探討視覺檢測(cè)系統(tǒng)VisionLine及其對(duì)激光焊接光束軌跡的影響

丁慶

摘要：瞬息萬變的市場(chǎng)，需要極其快速的反應(yīng)能力來應(yīng)對(duì)。當(dāng)生產(chǎn)訂單逼近甚至要超越生產(chǎn)線的產(chǎn)能時(shí)，節(jié)拍優(yōu)化的重要性尤為突出。激光焊以其優(yōu)異的焊接速度、極小的熱影響區(qū)及變形量、適用的材料種類廣泛以及深熔焊時(shí)較大的深寬比等優(yōu)點(diǎn)能夠滿足各種場(chǎng)景的應(yīng)用。目前在汽車零部件企業(yè)中，激光深熔焊接技術(shù)已成熟應(yīng)用于鋼活塞的生產(chǎn)中。除了其優(yōu)異的焊接速度和極小的焊接應(yīng)力外，激光焊也存在一些缺點(diǎn)，如設(shè)備造價(jià)高，焊縫硬度高等。但從產(chǎn)品質(zhì)量角度考慮，最明顯的當(dāng)屬焊接件裝配精度要求高，以及光束在工件上的位置偏移不能過大。因?yàn)榧す饩劢购蠊獍叱叽缧?，焊縫寬度窄，若裝配精度達(dá)不到要求或光束偏移量大，易造成未熔合等焊接缺陷。

關(guān)鍵詞：視覺檢測(cè)系統(tǒng);激光焊接;光束軌跡;影響

在鋼活塞的激光焊接過程中，除了通過加工技術(shù)保證裝配精度以及激光器的穩(wěn)定性保證光束質(zhì)量外，由于某些工件材料的特殊性，焊前需要加熱，因此工件即使在加工時(shí)已保證精度，但由于加熱又產(chǎn)生一定量的變形，所以識(shí)別并控制加熱產(chǎn)生的變形尤為重要，否則光束產(chǎn)生的偏移量仍得不到有效識(shí)別和控制，進(jìn)而無法保證焊接質(zhì)量。因此，在我們的激光焊接過程中，引入視覺檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)焊縫偏移追蹤，無論是加熱引起還是裝配精度引起的偏移，均可識(shí)別，識(shí)別后再優(yōu)化焊接軌跡，從而保證光束偏移量在控制范圍內(nèi)。以下簡(jiǎn)單介紹一下Visionline的基本信息以及在活塞激光焊接過程的應(yīng)用及效果驗(yàn)證。

1 Visionline基本信息

1.1硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)是由通快公司Trumpf生產(chǎn)制造的一種視覺檢測(cè)系統(tǒng)。硬件結(jié)構(gòu)主要由激光焊接頭、相機(jī)、RJ45以太網(wǎng)數(shù)據(jù)線及操作面板組成。

除以上幾個(gè)部件外，通常還有線性激光發(fā)射器和照明系統(tǒng)。線性激光發(fā)射器一般與激光焊接頭連接在一起，照明系統(tǒng)與相機(jī)連接在一起。其硬件結(jié)構(gòu)形式也可以根據(jù)實(shí)際需求定制，如連接多臺(tái)相機(jī)或多路激光等等。

1.2軟件結(jié)構(gòu)

軟件僅可使用通快自主開發(fā)的軟件TruControl1000。其操作界面如下圖所示：

主菜單一般包含：校準(zhǔn)、服務(wù)、程序、生產(chǎn)和專家模式。

1.2.1校準(zhǔn)模式一般用于剛安裝調(diào)試時(shí)，校準(zhǔn)結(jié)束后即產(chǎn)生相應(yīng)的比例尺，顯示在界面的右上角區(qū)域。

1.2.2服務(wù)模式一般包含程序備份和導(dǎo)出等功能。

1.2.3程序模式包含所有應(yīng)用的檢測(cè)程序，通常以清單的形式呈現(xiàn)。當(dāng)有新產(chǎn)品需要檢測(cè)時(shí)，即在該位置進(jìn)行程序編寫，或必要時(shí)進(jìn)行刪除。

1.2.4生產(chǎn)模式即實(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)時(shí)的檢測(cè)狀態(tài)，可實(shí)時(shí)監(jiān)控其工作狀態(tài);正常生產(chǎn)時(shí)即采用該模式。

1.2.5專家模式包含專業(yè)設(shè)置及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般不涉及，僅在特殊需求時(shí)使用。

設(shè)置欄一般包含：一般設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、圖片存儲(chǔ)、操作級(jí)別、相機(jī)設(shè)置、基本信息及退出7大模塊。 一般設(shè)置中主要是語言設(shè)置，該軟件語言選項(xiàng)包含德語、英語、法語、俄語等數(shù)種語言，但不包含中文。使用單位可根據(jù)各自熟悉語言進(jìn)行選擇。 網(wǎng)絡(luò)設(shè)置包含IP地址，網(wǎng)關(guān)等設(shè)置，主要用于各部件的通訊。 圖片存儲(chǔ)包含僅存儲(chǔ)通過的圖片，僅存儲(chǔ)識(shí)別不通過的圖片，或兩者均存儲(chǔ)等幾種狀態(tài)。該設(shè)置根據(jù)各自的需求選擇即可。

操作級(jí)別分別包含0級(jí)、10、20、30、40、50、60和其它幾個(gè)級(jí)別，級(jí)別設(shè)置同通快的激光器，不同級(jí)別對(duì)應(yīng)不同的權(quán)限且對(duì)應(yīng)不同的密碼，其中“其它”級(jí)別為最高權(quán)限，一般由通快專業(yè)服務(wù)工程師使用，40級(jí)別以上即可以編寫程序。

相機(jī)設(shè)置包含相機(jī)查找，添加及刪除等選項(xiàng)。連接上的相機(jī)又包含編號(hào)、序列號(hào)、型號(hào)、網(wǎng)絡(luò)接口、IP地址以及子網(wǎng)掩碼等信息。

基本信息包含操作面板的硬件信息及軟件的版本信息。

狀態(tài)欄一般包含：當(dāng)前登錄級(jí)別、當(dāng)前時(shí)間、與激光器的連接狀態(tài)、相機(jī)連接狀態(tài)、當(dāng)前調(diào)用程序號(hào)、放大縮小圖片、截圖拍照、曝光和增益的參數(shù)調(diào)整以及幫助等信息。當(dāng)前登陸級(jí)別即之前提到的設(shè)置欄中操作級(jí)別的選擇。輸入對(duì)應(yīng)的密碼后即在主界面右上角顯示出來。當(dāng)前時(shí)間可調(diào)整，一般設(shè)置為實(shí)時(shí)的時(shí)間，該信息同樣顯示在主界面的右上角位置，位于登陸級(jí)別的正下方。

與激光器的連接狀態(tài)，開機(jī)后主要有兩種形式，一種是長(zhǎng)方形框一半淡藍(lán)色一半呈灰色，另一種為整體淡藍(lán)色。前一種狀態(tài)表示與激光器連接不成功，最后一種狀態(tài)為連接成功。當(dāng)連接不成功時(shí)，設(shè)備可以正常啟動(dòng)，但visionline不會(huì)工作。

相機(jī)的連接狀態(tài)，一般也包含兩種情況。一種的完成的相機(jī)圖形，另一種是相機(jī)中間斷開的圖形。前一種表示相機(jī)連接成功，后一種相機(jī)連接失敗。當(dāng)前調(diào)用程序號(hào)，即當(dāng)生產(chǎn)時(shí)所采用的程序號(hào)。放大縮小圖片，即圖片可以放大或縮小，也可以平鋪于界面?？筛鶕?jù)實(shí)際需求進(jìn)行操作。

截圖拍照，即該系統(tǒng)擁有截圖功能。由于在生產(chǎn)時(shí)，監(jiān)控界面是動(dòng)態(tài)的，且畫面變換異常迅速，不利于仔細(xì)觀察圖片。當(dāng)有需要時(shí)，采用該功能，可抓拍下圖片存儲(chǔ)于設(shè)定的位置，便于分析。曝光和增益的參數(shù)調(diào)整，既可以只調(diào)節(jié)曝光參數(shù)或增益參數(shù)，也可以兩者都調(diào)整。該參數(shù)主要作用于相機(jī)采集圖片時(shí)，不同的參數(shù)設(shè)置會(huì)得到不同效果的圖片。幫助信息即一般性的或常見問題的解答。

比例尺即系統(tǒng)校準(zhǔn)后的圖像與實(shí)物的比例關(guān)系。其值來自于校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)。

1.3 工作模式

Visionline通過相機(jī)采集工件圖片，掃描識(shí)別圖片信息、計(jì)算焊接軌跡并優(yōu)化，將優(yōu)化后的軌跡傳輸至激光控制器或NC程序，使工件在不調(diào)整的情況下得到正確的焊接路徑，從而保證焊接偏移量在合格范圍內(nèi)。

2 Visionline在鋼活塞激光焊接中的應(yīng)用及效果驗(yàn)證

以鋼活塞激光焊接為例，活塞焊縫均為圓形結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)時(shí)通過固定激光頭焊接位置，旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)工件轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)環(huán)縫焊接。當(dāng)工件被送進(jìn)待焊工位時(shí)，Visionline首先開始工作，即采集圖片信息，識(shí)別焊接位置并優(yōu)化焊接軌跡，并將最終結(jié)果傳輸給NC。NC將優(yōu)化后的軌跡傳送給激光頭，激光頭在焊接時(shí)做對(duì)應(yīng)的擺動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化后的焊接軌跡。從拍照檢測(cè)到優(yōu)化后的數(shù)據(jù)傳輸，Visionline的整個(gè)工作時(shí)間不超過1.5s。

為驗(yàn)證其穩(wěn)定及有效性，采用該檢測(cè)系統(tǒng)焊接10只工件，分別編號(hào)為1#-10#。工件經(jīng)600℃預(yù)熱后焊接，激光焊接功率4000W，焊接厚度7mm，焊接速度5m/min，不加填充絲。焊后冷卻至室溫，進(jìn)行切片檢測(cè)，每只工件檢4個(gè)方向，順時(shí)針方向依次編號(hào)0°、90°、180°和270°。通過顯微鏡觀察每個(gè)位置的偏移量，測(cè)量時(shí)始終從用左側(cè)焊縫寬度減去右邊焊縫寬度，即偏移量既可能是負(fù)值也可能是正值，負(fù)值或正值即意味著激光焊接時(shí)激光束偏向于某一側(cè)。偏移數(shù)據(jù)如下所示，從左往右以依次為0°、90°、180°和270°，數(shù)值單位mm。

從檢測(cè)數(shù)據(jù)分布來看，10只工件共40個(gè)測(cè)量位置中，出現(xiàn)焊縫寬度左右不對(duì)稱的最大差值為0.116mm，最小差值為0mm。左右焊縫寬度偏差超0，1mm的部位僅2個(gè)，左右焊縫寬度差在0.05mm以內(nèi)的占約50%。

由此可見，該系統(tǒng)的識(shí)別及糾偏能力完全可以消除激光焊接光束偏移導(dǎo)致的焊接問題。又由于及其迅速的的檢測(cè)及計(jì)算能力，占用生產(chǎn)時(shí)間幾乎可以忽略，因此無論從生產(chǎn)節(jié)拍考慮，還是產(chǎn)品質(zhì)量保證，該系統(tǒng)的正確使用是工業(yè)自動(dòng)化激光焊接生產(chǎn)中的一種重要保護(hù)手段！

參考文獻(xiàn)

[1]Visionline Original operator’s manual ?22-50-12-A0-CR02 ? TRUMPF Laser GmbH