如何在每秒1000次扫描速度下，实现±0.01mm级焊缝轮廓的在线高精度检测与质量控制？【自动化焊接】

1. 焊缝的基本结构与技术要求

在工业生产中，焊缝就像是连接不同材料的“桥梁”或“骨架”，它的质量直接关系到整个产品的强度、稳定性和使用寿命。想象一下，一条焊缝就像是两块板材之间搭建的桥梁，它的轮廓决定了这座桥的承重能力和美观度。如果桥面不平整或者连接处有空隙，这座桥就可能在承压时出现问题，甚至造成结构性失效。因此，对焊缝进行精确的轮廓测量至关重要。

我们对焊缝轮廓测量的技术要求通常非常高，比如一些应用需要达到±0.01mm左右的精度，这相当于一张薄纸厚度的十分之一，足以说明对细节的极致追求。同时，某些应用场景下，需要达到1000Hz左右的扫描速率，这意味着每秒钟要能对焊缝轮廓进行1000次检测。这就像是在高速行驶的列车上，我们要能在不到一毫秒的时间内，准确捕捉到窗外每一帧画面的细节，确保焊接机器人能够实时调整，保持高质量的连续作业。这样的高精度和高速度要求，是为了及时发现和纠正焊接过程中的偏差，保证焊缝符合设计标准，预防潜在的质量问题。

2. 针对焊缝的相关技术标准简介

为了确保焊缝质量，行业内制定了一系列参数来评价焊缝的几何形状和尺寸。这些参数的定义和评价方法是全球通用的，它们帮助我们量化地描述焊缝的“健康状况”。测量焊缝轮廓，就像是给它拍一张高精度的“侧面照”。通过这张照片，我们可以量出它有多“高”有多“宽”，以及它和两侧母材接合处的“坡度”是否合适。

• 焊缝余高（Weld Reinforcement）：指焊缝表面高出母材平面的最大高度。如果余高过大，可能导致应力集中；过小则可能强度不足。

• 焊缝宽度（Weld Width）：指焊缝在表面与母材熔合线之间的横向距离。它反映了焊缝覆盖的范围。

• 焊趾角度（Weld Toe Angle）：指焊缝表面与母材表面的夹角。理想的焊趾角度有助于均匀传递应力，避免应力集中。

• 熔深（Penetration）：指焊缝金属熔入母材的深度。这通常是判断焊缝连接牢固程度的关键指标，过浅可能导致连接不牢。在线测量通常通过轮廓分析进行间接评估。

• 咬边（Undercut）：指焊缝边缘母材被熔蚀形成的凹槽。这会削弱母材的有效截面，造成应力集中，是常见的缺陷。

• 焊瘤（Overlap）：指焊缝金属溢出到母材表面但未熔合的现象。这部分金属没有起到连接作用，反而可能成为应力集中点。

• 焊缝表面粗糙度（Surface Roughness）：指焊缝表面的微观不平整程度。粗糙度过高可能影响外观，也可能影响疲劳强度。

这些参数的评价通常依赖于从焊缝轮廓数据中提取的关键几何特征点和线，通过计算它们的相对位置和角度来得出。

3. 实时监测/检测技术方法

市面上各种相关技术方案

在焊缝轮廓的实时测量领域，市面上有多种成熟的技术方案，它们各有特点，适用于不同的场景。

激光三角测量（线激光）

这是目前工业在线焊缝轮廓测量中最常见且应用最广的技术之一。

• 工作原理和物理基础 想象一下你用手电筒斜着照墙壁，然后用一部相机从另一个角度去拍这个光斑。如果墙壁是平的，光斑在相机里会是一个固定的点（或者线）；但如果墙壁有凸起或凹陷，光斑在相机里的位置就会“移动”。激光三角测量就是利用这个原理。 传感器内部有一个激光发射器，它会向被测焊缝表面投射一条激光线。这条激光线在焊缝表面形成一个明亮的“光带”，这个光带包含了焊缝的二维轮廓信息。 接着，一个高分辨率的CMOS或CCD图像传感器会从一个特定的角度捕捉这条反射回来的激光线。当焊缝表面有高低起伏时（比如焊缝的凸起或凹陷），反射的激光线在CMOS传感器上的成像位置会发生位移。 传感器内置的微处理器会实时分析这些位移。通过预先标定好的几何关系（也就是激光发射器、传感器和焊缝表面构成的“三角形”），系统可以根据光斑在传感器上的位置变化，利用三角测量原理，高精度地计算出焊缝表面的2D轮廓数据，包括每个点的高度（Z轴）和横向位置（X轴）。

  其核心几何关系可以用一个简化公式来表示：Z = L * sin(theta1) / (tan(theta2) + tan(theta1))其中，Z 是传感器到物体表面的垂直距离，L 是激光发射器和传感器之间的基线距离，theta1 是激光发射角度，theta2 是传感器接收角度。当物体表面高度发生变化 Delta Z 时，反射光斑在传感器上的位置 Delta x_sensor 也会相应变化，通过校准曲线或更复杂的三角函数关系，即可解算出 Delta Z。

• 核心性能参数的典型范围 这类传感器的Z轴线性度通常能达到满量程的±0.01%到±0.03%，Z轴分辨率可达满量程的0.01%左右。扫描速度从几百赫兹到几千赫兹不等，高性能的传感器甚至可以在感兴趣区域（ROI）模式下达到上万赫兹。轮廓点数从几百点到数千点不等，点数越多，轮廓细节捕捉越精细。

• 技术方案的优缺点

  • 优点： 扫描速度快，能够实时获取整个2D轮廓数据，非常适合高速生产线上的在线检测；非接触测量，不会损伤工件；对运动中的工件适应性好；精度和分辨率能满足绝大多数工业焊缝的测量需求；蓝光激光版本对闪亮、高温或有色金属表面具有更好的测量表现，有效减少噪声。

  • 局限性： 测量精度和测量范围往往相互制约，追求高精度通常意味着较小的测量范围；容易受到焊缝表面光泽度、颜色和环境光的影响（尽管蓝光激光和HDR功能可以改善）；可能存在“阴影效应”，即由于焊缝的陡峭角度导致激光线无法完全覆盖或反射光无法被传感器接收，从而产生数据盲区。

  • 成本考量： 相对适中，是目前性价比最高的在线轮廓测量方案之一。

共聚焦激光测量

这是一种主要用于点测量，但通过扫描也可构建轮廓的超高精度测量技术。

• 工作原理和物理基础 这就像你用一个超级聚焦的探照灯（激光）去照一个物体，探照灯的焦点非常小。只有当物体表面刚好在焦点位置时，反射回来的光才能通过一个小孔（共焦针孔）被传感器看到。如果物体表面高一点或低一点，光就进不去。 系统发射激光并将其通过高数值孔径物镜精确聚焦到目标焊缝表面。通过共聚焦光学系统，只有当焊缝表面处于精确焦点位置时，反射光才能通过一个微小的共焦针孔到达接收器。系统通过在Z轴方向上快速扫描或利用多层接收器，精确识别焦点位置，从而以极高精度获取焊缝表面的高度信息。

• 核心性能参数的典型范围 这类技术的Z轴重复精度可达到0.005微米（纳米级），测量范围通常较小，例如±0.2mm。其采样周期极短，可以达到微秒级，但获取整个轮廓需要逐点扫描，因此对于高速度的线轮廓测量，其整体扫描速率可能不如线激光。

• 技术方案的优缺点

  • 优点： 具备极高的Z轴分辨率和重复精度，能够对焊缝的微米级乃至亚微米级的精细轮廓、表面粗糙度进行精确测量；对镜面、粗糙或透明等多种复杂表面类型具有卓越的适应性，基本不受表面材质和颜色的影响，无阴影效应。

  • 局限性： 主要是点测量模式，如果需要获取整个线轮廓，必须通过机械扫描实现，这会大大降低整体的轮廓获取速度，难以满足1000Hz的线轮廓扫描需求；测量范围相对有限；设备相对昂贵。

  • 成本考量： 较高，主要应用于对微观形貌和超精密尺寸有极高要求的研发、实验室或特定在线检测环节。

结构光三维扫描

这是一种通过投射图案来获取大面积三维点云数据的技术。

• 工作原理和物理基础 想象你不是只用一条激光线去照，而是用投影仪把一张画着很多条纹的图案投射到焊缝上。焊缝表面的高低不平会让这些直线条纹发生弯曲。通过分析这些弯曲的条纹形状，我们就能知道焊缝整个区域的三维形状。 该系统通过向焊缝及周边物体表面投射多条激光线或编码光栅图案，并使用内置的高精度相机捕捉激光线或图案在物体表面形成的变形轮廓。光学跟踪器可实时追踪扫描仪和工件的位置和方向，利用三角测量原理，在高动态和复杂环境中实现高精度、大范围的三维点云测量。

• 核心性能参数的典型范围 体积精度可达0.060mm，单点精度可达0.025mm。测量速度非常快，可达每秒数百万次测量，获取整个三维表面数据。测量范围通常较大，可达数立方米。

• 技术方案的优缺点

  • 优点： 能够快速获取大面积焊缝的完整三维点云数据，数据完整性高；非接触测量，对大型或复杂部件的焊缝进行快速全三维检测效率高；光学跟踪系统确保了测量精度在高动态和工业环境下不受振动影响。

  • 局限性： 尽管点测量速度快，但生成一个完整的、高密度的2D线轮廓序列（例如1000Hz）通常需要较强的计算能力和专门的算法；对表面光泽度敏感，环境光可能影响测量；设备成本通常高于线激光传感器。

  • 成本考量： 较高，更适合需要对整个焊缝区域进行三维形貌分析和缺陷检测的场景。

市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几家在焊缝轮廓测量领域具有代表性的国际品牌及其采用的技术方案。

• 德国米铱 德国米铱在激光轮廓测量领域拥有深厚的技术积累。其产品如scanCONTROL系列传感器主要采用激光三角测量技术。该品牌传感器以其高精度、高速度和强大的环境适应性而闻名，Z轴测量范围可达150mm，Z轴分辨率可达6μm，扫描频率最高可达10kHz，线性度表现为±0.03% FSO。德国米铱的产品设计坚固，广泛应用于在线焊缝跟踪、焊缝形状和尺寸的实时检测，能有效提升生产自动化水平和质量控制效率。

• 英国真尚有 英国真尚有的ZLDS202系列线激光传感器同样采用激光三角测量原理。该系列产品提供了广泛的测量范围，Z轴量程从5mm到1165mm，X轴宽度从8mm到1010mm，Z轴线性度优达±0.01%满量程，Z轴分辨率可达0.01%满量程。在扫描速度方面，标准模式下可达520Hz至4000Hz，在ROI（感兴趣区域）模式下甚至能达到16000剖面/秒。该品牌传感器提供可选的405nm、450nm、660nm或808nm波长激光，其中450nm蓝光激光特别适合测量闪亮材料和高温物体，增强测量稳定性。其内置智能块图系统和自动焊缝跟踪功能，使其在焊接自动化应用中具有独特的集成和智能化优势，并支持双头技术提高复杂形状扫描质量，防护等级达到IP67，适应恶劣的工业环境。

• 美国康耐视 美国康耐视的In-Sight 3D-L4000系列3D视觉系统，其核心技术是3D激光位移测量（实质为激光三角测量）结合智能视觉算法。它通过投射蓝色激光线捕捉焊缝轮廓，并利用其强大的VisionPro® 3D视觉工具集和先进图像处理算法，对获取的高分辨率3D点云数据进行快速分析。Z轴测量范围可达2000mm，Z轴重复精度可达3.5μm，图像采集速度最高可达2kHz。康耐视的优势在于其高度集成的一体化解决方案，不仅提供精确的焊缝三维轮廓数据，还能同时执行焊缝的尺寸测量、各种表面缺陷检测等任务，实现全面的在线焊缝质量控制。

• 日本基恩士 日本基恩士的CL-3000系列激光共焦位移计，采用的是共聚焦激光测量技术。该技术以其在Z轴方向的极高分辨率和重复精度而闻名。例如，CL-3001传感器头能达到0.005μm的Z轴重复精度，采样周期为160μs，测量范围±0.2mm。尽管其本质是点测量模式，但在需要对焊缝的微米级甚至亚微米级精细轮廓、表面粗糙度进行精确分析时，日本基恩士的产品表现卓越。它对镜面、粗糙或透明等复杂表面具有出色的适应性，非常适合高精密焊缝的在线质量检测和微观形貌分析，但若用于获取高速线轮廓，需配合扫描机构。

选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

选择合适的线激光传感器，就像是为你的生产线选择最合适的“眼睛”，要确保这双“眼睛”能看清你需要看的一切，并且看得足够快、足够准。

1. 精度（Accuracy / Linearity）

   • 实际意义： 精度是衡量传感器测量结果与真实值接近程度的关键指标，通常用线性度、重复精度或绝对精度来表示。精度直接决定了焊缝缺陷判定的可靠性和产品质量控制的严格程度。精度不足会导致误判或漏判缺陷，影响最终产品质量。

   • 选型建议： 针对高精度需求，需要仔细核查传感器Z轴的线性度指标，并结合其量程进行计算。对于关键焊缝或需要严格公差控制的应用，优先选择Z轴线性度高、重复精度优秀的传感器。

2. 扫描速率（Scan Rate）

   • 实际意义： 指传感器每秒能够采集和输出多少个2D轮廓数据。扫描速率决定了传感器在高速生产线上捕捉焊缝信息的能力。如果扫描速率过低，高速运动的工件在传感器相邻两次扫描之间可能已经移动了很长的距离，导致数据点稀疏，错过关键的焊缝信息，影响实时反馈和控制。

   • 选型建议： 生产线速度越快，对扫描速率的要求越高。务必选择扫描速率等于或高于应用需求的传感器。某些传感器提供ROI（感兴趣区域）模式，可以在牺牲部分测量范围的情况下大幅提高扫描速率，这在只需要关注焊缝特定区域时非常有用。

3. 测量范围（Measurement Range - Z轴 & X轴）

   • 实际意义： Z轴测量范围决定了传感器能测量的高度（或深度）变化幅度，X轴测量范围决定了传感器能覆盖的焊缝宽度。范围过小可能无法完全覆盖整个焊缝，导致数据不完整；范围过大则可能牺牲精度和分辨率。

   • 选型建议： 根据实际焊缝的最高点、最低点以及最大宽度来选择合适的Z轴和X轴量程。确保传感器能完整覆盖焊缝的预期变化范围。

4. 分辨率（Resolution - Z轴 & X轴）

   • 实际意义： Z轴分辨率是传感器在高度方向上能够区分的最小变化量，X轴分辨率是轮廓线上点与点之间的最小间距（即轮廓点的密度）。更高的分辨率意味着传感器能捕捉到更精细的焊缝细节，例如微小的缺陷或焊趾的精确形状。

   • 选型建议： 分辨率应与精度要求相匹配。在满足精度要求的前提下，选择分辨率尽可能高的传感器，以获取更详尽的焊缝形貌数据。

5. 激光波长（Laser Wavelength）

   • 实际意义： 指激光的颜色。常见的有红光（如660nm）和蓝光（如450nm）。不同波长的激光对不同材料表面的反射特性不同。蓝光激光因其波长短，在测量高反光、闪亮、高温或有色金属表面时，能提供更稳定、更清晰的信号，减少测量噪声和数据失真。

   • 选型建议： 对于不锈钢、铝合金等闪亮或高温焊缝，优先考虑蓝光激光传感器。对于普通钢材或表面粗糙度较高的焊缝，红光激光传感器也能表现良好且成本可能更低。

6. 防护等级（IP Rating）与环境适应性

   • 实际意义：后防护等级（如IP67）表示传感器对外来固体（如灰尘）和液体（如水溅）的防护能力。工作温度范围则表示传感器能在多宽的温度区间内稳定工作。

   • 影响： 焊缝测量环境通常恶劣，高温、烟尘、飞溅和振动都很常见。防护等级低或环境适应性差的传感器容易损坏，导致维护成本增加和生产中断。

   • 选型建议： 务必选择具有高防护等级（至少IP65，最好IP67）和宽工作温度范围的传感器。如果环境温度极端，考虑带有加热/冷却系统或气幕保护的型号。

7. 接口与软件集成能力

   • 实际意义： 传感器提供的数据传输接口（如以太网、RS422）以及是否内置智能算法、支持多传感器同步等功能。良好的接口和集成能力能简化与现有自动化系统（如机器人、PLC、上位机）的连接和数据交互，降低开发和部署难度。内置算法可减轻上位机处理负担。

   • 选型建议： 选择与现有系统兼容的接口类型。若需要进行复杂焊缝的自动跟踪或实时缺陷识别，优先选择带有内置算法、可编程或提供强大SDK（软件开发工具包）的传感器。

实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了高性能的传感器，在实际的工业应用中，我们仍可能遇到一些挑战。了解这些问题并提前准备解决方案，能确保测量系统的稳定运行。

1. 问题1：焊缝表面光泽度与反射

   • 原因与影响： 焊缝表面通常不均匀，可能存在强反光、镜面效果（如不锈钢抛光面）或颜色不均。这些因素会导致激光反射信号不稳定、产生散射或亮度差异过大，使得传感器难以准确识别激光线，从而造成数据缺失、轮廓跳动或测量结果不准确。

   • 解决建议：

     • 选用蓝光激光传感器： 蓝光激光（如450nm）对金属表面的吸收率更高，散射更少，能有效抑制高反光和闪亮表面的测量噪声。

     • 调整传感器安装角度： 尝试调整传感器与焊缝的相对角度，避免激光直接反射到传感器上或形成过强的镜面反射。

     • 利用HDR（高动态范围）功能： 部分高端传感器具备HDR或多曝光功能，可以同时捕捉高亮和暗区的信息，适应表面亮度不均。

     • 后期数据处理： 在软件层面进行滤波、平滑处理或插值，以弥补因反射问题导致的数据空洞。

2. 问题2：环境光干扰

   • 原因与影响： 生产现场的强环境光（如工厂照明、阳光、焊接电弧光）的波长可能与传感器使用的激光波长相近，被传感器误识别为激光信号，导致测量数据中出现大量噪声或虚假轮廓。

   • 解决建议：

     • 使用窄带滤光片： 在传感器镜头前加装与激光波长严格匹配的窄带滤光片，仅允许激光波长的光通过，大幅度削弱环境光影响。

     • 提高激光功率： 在符合安全等级的前提下，适当提高激光功率，使激光信号强度远高于环境光背景。

     • 物理遮光与防护： 在传感器周围设置物理遮光罩，或采用全封闭测量单元，将环境光隔绝在外。

     • 图像处理算法： 利用传感器内置的或上位机软件的智能算法，对图像进行预处理，滤除环境光噪声。

3. 问题3：高温与烟尘飞溅

   • 原因与影响： 焊接过程会产生极高的温度、大量的焊渣飞溅和烟尘。高温可能导致传感器内部电子元件过热，影响其稳定性和寿命；烟尘和飞溅物则会附着在传感器镜头上，遮挡激光路径，导致测量精度下降，甚至传感器损坏。

   • 解决建议：

     • 选择高防护等级传感器： 选用具备IP67或更高防护等级的传感器，并确认其工作温度范围能够覆盖实际环境温度。

     • 加装保护装置： 在传感器镜头前加装耐高温、防飞溅的保护窗，并定期检查和清洁。

     • 气幕保护（Air Purge）： 在传感器镜头处设置气幕，通过持续吹送洁净压缩空气，形成一层保护气流，有效阻止烟尘和飞溅物附着。

     • 优化安装位置： 将传感器安装在尽可能远离焊接点的位置，或利用机器人路径规划，使其在测量瞬间才靠近焊接区域。

4. 问题4：焊缝追踪算法的鲁棒性不足

   • 原因与影响： 复杂的焊缝形状、突发的缺陷（如气孔、错边）、工件定位偏差或机器人运动的轻微抖动，都可能导致传感器内置的焊缝追踪或特征识别算法出现偏差，无法准确识别焊缝轮廓或关键特征点。

   • 解决建议：

     • 选择具备高级算法的传感器： 优先选择内置智能块图系统、实时3D跟踪或自动焊缝跟踪功能的传感器，这些通常具备更强的适应性和鲁棒性。

     • 充分示教与校准： 在部署前进行充分的示教和校准，涵盖各种可能的焊缝类型和缺陷模式，提升算法的泛化能力。

     • 多传感器数据融合： 结合其他传感器（如机器人编码器、视觉相机）的数据，进行多源数据融合，为焊缝追踪提供更全面的信息。

     • 离线编程与仿真： 在条件允许的情况下，利用离线编程和仿真技术对焊缝追踪路径进行预优化和验证。

4. 应用案例分享

线激光传感器在焊缝轮廓测量领域得到了广泛应用，帮助各行业提升了焊接质量和生产效率。例如，英国真尚有的线激光传感器，由于其良好的环境适应性和智能化特性，在焊接自动化领域表现出色。

• 汽车制造： 用于自动检测车身部件（如车门、底盘、车架）上的焊缝轮廓，确保焊接质量和车身结构强度，例如测量焊缝的高度、宽度和均匀性。

• 船舶与重工： 在大型钢结构件（如船体、桥梁钢板）的制造过程中，用于实时测量焊缝，确保连接强度和结构完整性，避免因焊缝缺陷导致的结构失效。

• 轨道交通： 对高铁、地铁车厢的铝合金焊缝进行在线检测，评估焊缝成形、尺寸和表面缺陷，保障列车运行安全和乘客舒适度。

• 管道焊接： 应用于石油天然气管道、化工容器等长距离或高压管道的焊缝轮廓检测，通过精确测量焊缝余高、熔宽等参数，防止泄漏和腐蚀。