1、1英国 META 公司激光焊缝跟踪系列产品介绍一、 激光焊缝跟踪技术的基本原理1.1 三角测量原理激光焊缝跟踪技术基于三角测量原理，如图 2 所示。三角测量是一种提取几何信息的方法，有很多应用领域。焊接激光传感器中通常使用一个半导体激光光源结合图像采集器件，来生成焊接接头的一系列三维截面图像。三角测量法最大的优点是其仅仅提供了接头的几何信息，亦即物体的真实三维截面信息。在理论上不受工件的表面状态影响，如表面光照变化或者表面上标记等。但实际上物体的表面反射会对图像信号有一定的影响，需要一些特殊的技术来克服反射噪声的影响。三角测量法的另一个优点是易于从设计上克服环境光照的影响，这在明弧环境下尤为重
2、要。强烈的电弧光会对普通的机器视觉系统产生严重的干扰。图 2 示意了用点状激光测量距工件表面距离的原理。若要测量整个焊接接头的轮廓，需要沿着接头横向测量一系列连续的距离信息，从而形成三维截面轮廓。这可以通过以下两种方式来实现：(1) 采用激光条纹投影到接头上，并用二维面阵 CCD 获取激光条纹的图像。我们称其为条纹式传感器。(2) 沿着接头横向做一维点状激光扫描。我们称其为扫描式传感器。nearsufcefarsufceimagepositni afunctionlaser nsorlaserdistanceactuldistnceofcameraimage positn图 2 三角测量原理二
3、、产品系列：2.1 条纹式传感器顾名思义，其原理是采用激光条纹垂直投射到焊接接头上。条纹的形状因受焊接接头形状影响而产生变形。变形了的条纹图像被与激光器呈一定角度的二维 CCD 或者 CMOS 摄像机采集到计算机中进行信号处理。采用与激光同等波长的光学滤光片滤掉所有的包括弧光在内的杂散光，而只形成激光条纹的图像。这种条纹式传感器的优点是不采用任何移动式部件，坚固耐用，不受电弧光、烟尘、飞溅等干扰。另一个优点是尺寸相对较小，有利于解决焊枪可达性限制问题，这在机器人焊接中尤为重要。2图 3 条纹式传感器原理图 4 所示为典型激光条纹式传感器。对于光学元器件来说焊接环境是很恶劣的，因此焊接用的传感器
4、必须坚固耐用，能够适应各种复杂的环境。图 5 所示为传感器在 MIG 焊应用中使用数月后的状况。图 4 条纹式激光传感器 图 5 现场使用的激光传感器 2.2 点状扫描式激光传感器这是一种比较特殊的传感器。它采用了点状激光而非条纹激光，传感器内的点状激光沿着焊接接头横向进行扫描，同时在线性 CCD 上成像。传感器内部包含了运动部件，设计相对复杂，比普通激光条纹式传感器造价高，灵活性稍差。但在焊接深坡口等特定应用中确实具有很多优点，主要包括：(1) 传感器水平方向分辨率独立于垂直方向的分辨率，这就使得系统能够获得视场宽度小、而景深大的焊接接头图像。(2) 传感器内部激光的扫描宽度是可编程控制的，
5、因此同一个传感器即可以识别大尺寸坡口，也可以对很小的坡口进行精确测量。3(3) 扫描式激光传感器具有很好的抗表面反射的功能，大大提高了反射性接头的识别精度，例如机械加工的 U 形接头。(4) 激光器的功率在每次扫描过程中可以动态调整以获得高质量的图像，这不同于条纹型激光传感器，其整个条纹的激光功率是不变的。图 6 给出了典型的扫描式传感器示意图。图 6 扫描式传感器2.3 多条纹传感器有些应用环境需要传感器能够投射多条激光条纹，例如在机器人焊接复杂形状工件时，多条纹激光的使用提供了除坡口形状外的更多信息，拓展了跟踪系统的功能。Meta 的 Scout 传感器可以发出 5条具有特定模式的激光条纹
6、，图 7 所示为 Scout 搭接接头的图像。多条纹图像不仅提供了接头的位置信息，而且可以判断出焊枪的姿态及各种角度，结合更多复杂的算法，比常规单条纹传感器能够更好的适应复杂的空间曲线等焊接路径。图 7 多条纹激光视觉传感器多条纹传感器也可用于焊接接头特征不明显，不能稳定检测的情况。预精焊埋弧焊管的精焊内焊就是一个很好的实例。预焊工序将管子由内部用 MIG 点固焊接，管壁较薄时，点固焊缝会几乎填满坡口，这给后续精焊内焊的焊缝可靠识别造成很大困难。三条纹传感器在此应用中发挥了明显优势，它使用了更加复杂的图像处理算法，改善了图像识别的灵敏度和可靠性，适合于接头特征不宜识别的环境。4图 8 三条纹传
7、感器在预精焊埋弧焊管上应用2.4 智能型激光传感器(Smart Laser Sensor)激光传感器最新的技术以智能型激光传感器为代表。文中“智能”的意思是图像处理集成在传感器的内部，而不像常规传感器那样，需要额外的图像处理工具。如图 9 所示。由于采用了高速超微型电子元器件，传感器的体积仍然很小，但性能足以进行全画幅的实时图像处理。传感器内部高度集成了先进的可编程逻辑芯片以及嵌入式计算芯片，具有以下优点：(1) 图像采集和图像处理元件紧密集成，使得图像采集和预处理效率大幅提高；(2) 在传感器内部进行图像处理和焊缝识别，使得传感器的数据输出量大幅减少，因此可以采用各种标准的数据接口；5(3)
8、 由于无需外部的图像处理计算机，系统总体的硬件成本减少；图 9 智能型传感器上图显示了安装在焊接专机上的智能型激光传感器，操作者通过手控盒操作，并配有彩色液晶触摸显示屏。传感器采用网络接口输出数据，可以与其他标准控制器和设备相连接。智能型传感器(SLS)的设计初衷是用于焊缝跟踪，但由于其具有分辨率高、图像质量好、运算速度快等优点，使得该传感器也能进行焊接有关的检测用途。SLS 可以在焊前检测焊接接头以确保焊接接6头的加工和装配尺寸在设计允许的范围内，这在海洋管线或者压力容器焊接中特别有用。同样也可以采用传感器检测焊后焊缝的尺寸形貌及表面缺陷，如气孔，咬边等。下图显示了焊缝形貌检测应用。如果焊缝
9、尺寸超出误差允许范围，所测量的值马上以红色警示。传感器同时集成了一个视频摄像机，在测量焊缝尺寸轮廓的同时，也提供该区域的焊缝图像。图 10 焊后表面尺寸检测智能传感器的开发是一个多学科最先进技术综合的结晶，包括光，电，机械设计和嵌入式软件和图像处理技术等。虽然开发成本比较高，但传感器本省优越的性价比和易于集成性为焊接设备制造商提供了最佳的选择。2.5 Smart Laser Pilot (适合用于智能机器人自动化焊接 )主要与 KUKA,MOTOMAN,FANUC,ABB 等世界知名品牌机器人配合使用,用于智能机器人自动化焊接领域.7三、应用领域：META 激光跟踪系列产品主要应用于石油，天然气管道、机械重工、造船、航天、汽车制造、核电、轨道车辆、压力容器、不锈钢柜体等行业、META 公司 28 年来持之以恒，不断开发新的应用产品，以满足市场的需要。
