雙線結構光焊縫跟蹤傳感器及其特性

喬東虓，鄭軍，潘際鑾

(清華大學機械工程系先進成形教育部重點實驗室，北京100084)

雙線結構光焊縫跟蹤傳感器及其特性

喬東虓，鄭軍，潘際鑾

(清華大學機械工程系先進成形教育部重點實驗室，北京100084)

單線結構激光器由于其安裝位置與焊槍有一定的距離，傳感器測量結果并不能完全表示焊槍位置，應用在移動式焊接機器人上會出現難以克服的導前誤差。在此介紹了一種雙線結構光傳感器，它采用兩個線狀激光作為光源，同時在不同位置測量焊縫的相對位置。這樣的結構特點使傳感器在消除焊槍導前誤差、跟蹤彎曲焊縫方面有普通結構光傳感器所不可比擬的優勢。基于此原理，研發了傳感器實物并在移動焊接機器人上驗證了其克服導前誤差的功能。

結構光傳感器；雙線；焊縫跟蹤

0 前言

目前結構光傳感器已廣泛的應用于焊接自動化領域。英國META和加拿大ServoRobot公司是世界領先的結構光傳感器供應商，其傳感器及配套的控制系統、執行機構廣泛地應用于能源、造船等領域中各種設備的自動化焊接制造中。

國內的中科院自動化所、清華大學、華中科技大學等機構也對結構光傳感器進行了深入的研究[1]，主要涉及結構光傳感器的設計、光學系統、圖像處理等。國內廣泛使用的結構光傳感器使用單線激光，可以測量焊縫相對于傳感器的偏差和焊炬高度，在各種有軌道的焊接設備上取得了很好的效果。但是當該種傳感器用于移動式機器人時，由于機器人本身姿態會發生變化，相對于焊縫距離和角度都會變化，單線結構光傳感器不能測量角度變化，給機器人的控制系統帶來問題[2]。

另外，在移動式焊接機器人上面使用單線結構光傳感器，由于傳感器位置和焊槍位置不同，在機器人旋轉時，雖然傳感器跟蹤準確，但焊槍會出現偏差導致導前誤差，通過簡單的記憶和延遲難以消除。

雙線結構光傳感器是對普通單線傳感器的一種重要改進，此傳感器同時采集兩個焊縫的圖像，通過對激光圖像的處理得到傳感器相對于焊縫的位置偏差、高度偏差、角度偏差甚至焊縫的曲率，便于消除導前誤差，也可以為移動機器人的控制提供更多的反饋信號，相對單線結構光傳感器具有很大的優勢。另外，通過合理的設計，還可以使用單個激光器同時產生兩個激光線，使用一個攝像機同時采集兩個圖像，相對于單線激光器，成本基本相同。

1 雙線結構光傳感器的結構

一種簡化的雙線結構光傳感器結構示意如圖1所示。

圖1 一種雙線激光傳感器示意

圖1中，結構光激光發生器1射出的線狀激光經過半反射鏡3反射以后，分為透射光4和反射光5。兩束激光照在工件表面的焊縫上，形成兩個條紋，分別在攝像機8上成像，實現雙線結構光的檢測。通過調整半反射鏡3的位置和角度，還可以實現光束夾角和位置的調整，CCD采集到的兩個圖像如圖2所示。

圖2 雙線結構光傳感采集到的圖像

2 工作原理及特性分析

根據上述傳感器的結構，對傳感器的功能與性能進行理論分析。

2.1 普通平面焊縫的跟蹤

雙線激光傳感器可以同時獲取兩個不同位置的坡口圖像，其中任何一個均可以作為普通單線激光傳感器使用，通過圖像處理得到焊縫偏差信息。

雙線結構光傳感器的主要優勢在于：由于兩個激光線的相對位置在傳感器偏轉時會發生改變，經過圖像處理可以得到傳感器相對于焊縫的角度信息，從而預測焊槍相對于焊縫的位置，減少甚至消除導前誤差，其基本原理如圖3所示。

圖3 雙線激光傳感器消除導前誤差示意

圖3a為傳感器安裝在移動焊接機器人上時的情形，圖3b為傳感器機頭的局部放大。下面分析焊槍傳感器以焊縫三者的位置關系。

圖3b中，dx為待測的焊槍與焊縫距離，d1為第一個激光圖樣計算得到的偏差，d2為第二個激光圖樣計算得到的偏差，以上幾個參數的關系可以用下式描述：

即通過兩個激光圖樣估算的焊槍與焊縫之間的偏差。在圖像處理軟件中，將傳感器與焊槍的距離L作為安裝參數輸入，將計算結果作為傳感器的輸出，作為偏差信號輸入控制器，在焊縫為直線或者局部可近似為直線的情況下，可消除導前誤差。

在上式的分析中，可以從理論上跟蹤偏斜焊縫的精度，L／C越大，精度越低。

2.2 焊縫高度和斜度測量

由圖1可知，該傳感器可以用來測量傳感器距離鋼板的距離。當傳感器高度發生變化時，CCD的兩個焊縫圖樣的位置都會發生左右移動。利用該特點可以得到傳感器距離工件表面的距離，可用于焊槍高度的控制。

根據上述分析結果，除了得到焊槍的偏差以外，通過兩個激光器的輸出結果，還可以計算車體與焊縫之間的角度α

在爬行式弧焊機器人的控制中，機器人坐標系中焊縫的距離和角度是焊縫的兩個空間位置參數，是控制爬行式弧焊機器人最重要的反饋參數。使用雙線激光傳感器可以同時獲得這兩個參數，從而得到機器人相對于焊縫的空間位姿。相比普通的單線激光傳感器，控制系統能夠獲得更多的信息以簡化控制。

2.3 跟蹤曲線焊縫

當線激光平面的法線方向與沿焊縫垂直于鋼板的平面有夾角時，CCD傳感器采集到的圖像相對于垂直的情況會發生畸變，利用此原理可以測量傳感器與測量位置焊縫方向的夾角。

由于采用兩個激光線，使用兩個焊縫位置同時跟蹤，可以測量在不同位置焊縫相對于傳感器的轉角。在跟蹤直線或者近似直線焊縫的情況下，兩個傳感器測量的相對角度差應該是0°，但是在跟蹤曲線焊縫的情況下，由于焊縫的垂直截面方向發生變化，若根據焊縫的特點將焊縫近似為圓弧，則可以求得焊縫局部的曲率半徑，作為控制系統的輸入信號。

根據圖4可以計算出跟蹤曲線焊縫的曲率半徑為：

圖4 從傳感器測量焊縫曲率

實際上，跟蹤曲線焊縫雖然在原理上可行，但是受到CCD分辨率和激光器線的線寬以及焊縫坡口本身加工精度的限制，不具有實用價值。需要今后改進光學器件以及提高CCD分辨率才有可能應用于實際中。

3 實驗驗證

為了驗證以上分析的可行性，設計加工了實際的傳感器，如圖5所示。

圖5 傳感器實物外形

經過測試，使用該傳感器作為普通的單線結構光傳感器，可以達到現有單線激光傳感器的精度(0.1mm)，而且兩個激光線提供的信息融合，提高了傳感器輸出結果的可靠性。

此外，在移動機器人上的實驗表明，該傳感器消除導前誤差的效果良好。

4 雙線激光傳感器的應用

導前誤差廣泛的存在于各種使用結構光視覺傳感器的場合，如爬行式弧焊機器人、爬行式氣電立焊機器人、管焊機、使用激光跟蹤的關節式弧焊機器人等。

由清華大學研制、常州華通焊絲有限公司生產的爬行式氣電立焊機器人是一種用于造船、戶外大型容器制造的全自動焊接解決方案。由于氣電立焊使用特殊的焊槍結構，導致跟蹤焊縫用的激光傳感器安裝位置距離電弧較遠。當機器人轉向時，控制系統保證焊接傳感器始終在焊縫上，但是由于車身可能不完全與焊縫平行，導致電弧位置偏離焊縫中心。使用雙線激光傳感器以后，可以將導前誤差減小到傳感器分辨率的5倍左右，即0.5 mm，保證導電嘴在焊縫的中心，防止由于導電嘴距離坡口兩側過近引起的導電嘴和坡口之間起弧，焊接中斷，燒毀導電嘴。

另外，為了消除移動式焊接機器人在機器人本體和焊縫不完全平行情況下的導前誤差問題，有研究者采用了雙傳感器的方案，在機頭的焊槍前后各安裝一個相對于焊槍姿態固定的單線結構光傳感器，安裝后機頭如圖6所示。

使用設計的雙線激光傳感器，僅需安裝成本相當于單線激光器的一個傳感器，即可實現消除導前誤差的功能。

5 結論

雙線激光傳感器由于使用分光鏡將原結構光傳感器的激光分為兩束，在工件表面形成兩個焊縫圖樣。經過傳感器處理以后可以分別得到兩個傳感器的圖像位置，增加了傳感器的信息量。該傳感器具有如下特點：

(1)可以通過處理兩個數據結果，消除導前誤差。

(2)除了距離信息，該傳感器可以輸出相對于焊縫的角度信息，適用于需要對機頭姿態進行控制的焊接設備，如無軌道焊接機器人。

(3)傳感器可用于彎曲焊縫的跟蹤，能夠近似得到焊縫彎曲情況的主要特征參數。

圖6 移動焊接機器人機頭上安裝的結構光傳感器對

[1]鄒媛媛，趙明揚，張雷，等.結構光視覺傳感器誤差分析與結構分析[J].儀器儀表學報，2008，29(12)：2605－2610.

[2]馬兆瑞，潘際鑾，張虓，等.無軌導全位置爬行弧焊機器人在造船中的應用[J].電焊機，2006，36(3)：16－18.

Dual structure laser vision sensor and its character

QIAO Dong-xiao，ZHENG Jun，PAN Ji-luan
(Key Laboratory for Advanced Materials Processing，Ministry of Education，Department of Mechanical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)

The output of Solo laser structure laser can not reflect the position of welding torch，because of the distance between sensor and torch.And this difference may conduct big problem in some situation such as on mobile welding robot.We will introduce a dual structure laser sensor in the paper.It generates two line laser and measure the offset of seem in different position.This kind of sensor can reduce the error cause by distance between sensor and torch.It is better than single laser type especially tracking curves.We developed a specimen，and the usage on mobile welding robot shows its advantage.

structure laser vision sensor；dual line laser；weld seem tracking

book=14,ebook=350

TG409

A

1001－2303(2010)11－0014－04

2010－10－25

喬東虓(1986—)，男，陜西佳縣人，博士，主要從事焊接自動化技術以及水下焊接方面的研究工作。