盲區(qū)，將滯后誤差降到最低，焊槍的運(yùn)動(dòng)軌跡靈活性和可達(dá)目的性最好，尤其契合低成本焊接自動(dòng)化的要求。因此，在20 世紀(jì)90 年代，它成為使用最普遍和效果最理想的焊縫跟蹤傳感器。

（1）擺動(dòng)式電弧傳感器。擺動(dòng)掃描式電弧傳感器，是人們研究最多、應(yīng)用范圍最廣的電弧傳感器，該傳感器通過(guò)電弧相對(duì)于坡口的橫向擺動(dòng)，而得到擺動(dòng)電弧的中心是否偏離焊縫的信息，從而實(shí)現(xiàn)焊縫自動(dòng)跟蹤。該傳感器特別適用于弧焊機(jī)機(jī)器人中使用，弧焊機(jī)器人使用的過(guò)程中不需要擺動(dòng)裝置，通過(guò)機(jī)器人的手臂驅(qū)動(dòng)焊槍進(jìn)行橫向擺動(dòng)即可。但受頻率限制，不適合高速焊接，速度過(guò)快，則會(huì)導(dǎo)致表面靈紋粗大，甚至出現(xiàn)斷裂。

（2）旋轉(zhuǎn)式電弧傳感器。旋轉(zhuǎn)電弧傳感器，首先，通過(guò)特定的措施使焊槍發(fā)生旋轉(zhuǎn)；然后，測(cè)量焊槍至工件的距離發(fā)生有規(guī)律的變化；最后，來(lái)獲得焊槍相對(duì)于焊縫的偏移量。該傳感器掃描頻率高，械振動(dòng)小，動(dòng)態(tài)性能良好而受到人們的喜愛(ài)，其旋轉(zhuǎn)頻率可達(dá)50 ～100Hz。實(shí)際上，它是一種特殊的焊槍。高速旋轉(zhuǎn)增加焊槍位置偏差靈敏度，跟蹤精度極大的改善；快速響應(yīng)的特性也取得了提高，適用于高速焊接和薄板搭接的焊縫跟蹤。

（3）并列雙絲電弧傳感器。并列雙絲電弧傳感器，是使用坡口中心未被焊槍的中心線未對(duì)準(zhǔn)時(shí)，焊絲擁有不同的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度，而造成焊接電流不相等，根據(jù)兩個(gè)電流之差即可進(jìn)行跟蹤，即根據(jù)兩電流之和來(lái)判別焊槍橫向位置并實(shí)現(xiàn)跟蹤。

2.2 接觸式傳感器

接觸式傳感器因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利于操作而大范圍的用于焊縫跟蹤系統(tǒng)。通過(guò)電磁感應(yīng)原理，傳感器探針接觸焊焊縫，從而得到焊槍與焊縫之間的偏差，通過(guò)偏差信息，調(diào)整焊槍的運(yùn)動(dòng)。不僅可以實(shí)現(xiàn)焊縫自動(dòng)跟蹤，還能進(jìn)行焊接過(guò)程中進(jìn)行各參數(shù)進(jìn)行自我調(diào)整，但由于長(zhǎng)時(shí)間的磨損，測(cè)量精度比較低，適用于焊縫細(xì)長(zhǎng)，寬大、低精度的場(chǎng)合。

（1）機(jī)械探針式。機(jī)械接觸式傳感器的是通過(guò)探針接觸焊縫，探針后端插入電磁線圈中，線圈邊加上恒定的電壓，探頭沿焊縫方向移動(dòng)，引起感應(yīng)電勢(shì)的變化來(lái)測(cè)量工件之間的距離，將位置信號(hào)傳遞給控制系統(tǒng)，焊槍運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行修正由控制系統(tǒng)根據(jù)信號(hào)的變化來(lái)完成。機(jī)械探針式傳感器通常情況用于單層焊及角焊縫。目前，在焊縫跟蹤裝置中使用的探針式的傳感器跟蹤精度為0.15mm，探針式傳感器有抗弧光、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗電磁和煙塵干擾以及操作方便能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但是，不同類型的坡口，需要對(duì)應(yīng)不同形狀的探頭，且探頭磨損較為嚴(yán)重，容易產(chǎn)生變形，故對(duì)于高速焊接場(chǎng)合，不適用。

（2）機(jī)械電子式傳感器。該傳感器檢測(cè)焊絲與接觸工件時(shí)的電壓和微電流變化，通過(guò)導(dǎo)桿或者導(dǎo)輪，在焊炬前方探測(cè)焊縫位置，以確定接觸點(diǎn)的坐標(biāo)。為了保證接觸，一般使用300 ～600V 的電壓，頻率約為50 ～60Hz，該傳感器不適應(yīng)于在焊接過(guò)程中使用，一般用它來(lái)做起始檢測(cè)，檢測(cè)焊接的起始位置。該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，不受電弧和煙塵的干擾，但跟蹤精度不高。

2.3 非接觸式傳感器

非接觸式傳感器主要與焊接表面不接觸，間接來(lái)獲取焊縫。包括聲波、光學(xué)、視覺(jué)及其他類型。超聲波傳感器主要利用凹槽反射超聲波來(lái)獲取焊縫的寬度和深度信息，光學(xué)式是依據(jù)光學(xué)原理進(jìn)行測(cè)量，視覺(jué)傳感器圖像的清晰和細(xì)膩程度，常用分辨率來(lái)衡量，以像素?cái)?shù)量表現(xiàn)。

（1）超聲波傳感器。超聲波傳感器的是運(yùn)用發(fā)射的超聲波，在介質(zhì)（如，空氣，水等）中傳輸時(shí)，遇到障礙物體產(chǎn)生反射，然后，由傳感器接收反射的聲波，并依據(jù)聲波在介質(zhì)中的傳播時(shí)間，來(lái)測(cè)量障礙物距的位置。它是利用超聲波本身的特性來(lái)設(shè)計(jì)的，是一種常見(jiàn)的非接觸式傳感器。該傳感器與接觸式傳感器相比，優(yōu)點(diǎn)突出。但是，超聲波傳感器要與焊接工件的表面近距離接觸，容易受到焊接方法和傳感器大小的限制。另外，考慮到外部振動(dòng)和工件表面狀況等的影響，傳感器的應(yīng)用有一定的局限性。

（2）光學(xué)傳感器。光學(xué)傳感器分三種：點(diǎn)、線和面式。它以紅外光、激光或可見(jiàn)光為光源，并使用光電元件為接受單元，從激光二極管發(fā)出的激光束通過(guò)光學(xué)激光標(biāo)線器轉(zhuǎn)變成一條線，如果該激光線遇到一個(gè)測(cè)量物體，將會(huì)以一定的角度漫反射，并將一篇單個(gè)的明亮光投射到相機(jī)芯片上，這些單個(gè)的像素會(huì)在芯片上經(jīng)過(guò)過(guò)濾并相加，最終的結(jié)果會(huì)得出一組行數(shù)據(jù)，表示測(cè)量物體的真實(shí)三維輪廓，從而得到焊縫信息。光學(xué)傳感器用于焊縫跟蹤能夠確保安全焊接和完美焊縫，降低熱負(fù)荷，提高生產(chǎn)率，可補(bǔ)償生產(chǎn)、設(shè)備和操作公差，是焊槍處于理想位置，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)現(xiàn)連接。

（3）視覺(jué)傳感器。視覺(jué)的焊縫跟蹤系統(tǒng)通常由三部分組成：視覺(jué)傳感器，信號(hào)處理器和執(zhí)行器。視覺(jué)傳感器及時(shí)的獲取焊縫的圖像，并將圖像偏移量反饋信號(hào)處理器，以確定焊縫偏移量信息，形成對(duì)機(jī)器人位置和視覺(jué)檢測(cè)的閉環(huán)控制。在焊縫跟蹤中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)器能夠準(zhǔn)確地執(zhí)行焊縫跟蹤過(guò)程，通常需要焊縫偏差信息的連續(xù)獲得。通過(guò)不同的圖像處理方法，來(lái)跟蹤焊縫的不同形狀，如覆蓋層，拐角和擋塊。另外，還可以對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)編程功能，可以輕松滿足視覺(jué)的焊縫跟蹤系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，是一種焊縫跟蹤檢測(cè)的有效方式。

視覺(jué)傳感器，作為性格優(yōu)良的非接觸式焊縫跟蹤傳感器，在接縫跟蹤中起著十分重要的作用。 按照?qǐng)D像采集過(guò)程中，是否使用額外光源，視覺(jué)傳感器可分為兩種形式：被動(dòng)光視覺(jué)和主動(dòng)光視覺(jué)，被動(dòng)光視覺(jué)使用焊接電弧光進(jìn)行照明，由攝像機(jī)直接獲取焊縫特征區(qū)域的圖像。主動(dòng)光視覺(jué)通常使用特殊類型的光源進(jìn)行照明，如線狀結(jié)構(gòu)的光源，具有特殊結(jié)構(gòu)的光在焊縫表面變形，使用工業(yè)相機(jī)捕獲光的變形，然后，進(jìn)行圖像處理以取得焊縫特征點(diǎn)的位置。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）直接式電弧傳感器是將電弧本身參數(shù)的變化，用來(lái)作為跟蹤信號(hào)，該檢測(cè)點(diǎn)即是電弧焊接點(diǎn)，實(shí)時(shí)性能好，適用于低成本焊接，和低精度場(chǎng)合。

（2）接觸式是最早用于焊縫跟蹤的傳感器，它直接用探針接觸工件，通過(guò)直接放在焊縫中來(lái)檢測(cè)焊縫的偏差信號(hào)。但由于磨損大且容易變形，只適用于跟蹤中低精度場(chǎng)合。

（3）非接觸式感器可以在不接觸工件的情況下，提取焊槍和焊縫的之間的偏差信號(hào)，使用最多的是激光傳感器和視覺(jué)傳感器，但其成本昂貴，只適用高精度，小批量條件下。

隨著目前機(jī)器視覺(jué)相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，以視覺(jué)傳感器為核心的傳感器由于能夠提供清晰直觀的圖像、豐富的信息、可靠的性能以及良好使用效果等優(yōu)點(diǎn)，使得視覺(jué)傳感器最適合用于焊縫跟蹤進(jìn)一步研究和不斷推廣使用。其次，單個(gè)傳感器在信號(hào)輸入方面，精確性和可靠性都較低，為了更好地滿足智能系統(tǒng)，對(duì)于環(huán)境信息和系統(tǒng)決策能力的要求，多傳感器相互融合，相互利用必應(yīng)該是實(shí)際應(yīng)用的核心。