基于傳感器焊縫跟蹤技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

向進(jìn)，楊芙

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

可以代替人類執(zhí)行體力活動的機(jī)器被稱為機(jī)器人，其中最常見的是工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人的使用場合從物料搬運到各種各樣的生產(chǎn)中，包括檢測質(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，來完成工件的焊接。但在焊接的過程中會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，致使精力浪費和材料損失。這些問題可以通過使用傳感器進(jìn)行焊縫跟蹤和焊縫檢查來輕松解決，傳感器與機(jī)器人機(jī)械手臂的集成方式能改善焊接過程，在各種各樣的焊接狀況下，要求傳感器可以及時的檢測出焊槍偏差，并將焊接狀態(tài)參數(shù)及時準(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)不同的場合，生產(chǎn)情況，了解其優(yōu)缺點。提高經(jīng)濟(jì)價值，從而減少資源的浪費，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程中，焊槍偏離或遠(yuǎn)離焊縫中心點時，系統(tǒng)通過自動識別，自動檢測的方式對焊槍進(jìn)行及時糾偏，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)可以解決以上問題。在焊接智能化技術(shù)發(fā)展的過程，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)化為電信號傳遞給控制系統(tǒng)。待檢測信息被控制系統(tǒng)及時準(zhǔn)確的檢測出來，根據(jù)所檢測的信息，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動調(diào)整焊槍的位置，從而實現(xiàn)焊縫自動跟蹤。在焊縫跟蹤系統(tǒng)發(fā)展的過程中，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，實現(xiàn)焊縫跟蹤。弧焊機(jī)器人上大部分都使用電弧傳感器，在焊接的時候，傳感器根據(jù)焊縫的變化軌跡，及時地對系統(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，實現(xiàn)焊縫自動跟蹤。電弧傳感器的實時性好，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，焊槍的運動軌跡靈活性和可達(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）擺動式電弧傳感器。擺動掃描式電弧傳感器，是人們研究最多、應(yīng)用范圍最廣的電弧傳感器，該傳感器通過電弧相對于坡口的橫向擺動，而得到擺動電弧的中心是否偏離焊縫的信息，從而實現(xiàn)焊縫自動跟蹤。該傳感器特別適用于弧焊機(jī)機(jī)器人中使用，弧焊機(jī)器人使用的過程中不需要擺動裝置，通過機(jī)器人的手臂驅(qū)動焊槍進(jìn)行橫向擺動即可。但受頻率限制，不適合高速焊接，速度過快，則會導(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，通過特定的措施使焊槍發(fā)生旋轉(zhuǎn)；然后，測量焊槍至工件的距離發(fā)生有規(guī)律的變化；最后，來獲得焊槍相對于焊縫的偏移量。該傳感器掃描頻率高，械振動小，動態(tài)性能良好而受到人們的喜愛，其旋轉(zhuǎn)頻率可達(dá)50 ～100Hz。實際上，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準(zhǔn)時，焊絲擁有不同的伸長長度，而造成焊接電流不相等，根據(jù)兩個電流之差即可進(jìn)行跟蹤，即根據(jù)兩電流之和來判別焊槍橫向位置并實現(xiàn)跟蹤。

2.2 接觸式傳感器

接觸式傳感器因為結(jié)構(gòu)簡單，利于操作而大范圍的用于焊縫跟蹤系統(tǒng)。通過電磁感應(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，通過偏差信息，調(diào)整焊槍的運動。不僅可以實現(xiàn)焊縫自動跟蹤，還能進(jìn)行焊接過程中進(jìn)行各參數(shù)進(jìn)行自我調(diào)整，但由于長時間的磨損，測量精度比較低，適用于焊縫細(xì)長，寬大、低精度的場合。

（1）機(jī)械探針式。機(jī)械接觸式傳感器的是通過探針接觸焊縫，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，引起感應(yīng)電勢的變化來測量工件之間的距離，將位置信號傳遞給控制系統(tǒng)，焊槍運動軌跡進(jìn)行修正由控制系統(tǒng)根據(jù)信號的變化來完成。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)簡單、抗電磁和煙塵干擾以及操作方便能力強(qiáng)的優(yōu)點，但是，不同類型的坡口，需要對應(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，故對于高速焊接場合，不適用。

（2）機(jī)械電子式傳感器。該傳感器檢測焊絲與接觸工件時的電壓和微電流變化，通過導(dǎo)桿或者導(dǎo)輪，在焊炬前方探測焊縫位置，以確定接觸點的坐標(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)于在焊接過程中使用，一般用它來做起始檢測，檢測焊接的起始位置。該傳感器結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，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，間接來獲取焊縫。包括聲波、光學(xué)、視覺及其他類型。超聲波傳感器主要利用凹槽反射超聲波來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)行測量，視覺傳感器圖像的清晰和細(xì)膩程度，常用分辨率來衡量，以像素數(shù)量表現(xiàn)。

（1）超聲波傳感器。超聲波傳感器的是運用發(fā)射的超聲波，在介質(zhì)（如，空氣，水等）中傳輸時，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)中的傳播時間，來測量障礙物距的位置。它是利用超聲波本身的特性來設(shè)計的，是一種常見的非接觸式傳感器。該傳感器與接觸式傳感器相比，優(yōu)點突出。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、線和面式。它以紅外光、激光或可見光為光源，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測量物體，將會以一定的角度漫反射，并將一篇單個的明亮光投射到相機(jī)芯片上，這些單個的像素會在芯片上經(jīng)過過濾并相加，最終的結(jié)果會得出一組行數(shù)據(jù)，表示測量物體的真實三維輪廓，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，可以實現(xiàn)復(fù)現(xiàn)連接。

（3）視覺傳感器。視覺的焊縫跟蹤系統(tǒng)通常由三部分組成：視覺傳感器，信號處理器和執(zhí)行器。視覺傳感器及時的獲取焊縫的圖像，并將圖像偏移量反饋信號處理器，以確定焊縫偏移量信息，形成對機(jī)器人位置和視覺檢測的閉環(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)行焊縫跟蹤過程，通常需要焊縫偏差信息的連續(xù)獲得。通過不同的圖像處理方法，來跟蹤焊縫的不同形狀，如覆蓋層，拐角和擋塊。另外，還可以對焊接質(zhì)量進(jìn)行檢測，通過編程功能，可以輕松滿足視覺的焊縫跟蹤系統(tǒng)的實時性能，是一種焊縫跟蹤檢測的有效方式。

視覺傳感器，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。 按照圖像采集過程中，是否使用額外光源，視覺傳感器可分為兩種形式：被動光視覺和主動光視覺，被動光視覺使用焊接電弧光進(jìn)行照明，由攝像機(jī)直接獲取焊縫特征區(qū)域的圖像。主動光視覺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的位置。

3 結(jié)語

（1）直接式電弧傳感器是將電弧本身參數(shù)的變化，用來作為跟蹤信號，該檢測點即是電弧焊接點，實時性能好，適用于低成本焊接，和低精度場合。

（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，通過直接放在焊縫中來檢測焊縫的偏差信號。但由于磨損大且容易變形，只適用于跟蹤中低精度場合。

（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，使用最多的是激光傳感器和視覺傳感器，但其成本昂貴，只適用高精度，小批量條件下。

隨著目前機(jī)器視覺相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，以視覺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，使得視覺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，單個傳感器在信號輸入方面，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)該是實際應(yīng)用的核心。