天津大学 硕士学位论文
激光扫描式焊缝跟踪传感器的研究 姓名：周学斌
申请学位级别：硕士 专业：精密仪器及机械
指导教师：杨学友
20070101
中文摘要
机器人自动焊接技术是现代焊接技术的重要研究领域之一，在自动化焊接 中，检测和引导是焊接质量的保证，因此，焊缝跟踪传感技术是实现机器入自动 焊接的重要前提，本文分析了焊缝自动识别与跟踪技术的国内终现状，对比了不 同类型的焊缝跟踪传感器，设计了以线阵ＣＣＤ作为光电接收器件，基于激光三角 法和转镜扫攒技术的激光扫描式焊缝跟踪传感器。
本文所设计的激光扫描式传感器以红外点状激光作为光源，通过转镜扫描系 统对王件进行逐点扫描，最后岗成像透镜成像在线阵ＣＣＤ上。本文依据直射式三 角法设计了焊缝跟踪传感器的光路，并根据系统的分辨率和测量范围确定了光路 参数。根据转镜扫描技术设计了一种符合传感器系统要求的转镜扫播系统。
本文分析ＣＣＤ基本结构、工作原理和驱动脉冲时序逻辑的基础上，设计了基
于复杂可编程逻辑器件（Ｃ甩Ｄ＞技术的线阵ＣＣＤ驱动电路，并根据ＣＣＤ模拟输
出信号的特点，实现了用于ＣＣＤ输出信号数字化处理的高性能放大滤波电路和 Ａ／Ｄ转换电路。
本文完成了激光扫描式焊缝跟踪传感器实验装置的设计、制作和调试，包括 各部分机械结构的设计和线阵ＣＣＤ硬件电路板的制作，并进行了测量实验，实现
了图像信息的采集和上传，实验结果验证了设计原理，提出了下一步工作的要求。
关键词；焊缝跟踪转镜扫描激光三角法线阵ＣＣＤ
ＣＰＬＤＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｗｅｌｄｉｎｇ ｒｏｂｏｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｏｎｅｏｆ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｉｅｌｄｓ ｏｆ
ｍｏｄｅｍ
ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｉｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｗｅｌｄｉｎｇ，ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｉＳ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅｑｕａｌｉｔｙ
ｏｆｗｅｌｄｉｎｇ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｗｅｌｄｉｎｇ
ｓｅａｍ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｅｎｓｏｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉＳ ｔｈｅ ｐｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｗｅｌｄｉｎｇ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ．１ｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａｆｔｅｒ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｂｏｔｈ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ａｎｄ ｏｖｅｒｓｅａｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ
ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｅａｍ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｃｋｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｓｗｅｌｌ
ａｓ
ｃｏｎｔｒａｓｔｉｎｇ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｓｅａｍｔｒａｃｋｉｎｇ
ｓｅｎｓｏｒ，ａ ｌａｓｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｓｅａｍ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｅｎｓｏｒ ＩＳ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｉＳ
ｂａｓｅｄ
ｏｎＬａｓｅｒ ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｏｔａｔｉｎｇ ｍｉｒｒｏｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄｕｓｅｓ ａｌｉｎｅａｒ ＣＣＤａｓｔｈｅ ｒｅｅｅｐｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ｏｆ ｌｉｇｈｔ－ｓｐｏｔ。
Ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｓｅａｍ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｅｎｓｏｒ ＵＳｅＳ ａ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｐｏｔｔｅｄ ｌａｓｅｒ
ａｓ
ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ，ａｆｔｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｗｏｒｋ ｐｉｅｃｅ ｐｏｉｎｔ－ｔｏ－ｐｏｉｎｔ ｂｙ ｔｈｅ Ｒｏｔａｔｉｎｇ ｍｉｒｒｏｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｆｉｎａｌｌｙ ｆｏｒｍｓ ｉｍａｇｅ ｏｎ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ＣＣＤ．１１１ｅ ｌｉｇｈｔ ｐａｔｈ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｒａｃｋｉｎｇｓｅｎｓｏｒ ｉＳ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄｏｎ ｓｔｒａｉｇｈｔ ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｌｉｇｈｔ ｐａｔｈ ｉＳ ｃｅｒｔｉｆｉｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ
ｒａｎｇｅ．Ｔｈｕｓ
ａＲｏｔａｔｉｎｇ ｍｉｒｒｏｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｉｃｈ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ
ｓｅｎｓｏｒ
ｓｙｓｔｅｍ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ＩＳ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ饿ｅ ｂａｓｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆ ＣＣＤ。ａｓ ｗｅｌｌ
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ｌｏｇｉｃ ｏｆ ｄｒｉｖｉｎｇ ｐｕｌｓｅ，ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｌｉｎｅａｒ ＣＣＤ ｂａｓｅｄｏｎ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ＣＰＬＤ ｉＳ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ饿ｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｏｆ ＣＣＤ ａｎａｌｏｇ ｏｕｔｐｕｔ ｓｉｇｎａｌ，ｈｉｇｈ．ｐｏｗｅｒｅｄ ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ｆｉｌｔｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ
ａｎｄ加ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ
ｃｉｒｃｕｉｔｆｏｒ
ｔｈｅ ｕｓａｇｅ ｏｆ ｄｉｇｉｔｉｚｉｎｇ ｏｆＣＣＤｏｕｔｐｕｔ ｓｉｇｎａｌｓ ｉＳ ｒｅａｌｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｄｅｖｉｃｅ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．
ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ。ａｎｄ ｄｅｂｕｇｇｅｄ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｏｆ ｅａｃｈ ｐａｒｔ ｉＳ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄ ｌｉｎｅａｒ ＣＣＤ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ ｉｓ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄａｓ
ｗｅｌｌ．Ｔｈｒｏｎｇｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎＬ ｉｍａｇｅ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｕｐｌｏａｄ ｉＳ ｒｅａｌｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔ ｃｅｒｌ：ｉｆｉｅｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．ａｎｄ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｆｏｒｎｅｘｔｗｏｒｋ ｉＳ ａｌｓｏ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．ＫＥＹ
ＷＯＲＤＳ：ｗｅｌｄｉｎｇ
ｓｅａｍｔｒａｃｋｉｎｇ；ｒｏｔａｔｉｎｇ
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独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表
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书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中
作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：黼 签字日期：）∞７ 年／月如Ｅｔ
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学位论文作者签名：《将氓
导师签名：‘≠众．
签字日期：油７年／月ⅪＥｔ 签字日期：勋７ 年，月如同
第一章绪论
．１。｛引言
第一章 绪论
焊接是一种将材料永久连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。焊接 技术在国民生产中的有着越来越重要的地位，哥前几乎所有的产品，从几十万吨 臣轮到不足ｌ克的微电予元件，在生产中都不同程度地依赖焊接技术。焊接已经 渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、可靠性和寿命以及生产的成 本、效率和市场反应速度。我国２００５年的钢产量预计达３亿吨，成为世界最大的 钢材生产国和消费匡。嚣前，钢材是我国最主要的结构材料，在今后２０年钢材仍
将占有重要的地位。由于焊接结构具有重量轻、成本低、质量稳定、生产周期短、
效率高、市场反应速度快等优点，焊接结构的应用日益增多。与世界工业发达国 家一祥，我国焊接加工豹钢材总量比其他加王方法多。因此，发展我国制造业，
尤其是装备制造业，必须高度重视焊接技术的同步提高。
焊接时焊接对象的状态参数是否准确，直接影响着产品焊接的强度、性能 的好坏。比如根据焊缝的宽度、深度、坡口的类型等，实时调整焊剂送入量、焊 接方式等，这就需要实时测量。同时，焊接过程一般都由工业机器人自动完成，
实现高质量的焊接，也需要通过测量信息对机器人的焊接路径进行实时引导。
目前，有三种焊接方法：手工、遥过机械操作、计算机实现的自动。每种 方法在某种程度上依赖于操作技巧和干扰，很多鞠素决定了焊接质量，并且要 花费大量的时间进行操作训练。几年来，计算机技术的飞速发展带动了焊接自 动化的巨大进步。随着先进制造技术的发展，实现焊接产品制造的自动化、柔 性化与智能化已成为必然趋势强】。
．１．２当今的焊接自动化技术
焊缝自动跟踪是现代焊接技术的一个重要方面，糟确的焊缝跟踪是保证焊 接质量的首要关键。尽管焊缝跟踪技术得到了很大的发展，但由于焊接是一个 非常复杂的过程，焊接生产中工件的加工误差、热变形、电磁干扰、卡其误差 及其它各种干扰因素的影噙，致使研究成果的实震纯进程十分缓慢。研究和发 展自动化、智能化焊接过程控制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，是未来焊接技术的发展方向。世界上许多著名焊接设备研
第一章绪论
究和制造机构都在努力开发这一领域。
近年来，随着焊接自动化以及机器人焊接技术的发展，焊缝自动跟踪系统 的研制和应用显得越来越重要，焊缝自动跟踪系统一般由传感器、信息处理系 统和跟踪执行机构组成。在焊接过程中传感器不断检测关焊缝中心位置的信息，
信息处理机构则对偏差信息进行处理，缛出焊缝的中心位置，然后输出控制信 号是执行机构产生所需的运动，实现焊缝的实时跟踪．近年来，运用计算机视觉、
数字图像处理、模式识别、智能控制等当代高薪技术，焊缝跟踪研究已取得了
相当大的成就。图１．１为焊缝跟踪系统的原理框图。－，一、－．｜圭。｝白｜．ｔ１．口１．ｊ．；Ｉ糖 Ｉ Ｌｌ ｒ住，ｒ－～Ｌｌ＾一ｌｍ‘‘． Ｉ Ｌ｜ ‘．ｋ＿．。ｌ岫ｌ ｔ。
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■７Ｉ娠繇执行机构Ｉ ７Ｉ控制对象
传感器
图ｌ－１焊缝跟踪系统原理框图
７０年代嚣，焊缝跟踪主要是接触式传感器鳕度获得焊缝跟踪信息，但有跟 踪精度低、使用不便等缺点。从７０年代起，焊接工作者对非接触式传感器进行 了大量的研究工作，但因结构复杂受到限制。在８０年代末９０年代初，国外普 逶埋孤焊已普遍采用阙环控制和焊缝跟踪技术，提高了埋弧焊自动控制水平和 焊接质量。目前，对于焊缝自动跟踪的研究已经取得了相当的成就，采用激光、
光纤、ＣＣＤ传感、摄像、图像处理、计算机控制等当代高新技术使跟踪系统的 先进性大大提高。实际的焊接生产过程，为了得到稳定的高质量焊接产品都必 须在合理选用焊接条件和焊接参数之后，还要在焊接过程采用实时的焊接质量 检测与控制来达到目的。传统的焊接生产过程是利用熟练技术工人的技能来实 现这种实时质量检测与控制的，蔼在现代的焊接生产过程，则是采用人工智能
囊动质量检测与控制系统来完成的。
１．３国内外焊缝跟踪技术的发展概况
１。３．１国外的焊缝跟踪系统发展概况
发达国家对弧焊过程的焊缝跟踪已进行？很多年的研究和探索，取得了可 观的成绩。近代由于模糊数学和神经网络的出现，并将其应用到焊接这一复杂
的不确定性的非线性系统，使焊缝跟踪踏入一个崭新的时代一智能焊缝跟踪时
２
第一章绪论
代。同时，国外对焊接机器人的焊缝跟踪的研究开展的比较早，研究的也比较 广泛。但是国外主要集中在控制算法方面．对许多新的控制算法进行了研究．
而对于焊缝跟踪用传感器研究较少。
９０年代初．日本焊接工作者在焊缝跟踪方面作出了很大贡献，使焊缝跟踪
控制达到了很高的自动化水平，同时也证明了将模糊控制理论应用到焊接这一 不确定性系统是可行的。目前，美国、英国、加拿大、瑞典都有激光焊缝跟踪的商业化产品。
美国Ｗｏｒｔｈｉｎｇｔｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ公司开发一种焊缝跟踪设备对激光焊接进行跟 踪，据报道其定位精度可达土Ｏ０５０ｒａｍ。
英国的Ｍｅｔａ
Ｍａｃｈｉｎｅｓ
Ｌｔｄ的Ｍｅｔａ Ｔｏｒｃｈ２００和５００激光光学焊缝跟踪系统 可用于精密部件的ＴＩＧ焊接，三维跟踪精度可达０ ｌｍｍ。加拿大Ｑｕｅｂｅｃ的Ｓｅｒｖｏ—Ｒｏｂｏｔ公司则开发了一套高分辨的激光摄像机及焊
缝跟踪系统，可用于自动焊接和机器人焊接的焊缝跟踪、导向和探伤，晟高可
跟踪的焊接速度为１０ｍ／ｒａｉｎ。加拿大Ｍｏｄｕｌａｒ Ｖｉｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ公司向市场上推出了一种三维激光视觉传感 器，可对仅有ｏ
０５０ｒａｍ的根部开口或误差的待焊接投在高２０ｍ／ｍｉｎ的焊接速度
下进行跟踪，跟踪精度为００２０ｍｍｌ２１。瑞典ＡＳＥＡ公司的ＬａｓｅｒＴｒａｋ激光视觉跟踪系统．无须对焊缝路径进行预先 示教，能自动找到焊缝的起点并跟踪，直到完成焊接。该系统可以完成对接、
措接、角接三种类型的焊接的跟踪，焊接精度为±ｏ
４ｒａｍ，焊接速度为１２０ｍｍ／ｍｉｎｌ３Ⅲ。
图ｌ一２为英国ＭＥＴＡ公司、加拿大Ｓｅｒｖｏ．ｒｏｂｏｔ公司和美国Ｊｅｔ［ｉｎｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 公司等焊缝跟踪系统的代表产品。
ｋ量黧 Ｓｅｒｖｏ－ｒｏｈｏｔ公司 ＪｅｔｌｉａｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ公司
ＭＥＴＡ公司图ｌｔ焊缝跟踪系统代表产品
总之，国外焊接界的研究者们对焊接过程中焊缝的自动跟踪技术进行了大
第一章绪论
量面黑富有成效豹研究，特剿是在控制算法上进行了诲多尝试，从传统的控制
算法到现代控制算法，以及目前比较受人们关注的模糊控制和神经网络算法都 进行细致的研究，并获得了许多宝贵的应用成果。但是，在传感器的应用上，主要集中在接触式传感器、电弧传感器等上面，丽对于匿前比较流行酶视觉传 感器应用较少，即使有的研究者使用了视觉传感器，也是带有复杂激光系统的 视觉传感器系统。这些传感器存在着结构复杂、成本较高、不利于推广应用等
缺点。
１．３．２国内的焊缝跟踪系统发展概况
国内对焊缝跟踪的研究比较晚，尤其对焊接机器人的研究，研究手段和研 究方法还处子探索时瓣。但是这些焊缝跟踪都是针对我国焊接行业的国情进行 的，是我国进行焊缝跟踪研究工作的基础，对进一步研究焊缝跟踪提出很多有 益的启示。
清华大学潘际銮院士、陈强和何方殿等教授对弧焊跟踪系统中的传感器和
其中的控制系统分别进行了研究，详尽论述了用于焊缝跟踪系统的各种传感器，
并提出了一种基于焊缝ＣＣＤ图像模式特征的焊缝轨迹识别的新算法【５。７】。但是该 方法必须以获得清晰的焊缝图像为前提。
华南理工大学毒１９９３年开始，在篱家和省自然科学基金的立项支持下，在 焊缝跟踪方面主要侧重于应用视觉传感器来检测焊缝，利用视觉传感器所获信 息量大，接近人的视觉等突出优点，并将神经网络和模糊控制应用到焊缝跟踪
系统中跚３】。
天津大学胡绳荪等人研制了一种非接触超声传感焊缝跟踪系统，采用了新 型的超声波传感器，用一套扫描装置使传感器在焊道上方左右扫描，超声传感 器发射超声波遇到焊件金属表面时超声波信号被反射回来，并由超声传感器接 收，遥过计算传感器发射到接收的声程时闻可以褥到传感器与焊件之闻的垂直 距离。控制系统则根据检测到的偏差大小及方向在高度方向进行纠偏调整Ｉｌ引。
华东船舶工业学院王加友、陈刚和刘启东等采用ＭＣＳ．５１单片机控制的接 触式弧焊跟踪系统，该系统具有焊缝双向自动跟踪和自寻起焊点的双重触觉功 能。但是接触传感器精度较低【ｌ引。
哈尔滨工业大学吴威、刘丹军、尤波和蔡鹤皋等人对机器人在焊缝自动跟 踪方面进行研究，设计了机器入触觉的力传感器。采用对力信号进行解耦及信 号解算，有效地消除了机器人在工作过程中振动、抖动对力信号的干扰，使机 器人有能力自动识别、跟踪焊缝及焊枪位置修正，从而保证焊接质量。但是算 法复杂导致系统滞后严重，精度低，实时性较差玲键。
４
第一寒鳍论
溪悲工业大学机器人研究所的岳新宏、孙立薪、李慨等人采用结构光视觉 的方法对焊缝进行检测和跟踪，研制了～套焊缝遗动跟踪系统。在图象处理方
磷采用ＬＯＧ滤波和图象分割滤波等有效的方法，经实验证明，实际焊接时的跟 踪误差小于麦０．５ｍｍ，能够满足一般焊接懿要求Ｈ７１。总之，国蠹在焊缝跟踪的研究方面起步较魄，但是宥营多｝的先进成果可以
借鉴，所以发展较快。１。４本文的意义及主要研究内容
焊缝跟踪技术的发展直接决定着焊接自动化技术的发展，在焊缝跟踪系统 中，引导和检测是实现焊缝鼹踪鹩重要前提，焊缝视擞检测技术的发展大大瓣 推动了焊缝鼹踪系统的发曩，其中，激光捆接式传感器具有高精度、实时性较 好帮菲接触健测量等特点，弱前国际上较为先进的焊缝跟踪系统都采雳此种方
式设计的传感嚣。 ・
本文根据豳内外焊缝跟踪技术的发展现状，参照困内外焊缝跟踪系统的先 进成果，慰魄了不同类型的爆缝鼹踪系统，提出并设计实现了一种用予焊缝跟
踪系统中的激光据描焊接传感器。本文主要竞成以下几方黼的内容：
１．对常见焊缝跟踪系统及其传感器的原理进行研究，对比了多种焊缝跟踪系统 的优缺点，设计了一种用于焊缝跟踪系统中斡激光扫描式传惑器。
２．设计算实现了传感器盼各个兰要组成都分，包括光路参数设计，光学元件选 择，机械结构设计。
３。设计基于ＣＰＬＤ的线阵ＣＣＤ驱动电路，制箨了硬件毫路叛并调试毫踌较徉程
序。４。分析传感器理论误差，制作了实验装鼍，对ＣＣＤ进行图像采集实验，对传感 器进行测量实验，分析结果。
１．５本章小结
本章首先介绪焊接技术在嚣爱生产中熬重要意义，接着介绍了当今懿霹接
国动能技本租煨凄传感技术，接着介绥了阑起外焊缝跟踪技术酶发屣概况，最
腊叙述了本文的意义以及主要完成的工作。５
第二章焊缝跟踪传感器的基本覆理
第二章焊缝跟踪传感器的基本原理
２。．１焊缝跟踪传感器的分类
为了实现焊缝的自动跟踪，其中最关键的技术问题是要解决焊缝轨迹的实时 识别。因此研究结构简单、王作可靠、灵敏度高的焊缝跟踪传感器至关重要。到 鼷蓠为止己经研究出了多静焊缝跟踪传感器。根据传感器的特性，焊缝跟踪传感 器可以分为以下几种类型‘１８。２０１，如图２．１所示：
２。＿ｌ。１机械传感器
图２－１焊缝跟踪传感器的分类
机械传感器１２１１是哥前为止应用时间最长，应用范围最广的一种接触式传感 器。所谓接触式，就是检测元件直接与王件接触，利用跟踪滚轮或触指或机械式 传感器沿焊缝坡口滚（滑）动或沿靠模滚（滑）动实现焊缝跟踪。它以导杆或导轮在 焊炬前方探测焊缝位置。它分为机械式和机械电子式两种。前者是靠焊缝形状或 导秆的导向力来导向。后者是当焊炬与焊缝中心线发生偏差时，导杆经电子装置
发出信号（它能表示偏差的大小与方向），控铡机械装置使焊炬及传感器恢复正确
位置。机械电子式传感器可以按照机电信号转换方式分为：机械式、机械一开关６
第二章焊缝跟踪传感器豹基本原理
式、机械一差动交压器式、机械一差动变压器式。
机械传感器适用于Ｘ型、Ｙ型坡口窄间隙焊缝和角焊缝，一般应用于长直焊 缝的单层焊、角焊。机械传感器结构简单，动作状态直观，操作方便，不怕电弧 的磁、光、烟尘飞溅等的干扰。存在的闯题是：对不霜形式的坡曩需要不同形式 的探头；由予采用接触式测量，探头磨损大、易变形；有反向冲击作用，跟踪精 度低：不适用于高速焊接；且对在坡口内有定位焊的焊缝，或在板端等焊接端点 焊道上升又下降的情况，传感器有失灵的缺点。由于是接触式跟踪，因此工件坡 豳的形式，加工精度等会对跟踪系统产生干扰，使其应用范围受到一定限制。像 检测电位这样的微弱信号时，遇到表面有锈、氧化铁皮或金属飞溅的影响，会出 现较大的测量误差。因此随着测量技术的发展，越来越多的是采用非接触式的传
感方式。
２。．１。２电磁感应式传惑器
电磁感应式传感器是一种非接触式传感器ｆ’９－２弱。它可按频率分为电磁传感器 和涡流传感器两种。电磁传感器的频率低予１０ＫＨＺ，涡流传感器的频率则为３０
—１６０ＫＨＺ。
１．电磁传感器
‘ （１）电磁传感器的王作原理
电磁传感器的工作原理如图２—２ａ所示，它实质上是共用初级线圈的两个变 压器，绕在中柱上的初级线圈通过交流电压Ｕ¨，两个次级线圈为反极性串联，
输出电压Ｇｏ＝弘一致，当传感器对准焊缝中心时，主磁通在两个侧柱豹分配相 等，即西，＝蛾，两个次级线圈感应电势相同，故总的输出电压乩＝ｏ。若传感器
偏离焊缝中心，则主磁通在两个侧柱的分配不等，即ｍ，≠①，，则次级一个差动 信号输出。瓯的极性的大小取决予传感器与焊缝中心偏差的方向和大小。（ａ）正常时 （ｂ）错边时
图２－２三柱式电磁传感器原理图
７
第二章挥缝跟踪传感嚣熬基本原理
这种传感器的阂题是对工件装淝时的错边缀敏感。如瑟ｆ１２－２ ｂ中，即使传感器 对中良好，主磁通在两侧柱的分配也因错边的影响而不均匀，导致产生误信号。
为了抑制错边引起的干扰信号，已研究了自动消除这些干扰信号的电磁传感器，
但其灵敏度有所降低。
（２）电磁传感器的特点及应用范围
电磁传感器适用于对接、搭接和角焊缝。缺点是：易受强大焊接电流的电磁干 扰，且体积大，使用灵活性差，此井只适用于工件是铁磁性材料（不锈钢工件不
适用），一般应用于对精度要求不是很严格的场合网。
２。１。３超声传感器
１．超声传感器澄，２４１的工作原理
超声传感器利用超声波脉冲在金属逸传播时的界面反射现象，可以接受到反 射波脉冲，由入射一反射波脉冲的行程，即可测得界面位置。一般用横波探头作 为焊缝跟踪传感器，见图２．３。当探头离焊缝边缘的位嚣发生左右变化时，接受 到的反射波脉冲的时闻就发生变化。探头与焊炬刚性固定，当焊炬与焊缝对中时，
探头的位置即为平衡位置，其对应的声程（时间）为标准声程。当焊炬偏离焊缝中 心时，其获得的声程与标准声程之差即为左右跟踪信号。
图２－３超声波横波探头
２．超声传感器的适用范围
它可以用于钢和铝等材料的焊接。板厚一般要＞ｌＯｍｍ，材料越厚则系统工作 越好。由予探头要与工件表弱可靠接皴。故要求王件表面平整。它不怕电弧的电 磁、光、烟尘等的干扰，且兼有焊缝跟踪和熔深控制的可能，所以也是～种很有 前途的传感器。
２．１．４电弧特性传感器
电弧特性传感器１２５１，是利用电弧长度与电弧电压或电流的关系简研制成的一 类传感器，电弧传感器的信号是在焊炬与工件相对位置变化时，由电弧自身电参
窖
第二章焊缝跟踪传感器蕊基本原理
数的变化孛提取的。在焊接过程中当焊炬与王件之间的相对位置发生变化时，会 引起电弧电流，电弧电压的静态及动态的变化。电参数的静态变化（如并列双丝 式）及动态变化（如旋转电弧式）都可作为特征信号被提取来实现高低及水平两个 方向上的跟踪控制。由于通常动态变化璧奠二静态变亿量相对更为显著，所以取动 态变化量为特征信号可具有更高的跟踪控制精度。电弧传感器结构简单，方便灵 活，不需要在焊接区域附加传感装置便可实现对坡口状态、焊炬高度等的实时传 感跟踪。其跟踪信号由电弧本身取出，没有传感器的位置导前误差。电弧传感器 具有响应快、速度赢、抗干扰性强等特点。因电弧传感器不受弧光、磁场、辐射、
飞溅及烟尘等影响，故在生产中易于使用。当前在国内外，电弧传感器己作为一 种有效、实用的传感器发展和应用起来，它可以成功地应用予弧焊机器入及一般 盘动焊机的焊缝自动跟踪。但是，这类传感器对于不开坡口的对接焊道（埋弧焊 焊接经常不开坡口），是难以实现对中跟踪的。
２．１。５射流传感器
射流式焊缝跟踪传感器ｆ２６翊是一个气动射流反射型位移传感器，结构上包括。
发射气孔和接收气孔，其原理是通过发射气孔向工件侧壁射出气体，由接收气孔 接收反射回来的气体，并测得其压力，若传感器与工件侧壁距离发生变化，则测 得气体的莲力发生交化，将这个压力值作为捡测信号，可实现焊缝跟踪。根据焊
接工件的坡豳形式，可采用不同形状的气体射流位移传感器进行焊缝跟踪，此种
跟踪尤其适用于窄间隙气体保护焊。利用传感器的不同布置亦可实现Ｘ轴、Ｙ轴两坐标跟踪。焊接工件的错边对传感器检出信号无影响，坡溜内的高温、金属蒸
汽及飞溅不影响其正常工作。跟踪精度可达±０．３ｍｍ。缺点是传感器的耗气量大，约为４０。６０升／分。
２．１．６光电式传感器
光电式传感器｛２６ｊ（ｇ括激光、红外传感器）是耳前研究最多的一种焊缝自动跟 踪传感器，也是本文主要讨论的传感器类型。凡是在跟踪信号的获取过程中进行 了由光信号到电信号转换的传感器统称为光电式传感器。按照检测的特征分有单 光点式传感器和视觉传感器两类。前者以单令或足个光电接受管为检测元件，习 惯上称为光学传感器，视觉传感器则以集成光电器件在现场范围内进行扫描检 测，它必须要用微机进行信号处理。
１．单光点式传感器
此法利用简单的光电元件检测坡口棱边或白线，以激光、红外线，可见光，
或弧光为光源。下面以跟踪白线的光电传感器为便说明其工作原理。图２．４是跟
９
第二章焊缝跟踪传感器的基本瘴毽
踪自线的光瞧式传感器原理匿。它的跟踪基准是在焊缝一侧与焊缝平行的宽为 １－２ｍｍ的白线，光电元件接收屏上安装了两只光电接收管。当工件上的白线位于 光斑中心位置时（图２－４ｂ），两个光电接收管的受光面积相等，它们的输出信号也 相等。当自线偏向光斑中心一侧时（图２—能，ｄ），两只光电接收管的受光面积不等，
它们输出的差值可以作为左右跟踪信号。它的检测精度取决予焊炬高度误差和白 线与焊缝的平行度。其优点是传感器安装在焊缝侧面能消除附加的导前跟踪误 差。这种传感器适焉予不同的接头形式（对接、搭接）和不同的坡曰形式，适用于 碳钢、不锈钢、锅、铝等各种金属的焊接。
ａ
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口警日西燎目 、蟛・７ ’飞：：：少７ ’－。秒 ＋弋：：少
Ｃ
ｄ
图２－４跟踪白线的光电传感器
渤示意圈◇≥线条屠中（ｅ）线条偏左《ｄ）线条偏右
２．ＣＣＤ视觉传感器
ＣＣＤ是～种半导钵集成光电敏感元件。它分为线阵（一列光敏元件、是利用 射线管摄像机）和面阵（多列光敏元件、ＣＣＤ固体摄像机）两种，利用ＣＣＤ摄取图 像信息，进行一定的转换或预处理后，送入计算机，由计算机计算出跟踪信息、
输出控制信号，控制执行部分进行绷偏。
ＣＣＤ视觉传感器１２８ｌ，就其应用有下面几种：
（１）光切割式传感器
光切割式传感器也称为结构光式传感器，所谓光切割法，如图２．５所示，是采
１０
第二章焊缝跟踪传感器的基本原理
用激光等细长而扁平的光线，以４５。方向斜射在工件上，从而得到与坡口断面形 状相似的光线图形，此图形能反映坡口的形状、深度。摄像机在工件正上方，将
此图形摄入并利用计算机进行图像处理可以求出坡口的中心位置，坡口宽度等数 据。卜黼
图２－５光切割式传感器 图２—６激光扫描式传感器
（２）激光扫描式传感器
利用激光扫描坡口和工件表面，并用一系列光电接收管（ＣＣＤ）同步接受反 射光，从中检测坡口的位置和形状，如图２．６所示。由于点光源比线光源更容易
达到较高的亮度，激光扫描式比光切割式具有更高的信噪比和更强的抗弧光干扰
能力。本文所设计的传感器就是此类型。（３）直接拍摄电弧式传感器
将包括电弧、熔池，导电咀、焊丝伸出头和坡口等的图像，通过适当的光学
滤波器，采用工业电视（ＩＴＶ）进行摄像，根据图像求出坡口宽度，然后判断焊
丝是否对中及其伸长度是否合适。由于光电传感器是非接触式，因此具有良好的再现性及耐久性．该传感器不仅可以跟踪焊缝，还可预测坡口形状和截面积，并
能用于焊接条件的适应控制，可适用于各种坡口形状。２．２激光扫描式焊缝跟踪传感器的基本原理
通过对多种焊缝跟踪传感器类型的原理及应用的对比可以看出，光电式传感 器具有非接触测量，精度高，实时性好等特点，能更好的适应焊接自动化生产的
需求，也是当今焊接自动化领域应用最为广泛的一种传感器，而ＣＣＤ视觉传感器
第二章焊缝跟踪传感嚣憨基本骧理
又是当中应用较多的类型。在ＣＣＤ视觉传感爨的各种类型中，激光扫接式传感器 又具有较高的亮度，数据高速传输等优点，下面就其工作原理作详细介绍。
２。２。１激光三角法
在非接触三维形貌测量中，基子激光三焦法的测量系统毒子结构篱单、测量 速度快、具有实时处理能力、使用灵活、适应力强，已在机器人视觉、实物仿形、
自动加工、工业检测等领域得到广泛的应用。特别是９０年代以来，随着逆向工程 和快速成型制造技术豹迅速发展，对三维物体形貌进行快速耩密测量的需求嚣益 增长。从工业实际应用情况来看，利用漫反射光接收的兰角法测量是使用最为广 泛的非接触测量手段【２９１。三角法测量的本质是通过分析受到三维物体表面形貌 调制的光场，从而获得物体表面的三维信息。下面将对这种方法的基本原理、结 构改进以及误差因素进行系统的分析。
三角法测量物体表面形貌 的基本结构ｌ弼】如黼２．７所示。
图中，激光器的轴线、成像物
镜的光轴以及线阵ＣＣＤ，三者 位于同一个平面内。激光光源 作为测量的指示光源，将一个 理想的点光斑投射在被测表 面上。该光斑将随其投射点位 置的深度坐标变化而沿着激 光器的轴向作同样距离的位移。点光斑同时又通过物镜成
图２．７三角法测量的基本结构
像在线阵ＣＣＤ上，且成像位置与光斑的深度位置有唯一的对应关系。测出线阵 ＣＣＤＪ匕所成实像的中心位置，即可通过几何光学的计算方法求出光斑此刻的深度 坐标，从而得到被测表面该点处的深度参数。通过对若干采样点的测量，得到被
测表面形貌的一组数据。这种基本的光学三角法测量属于逐点测餐。
由于三角法测量原理中包含有凸透镜成像过程，因此光源、物镜及线阵ＣＣＤ
三者的位置关系必须满足高斯定理。
图２－８所示为激光器轴线、物镜主平面及光轴、线阵ＣＣＤ－－－＂者关系，它们之 阆的位置与姿态关系由ａｏ，ｂｏ，磊，多四个参数确定强¨。其中，ａｏ是激光器轴线与 物镜光轴的交点到物镜光心的距离；ｂｏ是线阵ＣＣＤ与物镜光轴的交点到物镜光心 的距离；ａ为激光器轴线与物镜光轴的夹角；Ｂ为线阵ＣＣＤ与光轴的夹角。
第二章焊缝跟踪传感器的基本原理
激光器
图２堪三角法测量的光路设计
根据高凝定理，当投射在被测表面上的光斑恰好位于物镜光轴上时（可将这个
位置作为测量的参考零点），簧使光斑通过物镜在线阵ＣＣＤ上成清晰实像，满足ｌ ｌ ｌ
——＝一十——
｝ ｎｑ ｂ§
公式（２．ｉ）
式中联ｆ物镜焦距。蔼对于光辘以外豹光斑，也要使其在线阵ＣＣＤ上成渍晰实像，
此时物距为
露：———旦ｋ—
ｌ＋ｔａｎｐ・ｃｏｔａ
像距为
６：
鱼
１一ｔａｎｐ・ｃｏｔ§
ａ、ｂ也必须满足高斯定理，因此有
ｌ １ １
ａ ｂ ｆ
联立公式（２．１）、（２．２）、（２．３）、（２《）可以得到 ａｏ・ｔａｎａ＝西ｂ・ｔａｎｐ
公式（２－２）
公式（２．３）
公式（２．４）
公式（２．５）
该式的物理含义邸，激光器轴线、物镜主警蕊、线阵ＣＣＤ兰者的延长线交于一点
（或三者相互平行）。满足公式（２．１）和式（２．５）的三角法测量装置就可使投射光斑无
论远近，皆可通过物镜在线阵ＣＣＤ上成清晰实像。这一条件实际上就是著名的 Ｓｅｈｅｉｍｐｆｌｕｇ条件【３２】。根据图２．１ｅ所示原理，下蓠导出三焦法测量的传递蘧数。取物镜光辘与激光 器轴线交点为物方零位参考点。对应的线阵ＣＣＤ上像点为像方零点。菜～任意情
第：章姆缝跟踪传感器瓣基本原壤
况下，投射光斑镳离零点豹健移必Ｒ，嚣此刻像光斑偏离零点的位移先Ｓ，则根 据几何关系有
ａｏ—Ｒ・ｃｏｓ搿 Ｒ・ｓｉｎ掰
Ｈ＿＿。。‘—＿＿＿＿－＿——－—＿一＝。＿＿＿＿－－——‘＿一
ｂ§÷Ｓ・ＣＯＳ§ Ｓ・ｓｉｎ器 公式（２．６）
显然，这是一个甚≥线性龚擘关系。当且仅当ａ茹１３＝９０。封（即激光器轴线、物镜 主平面以及线阵ＣＣＤ三者平行），上式可简化为
Ｒ燃迎
魂 公式（２．７）就蹲豹输入与输赶方为线性关系。另外可求燃三煮法测量的灵敏度表达式。鄹当 线阵ＣＣＤ上像点移动Ａ Ｓ时，物点位移为
艘然丽ａ磊ｏ＂ｂ磊ｏ．ｓｉｎ面ａ－再ｓｉｎＤ衍’鲻 浅ｓ漩窿＋Ｓ・ｓ墩（露÷∥强２
公式（２＿８）一’鸯此式哥知三囊法测量鹣灵敏度在零点处（ｓ嘞最嵩，也是非线牲的。
２。２。２激光三角测量法的对比与选择
按照入射竞线与被测工件表嚣法线酌关系，霹分游直射式禳斜射式瑟赘。在
设计光路之前，首先要确定采用那种类型的三角测量法。２．２．２．１直射式激光三角测量法
直射式兰角测量法光路图如图２．９所示，激光器１发出光线，经汇聚透镜２
聚焦后垂直入射到被测物体表面３上，物体移动或表面变化，导致入射点沿入射
光鞋移动，接浚透镜４接收来鑫入射光点处媳教射光，并将其戒像在光点位置探测器５（如ＰＳＤ、ＣＣＤ）的敏感冠上瞰】。但是由于传感器激光光束与被测面垂直，
只有～个准确调焦的位置，其余位置的像都处于不同程度的离焦状态。离焦将弓ｌ
起像点静弥散，获｛蠹降低了系统麓测量精度，梵了提高糖度，霰嚣只必须满足
Ｓｃｈｅ两ｐｊｆｌｕｇ条件１３５】：像平磷、物平匿、透镜平面相交于一条直线，即：ｔ肌织＝／萝ｔａｎ吼
公式（２。９）式中夕为横向放大率。此时～定景深范围内的被测点都能成交的成像在探测器 上，从而保证了精度。
若光点在成像面土酶短移鸯∥，利用穗似三毙形备边之闻酶比铡关系，按下
式可求出被测西的位移ｘ篇蕊而ａｘ忑＇ｓｉｎ丽０２丽
公式（２－ｌ。）Ｘ篇———————●—●．＿———？ 雀武ｋ２一ｌＵ，
矗ｓｉｎ镤一ｘ’ｓｉｎ｛统＋穰ｌ 一’
第二牵焊缝跟踪传感嚣的基本原理
式中，ａ为激光束光轴和接收透镜光轴的交点銎ｌ接收透镜前主厦的距离；ｂ接收
透镜后主面到成像面中心点的距离；最为激光束光轴与接收透镜光轴之间的夹
角；岛为探测器接收面与接收透镜光轴之间的夹角。
图２－９卷射式光路匿
ｌ一激光器２一会聚透镜３一被测表面
２．２。２。２斜射式激光三角测量法
匿２．１０斜射式光路圈
４一接收透镜５一光点位置探测器
图２．１０为斜射式三角测量原理圈。激光器发出的光穰被测面的法线方离成 一定兔度入射到被测面上，同样用接收透镜接收光点在被测砸的散射光。此时必 须满足的Ｓｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇ条件为：
ｔｇ（ｏ，＋岛）＝ｆｌｔ９０３ 公式（２一１１）
若光点的像在探测器敏感面上移动∥，利用相似三角形的比例关系，刘物体 表露沿法线方向的移动距离
ｚ＝蕊雨酉ａｘ＇ｓ磊ｉｎＯａ丽ｃｏｓ０丽ｌ
公式（２－’ＩＺ“）Ｚ＝—————————————＿．———■————————■２０ｉｋ ｋ＿ｚ一 ，
６ｓｉｎ（鼠＋吼）一ｘ’ｓｉｎ（幺＋岛＋绣）
’式中，Ｏｌ为激光束光轴和被测面法线之间的夹角；职为接收透镜光轴和被测面法
线之间的夹角；绣为探测器光轴与接收透镜光轴乏间的夹角。
当岛为０。时，原理如图２—１１所示，为斜入射直接收式。光点移动Ｘ’，则被
测面法线方向移动的距离＝赢ａ而ｘ＇ｓｉ忑ｎ０３ｃ丽ｏｓＸ 面
公式（２＿‘１３）＝————————■———●—————● 公，ｋ ｋＺ—ｊ Ｊ
６ｓｉｎ织一一ｓｉｎ《织＋织ｌ
一１５
第二章焊缝跟黥抟感嚣戆基本原理
式中各个参数的含义同圈２一ｌＯ所示，它属于斜入式传感器的一个特例。
图２－１１斜入射直接收式
２。２．２。３参数关系分析及对比
基于直射式激光三角法或斜射式激光三角法的传感器都可以对被溯面进行 高精度、高速度和非接触测量，但比较起来有一下几点区别【３６’３刀：
１）斜射式可接收来自被测物体的正散射光，比较适合测量表面较为光滑的 物体。直射式蠢于其接收散射光的特点，适合予测量散射性能好的表面。
如果表面较为光滑，则可能由于耦合到光电探测器的散射光光强太弱甚 至为零，使测量无法进行，也就是说可能存在测量盲区１３８Ｊ。
２）取相同的系数参数用Ｍａｔｌａｂ藏出公式（２。１０）和（２。１３）式给憋的童射 式与斜射式的物像关系图，如图２．１２所示。横坐标ｘ７为像点位移，纵
坐标ｘ为物点位移。曲线的斜率ｔｇａ＝会越小，说明ＣＣＤ可分辨的尺寸
Ｘ’
越小，即灵敏度越南、分辨力越大。从图中可以看出，斜射式传感器曲 线斜率较小，则分辨率略高于直射式。进一步验证了前面的理论计算。
同时，斜入射式传感器的体积要大于直入射式。
３）在被测物体便面发生如图２．１０所示位移Ｘ时，斜射式入射光光点照射在 物体不同的点，因此无法直接知道被测物体莱点的位移情况，这一点是 影响斜射式测量精度和稳定性的一个重要因素。
４）由于直射式的激光光斑较小、光强集中，是入射在被测面的同一点，不 会因与被测面不垂赢而扩大光斑，所以被测面的倾斜和扭转对测量结果
的影镌不大。所以在实际测量中精度较高，常被采用。
在具体的应用中，应该根据实际情况，如被测面的粗糙度、工作距离、测量 范围、安装位置、精度要求等，来决定选择那种类型。
１６
第二章焊缝跟踪传感器的基本覆理
图２－１２直入射式与斜入射式最小分辨尺寸比较
本文所设计德传感器应用于焊缝跟踪系统，工作对象为焊缝，测量表面较为 粗糙，工作距离和测量范围较小，对精度要求较高，要求体积较小，因此综合考 虑，采用直射式激光三角法。
２．２．３激光扫描式焊缝跟踪传感器的测量原理
激光扫描式传感器的光源是由点光源通过马达驱动形成扫描光条，在逐点测
量方式下，测量一个表面时需按照一定盼分布方式安排足够的采祥点，依次测量 每一个采样点的深度数据，而后再利用插值方法求出整个表丽的形貌数据。这种
方法不仅精度有限，而且测量的速度受到制约，效率低。采用光条法，测量中投 射到被测表面的是一线形的光斑，同时测量一定宽度范豳内的表面形貌。再辅以相对予被测表蘧垂直于光条方向的扫描运动，则一定蕊积的被测表面可以连续地
进行测量，大大提高了测量的效率。实现光条法测量，需对一般的三角法测量作两部分改进，一是光源，二是 ＣＣＤ接收器。光源部分通常可采用扫攒转镜来实现线形光条１３引。如图２．１３所示，
高频往复摆动的平面反射镜将入射的激光束变为高频往复扫描的光束，从而在被 测面上形成一条扫描线。与光源相对应，接收装置也必须把原先的线阵ＣＣＤ换成 ＣＣＤ面阵，以接受一定宽度的被测表面形貌调制骺的光条。需要注意的一点是，
由于扫描光条上的每一点不可能都严格满足Ｓｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇ条件，因此不能使测量 范围太宽，否则必然影响到成像的清晰度，使像的中心提取困难，从而降低测量
的准确度。
１７
第二章焊缝跟踪传感嚣於基本骧理
鹜２－１３扫描毙条豹产生方法
献原理土看，三角法测燮系统的分辨率主要受限予所用的ＣＣＤ器件。ＣＣＤ 器件是塞一系列光敏像素单元以矩阵方式排列成熬，每个像嚣都有一定的尺寸，
而且相邻的像元之问也有一定的间隔。限于嚼前的工艺水平，ＣＣＤ器件的像元尺
寸多数仍处在微米级。由于ＣＣＤ器件本身的不连续性，其对光斑移动登的分辨能 力主要就受到像元中心题离的限制。瑟对予整个测量系统蔼言，冀分辨率主要还
取决予测量的藏露。铡鲡，对２０４８像素的线阵ＣＣＤ，测量高度通过成像系统反映 刘ＣＣＤ感光面上，如果量程为２０ｍｍ，则测量分辨率为２０／２０４８，约为ｌＯＩｌｍ；当 赞程缩小到１０ｍｍ时，分辨攀为１０／２０４８，约为５塾ｍ。可见在三焦测量中，其他 条件不变斡情况下，量程与测量分辨率成爱毖。因此，爨前常觅的基于ｅｅＤ懿三
角法测量系统，其量程多为凡个毫米，分辨率为微米缀。激光扫描结构如图２・１４所示，测量部分主要由电枫、扫描转镜、激光器、线
阵ＣＣＤ及码盘组成，传感器安装在机器人的工件束端，号机器人工件坐标系存在 一个露定关系，可戳提前标定出，点光源经过舞攒转镜照射在被测工件上，反射 光经过扫描转镜后由线阵ＣＣＤ接收，组成三角测量，激光器帮线阵ＣＣＤ的位置 关系固定，可以提蘸标定出，从丽根据线阵ＣＣＤ＿Ｉ＝的亮点位璧就可计算如焊缝的 深度方向的信息。读取亮点阉时读取码盘的角度馕，可以计算出焊缝上亮点在传感器坐标系下坐标；蒋感器坐标系和机器人工具坐标系相对关系戮定，同样可计
算出该点在机器入基坐标系下的坐标。电机带动棱镜和码盘转动，亮点扫描过整 个焊缝截面，整个截面上的点的空间坐标都可以计算出；机器人带动视觉传感器沿焊缝方囊移动，多个焊缝截面可组成整个空闻焊缝三维黪貌，完成测量。
重８
第二章焊缝跟踪传盛器的基本原理
蓬 鬻蠢１。
麓澈 恭
螽夕 光＾
光束经过平面镜反射到Ａ点（相当于焊缝上的扫描光点），这时会在平面镜
中成一个虚像Ａ’点，当平面镜转过ｉｌ角（虚线位置），反射光束相应地转过２确，
第二章焊缝罪踪传感器的基本原理
光束（虚线）反射到Ｂ点，网榉在平面镜孛成虚像拶，若此时扫攒光点与光束在 镜面上地入射点之间地距离不发生变化，即ＯＡ＝ＯＢ，则两处所成的虚像Ａ，与Ｂ’
的空间位置恰好重合。由于最终在线阵ＣＣＤ上所成的像，实质上是对焊缝上扫描 光点在平面镜中所成虚像进行成像，因此当焊缝深度信怠不发生变化时，焊缝上 扫描光点在乎面镜所成的虚像的空间位置也不发生变化，也就使在线阵ＣＣＤ上的 成像光点的位置也不发生变化。因此线阵ＣＣＤ上光点的变化只与焊缝的深度信息 有关，与宽度信息无关。测量时，通过线阵ＣＣＤ＿ｈ光点位置的变化就可以得到焊 缝的深度信息。
对于焊缝的两端，扫描线长可以认为是相等的，即在线阵ＣＣＤ上所反应的光 点位置是相同的。当对焊缝进行扫描时，光点在线阵ＣＣＤ上星现周期性的变化，
藤一个震期感光点变化的时闻就是光束扫描整个焊缝的时闻。再测得电机的转 速，就可以计算出焊缝的宽度信息。本系统就是通过电机的转速以及光点在线阵 ＣＣＤ上的变化时间和距离来对焊缝的宽度和深度信息进行测量。
２．３激光扫描式焊缝跟踪传感器的结构组成
本文设计的激光扫描式焊缝跟踪传感器盼结构组成框图如图２．１６所示。
图２．１６传感嚣结构组成框图
传感器通过转镜扫描系统对工件进行扫描，由成像系统将扫描信息成像在 ＣＣＤ上，最后由数据传输电路发送至ＰＣ机或机器入控制系统，其中数据传输电 路是基于ＦＰＧＡ，ＤＳＰｊ￥１以太网通讯的数字信号处理单元，本文不作详细介绍。
本文主要介绍传感器的光路结构设计和线阵ＣＣＤ的驱动电路设计。
第三襞焊缝跟踪传感器的基本蹑理
２。４本章小结
本章首先从工作原理出发介绍了焊缝跟踪传感器的分类，并通过对比了优缺
点选择本文设计傣感器的类型为激光扫描式。然后详细介绍７激光扫描式焊缝跟
踪传感器的王律原理及组成部分，其中包括激光三角测量法的测距爨理帮方式对 比，并介绍了激光扫描式传感器的测量原理和结构组成。第三章激光扫描式传感器熬结构设计
第三章激光扫描式传感器的结构设计
激光扫描式传感器依据光学三焦法测距原理进行测量，通过电机带动扫描转 镜，利用点光源对焊缝进行扫描。因此，对传感器得设计，主要包括光路设计，
转镜结构设计和各部分机械结构设计。
３．１传感器光路参数设计
其测量原理为：激光器发出的点光源经过扫描转镜反射到工件（焊缝），光 在工件表面发生散射，其散射光被扫描转镜网相位的反射面捕捉并反射，经过成 像透镜后成像在线阵ＣＣＤ上，由予两次的反射光经过扫描转镜的同一个反射面，
因此可将立体光路经过旋转得到如图３．１所示的平面光路，可以看出，此光路就 是直射式三角法的光路，因此可按照壹射式三角测量法进行光路布局，确定各部 分参数。 、
Ｉ一一雌－－－一・＿籼・一・－＿＿－一・＿－＿一一＿衅－一－一蝴＿一一一一一・－・＿Ｉ
ｉ
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｜
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Ｉ………一＿●
Ｉ图３．１传感器光路平面示意图
图３．１中可以看到，对于光路布局首先要遵循倾置物面成像条件一 Ｓｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇ条件，即，即物面、像面应共交予成像物镜主面上的Ｐ处，线阵ＣＣＤ 上像点始终位予焦平瑟上，此时的ＣＣＤ像面上所有像点聚焦一致。对于各参数
第三攀激光扫描式传感器鳇结构设计
豹选取，还簧缝合浏量精度和系统熬体积。于是塞公式（２－９）有：
耄８ｎ移＝声锄妒
公式（３－１）式中ｐ为光学体统的横向放大倍率，０为激光器投影光轴与透镜成像光轴的夹角，
肇为线阵ＣＣＤ像元面与透镜成像光轴豹夹角。又有：
。 三Ｃ
罗。面
公式（３－２）式中ＬＣ为物体上Ｏ点的像距，ＯＬ为物体上。点的物距。
设透镜的焦躐为Ｆ，则测量范围Ｚ＝０１０２和其对应的线阵ＣＣＤ上的变化范围
ＡＸ＝ＣｌＣ２之润的关系为：
ｚ：！丝二盟墅篓鉴垒 ＦＳｉｌｌ０＋ｃｏｓｏｓｉｎ≯×戤
物距Ｕ＝ＯＬ为。
移：旦
ＣＯＳ０式中Ｈ＝ＯＬ’为系统的测量高度。
像距Ｖ－－ＬＣ为：
Ｖ：—Ｆ———ｘ．．Ｕ．．
ｂ一｛
横向放大倍率ｐ为：
∥…赤
线阵ＣＣＤ与透镜成豫毙轴的夹霆零秀：
移尝一㈣≥
对线阵ＣＣＤ的视频蔷鼍进行处理可得：
套ｔｒ，＝Ｍ（ＸＴ一置）
公式（３。３＞
公式（３－４）
公茂＜３．５）
公式（３．６）
公式（３．７）
公式（３．８）
式中Ｍ先ＣＣＤ单个光敏元件的尺寸，Ｘｌ、）（２为Ｃ１、Ｃ２对应在ＣＣＤ上的像元编号。
也得到系统的测量精度，郎能分辨的最小移动距离Ｎ为；
Ⅳ：要
公式（３．９）Ｂ
将式公式（３．６）代入公式（３。９）得测量精度Ｎ为：
，，Ｍ（Ｈ—ＦｅｏｓＳ）
ＩＶ＝：＿＿＿＿＿＿－＿・・＿。＿＿＿＿—＿。＿…＿。一
Ｆｅｏｓ０
蕺统的竖直尺寸Ｌ为：
ｒ
三＝Ｂ＋∥＋Ｖ）ｓｉｎ０－Ｉ－÷ｔｏｓＳ＋ｇ
、２
系统懿水平尺寸Ｒ失：
公式＜３．１０）
公式（３。１１）
第三章激光摆接式抟感器鳇续构设诗
震＝秽＋ｙｅｏｓ毋＋二∞ｓ艿＋ｓ 公式（３．１２）
２
式中Ｂ为透镜半径，Ｆ为透镜与左边缘的距离，Ｔ为线阵ＣＣＤ结构长度，￡为 设计时留的余量， ６是ＣＣＤ与竖直方向的夹角。且
万－＇－．－＇－０一矿 公式（３—１３）
Ｚ
由于光路参数对精度和体积的影响与电机和扫描转镜无关，因此式（３．１ １）和式
（３．１２）均是在未考虑电机和扫描转镜对结构体积的影响下给出的。
由以上公式霹看出，传感器的测量范围、精度、尺寸是由测量高度目、投 影光轴和成像光轴的夹角０以及成像系统的焦距Ｆ决定的。
下面就三种情况分别进行讨论：
（１）焦距Ｆ和投影光轴与戒像光鞠的夹煮９不交时，测量高度Ｈ对系统豹影 响。取Ｆ＝３７ｍｍ，０＝２５０。
由图３．２可知，，焦距Ｆ和投影光轴与成像光轴的夹角０固定不变，测量精度Ｎ、
系统竖直尺寸Ｌ与高度瓣成递减关系，蕊测量范围Ｚ、系统水平尺寸Ｒ与高度Ｈ成
递增关系。 。
囊 篝
赣，搬搬 麓
愚
（ａ）高度珏与测量精度Ｎ的关系 （ｂ）高度珏与承ｌ量精度ｚ的关系
肿瑚ｍ尉黼椭
（ｃ）高度嚣蓐测量糖度Ｌ的关系 （ｄ）高度娶号测量精覆Ｒ的关系 图３－２焦距Ｆ和夹角０不变，高度Ｈ对系统的影响
（２）焦距Ｆ和高度｝｛不变时，投影光轴与成像光轴的夹角０变化对系统的影响。
取Ｆ＝３７ｍｍ，Ｈ＝９０ｍｍ。
第三章激光扫描式传感器的结构设计
萎
蓬
囊卜
（ａ）夹角８蓐测量糖度嚣的关系
拦 莲 埘
＂
（ｂ）夹角８与测量精度Ｚ的关系
（ｃ）夹角Ｂ与测重精度Ｌ的关系 （ｄ）夹角Ｂ与测量精度Ｒ的关系 豳３－３焦距Ｆ和高度珏不交，夹惫§对系统的影嚷
由图３．３可知，焦距Ｆ和高度Ｈ固定不变时，测量精度Ｎ、系统竖直尺寸Ｌ和投 影光轴与成像光轴的夹０成递减关系，焉测量范墨Ｚ、系统水平尺寸爻与投影光轴 和成像光轴的夹角０成递增关系。
（３）投影光轴和成像光轴的夹角０和高度Ｈ不变时，焦距Ｆ变化对系统的影响。
取０＝２５０，Ｈ－－９０ｍｍ。
基
菱
ｆ７礅黼
（ａ）焦距Ｆ与测量精度Ｎｎ勺关系
喾
差
Ｆｆｍｍ
（ｂ）焦霹巨Ｆ与测奄精度Ｚ的关系
ｌ ｌ 毯ｌ 基
瓷
月饿ｍ芦‰ｍ
（ｃ）焦骞耋Ｆ写获ｌ重鞲凄Ｌ的关系 （纛）焦距琴与襄ｌ鲞精度嚣静关蔟 图３－４夹兔０ ｊ｝Ⅱ高度Ｈ不变，焦距Ｆ对系统的影响
由图３—４可知，投影光轴和成像光轴的夹角０和高度Ｈ固定不变时，测量范围
第三牵激光拇接式传感器蠡冬｜绔胬漫诗
Ｚ与焦距Ｆ成递减关系，丽测量精度Ｎ、系统竖直尺寸Ｌ、系统水平尺寸爻＿耱焦距Ｆ 成递增关系。
综合以上可知：测量范围Ｚ与高度Ｈ、投影光轴和成像光轴的夹角０成递增关 系，丽与焦距Ｆ成递减关系；测量精度Ｎ与焦距Ｆ成递增关系，而与高度挂、投影 光轴和成像光轴的夹角０成递减关系。因此，在满足测量范围的条件下，Ｈ和０不 宣选得过大，否则会降低测量精度；增大焦距可提高测量精度，但同时也减小了 测量范围。故在已定参数下，测量范围和测量精度不可能同时提高。必须根据实
际要求并结合理论分析选取合适的参数，使测量系统获得最佳效果。
经过反复对比验证，在考虑有电机和扫描转镜存在的情况下，决定选用以下 参数：投影光轴和成像光轴的夹角０＝３０。，高度Ｈ＝１０４ｍｍ，焦距Ｆ＝５０ｍｍ。于是 可得到光路中其他参数，详细参数觅表３．１。
表３一ｌ光路参数表
参数名称 参数值 参数名称 参数值
投影光轴和成像光轴的夹角Ｏ
３０。测量高度Ｈ
１０４ｍｍ透镜焦距Ｆ
５０ｍｍ测量范灏Ｚ
４０ｍｍ物距Ｕ
１２０ｍｍ像距Ｖ
８２．０５ｒａｍＣＣＤ与透镜光轴夹角争
４０。１７８。巍场焦往
１２。２０ｐ３。２转镜扫描系统的设计
３．２．１转镜参数设计
转镜【３９】（又称旋转多面镜）是在需要高速扫描的情况下发明的。图３．５给出 了转镜扫描的原理。
转镜扫描主要包括一个多蟊棱镜，一个驱动马达。具有Ｎ个面的转镜扫描角
度可表示为：沙：孚度：冬弧度
公式（３．１４）』Ｖ Ａｆ
这个公式很容易理解，因为转镜实际上是一个园的内接多边形，每个镜面的张角 是３６００／Ｎ，如果转镜随着中心轴转动某个角度，反射光束贝｜ｊ偏转二倍角度。ｖ角 是反射光柬扫描时覆盖的角度。
第三攀激光挡接式传感器鳇结拇设计
图３－５转镜扫撒骧理
匿≯暴激光絮偏转示意整
在本文的设计中，采用崴射三角法光路，因此为了使结构设计简单化，设计 激光器发出的光柬经过转镜盾偏转９０。射斑，为测量区域的中心位置，如图３．６ 所示。箍入射光束应该是这个扫援范蘸麓ｖ觞平努线，爱此要求￥＞１８０。。所戳 对于Ｎ的选取只能是３。
转镜选用正三棱镜，下面就要确定转镜的边长和长度，以及转镜在光路中的
位黉。壶视场角ａ＝１２。２０８，隽使搀恭点麓清晰成像予ＣＣＤ蘧上（巍点的所有散
色光均戆被ＣＣＤ接收），哥得到转镜的最小边长约为； 。４０＊ｔａｎ６．１００母２—８．４ｍｍ 公式（３．１５）
选取转镜的边长梵１０ｍｍ，在图３．１中，转镜与透镜光辘交点为Ｋｌ，转镜相对于
接收透镜毙心能距离鸯ＫｌＬ。取Ｋ｛Ｌ＝４０ｍｍ（原因有三：其一，降低转镜藐高度，第三章激光扫描式传感器的结构设计
减小转镜旋转偏心时带来的误差；其二，增加采样点的数目：其三，便于装配。
但也不宣太长，而使整个传感器的长度增加，而且转镜到扫描点的距离不宜过
近）。如图３—７所示，转镜Ｚ方向与激光器投射光轴ｘ方向夹角ＸＫｌｚ为９００，转镜 与激光器投射光轴Ｘ方向的夹角ＸＫｌＹ为４５０，Ｋ１位于转镜边长的中点（此时为转
镜的初始位置）。点托尽量位于转镜的顶端，留出５ｍｍ余量即可。根据图３．１，可得到转镜的最小高度ＫＫｌ为：５１
５５ｒａｍ。考虑到转镜固定需要的长度．选取转 镜长度为７０ｍｍ。Ｙ
Ｋ，
１
４５。≥ｒ——瓦器
Ｚ
３．２ ２电机的选择
图３－７激光器与转镜投射示意图
由于保证转镜扫描的精度是整个传感器系统精度保证的前提，因此对电机的
转速精度提出了较高的要求。本文选取直流无刷电机作为转镜的驱动马达。
直流无刷电动机是利用电子换向装置代替传统的机械换向（电刷和换向器１ 的一种电动机，是为了既要保持有刷直流电动机的优异特性，又要革腺电刷和换 向器的“顽疾”为目的而开发研究开发的。控制系统中的执行电动机应该具有下 列优点：响应速度快、可控性好、可靠性高、体积小、重量轻、节能、效率高和
环境适应能力强。永磁无刷直流电动机控制系统主要具有以下的优点”０】：
１
与直流调速系统比较：无刷直流电动机没有电刷和机械换向器、工作可靠、无 电火花产生、不存在励磁损耗，同时它又具有类似于普通直流电动机的调速
性能。２
与一般变频调速的同步电动机比较：与采用矢量控制、直接转矩控制的同步电
动机相比，其控制结构简单，便于工程化。
第三章激光扫描式传感器妻搴结构设诗
３．与异步电动枫调速系统比较：转子与定子磁场同步旋转，不存在转子损耗，提 高了效率和功率因数。
４．永磁无刷直流电动机出力大、重量轻、体积小、效率高，并且转动惯量小。
能量密度高，节省铜等有色金属，而且可以使体积减小、重量减轻。
３．３ ＣＣＤ的选择
电荷耦合器件（ｃｈａｒｇｅ－ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅｓ）简称ＣＣＤ［４¨，是１９７０年在ＭＯＳ工艺基 础上发展起来的新型半导体器件，它与以前在热平衡状态下工作的双极和单极的 ｔ半导体器件相反，是一种在非平衡状态下依靠势并转移电荷信息的，具有独特工
俸机构的器件，主要有兰个方面的蔫途：摄像、信息处理、信息存储。下面就简
要介绍一下它作为摄像器件时的工作原理。简单说来，ＣＣＤ是一种金属一氧化物一半导体（ＭＯＳ）结构，是由为数众多的 ＭＯＳ电容器按序排列成规则阵列。当透镜将来叁景物的光聚焦到ＣＣＤ的光敏面 上时，在ＣＣＤ内部就产生了一幅由电荷包组成的图案，电荷包的大小与景物的光 照强度成正比。此时，若在ＣＣＤ电极上施加适当的时钟电压，那么就会在半导体
和绝缘层的界面上造成“深并’’一“势并帮。此时，光生信号电荷包就滚入“势
井”孛存储起来。若在楣邻电极上施加适当的时钟电压，在该电极下又会出现不 同深度的“势井’’，于是光生电荷包就会从原来的势井中转移到这个势井中。依次类推，电荷包就从ＣＣＤ阵列的一端依次转移到勇一端。如在ＣＣＤ输出端加上
显示装置，这种经ＣＣＤ转移的电荷包就被放大显示在显示器上，从焉褥到一副与 原来景物相同的莉面，于是完成了摄像过程。因此，ＣＣＤ图像传感器实质上是一种能进行光电转换，并将转换后的信号电 荷作短暂存储后再转移的新麓模拟移位寄存器。ＣＣＤ｝炎光敏单元既排列上可分 为线阵ＣＣＤ和面阵ＣＣＤ。我们采用的是硅衬底的线阵ＣＣＤ，它的光谱响应范围 为０．４．１．１｜ｌ
ｍ．对近红外光有较好的响应性，可以很好地利用有效光。
ＣＣＤ图像传感器分为两类，一类是线阵ＣＣＤ，另一类是面阵ＣＣＤ。本文选 用线阵ＣＣＤ作为光接收器件，主要有两个原因，～是在焊接条件下，线阵ＣＣＤ
比面阵要能更好的避免干扰，二是线阵ＣＣＤ比面阵ＣＣＤ具有更快的传输速度，
更适合焊缝跟踪系统的要求。
