先进激光视觉传感技术及其在焊接中的应用（下）

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4. 双传感技术

    在焊缝检测时，除了要检测焊缝宽度、余高、咬边等焊缝成形有关的几何参数，还要检测焊缝上细小的气孔等表面缺陷。采用双传感技术的激光视觉传感器在焊缝上投射一道激光条纹，由两个传感器来获取测距图像。如图8 所示，其中一个传感器的视场较大，用于检测焊缝成形参数，另一个传感器的视场较小但具有较高的分辨率，集中在焊缝表面，用于检测焊缝上可能的细小气孔。

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    图9 是采用双传感技术的PX—10/ 25 激光视觉传感器进行轿车车身激光钎焊焊缝自动检测的照片。

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    5. 多层焊功能

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    激光视觉传感的多层焊功能是专门针对大厚板多层多道焊的焊缝跟踪与自适应参数调整的需求而开发的。根据不同的参数设置，激光传感器可以识别根部焊道和随后各层焊道的轮廓图像，获得焊缝的跟踪点，并能根据焊缝坡口的截面规划每一焊道的焊接参数。多层焊功能既可用于焊接专机，也可用于机器人焊接。但由于不同厂家的机器人对多层多道焊功能的支持是不一样的，所以，目前只有一部分机器人可以和激光视觉传感的多层焊功能配合使用。图10 是采用M—SPOT 激光视觉传感器的推土机构件的机器人自适应多层焊接的照片。

 

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    6. 集成化

    激光视觉传感的集成化体现在3 个方面: 多功能的集成、不同传感方法的集成和传感器与控制器的集成。

    ( 1) 多功能的集成 Digi —Las 系统就是多功能集成的典型代表。如图11 所示，系统集成了焊前接头装配检验、高速焊缝跟踪、激光焊接头、自适应过程参数控制、激光焊熔池监视、焊后焊缝质量检测六种功能。Digi —Las 采用了一前一后的两个激光视觉传感器，中间为激光焊接聚焦装置和监视焊接熔池的CCD。前面的激光条纹用于检测并记录反映装配质量的错边、间隙及接头位置等参数，并实现高速焊缝跟踪功能和激光焊接过程参数的自适应调整功能。后面的激光条纹用于检测焊缝的几何形状和焊接缺陷并进行记录。图12 是Digi - Las 激光焊接头在汽车TWB 激光拼焊中应用的照片。

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    ( 2) 不同传感方法的集成 图13 所示的Digi —I/ S

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    传感器在激光视觉传感的基础上集成了电弧声音传感器。传感器在具有激光视觉传感的焊缝跟踪与自适应焊接参数控制功能的同时，还能探测电弧发出的声音，用于MIG/ MAG 焊短路过渡等的过程质量监控。图14 所示的Robo —Pal 传感器内部集成了超声传感器，可实现长距离的位置探测，有两个十字交叉的激光视觉传感实现对目标物体的精确定位。这种传感器主要用于机器搬运、装卸等。

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    ( 3) 传感器与控制器的集成 随着电子技术的发展，现在的激光视觉传感技术已经可以把激光传感器的控制器部分集成到传感器的内部，从而使激光视觉传感系统使用和维护更为简单，同时降低成本。图14中的Robo —Pal 传感器内部已经集成了系统的控制系统。图15所示的Sense —i/ D 传感器的控制系统也已经嵌入传感器内部，传感器可向外提供模拟接口、数字IO 接口和以太网接口，可以方便地和机器人或专机进行配套集成。

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    7. 小型化

    在很多自动化焊接应用中，工件的形状或者工装夹具很复杂，这就降低了焊枪的可达性。因此，希望传感器的体积越小越好。随着集成度的提高，出现了很多小体积的传感器，当前体积最小的激光视觉传感器，包括防飞溅保护装置在内，其大小尺寸仅为35mm×34mm×125mm。

    8. 网络化

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    随着精益生产、网络制造等先进制造思想的发展与推广，制造企业对设备网络化功能的需求也越来越多，激光视觉传感也从原有的单机系统向网络化的方向发展。新型的激光传感器或系统已经具有工业以太网接口，可以很方便地与机器人或CNC 专机、PLC、焊接电源及PC等构成一个网络化的生产制造系统。图16 和图17 分别是适合机器人和CNC 专机的IT—WELDTM 网络平台。I T—WELD 网络平台可以驱动多激光传感头，实现网络化的激光视觉和过程控制，从而实现智能制造过程。

 

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    三、结语

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    在市场竞争的驱动下，自动化的焊接生产制造过程对传感技术、质量监控与保证技术的需求越来越迫切。在很多自动化焊接制造场合，没有传感器和自动检测手段，生产质量和成本将是难以接受的。以上所述的激光视觉传感新技术正是为满足自动焊接过程的需求而在近几年内发展起来的。在电弧焊、激光焊及火焰切割或等离子切割等领域，它们已为焊接工业提供了焊缝搜索定位、焊缝跟踪、焊接参数自适应控制、焊缝成形及缺陷的检测等许多可靠的工业应用。这些新技术将为自动化焊接制造过程提供一些新的解决方案或思路。但是，由于焊接过程传感与控制的复杂性，即使是这些最新发展的激光视觉传感技术，仍难以完全满足各种各样的焊接过程的需求。因此，目前还有很多的公司或科研机构正为新的、更为可靠的或者成本更低的传感技术和手段而努力。