焊接机器人的传感器优化方法

为了检测作业对象及环境与机器人的关系，在机器人上安装了触觉传感器、视觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器、超声波传感器和听觉传感器等，这大大改善了机器人的工作状况，使其能够更充分地完成复杂的工作。

通常根据检测对象的不同可分为内部传感器和外部传感器：① 内部传感器：用来检测机器人本身状态（如手臂间角度）的传感器，多为检测位置和角度的传感器。② 外部传感器：用来检测机器人所处环境（如是什么物体，离物体的距离有多远等）及状况（如抓取的物体是否滑落）的传感器，具体有物体识别传感器、物体探伤传感器、接近觉传感器、距离传感器、力觉传感器、听觉传感器等。下面介绍几种常见的焊接机器人传感器。

1.电弧传感器

电弧传感器是利用焊枪与工件之间距离变化引起的焊接参数变化来探测焊枪高度和左右偏差的传感器。在等速送丝调节系统中，送丝速度恒定，焊接电源一般采用平或缓降的外特性，在这种情况下，焊接电流将随着电弧长度的变化而变化。电弧传感器的工作原理如图6.15所示。

图6.15　电弧传感器原理

L 为电源外特性曲线，在稳定焊接状态时，电弧工作点为A0，弧长L0，电流I0，当焊枪与工件表面距离发生阶跃变化增大时。弧长突然被拉长为L1。此时干伸长还来不及变化，电弧在新的工作点A1燃烧，电流突变为l1，电流瞬时变化为Δl1，反之亦然。从上述分析可以得出，电弧位置的变化将引起电弧长度的变化，焊接电流也相应变化，从而可以判断焊枪与焊缝间的相对位置。

随着电弧传感技术的发展，焊缝跟踪被引入了电弧传感技术，电弧传感器作为一种实时传感的器件与其他类型的传感器相比，具有结构较简单、成本低和响应快等特点，是焊接传感器的一个重要发展方向，具有强大的生命力和应用前景，它主要应用在两方面：一方面用在弧焊机器人上，另一方面用在带有十字滑块的自动焊上。

焊缝自动跟踪方面，传感器提供系统赖以进行处理和控制所必需的有关焊缝的信息。研究电弧传感器就是要从焊接电弧信号中提取出能够实时并准确反映焊枪与焊缝中心的偏移变化的信号，并将此信号采集出来，作为气体保护焊焊缝自动跟踪系统的输入信号，即气体保护焊焊缝自动跟踪系统的传感信号。目前，国际、国内焊接界对电弧传感器的研究非常活跃，用于焊缝跟踪的电弧传感器主要有以下几种类型：① 并列双丝电弧传感器。利用两个彼此独立的并列电弧对工件施焊，当焊枪的中心线未对准坡口中心时，其作用焊丝具有不同的干伸长度，对于平外特性电源将造成两个电流不相等，因此根据两个电流差值即可判别焊枪横向位置并实现跟踪。② 旋转扫描电弧传感器。在带有焊丝导向的喷嘴旋转时，旋转速度与焊接电流之间存在一定的关系。高速旋转电弧传感器可用于厚板间隙及角接焊缝的跟踪，在结构上比摆动式电弧传感器复杂，还需要在焊接工艺、信息处理等方面进行深入的研究。③ 焊枪摆动式电弧传感器。当电弧在坡口中摆动时，焊丝端部与母材之间距离随焊枪对中位置而变化，它会引起焊接电流与电压的变化。由于受机械方面限制，摆动式电弧传感器的摆动频率一般较低，限制了在高速和薄板搭接接头焊接中的应用。在弧焊其他参数相同的条件下，摆动频率越高，摆动式电弧传感器的灵敏度越高。

2.接触觉传感器

接触觉传感器是用来判断机器人是否接触物体的测量传感器，可以感知机器人与周围障碍物的接近程度。接触觉传感器可以使机器人在运动中接触到障碍物时向控制器发出信号。

从接触觉实现的原理，接触觉传感器可以分为激光式、超声波式、红外线式等几种。目前国内外对接触觉传感器的研究，主要有气压式、超导式、磁感式、电容式、光电式五种工作类型。由于接触觉是机器人接近目标物的感觉，并没有具体的量化指标，故与一般的测距装置比，其精确度并不高。

接触觉传感器不仅可以判断是否接触物体，而且还可以大致判断物体的形状。一般传感器装于机器人末端执行器上。除微动开关外，接触觉传感器还采用碳素纤维及聚氨基甲酸酯为基本材料构成触觉传感器。机器人与物体接触，通过碳素纤维与金属针之间建立导通电路，与微动开关相比，碳素纤维具有更高的触电安装密度、更好的柔性，可以安装于机械手的曲面手掌上，增加传感器的灵敏度。

3.视觉传感器

视觉传感器是利用光学元件和成像装置获取外部环境图像信息的仪器，通常用图像分辨率来描述视觉传感器的性能。视觉传感器的精度不仅与分辨率有关，而且同被测物体的检测距离相关。被测物体距离越远，其绝对的位置精度越差。

视觉传感器能从一整幅图像捕获数以千计的像素的光线。图像的清晰和细腻程度通常用分辨率来衡量，以像素数量表示。因此，无论距离目标数米或数厘米远，传感器都能“看到”十分细腻的目标图像。在捕获图像之后，视觉传感器将其与内存中存储的基准图像进行比较，做出分析。例如，若视觉传感器被设定为辨别正确地插有8颗螺栓的机器部件，则传感器知道应该拒收只有 7颗螺栓的部件，或者螺栓未对准的部件。此外，无论该机器部件位于视场中的哪个位置，无论该部件是否在360° 范围内旋转，视觉传感器都能做出判断。(https://www.xing528.com)

视觉传感器的低成本和易用性已吸引机器设计师和工艺工程师将其集成应用在各类曾经依赖人工、多个光电传感器，或根本不检验的应用上。视觉传感器的工业应用包括检验、计量、测量、定向、瑕疵检测和分拣。以下是一些应用范例：

（1）在汽车组装厂，检验由机器人涂抹到车门边框的胶珠是否连续，是否有正确的宽度。在瓶装厂，校验瓶盖是否正确密封、灌装液位是否正确，以及在封盖之前有没有异物掉入瓶中。

（2）在包装生产线，确保在正确的位置粘贴正确的包装标签。

（3）在药品包装生产线，检验药片的泡罩式包装中是否有破损或缺失的药片。

（4）在金属冲压公司，以每分钟超过 150 片的速度检验冲压部件，比人工检验快 13 倍以上。

4.接近传感器

接近传感器是代替限位开关等接触式检测方式，以无须接触检测对象进行检测为目的的传感器的总称，它能检测对象的移动信息和存在信息转换为电气信号。在换为电气信号的检测方式中，包括利用电磁感应引起的检测对象的金属体中产生的涡电流的方式、探测体的接近引起的电气信号的容量变化的方式、利石和引导开关的方式。

接近传感器通常具有以下特点：

（1）由于能以非接触方式进行检测，所以不会磨损和损伤检测对象。

（2）由于采用无接点输出方式，因此寿命延长（磁力式除外）采用半导体输出，对接点的寿命无影响。

（3）与光检测方式不同，适合在水和油等环境下使用检测时，几乎不受检测对象的污渍和油、水等的影响。此外，还包括特氟龙外壳型及耐药性良好的产品。

（4）与接触式开关相比，可实现高速响应。

（5）能对应广泛的温度范围。

（6）不受检测物体颜色的影响对检测对象的物理性质变化进行检测，所以几乎不受表面颜色等的影响。

（7）与接触式不同，会受周围温度的影响、周围物体、同类传感器的影响包括感应型、静电容量型在内，传感器之间能相互影响。因此，对于传感器的设置，需要考虑相互干扰。此外，在感应型中，需要考虑周围金属的影响，而在静电容量型中则需考虑周围物体的影响。