用于焊缝跟踪的激光扫描测距传感器的设计
用于焊缝跟踪的激光扫描测距传感器的设计
作者:王晓东,刘洪乾
序言
目前、世界上所应用的弧焊机器人主要釆用示教再现方式工作,精确的示教费时费力,而 且在实际焊接中间可能出现的焊件受热变形,或由于大型焊件焊缝开口的一致性不好,采用 再现示教轨迹的方式就难以保证焊接质量,因而并不适应对焊接工艺要求高的场合。対焊 鮭跟踪方法和技术的研究是机器人在焊接应用研究中的一个热点叫本文所讨论的激光测距传感器,通过対焊缝进行扫描,准确地测定焊缝的空间位置,焊接机器人据此信息对示 教轨迹进行实时惨正,从而対焊接质量起到保证作用.釆用上述方法,不需要对焊接轨迹 进行精确示教、因而可以节省大量的示教时间,大大提高了效率。
1、激光扫描测距传感器原理
激光扫描测距传感器在结构上可以分为两部分,即传感器的测量头和带动测量头转动的 步进电机驱动系统.传感器测量头的测量原理如图1所示,该传感器的测量原理是基于光学 三角法,采用PSD(Position Sensitive Etetector)作为敏感元件、半导体激光管LDfLaser Diode) 作为发光元件,其中PSD是一种新型的半导体位置敏感元件,它通过输出模拟信号来反映照 射 在其敏感表面上人射光点的位置,同CCD图象传感器相比较,它具有分辨率高、信号处理 电路简单、响应速度快等优点,适用于进行实时测量的场合。
为减小传感器测量头的结构尺寸,降低研制成本,可采用简单透镜和光阑将半导体激光器 所发出的光束变成近似的平行而且细的光束。发射光束照射在被測表面上并被反射,部分反 射光通过接收透镜成像在PSD的敏感表面上,成像光点的位置可以通过对PSD两端输出信 号的检测,经过计算来得到.图1中O点为PSD敏感表面的中心,像点P,和O点的距离-X,在結 构已经确定的条件下、B、c、%均为已知常数,则由相似三角形APAB和A5DP可得:d=b • a/(c+X)为使PSD敏感表面上成像光点弥散斑小且能量集中,应将PSD的敏感表面放置在入射 光点的像平面。
2、PSD器件及其外界杂散光影响的消除
PSD器件的断面结构如图2所示,它是一种基于横向光电效应的硅光器件,由P,I、N三 层构成,1•层为感光面,其阻抗均匀一致,在其两边各有一个输出电极,基底的公共电极用来加 偏置电压,在有光束入射时,产生光生电流,并以I,和匚流向两输出电极,丄和L的分流关系 取决于入射光点的位置到两电极的等效电阻,因而有:
外界杂散光同信号光源一样,作用在PSD表面上也会使PSD两端产生输出信号,它们叠 加在有用信号上,対传感器的测量结果产生影响.焊接过程中会产生很强的弧光,首先应避免直接照射传感器的镜头,并进一步采取措施消除外界杂散光的干扰. 有三种方法可以用来消除外界杂散光的干扰:
(1)使用窄带虑光片;
(2)将光源进行调制,然后接收调制后的信号;
(3)釆样一保持法
下面仅对第(3)种方法进行说明,本文作者所研制的激光扫描测距传感器釆用了这种方 法,采样一保持法的原理框圏如圏3所示.图中SHI ~ SH4为采样保持器件,它们和LD — 起由信号线A1和A2控制。开始时,SH1〜SH4处于采样状态,经短暂的采样时间后,由A1 控制将SH1和SH2转换为保持状态,并同时驱动LD发射光束,这时SH3和SH4的输入为LD 发射光束和LD不发射光束时PSD输出信号的差值,除去了外界杂散光所引起的输出,在釆 样时间后,将SH3和SH4转换为保持状态,此时的输出信号即为有效的输出信号。
3、传感器的标定方法
被测物体表面和传感器之间的距离与传感器的输出信号呈非线性的函数关系,同时由于 机械的和光学系统的加工与安装误差,传感器的结构参数与设计值存在偏差,而且儿乎无法 测量,通过几个位置的测量数据,求解式(1)中的结构参数值并不能保证在整个测量范围内都 具有较好的测量精度.在传感器已经制造完毕后,釆取下述方法使得标定过程显得简单,并在 对标定中所釆用的物体的测量中获得很高的测量精度。采用高精度的微动装置带动被测物体表面,将移动距离和由L、L按(2)式计算所得的PSD 表面的光点位置x输人到计算机,并制成表格,存储在EPRQM中,在实际测量时,依据PSD 的输出结果进行査表.
4扫描试验及分析讨论
根据上述讨论,研制了激光扫描測距 传感器的原理样机,并使用它对模拟v形 坡口对接焊缝进行了扫描测试试验,测试 试验曲线如图4所示。试验中扫描角度间隔为0、75。(步进电 机细分后的步距角)、歩进电机每个微步转 动时间为1ms,传感器头测量频率为 4kHz, PC机通过A/D接口电路直接采集 SH3和SH4的输出电压,经计算和査标定 数据表格获得距离信息.曲线中(0, 0)点 为扫描测距传感器的转动中心,曲线中 一共包括测量68个点,所用时间大约为85ms( = (l +0.25)ms>-68。从扫描测试结果中可以看出,利用扫描数据能得到对接焊缝的中心位置,从扫描时间和精 度上来看可以满足一般焊接过程的需要。
使用PSD器件所研制的激光测距传感器其测量精度受被测物体表面因素和传感器因素 两个方面的影响.被测物体表面因素包括:(1)物体表面反射特性的影响;(2)物体表面倾斜的 影响;(3)物体表面粗糙度不同的影响;(4)被测物体表面凸凹的影响;(5)被测物体表面顔色 不一致的影响。
传感器本体因素包括:(1)光学系统的像差;(2)PS D信号检测电路引起的误 差;(3)PSD器件所固有的检测误差和分辨率;(4)PSD器件的暗电流和外界杂散光:(5)电路 的漂移;(6)光学系统的漂移;(7)激光光速,照射光点的大小;C8JA/D转换器的量化误差。
光学传感器抗强电场和强磁场干扰的能力较强,但抗污染的能力一般较差;使用PSD器 件的测距传感器对一定程度的污染并不敏感.在实际焊接中传感器与焊枪应保持一定的距 离.并对传感器增加防护措施,减小污染,提高测量的可靠性。
5结论
从本文的分析以及扫描测试结果来看,经过进一步的改进,釆用上述方法所研制的传感器 能够在实际焊接中得到应用,具有很好的应用前景。
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