激光、視覺傳感焊縫跟蹤技術(shù)的研究現(xiàn)狀

孟憲偉，張愛華，唐宇佟

（四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽，618000）

隨著科技的迅速發(fā)展和焊接制造業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量和效率的需求，現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展方向為高效率、高質(zhì)量的智能化制造，焊接制造業(yè)也是如此；隨著自動化程度的不斷提升，利用工業(yè)機器人和激光視覺焊縫跟蹤技術(shù)結(jié)合實現(xiàn)智能焊接成為焊接領(lǐng)域的趨勢。基于目前國內(nèi)大型焊接自動設(shè)備實現(xiàn)焊縫跟蹤的主要方法是激光掃描法和視覺傳感器法[1]，本文主要對激光、視覺傳感焊縫跟蹤技術(shù)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用進行闡述。

1 焊縫跟蹤系統(tǒng)

焊縫跟蹤系統(tǒng)是一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)，由傳感器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機構(gòu)三大部分組成[2]，焊縫跟蹤器采用傳感器實時判斷焊縫位置并通過上位機實時計算實際焊縫與機器人軌跡的偏差，最后通過控制器控制機器人關(guān)節(jié)角度變化，從而保證末端焊槍始終行走在實際焊縫上，實現(xiàn)了焊縫的實時跟蹤，根據(jù)傳感器檢測焊縫位置，矯正焊槍施工位置及其方向，使焊槍對準(zhǔn)焊縫，以達到預(yù)期焊接效果[3]。而在焊接過程中，焊接母材會發(fā)生金屬熱變形導(dǎo)致在焊接過程中焊縫跟蹤定位困難[4]，所以焊縫自動跟蹤技術(shù)是高質(zhì)量的焊接成品的關(guān)鍵，現(xiàn)在國內(nèi)大型焊接自動設(shè)備實現(xiàn)焊縫跟蹤的主要方法是激光掃描法和視覺傳感法。

1.1 激光焊縫跟蹤技術(shù)

激光焊縫跟蹤技術(shù)的主要表現(xiàn)方式為激光掃描法。激光掃描法獲得焊縫信息是通過激光傳感器反復(fù)掃描焊縫來獲得。焊縫跟蹤技術(shù)的主要呈現(xiàn)形式是將激光焊縫傳感器安裝在焊槍前端同時通過自動裝置帶動傳感器做往復(fù)運動來檢測焊槍距離焊縫的橫、縱向位移來達到激光焊縫傳感器在焊縫上的掃描檢測的目的[5]。

伴隨著科技不斷進步，激光傳感器靈敏度和測量度都大大提高，同時還具備較強的抗電磁干擾能力，對于信息的采集傳輸功能都顯著增強。激光掃描法不與工件接觸的就可以完成對各種坡口形狀的掃描檢測等優(yōu)點[6]。但在實際操作中激光掃描法由于掃描與跟蹤的順序不當(dāng)會降低工作效率，增強了時間成本，實際利用效果并不理想。除此之外，造成激光掃描法誤差的原因是激光傳感器在采集焊縫信息時，受到強焊光影響[7]?；诩す饨Y(jié)構(gòu)光的視覺傳感技術(shù)主要應(yīng)用是在坡口識別、焊縫跟蹤、焊縫成形和熔透等方面。

朱軼峰等[8]為了降低等離子弧焊接過程中弧光對激光焊縫跟蹤傳感器的干擾，設(shè)計專用的帶通濾光片，采用該濾光片后可以有效減少弧光對激光焊縫跟蹤傳感器的影響，獲得較清晰的跟蹤點圖像。劉凌云等[9]在傳統(tǒng)弧焊機器人系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種基于激光傳感器的焊縫跟蹤子系統(tǒng)，構(gòu)建了激光傳感器的數(shù)學(xué)模型及機器人手眼標(biāo)定方法，并針對搭接焊縫的圖像特點，提取出焊縫特征點位置坐標(biāo)。同時設(shè)計焊縫跟蹤控制算法和機器人焊縫跟蹤程序，通過對儲氣罐環(huán)形搭接焊縫的焊接實驗，證明該焊縫跟蹤系統(tǒng)有效性和可靠性。

1.2 視覺傳感焊縫跟蹤技術(shù)

視覺傳感器通常分為被動光視覺、主動光視覺[10]。被動光視覺是利用弧光或其他普通光源再加上攝像機組成的系統(tǒng)，在實際應(yīng)用中，因所需設(shè)備較多，系統(tǒng)復(fù)雜，造價昂貴，限制實際生產(chǎn)中應(yīng)用；主動光視覺是有特殊結(jié)構(gòu)的光源和攝像機組成的系統(tǒng)，雖不能直接進行圖像信息采集，但其同步性強，設(shè)備成本低，可適用濾光法或基值采樣法進行實際應(yīng)用。

視覺傳感器通過在焊接過程中投射到傳感器光敏面上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)化成電信號，即視頻信號，通過視頻信號再現(xiàn)入射的光輻射圖像，然后通過CCD等光學(xué)元件組成焊縫圖像信息傳感系統(tǒng)，將獲取的焊縫圖形信息進行處理來判斷焊接電弧與焊縫中心是否偏離，以偏離方向和程度的處理結(jié)果為根據(jù)來調(diào)整焊接電弧與焊縫中心的相對位置，使焊接電弧精準(zhǔn)跟蹤焊縫。在焊接操作過程中，視覺傳感焊縫跟蹤起到的作用相當(dāng)于眼睛，通過反饋操作過程中焊縫的信息來引導(dǎo)機器人準(zhǔn)確定位焊縫位置進行焊接工藝操作[11]。視覺傳感器雖在力學(xué)應(yīng)用方面欠佳，但信息量大，靈敏度、精度高、抗電磁干擾能力強的特點使其適用各種坡口形狀[12-14]。

由于視覺傳感器焊縫跟蹤技術(shù)信息采集量大，并且遠(yuǎn)離弧光區(qū)等優(yōu)點，在用機器人進行智能焊接時會優(yōu)先選擇使用。目前在焊接中應(yīng)用較廣的是CCD視覺傳感攝像機[15]。

張宇[16]研究了6mm厚LD10鋁合金開坡口填絲GTAW焊接圖像，并通過對比和研究各種圖像處理方法及其原理，提出了能提取焊縫中心和鎢極中心投影位置的兩套算法，足夠滿足焊縫跟蹤實時性的要求。根據(jù)焊縫跟蹤的實際特點，建立了PID控制和模糊控制兩套不同的控制方法，在實驗中獲得了很好的跟蹤效果。PID控制實驗得到的偏差量在±0.5mm之內(nèi)，模糊控制實驗得到的偏差量在±0.3mm之內(nèi)。

盛仲曦等[17]研究了2mm厚鋁合金薄板脈沖鎢極惰性氣體保護焊（GTAW）焊接過程中的熔池前端焊縫特征，設(shè)計了相應(yīng)的焊縫邊緣獲取方法，基于此提出了實時焊縫跟蹤方法，并設(shè)計了模糊PID控制器。結(jié)果表明:將提出的實時焊縫跟蹤技術(shù)分別在平板對接直縫試件、法蘭環(huán)縫試件進行試驗，跟蹤精度分別可以控制在±0.3mm和±0.35mm之內(nèi)。

2 激光、視覺傳感焊縫跟蹤技術(shù)的應(yīng)用

為了提高焊接質(zhì)量和效率，自動化焊接裝備已經(jīng)是現(xiàn)代高速機車車輛制造所不可缺少的裝備。主要結(jié)構(gòu)部件的尺寸都很大，有很多長焊縫，難以保證很高的工件或接縫定位精度及其重復(fù)性。通過Servo-Robot的數(shù)字視覺技術(shù)使得自動化焊接系統(tǒng)擁有智能視覺，實現(xiàn)鋁合金車體MIG焊接應(yīng)用，鋁合金車體激光MIG復(fù)合焊接，薄板的激光焊接，轉(zhuǎn)向架的焊接，并根據(jù)坡口的狀況實時調(diào)整焊接參數(shù)，在焊后自動檢測焊縫的成形和表面缺陷[18]。

趙素娟[19]研究了激光視覺傳感焊縫識別與自動跟蹤系統(tǒng)，主要從結(jié)構(gòu)光視覺傳感焊縫圖像的信息化處理、視覺傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算機程序的實現(xiàn)記憶焊縫跟蹤系統(tǒng)的檢測精度等方面著手，在CCD攝像機前加特征波長的濾光片，同時采用遮光板對焊接飛濺以及弧光進行遮擋。除此之外，在圖像處理時也增加了濾波運算，降低了焊接飛濺、弧光等偶然因素對焊縫圖像造成的干擾，同時也提高了圖像處理速度，研制視覺傳感焊縫錯邊自動檢測系統(tǒng)，能夠相對準(zhǔn)確地進行焊縫錯邊量的檢測。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)的檢測精度和靈敏度均滿足實際生產(chǎn)要求，循環(huán)周期小于60ms，檢測精度可達±0.2mm。

3 結(jié)語

隨著微電子技術(shù)、光學(xué)視覺技術(shù)的進步，激光掃描法與視覺傳感器焊縫跟蹤技術(shù)得到了很大的發(fā)展。激光焊縫跟蹤器主要運用于機器人領(lǐng)域，使機器人能夠根據(jù)激光跟蹤視覺傳感器掃描焊縫的截面參數(shù)來實時調(diào)整焊接擺幅、擺動頻率、擺動左右停留時間、焊接速度、焊接電流電壓，實現(xiàn)高速高質(zhì)量的自適應(yīng)焊接?；谝曈X焊縫跟蹤過程主要包括準(zhǔn)確、可靠獲取焊縫與焊槍的偏差關(guān)系和設(shè)計合適的控制算法糾正焊縫和焊槍的偏差關(guān)系這兩個方面，整理現(xiàn)有算法，實現(xiàn)實時調(diào)節(jié)焊接參數(shù)以及焊槍角度等工藝參數(shù)是激光焊縫跟蹤技術(shù)的發(fā)展方向。隨著時代發(fā)展，智能化焊接技術(shù)應(yīng)用會十分廣泛，激光掃描法與視覺傳感器焊縫跟蹤技術(shù)的應(yīng)用與研究也會被更加重視。