激光焊接机器人焊缝跟踪系统设计分析

引言

现阶段，我国智能化技术快速发展，被应用在各行业与领域之中，尤其生产制造业，促进制造业朝着智能化的方向升级转型。在智能制造中，激光焊接机器人应用作用显著，与焊接质量与生产效率之间具有直接关联。在开展焊接作业的过程中，焊缝控制尤为重要，传统人工控制存在一定难度，基于此相关技术人员提出激光焊接机器人，将其用于焊缝的跟踪中，具有实时性特点，以此保证焊接质量。

1、焊缝识别与跟踪技术

1.1 焊缝视觉检测传感器

激光焊接机器人的运行是基于视觉的一种机器人形式，此时焊缝跟踪阶段检测识别的精准性尤为重要，与后续焊缝处理之间具有直接关联。焊缝检测是寻找焊缝的过程，此时可应用传感器自动进行检测，其是焊缝跟踪系统的重要组成部分之一。在科学技术迅速发展的背景下，研制并开发了多种技术，主要分为直接检测传感器以及间接检测传感器两种，具体可根据实际需求进行选择。

1.2 焊缝图像处理与跟踪

在获取焊缝图像信息之后，需对焊缝进行相应处理，焊缝图像处理是整体系统的核心内容之一，其质量直接影响焊缝跟踪检测的精准性与可靠性，同时也与焊缝跟踪系统之间具有关联性。激光焊接机器人在实际运行的过程中，可获取焊缝图像信息，并在相关软件与硬件的支持下，将其转化为电信号，并由 PC 端进行处理。图像处理阶段，主要经过预处理与检测识别两部分，获取更为精准的焊缝信息，以此提升焊缝精度与可靠性。在对焊缝图像进行分析，确定焊缝基本信息，特别是焊缝位置，随后提取特征信息，利用无线通信系统将信息传输至终端系统内，进而开展自动跟踪。

2、激光焊接机器人焊缝跟踪系统结构设计方案

在实际操作阶段，激光焊接机器人控制焊枪，降低整体操作难度，此时为进一步提升焊接质量，设计焊缝跟踪系统，其主要构成包括机器人、传感器、工控机以及焊接激光器（具体如图1 所示）。对于总设计方案来说，可采用中心式系统结构，将工控机作为整体系统的核心，从图 1 中可知，通过串口方式与焊接激光器进行连接，同时在以太网的支持下，与传感器、机器人连接，各部分之间的连接为单独角度，最终由工控机进行集中控制。

图1 激光焊接机器人焊缝跟踪系统基本结构

在接收并执行焊接任务的过程中，传感器与机器人共同进行图像信息与运行参数的采集与获取，随后工控机运行，数据信息与图像信息进行融合处理，确定机器人运动与激光器出光的具体控制量，最后将此类数据输出给下位机系统，进行相应的跟踪任务以及焊接活动[1]。对上述一系列活动进行分析，需对焊缝的跟踪采样以及运动过程产生的各类信息进行融合和处理，此过程与机器人手眼结构之间存在直接关联性，对于跟踪系统来说，手眼结构一般为 Eye-to-hand 以及 Eye-in-hand 两种形式，在结构形式选择方面需根据具体需求进行选择，但是通常以Eye-in-hand 结构形式为主，其采样与跟踪精度更高，可满足整体系统运行需求。

3、激光焊接机器人焊缝跟踪系统设计细则分析

3.1 视觉系统硬件选型设计

在焊缝跟踪系统设计的过程中，以 Eye-in-hand 结构形式为主，其是线结构光传感的一种，此项技术较为成熟，在焊缝跟踪系统中作用显著，解决传统视觉系统存在的问题。在设计阶段，设计人员需了解焊接作用的基本需求，并以此为基础确定目标焊接线速度，并明确系统运行精度，一般将其控制在 0.2mm 的范围内，同时传感器采样频率不得小于 100Hz ，例如可选用 型线结构管传感器，将其作为设觉系统的硬件方案，并将采样平均绝对误差控制在 0.2mm 的范围内。此外，此阶段设计人员还需综合考量视野范围、硬件成本以及开发接口的开放程度等影响因素。

3.2 机器人硬件选型设计

机器人硬件选型需结合系统运行精度要求，同时在实际开展工程施工建设的过程中，还需考虑三维焊缝焊接过程中对机器人臂长度的要求，并以此为基础规划机器人系统外部通信与动态运动状态，最终以此为基础确定工业机器人，如 KUKA Kr5Arc 六轴工业机器人，将其作为主要运动机构。在工业机器人硬件选型的过程中，需对臂展、负载以及运动精度进行检查，以此保证整体性能满足绗缝跟踪系统的运行需求[2]。此外，在焊缝跟踪系统设计的过程中，针对工业机器人的硬件设计，增设并配置 KUKA Ethernet 软件，以此满足通信功能的需求，保证工业机器人与工控机之间交互连接的有序性与水平；同时，对于焊缝跟踪系统的动态运动指令执行需求来说，利用KUKA 机器人系统进行指令预读，进而保证动态规划满足运动轨迹需求。

3.3 激光系统选型设计

在科学技术快速发展背景下，技术人员研制并开发多种激光焊接方式，包括 CO2 气体激光器、半导体激光器、光纤激光器以及 YAG 激光器等。通常在激光器选型阶段，光纤激光器的应用较为常见，相较于其他激光器来说，其优势较为明显，相较于其他转换器来说，其转换率以及功率密度更高，且输出光束质量更好，同时在散热方面，能力更强。在上述多种优势的支持下，光纤激光器被应用低碳钢、不锈钢以及铝合金等金属焊接中，例如 RFL-C1000 型 1000w 光纤激光器作为焊接机，同时此阶段还需做好通信串口的选择，如RS232 串口。此外，在开展设计工作的过程中，还需做好配套焊接激光头的选择，确定相关技术参数，以此满足整体系统运行需求。

3.4 软件系统设计

目前，在激光焊接机器人焊缝跟踪系统设计的过程中，控制系统的设计，一般以驱动控制与位置控制两种为主。对于驱动控制来说，具有建模简单、高实时性的优势，对于位置建模具有灵活性高、适用范围广的优势，两种控制方式各自也存在一定缺陷，具体设计需根据实际需求进行选择，但是需保证软件与硬件之间的耦合程度，以此保证软件系统运行有效性。

结语：

综上所述，焊接技术在生产制造阶段作用明显，为保证焊接质量，需对焊缝进行严格控制，避免后续出现开裂等问题。目前，我国已经步入智能制造时代，此阶段技术人员研制激光焊接机器人，并将其应用在焊接作业之中，并设计焊缝跟踪系统，包括视觉系统硬件选型、机器人硬件选型、激光系统选型，同时还需做好软件系统设计，进而保证跟踪效果与精准性。

参考文献：

[1] 陈雁忠 , 严明飞 , 黄勇 , 王凯 . 基于 ANSYS 分析的公寓床机器人焊接夹具设计与性能验证 [J]. 焊接技术 ,2025,54(7):97-101.

[2] 陈银银 . 基于激光视觉焊缝跟踪技术的机器人焊接智能产线设计 [J]. 科技创新与应用 ,2023,13(1):120-123.

王万民，男，1981.01，汉，山东省东平县，本科，高级技师，技能指导，机器人焊接技术