激光视觉传感器的原理及其在电弧焊和激光焊接中的应用汨罗

激光视觉传感器的原理及其在电弧焊和激光焊接中的应用

激光视觉传感器的原理及其在电弧焊和激光焊接中的应用 2011年12月03日 来源： 摘要：本文叙述了已开发的激光视觉系统，它能够自动识别焊接接头位置，实现焊头跟随接头位置的自适应控制。该系统是一种完整成套的和低成本的系统激光视觉系统。已成功地应用于管子工程、机械设备、轨道车辆、桥梁、航空器和汽车等产品的制造过程。通过采用激光摄像机来进行接缝跟踪和焊接参数的实时控制，使焊接过程，如埋弧焊、熔化极气体保护电弧焊、钨极氩弧焊甚至激光焊，能够以更低的成本焊出更好的接头。关键词：激光视觉系统；电弧焊；激光焊；应用前言焊接在工业的各个行业中都是一种关键的加工方法。结构件的组焊是复杂的工艺过程，在可编程机器，如多轴联动装置和柔性的关节式机器人出现之前，大部分仍采用手工操作来完成。焊接的自动化可使生产率及焊接接头和部件的质量得到提高，同时降低总成本。然而，焊接机器人和焊接专机都缺少对工件的自适应能力，这点与焊工不一样。因为他们有眼睛和头脑，不用视觉系统和先进的传感器，各种焊接方法都难以智能地自动适应不良的接头装配和焊接变形引起的接头位置的变化。这些问题有时是由于粗糙的加工或由于难以避免的尺寸误差所造成的。表1 示出各种焊接方法和允许的接头位置偏差，为实现这种接头的焊前准备和防止焊接时的变形，需要消耗大量的人力和物力。为此，自1970 年开始就对焊缝跟踪系统进行了大量的研究工作。

表1 可以允许的焊接接头位置偏差

1 焊机的人工视觉对于机械人焊接过程，需要3D 视觉信息。为了在焊接过程中适时引导焊头，就要求每秒钟至少能够处理16,000 个像素。焊接时环境很热，受到强光的照射，这要求激光传感系统必须坚固耐用。激光视觉系统的要求可归接如下：耐热、抗冲击、抗强光辐射和磁场干扰、适宜各种不同的金属表面状况、易于编程和操作结构紧凑、可移动、以每10-100ms 的时间间隔处理数据备、有与机械人和专用焊机的接口软件、联接接头集合参数与焊接参数的适应控制能力、价格适宜（低于焊接机械人价格的一半）。图1 示出应用最广的激光摄像头该摄像头，观察熔池前方30mm 处的图像压缩空气喷嘴保护摄像头的物镜免受焊接烟尘和飞溅的干扰。为了测量焊接接头的几何形状，激光束照射在工件表面上呈现三角形的光场。由于接头形状的差别，设计了不同的激光摄像头。对激光焊接用的摄像头可以以几个微米的精度来确定接头位置，其它摄像头精度可以差一些，但是可以处理大坡口接头。2 自动焊接和机械人焊接采用传感器和过程控制的益处视觉系统用于焊接过程，可以完成的功能如下表2。

表2 激光传感器和控制功能一览表

图1 激光摄像机结构

3 焊接机械人用的一种视觉系统比较实用的一种视觉系统是由几个毫瓦的半导体激光二极管照射接头的三角形视场。通过机械扫描或者圆柱形透镜使激光在接头的横向扫描。线排列的CCD 或者PSD 或者CCD矩阵接受接头的映像。通过三角测量和视觉场的标定，就可以快速计算出接头的尺寸。接头影响的精度和质量受到许多因素的影响：摄像机的大小；距工件表面的距离；视场的大小；分辨度和计算速度；CCD 的动态性能；激光电源的反馈控制；光路系统的质量。由于这种视觉系统的工作条件恶劣，设计和装配一个压缩空气保护喷嘴来保证激光稳定地通过物镜传输到工件，这是极端重要的。还必须使用一个可更换的窗口来保护摄像机的物镜，而可控的空气层流同时可以压缩和冷却前喷嘴，成功的关键是按日程定期维护和更换喷嘴系统。接线不当也常常成为设备运作失败的原因，必须强制采用优质元件和材料以保证长的无故障时间MTBF。必须采用将激光摄像机、过程数据的控制单元与机械人或者专用设备联接起来并进行数据交换。接口应该易于操作，并可以在PC 机上进行编程。摄像机的操作必须与机械人的控制装在一起。有时视觉系统可作为PC 控制焊机单元的一部分。4 应用实例应用领域主要有两大类：一种是板金结构中焊缝多而且很短，另一种时焊接工作量大。几个典型应用实例如下：·加热水罐的焊接：该薄壁水罐要求焊接速度达到2.5m/min，焊接方法是熔化极气体保护焊，焊丝直径为2mm，采用90%氩和10% CO2 混合气体保护。焊接电流为750A，电压为28 30V。·挖掘机零件的多道焊：挖掘机零件常常是铸件，其焊缝位置的重复性不好，因此必须有焊缝监测和控制装置，否则只能用手工焊，但是60 毫米厚的寒风，手工完成是相当艰苦的。因此采用了带有激光视觉系统的熔化极气体保护焊，实现了寻找焊缝、焊缝跟踪、自适应多道焊接。·载重汽车车架的接头自动定位：车架结构有许多短焊缝，为提高生产率，应该实现自动化。如果没有视觉系统，需要靠接触传感器，这就增加了工作周期。采用激光视觉系统在几分之一秒内就实现了接头的定位，包括机器人定位、影像提取和焊枪运动到位等动作。·此外，还用于船体面板组装焊接、载重汽车铝合金染料筒的焊接、管道的多站焊接线、排气管的焊接等。(end)

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