2. 焊缝跟踪传感技术选型

焊缝跟踪的精度上限，往往在选传感器的那一刻就已经被决定了。UR协作机器人本身重复定位精度可达±0.03 mm，但焊接过程中工件热变形、装配间隙、夹具定位误差都会让实际焊缝偏离示教轨迹。传感器的作用，就是把"焊缝现在在哪里"这个信息实时喂给UR控制器，让机器人边走边修正。本节围绕三类主流传感方式——激光视觉、电弧传感、接触式传感，从原理、参数、集成方式三个层面做对比，并给出面向UR平台的选型判断依据。

一、三类传感的原理差异

激光视觉传感属于前置式测量。线激光器以一定角度投射一条激光条纹到工件表面，工业相机从另一角度拍摄被焊缝坡口调制的条纹图像，通过三角测量原理计算出坡口轮廓的三维点云。典型参数：工作距离80～250 mm，Z向分辨率可达0.01～0.05 mm，采样率30～100 Hz，横向视场20～60 mm。它的核心优势是"提前看"——传感器安装在焊枪前方20～60 mm处，在熔池尚未形成前就获得坡口中心、间隙宽度、错边量，因此可以同时做跟踪和自适应参数调整（如根据间隙变化调送丝速度）。缺点是怕弧光、怕飞溅、怕反光工件，需要遮光罩和吹气保护。

电弧传感属于自身信号式测量。它不增加任何外部传感器，而是利用焊接电流/电压随焊枪与工件间距（干伸长）变化这一物理规律：焊枪抬高，干伸长变长，电流下降；焊枪压低，电流上升。通过在焊枪左右或前后做小幅摆动，采集摆动两侧的电流差值，即可推算出焊缝横向偏移量。典型参数：摆动频率1～5 Hz，横向修正分辨率约0.1～0.3 mm，跟踪带宽受摆动周期限制。它的最大优势是零附加硬件、无遮挡问题、可在窄间隙和深坡口中工作；劣势是只能在起弧后工作，无法预判，且对TIG、低电流MAG的灵敏度明显下降。

接触式传感属于机械触碰式测量。焊枪上装一个带微动开关或位移传感器的探针，探针在焊枪前方贴着工件表面滑动，当探针碰到坡口侧壁时产生位移或触发信号，控制器据此计算偏移。典型参数：探针偏移量0.5～2 mm，分辨率0.05～0.2 mm，响应速度受机械惯量限制。它的优势是结构简单、成本低、不受弧光和反光影响；劣势是必须接触工件，探针易磨损、易被飞溅粘住，且只能测接触点，无法获得坡口宽度和间隙信息。

二、与UR协作机器人的集成适配性

UR机器人的控制架构与传统的封闭式焊接机器人不同：它开放了URScript、RTDE实时数据接口、Dashboard Server和I/O，但运动规划层并不像专用焊接机器人那样内置摆动和跟踪算法。这意味着传感器选型必须同时考虑"传感器怎么接进UR"和"跟踪算法在哪里跑"。

激光视觉与UR的集成通常走两条路。第一条是传感器厂商提供URCap插件，通过以太网把坡口偏移量以TCP/IP或Modbus TCP方式发给UR控制器，UR程序在每次移动指令前读取偏移量并修正路点。第二条是传感器自带控制器，输出模拟量（±10 V对应横向偏移）或数字量到UR的模拟/数字输入，UR程序用get_analog_in()读取后叠加到路点。前者的优势是数据丰富（可同时获得间隙、错边、坡口宽度），后者接线简单但信息量少。需要注意的是，UR的伺服更新周期约8 ms（125 Hz），而激光传感器采样率30～100 Hz，若传感器输出频率低于UR控制周期，需要在UR程序中做插值或保持，否则会出现跟踪滞后。

电弧传感与UR的集成相对特殊。电弧传感的信号来自焊接电源，而不是独立传感器。集成时通常由焊接电源输出"偏移量"模拟信号（如0～10 V对应-5～+5 mm），接入UR的模拟输入。UR程序在摆动周期的特定相位采样，计算左右电流差，再修正下一个摆动周期的中心位置。这里的关键约束是：UR的摆动运动必须由UR程序自己生成（用movep或movel配合循环），摆动频率和采样时刻必须与电源的电流采样同步。如果摆动频率设2 Hz，UR控制周期8 ms，则每个摆动周期有约62个控制点，足够做相位对齐。电弧传感的优点是零附加硬件、不怕遮挡，特别适合UR在狭窄空间或深坡口作业；缺点是只能在起弧后工作，且对薄板低电流工况灵敏度不足。

接触式传感与UR的集成最简单。探针的微动开关或位移传感器输出数字/模拟信号，直接接入UR的数字输入或模拟输入。UR程序在跟踪时读取信号，当探针触发时记录当前位姿，计算偏移量并修正。由于接触式传感响应慢、易磨损，在UR上通常只用于低速、低精度的场合，或者作为激光视觉的辅助校验手段。它的一个实际价值是：在激光视觉因反光或飞溅失效时，接触式可以作为冗余备份，保证跟踪不中断。

三、选型判断：按工况而不是按"先进程度"

很多工程师默认"激光视觉最先进，所以优先选"。但在UR协作焊接的实际场景中，选型应该反过来：先看工况约束，再看传感器能力。

如果工件装配一致性好、坡口间隙稳定（如±0.5 mm以内）、焊接速度不高（≤8 mm/s），电弧传感往往是最优解——零附加硬件、无遮挡、UR集成简单，跟踪精度0.2 mm左右已经足够。如果工件存在明显热变形、间隙变化大（如0～3 mm）、需要自适应调整焊接参数，激光视觉是唯一能同时提供跟踪和参数自适应信息的方案，但必须解决弧光干扰和飞溅防护。如果工件表面有严重反光（如铝合金、不锈钢）、或者坡口深且窄，激光视觉可能失效，此时接触式或电弧传感更可靠。

一个实用的判断顺序是：先确认坡口形式和间隙范围，再确认工件表面状态（反光、油污、飞溅），然后确认焊接工艺（MAG/TIG/电流大小），最后确认UR的I/O和通信资源是否够用。表2-1给出一个简化的选型对照，可作为现场快速判断的参考。

最后需要强调：无论选哪种传感器，UR端的跟踪程序都必须处理"信号丢失"和"修正量限幅"两个问题。信号丢失时，UR应保持上一次有效偏移量并报警，而不是继续盲目跟踪；修正量限幅则防止传感器异常输出导致机器人剧烈摆动。这两个保护逻辑，比传感器本身的精度更能决定现场跟踪是否稳定。