激光焊缝跟踪传感器的发展状况

焊接自动化具有提高生产效率，优化产品质量和改善劳动条件等优点，能够大力促进制造业经济的发展，而焊缝跟踪技术是实现焊接自动化的必要技术，因此，发展焊缝跟踪技术具有重要意义

焊缝自动跟踪技术概述

焊缝自动跟踪系统一般有传感器、控制器、执行机构三大部分组成，常构成一个闭环反馈系统。焊缝自动跟踪系统是一定程度上的智能控制系统，要提高焊缝跟踪系统的精度，除了在软件方面的改进之外，还需要以上三大部分硬件方面的提升：1、自动跟踪传感器方面。设计更加灵敏的传感器，使系统具有更强的实时性。2、控制器方面。设计功能强、成本低的控制器硬件，设计更加合理有效的协调各自由度运动控制的原理与方法。3、执行机构方面。需要设计出更为合理的自由度配置形式和结构，以保证机构更为轻便、运动灵活。

焊缝跟踪传感器的发展状况

设计和发展智能化的焊接自动化系统是保证焊接质量、提高生产效率、改善劳动条件的重要手段，也是目前焊接技术的发展方向。世界上许多著名的焊接设备设计和制造机构都在努力开发这一领域。焊接过程自动控制系统首先要解 决的问题是焊缝跟踪。经过几十年的设计和实践，焊缝跟踪技术已经取得了长足的进步，而新型传感器的不断出现正是这一进步的标志。

对于焊接传感器，目前还没有形成统一的定义。大家普遍认为，一个传感器，如果能够检测到焊接质量的外部和内部状况（比如坡口变化、溶池子尺寸、温度变化、电弧声光等特征信息），并能将检测值作为信号输出，以监测和控制焊接生产过程，就可以称之为传感器。

焊接传感器是焊缝自动跟踪系统的关键组成部分。在整个系统中的作用是精确检测出焊缝的位置和形状信息并转化为电信号。控制系统之后再对信号进行处理，并根据检测结果，控制自动调节机构调整焊枪位置，从而实现焊缝自动跟踪。

跟踪传感器从原理上来分有多种形式。其中比较重要的有接触式传感器、电磁传感器、直接式的电弧传感器和间接式的光电传感器。

最早使用的是接触式传感器。但是由于磨损大，易变形等，所以不适用于高速焊接。

针对压力容器中采用最多的I型坡口，使用电磁传感器的焊缝自动跟踪系统能较好的实现压力容器焊接过程中的焊缝自动跟踪。其理论基础为电磁理论。对于液压支架的焊接，此种传感器不适合。其原因在于传感器与焊丝之间有一定的距离，难以实现液压支架角型焊缝的实时跟踪。

电磁式传感器按频率分为高频式（涡流传感器）和普通频率式两种，高频式（涡流）传感器的频率为30-160KHz，而普通式的频率低于10KHz。它的不足是容易受到焊接过程中的电磁噪声和工件错边的影响产生电磁误差信号。

声学传感器尤其是超声波传感器结构简单，精度高，价格便宜。超声波传感器主要由超声波发生和接收装置两大部分组成。超声波传感器的测量精度主要取决于超声波的频率，频率越高，误差越小，一般超声波的频率在1.25-2.5MHZ。

超声波传感器不易受焊接中的电磁、光、烟尘等干扰，但需要贴近工件，又对噪声比较敏感，因而容易受到噪声干扰，如CO2焊接的应用中就有一定的限制。

电弧传感器的工作原理：在焊接过程中，焊枪与工件之间的相对位置发生变化时，会引起电弧电压和电流的变化，这些变化都可以作为特征信号被提取出来，用于实现焊枪高低和左右两个方向的跟踪控制。电弧传感器以电弧本身为传感器，相对其它传感器来说，它结构更加简单，保用方便灵活，它的最大优势是它能抗弧光，高温及强磁场能力很强。因为它不受弧光、磁场、飞溅、烟尘等干扰，因而，它具有响应快、精度高，抗干扰强等特点。它的缺点如下：由于它是以电弧本身作为检测元件，所以只有在焊接过程中才能发挥作用。另外，焊枪的摆动或旋转机构比较复杂，电弧各参数间耦合性很强，实际得到的波形未达到预期的效果，故需要对所得的数据进行滤波，且控制量需要根据大量的实验经验来确定，对于无对称侧壁或根本无侧壁的接头形式，现有的传感器不能识别，也不能实现对焊接起始点与终止点的自动检测。国内外已做了很多电弧传感器的焊缝跟踪方面的工作。

电弧摆动的实现有多种方法，可以通过摆动焊炬，也可以是焊炬不动，通过电磁力来驱动电弧摆动，或者将气体吹入电弧中，利用热收缩效应使电弧摆动。

光学传感器精度高、再现性好，可以实现对坡口形状、宽度和截面的检测和焊缝跟踪,为焊接参数的自适应控制提供依据。光电传感器又可以分为基于分立光电元件的单点式光电传感器和能够获得坡口图像信息的视觉传感器。

视觉传感器能够检测坡口二维图像信息，由于其包括的信息多、灵敏度高、动作相应快,成为最新式、功能最强、性能最先进的焊缝自动跟踪传感器。利用视觉传感器的焊缝自动跟踪系统是未来焊接自动化的发展趋势。根据辅助光源形式的不同，焊缝跟踪视觉传感器可以分为基于结构光的视觉传感器和基于光点扫描的视觉传感器。与采用结构光的视觉传感器相比较,采用光点扫描获得二维图像信息的视觉传感器的缺点是所使用的振镜结构复杂,价格昂贵。

视觉传感器所能获得的信息量大，同时，随着计算机技术和图像处理技术的迅速发展，大大提高了焊接系统的外部适应能力。特别是CCD传感器因其可靠的性能、清晰直观的图像和良好的使用效果而得到了普遍的重视。例如，线阵CCD图像传感器,它的白炽灯光通过光导纤维投射在工件上形成圆形光斑，其反射光成像于上方的器件上，由于是线阵（包含个光敏单元），仅获得光斑中与焊缝垂直的一条线的信号，与工件表面对应的光敏单元信号强，与缝隙对应的光敏单元信号弱，用微机处理256这个信号，即可求出焊线中心线的位置，用于自动跟踪。这类传感器由于光斑面积大，如何提高其光照度以获得必要的信噪比是其关健。

单点式光电传感器相对视觉传感器来说，它的结构更加简单，对相应设备的要求条件没那么高，价格更加便宜，在满足跟踪精度要求的条件下，更容易实现产业化，对提高国内的焊接自动化水平大有裨益。但它采集的信息量相对视觉传感器要少，对实验的条件和环境要求较高，抗干扰能力有待提高。

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