1、本文由【中文word文檔庫】 搜集整理。中文word文檔庫免費提供海量教學資料、行業資料、范文模板、應用文書、考試學習和社會經濟等word文檔Meta Vision Systems機器人用激光焊縫跟蹤系統技術手冊原作者：Jonathan Moore 翻譯：Dr. Lin Sanbao (林三寶 博士)前言盡管我們在編寫這個手冊時已經盡了最大努力，但是我們不接受任何由通過使用或者錯誤使用本手冊中的信息，或者可能包含在本手冊中的錯誤，而引發的責任和義務。本手冊所提供的信息只是用于培訓的目的。英文版權所有 ©  Meta Vision Systems 2000。中文版版權所有&#

2、169; 中國哈爾濱AWPTRDC聯合實驗室所有權力保留，未經允許，不得以任何形式復制本手冊或本手冊中的任何部分。聯系方式：Meta Vision Systems Ltd.Oakfield HouseOakfield Industrial EstateEynshamOxfordshireOX8 1THUNITED KINGDOMTel: +44 (0) 1865 887900Fax: +44 (0) 1865 887901Email: supportmeta-mvs.co.uk中國地區:地址：珠海市九洲大道蘭埔白石路105號二樓西郵編：519000 電話：0756 - 8509695、8508

3、516、6680610、6602419、6626464傳真：0756 - 8500745聯系人：魏占靜電郵：jbwwzj0756網址：目 錄1.概述31.1傳感頭31.2控制系統31.3應用31.4典型應用41.5焊縫類型42.傳感器92.1激光的安全性92.2規格92.3MT 產品系列的規格112.4傳感器的物理規格122.5焊縫的特征尺寸123.控制系統143.1MTF Finder(MTF 定位控制系統)143.2MTR153.3MTR Integrated(集成型MTR系統)163.4MTX-HS164.軟件的主要特征184.1焊縫定義184.2間隙測量184.3真實路徑(True P

4、ath)184.4搜索184.5體積&高度 錯邊測量194.6交替式激光器194.7示教跟蹤(Teach Track)205.配置和可選項215.1應用概述215.2硬件和軟件可選項221. 概述Laser Pilot產品系列被設計用于為機器人應用提供導引技術的解決方案。下面的文檔提供了產品規格的概述以及Laser Pilot系列產品的應用。請注意本文檔只是提供了一個指南，由于產品的規格可能更改，請與META聯系以獲得進一步的信息。Laser Pilot產品系列包含多種傳感頭和控制器系統，它們列舉如下：1.1 傳感頭標準的MT 系列· MT10 單激光器傳感器，具有5, 10

5、 和 15mm 的視場· MT20 雙激光器傳感器，具有15, 30, 45 和 60 mm 的視場MT20/15 同MT10/15一樣具有同樣的規格，用于需要交替式及激光束的應用場合(見6.4節).High Stand-Off (高安裝高度傳感器系列)· MT10/15-LR (遠距離)· MT20/30-LR (遠距離)傳感器的性能等同于標準的MT 系列， 但帶有安裝高度顯著增高。 它們用于典型的找尋(finding)a應用，但也適合于跟蹤。1.2 控制系統下面列舉了Meta生產的一些的控制系統：· MTF 只用于找縫的系統；· MTR 完

6、整的找縫和跟蹤系統；· MTR Integrated 插板式的找縫和跟蹤系統；· MTX-HS 完整的高速跟蹤系統，使用一個滑架安裝在機器人上。有關產品的規格、性能和應用的進一步細節請參考第五節。1.3 應用Laser Pilot可以廣泛地適用于焊接生產中，但并不是所有的產品都適合于焊接應用，MXS傳感器是用來進行鉆孔應用的。系統也可以用于其它的機器人應用場合，如拋光、去毛刺、粘接和密封。實際上這些傳感器能夠為任何工件位置偏差太大而不能進行加工的機器人應用場合，提供了性價比非常好的解決方案。系統可以用于各種焊接場合，包括:· MIG/MAG焊· TIG焊

7、· 等離子焊接· 激光焊接Laser Pilot的跟蹤速度最大可達15m/min。如果需要更高的速度，請聯系Meta以討論使用Laser Vision系列產品。1.4 典型應用Laser Pilot系列已經應用于不同的應用領域，包括：· 集裝箱和壓力容器 · 鐵路o 鐵路車輛和客貨車廂· 造船· 汽車和汽車零件，包括：o BIW (轎車和貨車駕駛室)o 空間桁架o 貨車駕駛室o 催化轉換器o 排氣系統 o 尾翼升力o 燃料箱o 剪裁的半成品焊接· 重型、越野車輛o 裝配件的焊接o 拖拉機底盤· 航空、航天和國防o

8、火箭噴嘴o 外殼和罩等；1.5 焊縫類型標準的焊縫類型已經在系統中預先定義，它們可以通過配置過程進行選擇，特殊的焊縫類型可以通過焊縫定義軟件設定。預定義的標準焊縫類型如下圖所示。交叉線代表作為定位和跟蹤的參考點。對接搭接 (左 / 右)邊緣 (左 / 右)角接外側角接整張板材1.6 工作原理傳感器頭部包括一個CCD攝像機和一個或兩個半導體激光器。激光器作為結構光源，以預定的角度將激光條紋投影到傳感器下部的工件表面。攝像機直接觀察在傳感器下部的條紋。攝像機前部是一個光學濾光片，允許激光通過但是濾去所有其它的光，例如焊接電弧。傳感器因此能夠非常接近焊接電弧。傳感器通常以預先設定的距離(超前)安裝在

9、焊槍前部，因此它可以觀察焊縫(對于MTF 定位應用，傳感器可以安裝在其它的位置)。傳感器本體到工件的距離，也就是安裝高度取決于所安裝的傳感器型號。當焊槍在焊縫上方正確的定位后，焊縫應該接近條紋的中心，這才能使得攝像機觀察到激光條紋和焊縫。圖 1由于激光條紋是以一定的角度投影的，如果工件同傳感器距離太近，激光條紋的位置就相對靠前。反過來，如果工件同傳感器的距離遠一些，工件表面激光條紋的位置相對靠后。攝像機觀察激光條紋的位置，傳感器能夠測量距離工件的垂直距離。從條紋的形狀上看，傳感器也能夠測量表面的輪廓和焊縫在條紋上的位置。這就允許傳感器測量焊縫的橫向位置。圖 2：視頻監視器上所觀察到的傳感器和焊

10、縫位置圖像從攝像機觀察到的圖像被控制器處理。圖像首先被獲取并形成數字化的激光條紋圖像。然后軟件使用特定的設置(該設置取決于焊縫類型)來將條紋分成形成焊縫的許多條線。從這些線的位置，系統可以測量焊縫的位置，并將其轉化成以mm計算的距離。這種轉化是使用在傳感頭中存儲的校準數據完成的。當系統正在進行跟蹤時，焊接速度和前視距離被用來計算延遲時間。這就保證焊槍而不是傳感器沿著焊縫行進。應該指出的是控制策略提供了平滑的前視距離以保證形成平滑的焊縫。因此如果傳感器在路徑上遇到了一個臺階的變化，它將會提供一個平滑的響應，如下圖所示。圖 3另一種解決方法是使傳感器提供立即響應，這可以通過使用 “True Pat

11、h” 選項完成 (參見 6.3節). 2. 傳感器傳感器是高度可靠的，已經有超過550套傳感器應用在各種焊接場合。2.1 激光的安全性這取決于傳感頭的型號。傳感頭通常裝有一個或兩個半導體激光器。傳感頭的側面有一個警告標簽，標明傳感器頭中激光的波長和強度。常用的激光規格如下：激光波長 (nm)每個半導體激光器的最大輸出功率 (mW)可見650 69930 (連續波)依據EN60825:1992的標準，系統的分類級別為3B。直接觀察激光束是危險的，必須采取適當的預防措施以防止直接觀察激光束或者從反光的表面所反射的激光束。系統在傳感頭和控制器上安裝有自動防故障裝置的指示燈。在控制器上有一個鑰匙開關允

12、許關閉激光器。2.2 規格傳感頭具有一系列不同的視場，取決于應用的場合。MT10型號的傳感頭只裝有一個激光器，而MT20的傳感頭裝有兩個激光器。雙激光器用于視場要求超過15mm的情況。傳感頭包括：水冷安裝板防飛濺板塑料片壓縮空氣或焊接保護氣· CCD攝像機和濾光片· 半導體激光器(1或2)和光學元件· 監測溫度的微處理器· 存儲的校準數據溫度監控器在冷卻系統萬一失效時對激光器提供保護。如果激光器在超過限度的溫度下應用，則其壽命會顯著的降低。校準數據的存儲使得傳感頭完全可互換的，而無需額外裝配或修改。這就保證了在傳感器損壞或失效時的最小停機時間。傳感頭通過

13、攝像機電纜連接到控制器上，攝像機電纜最長可達50米。 焊接過程的煙塵和飛濺是通過一個黑色的銅制防濺擋板來保護傳感頭的光學元件的。這種防濺擋板安裝有一個清晰可更換的塑料片，當有污垢在其表面時，該塑料片必須定期更換。 傳感頭必須通過焊接保護氣體或者空氣冷卻(清潔、干燥和無油)，將電子元件的溫度維持在50ºC以下，并且防止煙塵，保護光學元件。使用的氣體流量典型的為5L/min。如果有必要，可以使用一個水冷的安裝板來對傳感頭提供的額外冷卻。反過來，如果半導體激光器的溫度低于+5ºC，一個可選的加熱器就應該安裝在傳感頭上。2.3 MT 產品系列的規格傳感頭在標準安裝高度時的視場(水平

14、) (mm)標準安裝高度(mm)在標準安裝高度時有效景深 (mm)MT10/05535-3 to +5MT10/101035-6 to +9MT10/151565-15 to +20MT20/151565-15 to +20MT20/303075-30 to +45MT20/454580-30 to +45MT20/606085-35 to +55MT10/15-LR15260-15 to +20MT20/30-LR30300-30 to +45傳感頭水平測量精度 (mm)垂直測量精度(mm)MT10/05+/-0.05+/-0.05MT10/10+/-0.10+/-0.10MT10/15+/

15、-0.15+/-0.30MT20/15+/-0.15+/-0.30MT20/30+/-0.30+/-0.75MT20/45+/-0.45+/-1.00MT20/60+/-0.60+/-1.50MT10/15-LR+/-0.15+/-0.30MT20/30-LR+/-0.30+/-0.752.4 傳感器的物理規格MT10, MT20 尺寸不包括防濺擋板 (大致) H=100mm W=40mm D=60mmLR 變型(高安裝高度)尺寸不包括防濺擋板 (大致) H=100mm W=40mm D=110mm重量(大約) 0.35 kg半導體激光器的工作溫度范圍 最小 = +5ºC 最大 =

16、+50ºC2.5 焊縫的特征尺寸特定傳感器所能夠識別的特征尺寸取決于特征的形狀和傳感器的視場。下表提供了不同焊縫形式和傳感器形狀的特征分辨率極限。在所有的情況下，MT10/15-LR 同MT10/15相同，同時MT20/30-LR同MT20/30相同。并請注意所有的尺寸單位都是mm。對接xx 最小X 最大 x 最小X 最大MT10/05 0.1 2.5 MT20/15 0.5 7 MT10/10 0.2 5 MT20/30 1 15 MT10/15 0.5 7 MT20/45 1.5 22 MT20/60 3 30 xyzV 型坡口X和y最小 Z最大X和y 最小z最大MT10/050

17、.1 2.5 MT20/15 0.5 7MT10/100.2 5 MT20/30 1 15MT10/150.57 MT20/45 1.5 22MT20/60 3 30 搭接x 最小 xx 最大X最小X最大xMT10/050.12.5MT20/150.5 7MT10/100.25 MT20/30 1 15MT10/150.5 7MT20/45 1.5 22MT20/60 3 30角焊縫x 最小 x 最大x 最小x 最大MT10/05 02.5MT20/15 0 7MT10/10 0 5 MT20/30 0 15MT10/15 0 7MT20/45 0 22MT20/60 0 30 外部角焊縫X最

18、大 X最小MT10/05 2.5 MT20/15 7 xMT10/10 5 MT20/30 15MT10/15 7 MT20/45 22MT20/60 30 3. 控制系統根據各種應用情況的不同，有各種不同的控制系統可以選擇。下面各節給出了每個控制系統的詳細情況，包括配置。現有的可選件在第7部分給出。除非事先聲明，否則所有的控制系統接口都是連接到機器人控制器上，或者通過串行口(RS232)、模擬/數字接口，或者組合接口。Meta可以提供具有各種范圍的控制器接口，也能夠提供額外的所需接口。在所有的情況下，傳感器系統被設置用來分析所要求的輪廓，并輸出必要的信息。每個系統能夠存儲多種焊縫類型，可以通

19、過機器人控制器選擇相應合適的類型。傳感器系統總是扮演者從屬于機器人控制器的角色。在正常運行期間，傳感器系統都會自動運行，并不需要用戶的干預。3.1 MTF Finder(MTF 定位控制系統)MTF型號是一個簡單的系統，僅僅用于定位應用。可以同所有MT系列傳感器配合使用。應該指出的是，如果僅僅用于定位的應用場合，傳感器可以不必安裝在焊槍的旁邊。可以將其安裝在任何適當的位置，這就有助于解決可達性問題，盡管必須考慮生產周期的要求。MTF 通過MTF工具軟件包來安裝，可以運行在筆記本電腦上。它是基于windows 操作系統的程序，提供了配置系統所需要的所有功能，來滿足特定應用的需求。同時可以設置多個

20、焊縫形式。必須注意：每次安裝只需要一個軟件包即可。通常的方法是選擇一個傳感器，其視場應該足夠大，以便只要焊縫在允許的偏差范圍內，就可以看見焊縫。但是這個范圍必須包含傳感器能夠識別的最小特征尺寸。在極端的情況下，一旦傳感器不能在第一次測量時發現焊縫，可以編寫一個搜索例程程序，并將此程序集成到機器人中。 傳感器系統一經機器人定位，就可以在一秒之內提供給機器人控制器相關的校正信息。MTF能夠很容易地接口到任何機器人中，位置的修正信息提供在標準的移碼函數中，并不需要實時的校正。MTF系統需要一個24V電壓, 1 A (無噪聲) 的電源，這個電源經常可以從機器人控制器中提供。3.2 MTRMTR是一個完

21、整的跟蹤系統，可以裝備所有型號的MT系列傳感器。控制系統是基于單處理器板。系統操作所需要的所有軟件都保存在一個閃存設備中。可以通過使用一個MTR工具軟件包對MTR系統進行編程，該軟件包是基于windows的。該軟件包以CD的形式提供，可以應用在筆記本電腦或者PC機電腦中，通過串行電纜同MTR系統通訊。當系統安裝和編程結束后，所做的設置存儲進處理板中，Laser Pilot工具軟件就可以離線。這就在系統操作過程中對系統提供保護。標準系統的配置如下：· Sensor(傳感器)· Mounting plate(安裝板)· Camera cable(攝像機電纜)·

22、; MTR control system including:(MTR控制系統,包括)o SAPE II processing board(SAPEII處理板)o Interface board(接口板)o 24v power supply(24V電源)o Enclosure(附件)· MTR Tools programming software(MTR工具軟件)· Spares kit(備件包)· Documentation.(文檔)系統能夠提供定位和跟蹤功能。系統運行頻率為50Hz，允許的最大跟蹤速度可達15米/分鐘。大多數的應用需要2維跟蹤，也就是說，焊槍和

23、傳感器相對于焊縫的方向在整個焊縫焊接期間不需要調整。如果需要3維跟蹤，可以提供Teach Track 可選件 (參見6.7節)。MTR 需要一個240V, 單項, 2A or 110V, 單項, 4A的電源。系統不提供編程設置所需要的筆記本電腦。3.3 MTR Integrated(集成型MTR系統)MTR Integrated是MTR的插板級的版本，其所有的運行和性能同MTR相同。標準系統的配置如下：· 傳感器；· 安裝板；· 攝像機電纜；· SAPE II 處理器板；· 接口卡；· MTR工具軟件；· 備件包；·

24、; 文檔；供應商需要提供這些硬件的外包裝，系統沒有提供編程用的筆記本電腦。 3.4 MTX-HS這個系統是基于Laser Probe 2000 系統，典型的用于自動化專機的焊接操作。 在這種情況下，提供了一個單軸的滑架或者雙軸的十字滑架，安裝在機器人的末端。它提供了獨立于機器人控制器的跟蹤功能。其到機器人的接口只限于數字信號，來提供基本的控制功能，如開始、停止和錯誤以及焊縫的選擇。這個系統因此能夠安裝到任何的機器人中，作為實時跟蹤校正，不需要通過機器人控制器。這個系統的有點是可以應用于較大的機器人中，該機器人需要達到和獲得較高性能。 這個系統能夠同所有的MT 系列傳感器配合使用(MXS除外)。

25、最大的跟蹤速度可以達到15米/分鐘。路徑的跟隨精度可達+/-0.1mm。標準系統的配置如下：· 傳感器· 安裝板· 攝像機電纜· MTX-HS 控制系統包括：o SAPEII卡o 接口卡o 24v 電源o 放大器o 外包裝· 電機電纜· 高精度的滑架或十字滑架· 系統軟件：o 高速控制o 真實路徑(True path)· Laser Probe 工具· 備件包· 文檔.系統的配置和焊縫的設定，使用Laser Probe工具，這是一個基于 windows 的軟件包，運行在筆記本電腦上，該電腦不在提

26、供之列。MTX-HS 需要一個240伏、單相、2安培或者一個110伏、單相、4安培的電源。4. 軟件的主要特征MTF和十字條紋型系統提供了單點位置信息。所有的跟蹤系統在連續的基礎上提供兩個位置測量信息。 系統具有許多特點，我們也提供了許多可選項來提高系統的能力。這些特點描述如下：4.1 焊縫定義焊縫定義軟件包輔助提供焊縫類型的定義功能。軟件將基于所獲取的圖象來優化各種焊縫定義參數。 它只需要將傳感器定位在焊縫上面來獲取圖像。操作者可以確認所識別的焊縫類型：例如對接、角接、邊緣以及提示在圖象上的標志著焊縫的區域。系統然后計算最優的參數，來對焊縫進行良好的分析。如果這些操作都成功的話，系統將會使用

27、這個焊縫定義結果。 但也有系統不能提供最優的焊縫分析結果的場合，這是由于在圖象中缺乏足夠的信息。在這種情況下，也可以通過手動輸入參數來定義焊縫。4.2 間隙測量所有的控制系統軟件都能夠進行測量焊縫的間隙。它或者可以輸出模擬信號，或者可以輸出串行的通訊數字信號，這取決于所要操作的類型。4.3 真實路徑(True Path)真實路徑(True Path)軟件使用一個不同的算法，這種算法在前視距離內，減少了校正的平滑性(參見第3節)。這個軟件特別用于MTR 和MTX-HS 控制系統中來滿足高速跟蹤的需要。 4.4 搜索在最開始的搜索階段，機器人將傳感器定位在通常焊縫存在的位置。如果傳感器在視場中能夠

28、看到焊縫，它將會測定校正信息，并將其發送給機器人。機器人然后會移動到焊縫上面新的位置處。如果傳感器不能看到焊縫，它將提供一個錯誤標志信號給機器人。在這種情況下，機器人編程者應決定下一步怎么做。機器人或者移動到預先定義好的位置處再進行操作，或者機器人顯示一個錯誤信息。搜索的例程可以非常靈活，可以通過機器人編程決定，而不是傳感器來決定。軟件中也有一個特殊的功能，稱作“橫向搜索”，它被用在機器人和傳感器固定不動，零件沿著外部軸在傳感器下旋轉。部件，如帶有長圓周焊縫的管子，將持續旋轉直到其進入到傳感器的視場中。傳感器然后觸發一個數字信號輸出到機器人控制器中以停止旋轉。搜索然后繼續正常進行以精確的定位焊

29、縫。4.5 體積&高度 錯邊測量作為一個可選項，系統能夠提供接頭的其它測量信息。這包括對接接頭高度上的錯邊，以及V型坡口接頭的橫截面面積。 接頭的體積可以從機器人速度和橫截面積獲得。 此數據或者以模擬信號輸出，或者串行的數字信號，取決于接口。機器人控制器然后使用這些測量結果調整焊接參數，因此可以保證良好的焊縫質量。4.6 交替式激光器對于工件材料的表面反光的情況，有時很難獲得焊縫的清晰圖像。如果接頭形狀給出了激光線的倒影。典型的情況是，鋁板的角焊縫，這些倒影給出了多條線，對系統的分析造成了混淆。交替式激光器功能提供了這種問題的解決方案。這種功能僅僅應用于MT20傳感器，它們帶有兩個激光

30、器。當選擇交替式激光器時，系統交替式的開關激光器，并將一幅圖像處理成兩半圖像。倒影因此就會只能顯示另一半圖像上，因此不能影響對一半圖像的分析和處理。系統然后結合這兩個半幅圖像進行處理，然后決定實際焊縫的位置。應該提出的是，當使用交替式激光束模式時，系統的處理速度為原來的三分之一，因此最大的焊接速度也是原來的三分之一。4.7 示教跟蹤(Teach Track)這個設備能夠在焊接一條焊縫過程中，改變傳感器相對于工件的標準位置。此方法工作如下：-首先示教機器人，指明其在主工件上的路徑，此時焊槍定位在能夠獲得良好焊縫的正確位置處。此路徑必須被示教，因此焊縫總是能夠在傳感器的視場中。在此過程中，為了提高總體性能，最好是將傳感器相對于焊縫的位置的改變減少到最小。也就是說，在編程的過程中，如果焊接過程允許的話，要注意保持傳感器沿著焊縫的方向恒定，保持不變。-下一步，以實際速度按照程序，依次對每條焊縫運行機器人。傳感器系統測量其相對焊縫的位置，測量速率大約為15赫茲。這些數據被存儲起來，直到到達焊縫的末端。傳感器系統然后執行一系列濾波和平滑操作。最后的結果是對于焊縫的一系列數據，以明確的距離間隔，表示傳感器相對于主零件的位置。-這些距離間隔典型的是4mm，但是可以由用戶定義。傳感器或者從先前用戶輸入的機器人速度，或者一個直接的信號來識別間