焊缝寻位与跟踪系统

焊缝寻位与跟踪系统是现代自动化焊接中的核心技术之一，它大大地提高了焊接质量、效率和一致性，尤其是在复杂工件或批量生产中。

核心概念

焊缝寻位： 在焊接开始前，系统自动探测并精确定位焊缝的起始点、路径以及关键特征（如坡口形状、间隙大小、错边量等）的过程。目的是告诉焊枪“从哪里开始焊”以及“焊缝的基本情况如何”。

焊缝跟踪： 在焊接过程中，系统实时监测焊枪（或电弧）相对于实际焊缝位置（坡口中心、边缘等）的偏差，并根据偏差信号实时调整焊枪的位置（横向、高度、角度等），确保焊枪始终沿着焊缝的精确路径移动。目的是解决“焊的过程中焊枪跑偏了怎么办”的问题。

为什么需要焊缝寻位与跟踪系统？

补偿工件误差： 实际工件存在加工误差（尺寸、形状）、装配误差（间隙、错边）、装夹变形等，这些误差是不可避免的。

补偿热变形： 焊接过程产生的高温会导致工件局部膨胀和收缩（热变形），使焊缝位置在焊接过程中动态变化。

提高精度与质量： 确保焊枪始终对准焊缝中心或指定位置，保证熔深、熔宽均匀，减少未焊透、咬边、焊偏等缺陷，显著提升焊接质量。

提升效率： 减少甚至省去示教编程的时间（尤其对于小批量、变种工件），实现“即装即焊”。减少因焊偏导致的返修和废品率。

增强适应性： 使自动化焊接系统能够适应一定范围内变化的工件，提高了生产线的柔性。

降低对操作工的依赖： 减少了对高水平焊工的需求，降低了人工成本和劳动强度。

实现复杂路径焊接： 对于三维空间曲线焊缝，手动示教极其困难且不精确，跟踪系统是必备的。

系统核心组成部分

传感器： 系统的“眼睛”，负责获取焊缝及其周围环境的信息。常用类型包括：

激光视觉传感器： 最主流。发射线状或点状激光到工件表面，通过摄像头捕捉反射光形成的条纹图像，通过三角测量原理重建焊缝轮廓（高度、宽度、坡口角度、间隙等）。精度高、响应快、信息丰富（可同时用于寻位和跟踪），但可能受强光、烟尘、飞溅、深色或高反光表面影响。价格相对较高。

电弧传感器： 利用焊接电弧本身作为传感器。通过分析焊接电流或电压在焊枪横向摆动过程中的变化规律，判断焊枪是否偏离焊缝中心（主要依靠左右偏差信息）。成本低、结构简单、抗干扰性强（烟尘、飞溅不影响），但对坡口形状要求较高（通常需要V型或类似坡口），高度方向信息获取困难或精度有限，且需要焊枪摆动，可能限制焊接速度。

接触式传感器（探针）： 焊前用一个机械探针接触工件表面或坡口边缘来探测位置。结构简单可靠，成本低，但速度慢，只适用于焊前寻位，无法实时跟踪热变形，可能划伤工件表面。

超声波传感器： 利用超声波回波探测焊缝位置和内部缺陷。穿透能力强，可用于厚板，但精度和分辨率通常不如激光视觉，易受表面状态和耦合剂影响，应用相对较少。

红外/热像传感器： 监测焊接熔池及热场分布，间接用于控制，在精确跟踪焊缝位置方面应用不如前两者广泛。

控制器： 系统的“大脑”。接收传感器信号，进行复杂的图像处理（视觉传感器）或信号分析（电弧传感器），计算出焊枪当前位置与目标位置（焊缝中心/边缘）的偏差（ΔX, ΔY, ΔZ, Δ角度等）。

执行机构： 系统的“手”。接收控制器的偏差指令，实时驱动焊枪移动，纠正偏差。执行机构可以是：

机器人本体关节： 通过调整机器人的TCP点位置来实现。

外部伺服滑台/十字滑架： 安装在机器人末端或焊接专机上，专门用于微调焊枪位置（通常是横向和高度方向）。

焊枪摆动器： 本身也是执行机构（用于电弧传感或特定工艺），同时也可用于纠偏。

焊接电源与送丝机： 提供焊接能量和填充金属。跟踪系统可能需要与它们通信，根据焊接位置或状态调整焊接参数（如自适应控制）。

软件系统： 提供人机交互界面、参数设置、数据处理、路径规划、状态监控、数据记录与追溯等功能。

主要技术类型（按传感方式）

基于激光视觉的寻位与跟踪系统：

优势： 精度高、信息丰富（2D/3D轮廓）、非接触、可同时用于寻位和跟踪、适用于各种坡口类型、可获取高度信息。

挑战： 成本较高、易受强环境光、烟尘、飞溅、油污、深色/高反光表面影响、需要一定的安装空间和防护。

基于电弧传感的跟踪系统：

优势： 成本低、结构简单紧凑、抗环境干扰能力强（烟尘、飞溅不影响）、无需额外传感器、直接利用工艺过程信息。

挑战： 需要焊枪横向摆动（可能限制速度）、对坡口形状敏感（通常需V型）、获取高度信息困难/精度有限、主要解决横向偏差、寻位能力弱。

混合/多传感系统： 结合激光视觉和电弧传感（或其他传感器）的优势，提供更鲁棒、更全面的解决方案，是发展趋势。例如，激光视觉用于精确寻位和初始定位，电弧传感用于实时快速跟踪补偿热变形。

典型应用场景

汽车制造（车身、底盘焊接）

工程机械（结构件焊接）

轨道交通（车体、转向架焊接）

船舶制造（平面分段、曲面外板焊接）

压力容器与管道焊接（直缝、环缝）

航空航天（精密结构件焊接）

重型钢结构焊接（桥梁、建筑）

焊缝寻位与跟踪系统是实现高质、高效、柔性自动化焊接的关键使能技术。它通过传感器感知焊缝位置和环境变化，通过控制器计算偏差，驱动执行机构实时调整焊枪姿态，有效克服了工件误差、装配误差和热变形带来的影响。激光视觉和电弧传感是当前主流技术，各有优势，多传感器融合和智能化是未来发展方向。该技术广泛应用于对焊接质量和效率要求高的制造业领域。