Meta Vision Systems

机器人用激光焊缝

跟踪系统

技术手册

原作者：Jonathan Moore 翻译：Dr. Lin Sanbao (林三宝 博士)

前言

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11.
概述

Laser Pilot产品系列被设计用于为机器人应用提供导引技术的解决方案。下面的文档提供了产品规格的概述以及Laser Pilot系列产品的应用。请注意本文档只是提供了一个指南，由于产品的规格可能更改，请与META联系以获得进一步的信息。

Laser Pilot产品系列包含多种传感头和控制器系统，它们列举如下：

11.1 传感头

标准的MT 系列

∙ MT10 – 单激光器传感器，具有5, 10 和 15mm 的视场

∙ MT20 – 双激光器传感器，具有15, 30, 45 和 60 mm 的视场

MT20/15 同MT10/15一样具有同样的规格，用于需要交替式及激光束的应用场合(见6.4节).

High Stand-Off (高安装高度传感器系列)

∙ MT10/15-LR (远距离)

∙ MT20/30-LR (远距离)

传感器的性能等同于标准的MT 系列， 但带有安装高度显著增高。 它们用于典型的找寻(finding)a应用，但也适合于跟踪。

11.2 控制系统

下面列举了Meta生产的一些的控制系统：

∙ MTF – 只用于找缝的系统；

∙ MTR – 完整的找缝和跟踪系统；

∙ MTR Integrated – 插板式的找缝和跟踪系统；

∙ MTX-HS – 完整的高速跟踪系统，使用一个滑架安装在机器人上。

有关产品的规格、性能和应用的进一步细节请参考第五节。

11.3 应用

Laser Pilot可以广泛地适用于焊接生产中，但并不是所有的产品都适合于焊接应用，MXS传感器是用来进行钻孔应用的。系统也可以用于其它的机器人应用场合，如抛光、去毛刺、粘接和密封。实际上这些传感器能够为任何工件位置偏差太大而不能进行加工的机器人应用场合，提供了性价比非常好的解决方案。

系统可以用于各种焊接场合，包括:

∙ MIG/MAG焊

∙ TIG焊

∙ 等离子焊接

∙ 激光焊接

Laser Pilot的跟踪速度最大可达15m/min。如果需要更高的速度，请联系Meta以讨论使用Laser Vision系列产品。

11.4 典型应用

Laser Pilot系列已经应用于不同的应用领域，包括：

∙ 集装箱和压力容器

∙ 铁路

o 铁路车辆和客货车厢

∙ 造船

∙ 汽车和汽车零件，包括：

o BIW (轿车和货车驾驶室)

o 空间桁架

o 货车驾驶室

o 催化转换器

o 排气系统

o 尾翼升力

o 燃料箱

o 剪裁的半成品焊接

∙ 重型、越野车辆

o 装配件的焊接

o 拖拉机底盘

∙ 航空、航天和国防

o 火箭喷嘴

o 外壳和罩等；

11.5 焊缝类型

标准的焊缝类型已经在系统中预先定义，它们可以通过配置过程进行选择，特殊的焊缝类型可以通过焊缝定义软件设定。预定义的标准焊缝类型如下图所示。交叉线代表作为定位和跟踪的参考点。

11.6
工作原理

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传感器头部包括一个CCD摄像机和一个或两个半导体激光器。激光器作为结构光源，以预定的角度将激光条纹投影到传感器下部的工件表面。摄像机直接观察在传感器下部的条纹。摄像机前部是一个光学滤光片，允许激光通过但是滤去所有其它的光，例如焊接电弧。传感器因此能够非常接近焊接电弧。

传感器通常以预先设定的距离(超前)安装在焊枪前部，因此它可以观察焊缝(对于MTF 定位应用，传感器可以安装在其它的位置)。传感器本体到工件的距离，也就是安装高度取决于所安装的传感器型号。当焊枪在焊缝上方正确的定位后，焊缝应该接近条纹的中心，这才能使得摄像机观察到激光条纹和焊缝。

图 1

由于激光条纹是以一定的角度投影的，如果工件同传感器距离太近，激光条纹的位置就相对靠前。反过来，如果工件同传感器的距离远一些，工件表面激光条纹的位置相对靠后。摄像机观察激光条纹的位置，传感器能够测量距离工件的垂直距离。从条纹的形状上看，传感器也能够测量表面的轮廓和焊缝在条纹上的位置。这就允许传感器测量焊缝的横向位置。

图 2：视频监视器上所观察到的传感器和焊缝位置图像

从摄像机观察到的图像被控制器处理。图像首先被获取并形成数字化的激光条纹图像。然后软件使用特定的设置(该设置取决于焊缝类型)来将条纹分成形成焊缝的许多条线。从这些线的位置，系统可以测量焊缝的位置，并将其转化成以mm计算的距离。这种转化是使用在传感头中存储的校准数据完成的。

当系统正在进行跟踪时，焊接速度和前视距离被用来计算延迟时间。这就保证焊枪而不是传感器沿着焊缝行进。应该指出的是控制策略提供了平滑的前视距离以保证形成平滑的焊缝。因此如果传感器在路径上遇到了一个台阶的变化，它将会提供一个平滑的响应，如下图所示。

图 3

另一种解决方法是使传感器提供立即响应，这可以通过使用 “True Path” 选项完成 (参见 6.3节).

12.
传感器

传感器是高度可靠的，已经有超过550套传感器应用在各种焊接场合。

12.1 激光的安全性

这取决于传感头的型号。传感头通常装有一个或两个半导体激光器。传感头的侧面有一个警告标签，标明传感器头中激光的波长和强度。

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常用的激光规格如下：

依据EN60825:1992的标准，系统的分类级别为3B。直接观察激光束是危险的，必须采取适当的预防措施以防止直接观察激光束或者从反光的表面所反射的激光束。

系统在传感头和控制器上安装有自动防故障装置的指示灯。在控制器上有一个钥匙开关允许关闭激光器。

12.2 规格

传感头具有一系列不同的视场，取决于应用的场合。MT10型号的传感头只装有一个激光器，而MT20的传感头装有两个激光器。双激光器用于视场要求超过15mm的情况。

传感头包括：

∙ CCD摄像机和滤光片

∙ 半导体激光器(1或2)和光学元件

∙ 监测温度的微处理器

∙ 存储的校准数据

温度监控器在冷却系统万一失效时对激光器提供保护。如果激光器在超过限度的温度下应用，则其寿命会显著的降低。

校准数据的存储使得传感头完全可互换的，而无需额外装配或修改。这就保证了在传感器损坏或失效时的最小停机时间。

传感头通过摄像机电缆连接到控制器上，摄像机电缆最长可达50米。

焊接过程的烟尘和飞溅是通过一个黑色的铜制防溅挡板来保护传感头的光学元件的。这种防溅挡板安装有一个清晰可更换的塑料片，当有污垢在其表面时，该塑料片必须定期更换。

传感头必须通过焊接保护气体或者空气冷却(清洁、干燥和无油)，将电子元件的温度维持在50ºC以下，并且防止烟尘，保护光学元件。使用的气体流量典型的为5L/min。

如果有必要，可以使用一个水冷的安装板来对传感头提供的额外冷却。反过来，如果半导体激光器的温度低于+5ºC，一个可选的加热器就应该安装在传感头上。

12.3
MT 产品系列的规格

12.4
传感器的物理规格

12.5 焊缝的特征尺寸

特定传感器所能够识别的特征尺寸取决于特征的形状和传感器的视场。下表提供了不同焊缝形式和传感器形状的特征分辨率极限。

在所有的情况下，MT10/15-LR 同MT10/15相同，同时MT20/30-LR同MT20/30相同。并请注意所有的尺寸单位都是mm。

对接

V 型坡口

搭接

角焊缝

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外部角焊缝

13.
控制系统

根据各种应用情况的不同，有各种不同的控制系统可以选择。下面各节给出了每个控制系统的详细情况，包括配置。现有的可选件在第7部分给出。

除非事先声明，否则所有的控制系统接口都是连接到机器人控制器上，或者通过串行口(RS232)、模拟/数字接口，或者组合接口。Meta可以提供具有各种范围的控制器接口，也能够提供额外的所需接口。

在所有的情况下，传感器系统被设置用来分析所要求的轮廓，并输出必要的信息。每个系统能够存储多种焊缝类型，可以通过机器人控制器选择相应合适的类型。传感器系统总是扮演者从属于机器人控制器的角色。在正常运行期间，传感器系统都会自动运行，并不需要用户的干预。

13.1 MTF – Finder(MTF 定位控制系统)

MTF型号是一个简单的系统，仅仅用于定位应用。可以同所有MT系列传感器配合使用。

应该指出的是，如果仅仅用于定位的应用场合，传感器可以不必安装在焊枪的旁边。可以将其安装在任何适当的位置，这就有助于解决可达性问题，尽管必须考虑生产周期的要求。

MTF 通过MTF工具软件包来安装，可以运行在笔记本电脑上。它是基于windows 操作系统的程序，提供了配置系统所需要的所有功能，来满足特定应用的需求。同时可以设置多个焊缝形式。必须注意：每次安装只需要一个软件包即可。

通常的方法是选择一个传感器，其视场应该足够大，以便只要焊缝在允许的偏差范围内，就可以看见焊缝。但是这个范围必须包含传感器能够识别的最小特征尺寸。在极端的情况下，一旦传感器不能在第一次测量时发现焊缝，可以编写一个搜索例程程序，并将此程序集成到机器人中。

传感器系统一经机器人定位，就可以在一秒之内提供给机器人控制器相关的校正信息。

MTF能够很容易地接口到任何机器人中，位置的修正信息提供在标准的移码函数中，并不需要实时的校正。MTF系统需要一个24V电压, 1 A (无噪声) 的电源，这个电源经常可以从机器人控制器中提供。

13.2 MTR

MTR是一个完整的跟踪系统，可以装备所有型号的MT系列传感器。

控制系统是基于单处理器板。系统操作所需要的所有软件都保存在一个闪存设备中。可以通过使用一个MTR工具软件包对MTR系统进行编程，该软件包是基于windows的。该软件包以CD的形式提供，可以应用在笔记本电脑或者PC机电脑中，通过串行电缆同MTR系统通讯。当系统安装和编程结束后，所做的设置存储进处理板中，Laser Pilot工具软件就可以离线。这就在系统操作过程中对系统提供保护。

标准系统的配置如下：

∙ Sensor(传感器)

∙ Mounting plate(安装板)

∙ Camera cable(摄像机电缆)

∙ MTR control system including:(MTR控制系统,包括)

o SAPE II processing board(SAPEII处理板)

o Interface board(接口板)

o 24v power supply(24V电源)

o Enclosure(附件)

∙ MTR Tools programming software(MTR工具软件)

∙ Spares kit(备件包)

∙ Documentation.(文档)

系统能够提供定位和跟踪功能。系统运行频率为50Hz，允许的最大跟踪速度可达15米/分钟。大多数的应用需要2维跟踪，也就是说，焊枪和传感器相对于焊缝的方向在整个焊缝焊接期间不需要调整。如果需要3维跟踪，可以提供Teach Track 可选件 (参见6.7节)。

MTR 需要一个240V, 单项, 2A or 110V, 单项, 4A的电源。

系统不提供编程设置所需要的笔记本电脑。

13.3
MTR Integrated(集成型MTR系统)

MTR Integrated是MTR的插板级的版本，其所有的运行和性能同MTR相同。

标准系统的配置如下：

∙ 传感器；

∙ 安装板；

∙ 摄像机电缆；

∙ SAPE II 处理器板；

∙ 接口卡；

∙ MTR工具软件；

∙ 备件包；

∙ 文档；

供应商需要提供这些硬件的外包装，系统没有提供编程用的笔记本电脑。

13.4 MTX-HS

这个系统是基于Laser Probe 2000 系统，典型的用于自动化专机的焊接操作。

在这种情况下，提供了一个单轴的滑架或者双轴的十字滑架，安装在机器人的末端。它提供了独立于机器人控制器的跟踪功能。其到机器人的接口只限于数字信号，来提供基本的控制功能，如开始、停止和错误以及焊缝的选择。这个系统因此能够安装到任何的机器人中，作为实时跟踪校正，不需要通过机器人控制器。

这个系统的有点是可以应用于较大的机器人中，该机器人需要达到和获得较高性能。

这个系统能够同所有的MT 系列传感器配合使用(MXS除外)。最大的跟踪速度可以达到15米/分钟。路径的跟随精度可达+/-0.1mm。

标准系统的配置如下：

∙ 传感器

∙ 安装板

∙ 摄像机电缆

∙ MTX-HS 控制系统包括：

o SAPEII卡

o 接口卡

o 24v 电源

o 放大器

o 外包装

∙ 电机电缆

∙ 高精度的滑架或十字滑架

∙ 系统软件：

o 高速控制

o 真实路径(True path)

∙ Laser Probe 工具

∙ 备件包

∙ 文档.

系统的配置和焊缝的设定，使用Laser Probe工具，这是一个基于 windows 的软件包，运行在笔记本电脑上，该电脑不在提供之列。

MTX-HS 需要一个240伏、单相、2安培或者一个110伏、单相、4安培的电源。

14.
软件的主要特征

MTF和十字条纹型系统提供了单点位置信息。所有的跟踪系统在连续的基础上提供两个位置测量信息。

系统具有许多特点，我们也提供了许多可选项来提高系统的能力。这些特点描述如下：

14.1 焊缝定义

焊缝定义软件包辅助提供焊缝类型的定义功能。软件将基于所获取的图象来优化各种焊缝定义参数。

它只需要将传感器定位在焊缝上面来获取图像。操作者可以确认所识别的焊缝类型：例如对接、角接、边缘以及提示在图象上的标志着焊缝的区域。

系统然后计算最优的参数，来对焊缝进行良好的分析。如果这些操作都成功的话，系统将会使用这个焊缝定义结果。

但也有系统不能提供最优的焊缝分析结果的场合，这是由于在图象中缺乏足够的信息。在这种情况下，也可以通过手动输入参数来定义焊缝。

14.2 间隙测量

所有的控制系统软件都能够进行测量焊缝的间隙。它或者可以输出模拟信号，或者可以输出串行的通讯数字信号，这取决于所要操作的类型。

14.3 真实路径(True Path)

真实路径(True Path)软件使用一个不同的算法，这种算法在前视距离内，减少了校正的平滑性(参见第3节)。

这个软件特别用于MTR 和MTX-HS 控制系统中来满足高速跟踪的需要。

14.4 搜索

在最开始的搜索阶段，机器人将传感器定位在通常焊缝存在的位置。如果传感器在视场中能够看到焊缝，它将会测定校正信息，并将其发送给机器人。机器人然后会移动到焊缝上面新的位置处。

如果传感器不能看到焊缝，它将提供一个错误标志信号给机器人。在这种情况下，机器人编程者应决定下一步怎么做。机器人或者移动到预先定义好的位置处再进行操作，或者机器人显示一个错误信息。搜索的例程可以非常灵活，可以通过机器人编程决定，而不是传感器来决定。

软件中也有一个特殊的功能，称作“横向搜索”，它被用在机器人和传感器固定不动，零件沿着外部轴在传感器下旋转。部件，如带有长圆周焊缝的管子，将持续旋转直到其进入到传感器的视场中。传感器然后触发一个数字信号输出到机器人控制器中以停止旋转。搜索然后继续正常进行以精确的定位焊缝。

14.5 体积&高度 错边测量

作为一个可选项，系统能够提供接头的其它测量信息。这包括对接接头高度上的错边，以及V型坡口接头的横截面面积。 接头的体积可以从机器人速度和横截面积获得。

此数据或者以模拟信号输出，或者串行的数字信号，取决于接口。机器人控制器然后使用这些测量结果调整焊接参数，因此可以保证良好的焊缝质量。

14.6 交替式激光器

对于工件材料的表面反光的情况，有时很难获得焊缝的清晰图像。如果接头形状给出了激光线的倒影。典型的情况是，铝板的角焊缝，这些倒影给出了多条线，对系统的分析造成了混淆。

交替式激光器功能提供了这种问题的解决方案。这种功能仅仅应用于MT20传感器，它们带有两个激光器。

当选择交替式激光器时，系统交替式的开关激光器，并将一幅图像处理成两半图像。倒影因此就会只能显示另一半图像上，因此不能影响对一半图像的分析和处理。系统然后结合这两个半幅图像进行处理，然后决定实际焊缝的位置。

应该提出的是，当使用交替式激光束模式时，系统的处理速度为原来的三分之一，因此最大的焊接速度也是原来的三分之一。

14.7 示教跟踪(Teach Track)

这个设备能够在焊接一条焊缝过程中，改变传感器相对于工件的标准位置。

此方法工作如下：

- 首先示教机器人，指明其在主工件上的路径，此时焊枪定位在能够获得良好焊缝的正确位置处。此路径必须被示教，因此焊缝总是能够在传感器的视场中。在此过程中，为了提高总体性能，最好是将传感器相对于焊缝的位置的改变减少到最小。也就是说，在编程的过程中，如果焊接过程允许的话，要注意保持传感器沿着焊缝的方向恒定，保持不变。

- 下一步，以实际速度按照程序，依次对每条焊缝运行机器人。传感器系统测量其相对焊缝的位置，测量速率大约为15赫兹。这些数据被存储起来，直到到达焊缝的末端。传感器系统然后执行一系列滤波和平滑操作。最后的结果是对于焊缝的一系列数据，以明确的距离间隔，表示传感器相对于主零件的位置。

- 这些距离间隔典型的是4mm，但是可以由用户定义。传感器或者从先前用户输入的机器人速度，或者一个直接的信号来识别间隔，其正比于实际的机器人速度。

- 传感器于是以4mm的间隔，获得了一系列相对于主零件的偏移数据。这些数据被用于比较每一个其它零件并进行校正，该校正信号，是主零件的数据和实际读取的数据的偏差数据，由传感器提供给机器人。

- 最大的焊缝长度，对于一个焊缝，可以最大存储20m。如果距离间隔增加的话，也可以增加最大存储长度。这个最大值不可能是一个问题，这是由于这是每条焊缝的限制，而最大焊缝的数量是255个。

这个示教跟踪(Teach Track)可选项因此提供了一个非常有用的功能，以适应传感器必须改变相对于焊缝位置的应用，来保证焊枪维持在一个恒定的位置。这个功能也减少了传感器和焊枪位置校准的问题，因为在示教过程中校准是自动的。

15. 配置和可选项

15.1 应用概述

下表概述了传感器和控制系统适合的应用。

如果你的应用情况同上述列表中的不同，请联系Meta以获得更详细的信息(联系方法见第一节)。

15.2
硬件和软件可选项

下表概述了可选的硬件和软件以及相适用的传感器。

激光焊缝跟踪系统机器人用技术手册