3分鐘了解激光焊縫跟蹤技術(shù)
博智慧達(dá)激光焊縫跟蹤系統(tǒng)
01 技術(shù)的概念
焊縫跟蹤傳感器主要由CCD相機(jī)、半導(dǎo)體激光器、激光保護(hù)鏡片、防飛濺擋板和風(fēng)冷裝置組成，利用光學(xué)傳播與成像原理，得到激光掃描區(qū)域內(nèi)各個(gè)點(diǎn)的位置信息，通過復(fù)雜的程序算法完成對常見焊縫的在線實(shí)時(shí)檢測。對于檢測范圍，檢測能力以及針對焊接過程中的常見問題都有相應(yīng)的功能設(shè)置。傳感器通常以預(yù)先設(shè)定的距離(超前)安裝在焊槍前部，因此它可以觀察焊縫傳感器本體到工件的距離，也就是安裝高度取決于所安裝的傳感器型號。當(dāng)焊槍在焊縫上方正確的定位后才能使得攝像機(jī)觀察到焊縫。
設(shè)備通過計(jì)算檢測到的焊縫與焊槍之間的偏差，輸出偏差數(shù)據(jù)，由運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)糾正偏差，精確引導(dǎo)焊槍自動焊接，從而實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)通訊跟蹤焊縫進(jìn)行焊接，就等于是給機(jī)器人裝上眼睛。手工或半自動焊接是依靠操作者肉眼的觀察和手工的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)對焊縫的跟蹤。對于機(jī)器人或自動焊接專機(jī)等全自動化的焊接應(yīng)用，主要靠機(jī)器的編程和記憶能力、工件及其裝配的精度和一致性來保證焊槍能在工藝許可的精度范圍內(nèi)對準(zhǔn)焊縫。通常，機(jī)器的重復(fù)定位精度、編程和記憶能力等已能滿足焊接的要求。
然而，在很多情況下，工件及其裝配的精度和一致性不易滿足大型工件或大批量自動焊接生產(chǎn)的要求，其中還存在因過熱而導(dǎo)致的應(yīng)力和變形的影響。因此，一旦遇到這些情況，就需要有自動跟蹤裝置，用來執(zhí)行類似于手工焊中人眼與手的協(xié)調(diào)跟蹤與調(diào)節(jié)的功能。
02 激光焊縫跟蹤原理
激光焊縫跟蹤傳感器采用激光三角反射式原理，即激光束被放大形成一條激光線投射到被測物體表面上，反射光透過高質(zhì)量光學(xué)系統(tǒng)，被投射到成像矩陣上，經(jīng)過計(jì)算得到傳感器到被測表面的距離（Z軸）和沿著激光線的位置信息（X軸）。移動被測物體或輪廓儀探頭，就可以得到一組三維測量值。所獲得的信息可用于焊縫搜索定位、焊縫跟蹤、自適應(yīng)焊接參數(shù)控制、焊縫成形檢測并將信息實(shí)時(shí)傳遞到機(jī)械手單元，完成各種復(fù)雜焊接，避免焊接質(zhì)量偏差，實(shí)現(xiàn)無人化焊接。
傳感器型號及參數(shù)
03 焊縫跟蹤傳感器的組成部分及功能
CCD相機(jī)
CCD相機(jī)在焊縫跟蹤傳感器中的主要功能就是讀取圖像。用CCD相機(jī)拍攝景物時(shí)，景物反射的光線通過CCD相機(jī)的鏡頭透射到CCD上。當(dāng)CCD曝光后，光電二極管受到光線的激發(fā)釋放出電荷，感光元件的電信號便由此產(chǎn)生。
CCD控制芯片利用感光元件中的控制信號線路對光電二極管產(chǎn)生的電流進(jìn)行控制，由電流傳輸電路輸出，CCD相機(jī)會將一次成像產(chǎn)生的電信號收集起來，統(tǒng)一輸出到放大器。經(jīng)過放大和濾波后的電信號被送到A/D，由A/D將電信號(此時(shí)為模擬信號)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，數(shù)值的大小和電信號的強(qiáng)度即電壓的高低成正比。這些數(shù)值其實(shí)就是圖像的數(shù)據(jù)了。
不過單依靠上一步所得到的圖像數(shù)據(jù)還不能直接生成圖像，還要輸出到數(shù)字信號處理器(DSP)。在DSP中，這些圖像數(shù)據(jù)被進(jìn)行色彩校正、白平衡處理(視用戶在CCD相機(jī)中的設(shè)定而定)等后期處理，編碼為相機(jī)所支持的圖像格式、分辨率等數(shù)據(jù)格式，然后才會被存儲為圖像文件。最后，圖像文件就被寫入到CCD相機(jī)的存儲器上(內(nèi)置或外置存儲器)。
半導(dǎo)體激光器
由光源通過線性發(fā)生器產(chǎn)生功率，密度均勻、直線度高、穩(wěn)定性好，并呈一字線型輸出的激光器。激光器有紅光和藍(lán)光可以選擇，還可根據(jù)客戶具體要求選擇相應(yīng)波長角度及線寬。
濾光保護(hù)鏡片
由于焊接過程中產(chǎn)生的煙塵和飛濺會對數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生一定的影響，所以每個(gè)傳感器使用時(shí)都要裝上一個(gè)濾光保護(hù)鏡片，濾光保護(hù)鏡片一方面是用來保護(hù)激光器相機(jī)的，一方面可以過濾光線。當(dāng)其表面有污垢時(shí)，要及時(shí)進(jìn)行更換。保護(hù)鏡片在安裝更換過程中，任何一點(diǎn)粘物，甚至指甲印過油滴，都會使鏡片吸收率提高，降低使用壽命。所以鏡片的清潔工作不容忽視：
- 安裝時(shí)必須帶手套操作，不能留下任何指紋；
- 不可讓任何東西刮傷鏡片表面；
- 取鏡時(shí)雙手指托拿鏡片邊緣，不可接觸膜層；
- 用清潔的綿紙、擦試紙和光學(xué)級別的溶劑進(jìn)行鏡片清洗。
防飛濺擋板
主要用于阻擋弧光飛濺煙塵等對激光器的干擾，從而使傳感器系統(tǒng)使用時(shí)更加精準(zhǔn)和穩(wěn)定。
風(fēng)冷裝置
由于焊接時(shí)溫度都比較高，現(xiàn)在大部分使用風(fēng)冷系統(tǒng)，一方面是為了給傳感器降溫，一方面是為了延長傳感器的使用壽命。傳感器外殼的防護(hù)等級為IP67，使用合適溫度在5℃-45℃，超過這個(gè)溫度會影響傳感器的使用壽命。如果有必要，可以額外使用一個(gè)水冷的安裝板來對傳感頭進(jìn)行冷卻。
傳感器通過復(fù)雜的程序算法完成對常見焊縫的在線實(shí)時(shí)檢測。對于檢測范圍、檢測能力以及針對焊接過程中的常見問題都有相應(yīng)的功能設(shè)置。設(shè)備通過計(jì)算檢測到的焊縫與焊槍之間的偏差，輸出偏差數(shù)據(jù)，由運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)糾正偏差，精確引導(dǎo)焊槍自動焊接，從而實(shí)現(xiàn)對焊接過程中焊縫的智能實(shí)時(shí)跟蹤。
04 焊接類型
05 發(fā)展及前景
焊縫跟蹤器對于焊接來說可以說是一個(gè)偉大的發(fā)明。
在焊縫跟蹤器領(lǐng)域，進(jìn)口品牌有賽融、Meta，多和ABB、安川、發(fā)那科和庫卡四大家族的機(jī)器人適配，主要用于機(jī)器人焊接。焊縫跟蹤器價(jià)格不菲，整體來說可能比機(jī)器人本體還貴。
國產(chǎn)的激光焊縫跟蹤器有創(chuàng)想、同舟、英萊以及自主研發(fā)品牌博智慧達(dá)，可以與ABB、安川、發(fā)那科、庫卡以及國產(chǎn)機(jī)器人、焊接專機(jī)適配。
在專機(jī)領(lǐng)域，焊縫跟蹤器能滿足多種環(huán)境需求，例如熱水器內(nèi)膽環(huán)縫焊接、空壓機(jī)儲氣筒焊接、鋼瓶環(huán)縫、直縫等。進(jìn)口品牌的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在小直徑圓管的跟蹤，而在長直縫和環(huán)縫方面，國產(chǎn)和進(jìn)口技術(shù)差異不大，成本卻只有進(jìn)口的三分之一到二分之一，市場前景誘人。
隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)焊接跟蹤的自動化與智能化已成為必然趨勢。未來幾年，激光焊縫跟蹤不僅需要技術(shù)更新?lián)Q代，在應(yīng)用拓展方面，更需要通過對客戶應(yīng)用的深入了解，貼近用戶需求，改良產(chǎn)品。
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