基于传感器焊缝跟踪技术发展现状

向进，杨芙

（沈阳大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110000）

可以代替人类执行体力活动的机器被称为机器人，其中最常见的是工业机器人。工业机器人的使用场合从物料搬运到各种各样的生产中，包括检测质量控制，机加工和焊接。在机器人焊接中，焊枪沿焊缝路径不断移动，来完成工件的焊接。但在焊接的过程中会遇到各种因素的干扰，例如，表面形变和热工件的变形等，使得焊枪偏离即将要焊接的位置，从而导致焊缝质量下降甚至失效，致使精力浪费和材料损失。这些问题可以通过使用传感器进行焊缝跟踪和焊缝检查来轻松解决，传感器与机器人机械手臂的集成方式能改善焊接过程，在各种各样的焊接状况下，要求传感器可以及时的检测出焊枪偏差，并将焊接状态参数及时准确地发送给处理器，以确保焊接质量的可靠性。所以传感器的研究尤其重要，根据不同的场合，生产情况，了解其优缺点。提高经济价值，从而减少资源的浪费，就显得十分必要。

1 焊缝跟踪技术概述

焊缝跟踪是指在焊接工件的过程中，焊枪偏离或远离焊缝中心点时，系统通过自动识别，自动检测的方式对焊枪进行及时纠偏，使焊枪始终跟踪在将要焊接部位的技术。目前，装配条件的变化及外在不确定因素的干扰，示教机器无法满足生产质量及多样性的要求，而焊接智能化技术可以解决以上问题。在焊接智能化技术发展的过程，焊接领域的专家学者采用不同类别的传感器，用于自动辨别焊接条件的改变，从而纠正焊枪的位置，以满足智能化的要求。

2 焊缝跟踪传感器

在焊缝跟踪系统中，中心部件是传感器，它能够检测出焊缝具体位置、外部环境信息、焊口形状，并将信息状态转化为电信号传递给控制系统。待检测信息被控制系统及时准确的检测出来，根据所检测的信息，控制执行机构自动调整焊枪的位置，从而实现焊缝自动跟踪。在焊缝跟踪系统发展的过程中，根据接触方式，主要有三种方式：电弧式、接触式和非接触式。

2.1 电弧式传感器

电弧传感器是应用焊接电弧现象本身，具体包括电压、电流、电弧辐射和声音等，提供焊枪是否偏离焊缝的信息，实现焊缝跟踪。弧焊机器人上大部分都使用电弧传感器，在焊接的时候，传感器根据焊缝的变化轨迹，及时地对系统中的程序并根据焊缝轨迹进行修正，提取电弧中的电流和电压的变化，实现焊缝自动跟踪。电弧传感器的实时性好，不需要在焊枪上额外增加任何装置，降低了传感器与焊枪之间的视野盲区，将滞后误差降到最低，焊枪的运动轨迹灵活性和可达目的性最好，尤其契合低成本焊接自动化的要求。因此，在20 世纪90 年代，它成为使用最普遍和效果最理想的焊缝跟踪传感器。

（1）摆动式电弧传感器。摆动扫描式电弧传感器，是人们研究最多、应用范围最广的电弧传感器，该传感器通过电弧相对于坡口的横向摆动，而得到摆动电弧的中心是否偏离焊缝的信息，从而实现焊缝自动跟踪。该传感器特别适用于弧焊机机器人中使用，弧焊机器人使用的过程中不需要摆动装置，通过机器人的手臂驱动焊枪进行横向摆动即可。但受频率限制，不适合高速焊接，速度过快，则会导致表面灵纹粗大，甚至出现断裂。

（2）旋转式电弧传感器。旋转电弧传感器，首先，通过特定的措施使焊枪发生旋转；然后，测量焊枪至工件的距离发生有规律的变化；最后，来获得焊枪相对于焊缝的偏移量。该传感器扫描频率高，械振动小，动态性能良好而受到人们的喜爱，其旋转频率可达50 ～100Hz。实际上，它是一种特殊的焊枪。高速旋转增加焊枪位置偏差灵敏度，跟踪精度极大的改善；快速响应的特性也取得了提高，适用于高速焊接和薄板搭接的焊缝跟踪。

（3）并列双丝电弧传感器。并列双丝电弧传感器，是使用坡口中心未被焊枪的中心线未对准时，焊丝拥有不同的伸长长度，而造成焊接电流不相等，根据两个电流之差即可进行跟踪，即根据两电流之和来判别焊枪横向位置并实现跟踪。

2.2 接触式传感器

接触式传感器因为结构简单，利于操作而大范围的用于焊缝跟踪系统。通过电磁感应原理，传感器探针接触焊焊缝，从而得到焊枪与焊缝之间的偏差，通过偏差信息，调整焊枪的运动。不仅可以实现焊缝自动跟踪，还能进行焊接过程中进行各参数进行自我调整，但由于长时间的磨损，测量精度比较低，适用于焊缝细长，宽大、低精度的场合。

（1）机械探针式。机械接触式传感器的是通过探针接触焊缝，探针后端插入电磁线圈中，线圈边加上恒定的电压，探头沿焊缝方向移动，引起感应电势的变化来测量工件之间的距离，将位置信号传递给控制系统，焊枪运动轨迹进行修正由控制系统根据信号的变化来完成。机械探针式传感器通常情况用于单层焊及角焊缝。目前，在焊缝跟踪装置中使用的探针式的传感器跟踪精度为0.15mm，探针式传感器有抗弧光、结构简单、抗电磁和烟尘干扰以及操作方便能力强的优点，但是，不同类型的坡口，需要对应不同形状的探头，且探头磨损较为严重，容易产生变形，故对于高速焊接场合，不适用。

（2）机械电子式传感器。该传感器检测焊丝与接触工件时的电压和微电流变化，通过导杆或者导轮，在焊炬前方探测焊缝位置，以确定接触点的坐标。为了保证接触，一般使用300 ～600V 的电压，频率约为50 ～60Hz，该传感器不适应于在焊接过程中使用，一般用它来做起始检测，检测焊接的起始位置。该传感器结构简单，价格低廉，不受电弧和烟尘的干扰，但跟踪精度不高。

2.3 非接触式传感器

非接触式传感器主要与焊接表面不接触，间接来获取焊缝。包括声波、光学、视觉及其他类型。超声波传感器主要利用凹槽反射超声波来获取焊缝的宽度和深度信息，光学式是依据光学原理进行测量，视觉传感器图像的清晰和细腻程度，常用分辨率来衡量，以像素数量表现。

（1）超声波传感器。超声波传感器的是运用发射的超声波，在介质（如，空气，水等）中传输时，遇到障碍物体产生反射，然后，由传感器接收反射的声波，并依据声波在介质中的传播时间，来测量障碍物距的位置。它是利用超声波本身的特性来设计的，是一种常见的非接触式传感器。该传感器与接触式传感器相比，优点突出。但是，超声波传感器要与焊接工件的表面近距离接触，容易受到焊接方法和传感器大小的限制。另外，考虑到外部振动和工件表面状况等的影响，传感器的应用有一定的局限性。

（2）光学传感器。光学传感器分三种：点、线和面式。它以红外光、激光或可见光为光源，并使用光电元件为接受单元，从激光二极管发出的激光束通过光学激光标线器转变成一条线，如果该激光线遇到一个测量物体，将会以一定的角度漫反射，并将一篇单个的明亮光投射到相机芯片上，这些单个的像素会在芯片上经过过滤并相加，最终的结果会得出一组行数据，表示测量物体的真实三维轮廓，从而得到焊缝信息。光学传感器用于焊缝跟踪能够确保安全焊接和完美焊缝，降低热负荷，提高生产率，可补偿生产、设备和操作公差，是焊枪处于理想位置，可以实现复现连接。

（3）视觉传感器。视觉的焊缝跟踪系统通常由三部分组成：视觉传感器，信号处理器和执行器。视觉传感器及时的获取焊缝的图像，并将图像偏移量反馈信号处理器，以确定焊缝偏移量信息，形成对机器人位置和视觉检测的闭环控制。在焊缝跟踪中，执行机构器能够准确地执行焊缝跟踪过程，通常需要焊缝偏差信息的连续获得。通过不同的图像处理方法，来跟踪焊缝的不同形状，如覆盖层，拐角和挡块。另外，还可以对焊接质量进行检测，通过编程功能，可以轻松满足视觉的焊缝跟踪系统的实时性能，是一种焊缝跟踪检测的有效方式。

视觉传感器，作为性格优良的非接触式焊缝跟踪传感器，在接缝跟踪中起着十分重要的作用。 按照图像采集过程中，是否使用额外光源，视觉传感器可分为两种形式：被动光视觉和主动光视觉，被动光视觉使用焊接电弧光进行照明，由摄像机直接获取焊缝特征区域的图像。主动光视觉通常使用特殊类型的光源进行照明，如线状结构的光源，具有特殊结构的光在焊缝表面变形，使用工业相机捕获光的变形，然后，进行图像处理以取得焊缝特征点的位置。

3 结语

（1）直接式电弧传感器是将电弧本身参数的变化，用来作为跟踪信号，该检测点即是电弧焊接点，实时性能好，适用于低成本焊接，和低精度场合。

（2）接触式是最早用于焊缝跟踪的传感器，它直接用探针接触工件，通过直接放在焊缝中来检测焊缝的偏差信号。但由于磨损大且容易变形，只适用于跟踪中低精度场合。

（3）非接触式感器可以在不接触工件的情况下，提取焊枪和焊缝的之间的偏差信号，使用最多的是激光传感器和视觉传感器，但其成本昂贵，只适用高精度，小批量条件下。

随着目前机器视觉相关技术的不断发展，以视觉传感器为核心的传感器由于能够提供清晰直观的图像、丰富的信息、可靠的性能以及良好使用效果等优点，使得视觉传感器最适合用于焊缝跟踪进一步研究和不断推广使用。其次，单个传感器在信号输入方面，精确性和可靠性都较低，为了更好地满足智能系统，对于环境信息和系统决策能力的要求，多传感器相互融合，相互利用必应该是实际应用的核心。