隧道襯砌管片鋼筋骨架機(jī)器視覺引導(dǎo)焊接技術(shù)

蔣 濤

(1.上海隧道工程有限公司，上海 200233；2.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200000)

0 引言

盾構(gòu)管片具有承受土層壓力、預(yù)防地下水滲漏等作用，已成為現(xiàn)代盾構(gòu)法隧道施工中不可或缺的必備構(gòu)件[1-2]。盾構(gòu)管片由鋼筋骨架經(jīng)混凝土澆筑成型，鋼筋骨架主要由主筋鋼筋和箍筋鋼筋縱橫交錯組成，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大等特征。其中，主筋鋼筋長度長、重量大，受材料自身性能等影響，造成主筋加工難以標(biāo)準(zhǔn)化、人工穿插鋼筋組裝勞動強(qiáng)度大、焊接成品質(zhì)量一致性難以控制等問題[3]。焊接機(jī)器人技術(shù)融合機(jī)械化與焊接技術(shù)，已在諸多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，具有改善勞動強(qiáng)度和提高生產(chǎn)效率的作用[4-5]。焊接生產(chǎn)現(xiàn)場粉塵污染大、環(huán)境嘈雜，且焊接領(lǐng)域已表現(xiàn)出“用人荒”和人員斷層現(xiàn)象，將自動焊接技術(shù)應(yīng)用于鋼筋骨架焊接已呈大勢所趨[6]。

為了解決以上問題，部分廠家初步嘗試采用示教型焊接機(jī)器人對鋼筋骨架進(jìn)行焊接。該種機(jī)器人在批量大、焊縫路徑固定的場合中，具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊接效率高的優(yōu)勢[7]。對于管片鋼筋骨架，由于組成主筋鋼筋長度長、直徑大、剛度大、各批次鋼筋品質(zhì)不同等，造成彎弧后鋼筋的回彈量和變形量不同，導(dǎo)致彎弧鋼筋成品成型一致性較低，鋼筋骨架裝配后的鋼筋搭接點(diǎn)位置隨機(jī)。應(yīng)用表明，示教型焊接機(jī)器人基于事先設(shè)置的焊接路徑進(jìn)行工作，焊接鋼筋骨架時存在較高的偏差率，焊接中需要頻繁再示教操作，自動焊接效率不高。如何實(shí)現(xiàn)焊接時快速精準(zhǔn)定位，已成為管片鋼筋骨架自動焊接中亟待解決的問題。

針對焊接定位難的問題，大量學(xué)者投入到焊縫的追蹤和定位研究中[8-9]。然而，研究對象大都是針對同一平面上處于相對較穩(wěn)定、背景對比明顯及長焊縫糾偏、追蹤和定位，與鋼筋骨架焊接現(xiàn)場存在的焊接環(huán)境差、背景對比不明顯、焊接特征存在于異面上的情況不同。結(jié)構(gòu)光相機(jī)采用主動光源，具有對外界干擾不敏感、可以多維度掃描、精度高等特征[10-12]。開展3D結(jié)構(gòu)光相機(jī)在管片鋼筋骨架自動焊接中對焊接點(diǎn)的糾偏和引導(dǎo)焊接研究，對改善鋼筋骨架多維焊點(diǎn)自動焊接具有重要意義。本文在傳統(tǒng)自動焊接技術(shù)基礎(chǔ)上，首次引入3D結(jié)構(gòu)光相機(jī)，結(jié)合鋼筋骨架中鋼筋搭接焊接特征和相機(jī)自帶數(shù)據(jù)處理軟件，以期實(shí)現(xiàn)高效的鋼筋骨架自動焊接。

1 管片鋼筋骨架自動焊接分析

1.1 管片鋼筋骨架焊接分析

1.1.1 管片鋼筋骨架結(jié)構(gòu)

盾構(gòu)管片鋼筋骨架主要由主筋和箍筋構(gòu)成，通常鋼筋骨架網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大。以上海地區(qū)中埋深直徑6.9 m管片為例，標(biāo)準(zhǔn)塊主筋鋼筋最大直徑為22 mm，平均長度約4 m；箍筋直徑為10 mm，平均長度約3.5 m。鋼筋骨架寬1.5 m，內(nèi)外弧面間距350 mm，內(nèi)外弧長分別約3.4、3.8 m，總質(zhì)量約300 kg。管片鋼筋骨架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 管片鋼筋骨架結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.2 示教型焊接機(jī)器人

當(dāng)前，管片鋼筋骨架自動焊接采用示教型焊接機(jī)器人，如圖2所示。示教型焊接機(jī)器人配有1臺示教編程器，工作時首先將焊接工件固定好，然后由人工通過示教編程器將焊接點(diǎn)位依次輸入焊接系統(tǒng)，焊接時機(jī)器人按照定位好的點(diǎn)位進(jìn)行走位，完成指定工件上所有點(diǎn)的焊接。

圖2 示教型焊接機(jī)器人及其配套示教編程器

鋼筋骨架焊接現(xiàn)場人工示教焊接機(jī)械手如圖3所示。鋼筋骨架總裝完畢后，經(jīng)行車起吊輸送到自動焊接工位上并固定；然后，現(xiàn)場操作人員使用示教器對機(jī)械手的焊接姿態(tài)以及鋼筋骨架上的鋼筋交叉點(diǎn)位逐個進(jìn)行示教、記錄；最后，啟動焊接系統(tǒng)，按照示教存儲的路徑和姿態(tài)完成焊接。

圖3 鋼筋骨架焊接現(xiàn)場人工示教焊接機(jī)械手

示教型機(jī)械手自動焊接，要求目標(biāo)焊縫標(biāo)準(zhǔn)化和一致性，其優(yōu)勢在于能對大批量、同類型產(chǎn)品進(jìn)行連續(xù)焊接[13]。采用焊接機(jī)械手焊接管片鋼筋骨架，為提高焊接效率，要求一次示教就能完成整標(biāo)段所有鋼筋骨架的有效焊接。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，對于同一批鋼筋骨架而言，采用人工總裝裝配后鋼筋交叉點(diǎn)會出現(xiàn)一定的偏移，當(dāng)偏移量較大時會導(dǎo)致大量焊接脫焊，造成鋼筋骨架焊接不合格。圖4示出鋼筋骨架總裝鋼筋偏移量較大時，自動焊接后整體出現(xiàn)大規(guī)模脫焊。分析認(rèn)為，管片鋼筋骨架組成鋼筋直徑大、長度長，彎弧加工后各主筋鋼筋回彈量不一，再加上總裝工人之間存在個體差異，造成總裝鋼筋骨架中鋼筋搭接點(diǎn)的位置存在偏差。當(dāng)前鋼筋骨架總裝存在鋼筋交叉點(diǎn)偏差，需要人工進(jìn)行微調(diào)，單個鋼筋骨架總裝耗時約45 min。

圖4 鋼筋骨架總裝存在較大偏差時出現(xiàn)大規(guī)模脫焊

1.1.3 機(jī)器視覺技術(shù)

在示教型機(jī)器人基礎(chǔ)上，引入機(jī)器視覺技術(shù)對焊縫位置進(jìn)行焊接補(bǔ)償和糾偏，有效解決自動焊接中出現(xiàn)的脫焊、漏焊現(xiàn)象[14]。根據(jù)相機(jī)與機(jī)械手的相對位置關(guān)系，視覺-機(jī)械手組成存在2種模式，即“眼在手外”和“眼在手上”，如圖5所示?！把墼谑滞狻保聪鄼C(jī)固定在機(jī)械手以外的支架或平臺上，工作中要求相機(jī)可以拍攝到目標(biāo)的全貌以獲取所有焊接特征信息，一般適用于外形較小物品的焊接引導(dǎo)；“眼在手上”，即將相機(jī)固定在機(jī)械手臂末端，通過機(jī)械手運(yùn)動帶動相機(jī)對目標(biāo)的不同部位進(jìn)行拍攝，該方式具有更大的靈活性，適用于各種外形物體的焊接引導(dǎo)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，3D結(jié)構(gòu)光相機(jī)有效工作距離<1 m，平均有效視野為500 mm×500 mm。綜上，在管片鋼筋骨架焊接引導(dǎo)研究時，選用“眼在手上”模式，通過調(diào)整3D相機(jī)的拍攝角度以獲取目標(biāo)的高質(zhì)量3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖5 相機(jī)與機(jī)械手相對位置示意圖

基于3D結(jié)構(gòu)光相機(jī)的鋼筋骨架自動焊接技術(shù)，是在原自動焊接基礎(chǔ)上通過相機(jī)及其軟件處理系統(tǒng)，完成對焊接目標(biāo)的提取和位置糾偏，相當(dāng)于給機(jī)械手裝上“眼睛”，實(shí)現(xiàn)對鋼筋搭接點(diǎn)的精準(zhǔn)引導(dǎo)和快速焊接。具體過程包含以下步驟：1)完成相機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)械手坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換和標(biāo)定；2)對焊接點(diǎn)位及焊接過程進(jìn)行示教，記錄焊接點(diǎn)數(shù)和機(jī)械手具體運(yùn)動路徑，同時注意相機(jī)姿態(tài)調(diào)整，保證相機(jī)無障礙拍照；3)通過機(jī)械手將相機(jī)調(diào)整至初始拍照位，并由機(jī)械手觸發(fā)相機(jī)進(jìn)行拍照；4)針對鋼筋骨架結(jié)構(gòu)的特殊性，在執(zhí)行焊接目標(biāo)糾偏之前先對鋼筋搭接狀態(tài)進(jìn)行判斷，即確定鋼筋搭接滿足焊接要求后，系統(tǒng)再進(jìn)行焊接位置糾偏與補(bǔ)償計算；5)經(jīng)計算處理，將圖像處理結(jié)果與示教坐標(biāo)進(jìn)行對比，得到示教坐標(biāo)的偏差值，基于偏差值，機(jī)械手完成對焊接目標(biāo)的補(bǔ)償運(yùn)動；6)當(dāng)有焊接質(zhì)量檢測需要時，焊接后對剛完成的焊接點(diǎn)進(jìn)行檢測拍照并上傳系統(tǒng)，經(jīng)與數(shù)據(jù)庫中合格焊接圖片進(jìn)行對比，完成對焊接質(zhì)量的判斷?；跈C(jī)器視覺的鋼筋骨架自動焊接流程如圖6所示。

圖6 基于機(jī)器視覺的鋼筋骨架自動焊接流程圖

1.2 相機(jī)-機(jī)械手空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與機(jī)器視覺成像

1.2.1 3D結(jié)構(gòu)光相機(jī)

3D結(jié)構(gòu)光相機(jī)主要由成像CCD和激光投射器組成。激光投射器將主動結(jié)構(gòu)信息投射到被測物體表面，通過CCD拍攝被測物體表面即得到結(jié)構(gòu)光圖像。然后，基于三角測量原理，經(jīng)過圖像三維解析計算，得到被測物體的三維點(diǎn)云圖像，如圖7所示。

圖7 結(jié)構(gòu)光相機(jī)成像原理示意圖

1.2.2 相機(jī)-機(jī)械手坐標(biāo)標(biāo)定

相機(jī)和機(jī)械手標(biāo)定前，各自有獨(dú)立的坐標(biāo)系。相機(jī)固定在機(jī)械手上后，運(yùn)用“手眼標(biāo)定法”進(jìn)行標(biāo)定，得到相機(jī)與機(jī)械手之間的坐標(biāo)關(guān)系。通過該關(guān)系轉(zhuǎn)換，將視覺圖像分析出的結(jié)果轉(zhuǎn)換成機(jī)械手坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，則機(jī)械手可以識別、調(diào)用該視覺圖像信息，執(zhí)行相應(yīng)運(yùn)動等操作。

標(biāo)定原理基于求解AX=XB方程問題。其中，A為機(jī)器人末端連桿坐標(biāo)架在機(jī)器人-相機(jī)系統(tǒng)移動前后的轉(zhuǎn)換關(guān)系；B為相機(jī)坐標(biāo)架在移動前后的相對關(guān)系。需要說明的是，要確定手眼矩陣的各分量，至少需要旋轉(zhuǎn)軸不平行的2組運(yùn)動?？紤]存在噪聲，在實(shí)際測量中通過多組運(yùn)動來求解該方程。

1.2.3 數(shù)據(jù)交互

相機(jī)與機(jī)械手之間建立通訊協(xié)議后，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。該項(xiàng)目中，相機(jī)控制器與機(jī)械手之間采用TCP/IP通訊協(xié)議，相機(jī)控制器與機(jī)械手在整個系統(tǒng)具有唯一的地址和標(biāo)準(zhǔn)化的高層協(xié)議，具有可靠的數(shù)據(jù)交互方式。

1.2.4 系統(tǒng)運(yùn)行過程

首先是圖像采集，機(jī)械手帶動相機(jī)運(yùn)動到拍照位置，以TCP/IP通訊協(xié)議通過以太網(wǎng)將拍照信號發(fā)送給相機(jī)，相機(jī)收到拍照信號后進(jìn)行拍照，采集鋼筋骨架的二維圖片及三維點(diǎn)云信息；然后，相機(jī)將采集到的圖像傳輸?shù)较鄼C(jī)控制器的視覺處理軟件；最后，相機(jī)控制器將分析處理的結(jié)果，以TCP/IP通訊協(xié)議通過以太網(wǎng)傳輸給機(jī)械手，機(jī)械手根據(jù)該結(jié)果指令執(zhí)行動作。

1.2.5 圖像處理過程

視覺軟件獲得圖像后，將通過一系列圖像處理算法對圖像進(jìn)行預(yù)處理、前處理、終處理操作。首先，基于輪廓模糊定位算法對鋼筋三維點(diǎn)云進(jìn)行圖像輪廓定位，并由輪廓相識度鎖定鋼筋分布區(qū)域；然后，采用邊緣增強(qiáng)分割提取算法，獲取鋼筋的三維邊界信息，進(jìn)而計算出鋼筋在三維空間中的坐標(biāo)、大小等，并運(yùn)用掃描三維點(diǎn)云匹配算法，確定鋼筋十字交叉、L型搭接、T型搭接等的焊接位置；最后，借助形態(tài)學(xué)分析精度判定算法，計算出焊接位置、2根鋼筋之間的間隙大小，以及判定鋼筋搭接間隙是否滿足焊接條件，同時根據(jù)焊接位置信息，計算出鋼筋骨架各個部分的尺寸。在三維圖像中，能計算出焊點(diǎn)的精確位置，再根據(jù)三維圖像與二維圖像之間的映射關(guān)系，推導(dǎo)出焊點(diǎn)在二維圖像中的位置。在二維圖像中，以該位置為中心圈定一個區(qū)域，通過形態(tài)學(xué)分析精度判定算法，計算出該區(qū)域的焊接面積，再通過焊接面積確定焊點(diǎn)尺寸。

2 基于3D結(jié)構(gòu)光的管片鋼筋骨架自動焊接引導(dǎo)

在參考大量前人研究成果的基礎(chǔ)上，為了積累經(jīng)驗(yàn)和提高機(jī)器視覺技術(shù)引入的成功率，在正式對鋼筋骨架焊接系統(tǒng)實(shí)施升級改造之前，先對鋼筋骨架鋼筋搭接接頭特征進(jìn)行焊接識別和引導(dǎo)試驗(yàn)。在小規(guī)模鋼筋焊接接頭特征識別基本功能實(shí)現(xiàn)之后，再在管片鋼筋骨架上進(jìn)行焊接調(diào)試和焊接引導(dǎo)補(bǔ)償操作。

2.1 初期引導(dǎo)試驗(yàn)驗(yàn)證

初期試驗(yàn)借助小型六軸機(jī)械手和3D結(jié)構(gòu)光相機(jī)在實(shí)驗(yàn)室中展開。相機(jī)型號為LXPS-HS0222-B/C，具體參數(shù)見表1。分析認(rèn)為，鋼筋骨架中鋼筋搭接點(diǎn)較多，在實(shí)際焊接應(yīng)用中采用多目標(biāo)識別補(bǔ)償引導(dǎo)以提高焊接效率，故試驗(yàn)調(diào)試中將對不失一般性的兩點(diǎn)識別進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證。如圖8所示，通過3根粗細(xì)不一的鋼筋搭接，模擬鋼筋骨架中主筋與箍筋形成的鋼筋搭接多接頭特征。

圖8 模擬主筋-箍筋鋼筋搭接特征多點(diǎn)識別

表1 相機(jī)主要參數(shù)表

鋼筋搭接接頭機(jī)器視覺識別，通過相機(jī)對焊接目標(biāo)進(jìn)行拍照，并由3D相機(jī)自帶軟件對圖像進(jìn)行提取和逆向3D點(diǎn)云建模成像，然后將模型上傳至服務(wù)器系統(tǒng)進(jìn)行計算處理，計算結(jié)果經(jīng)相機(jī)-機(jī)械手坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，最終獲得焊接目標(biāo)的機(jī)械手坐標(biāo)信息，并發(fā)送給機(jī)械手去執(zhí)行焊接任務(wù)。需要說明的是，在相機(jī)拍照之前需完成相機(jī)-機(jī)械手坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，并通過人工示教調(diào)節(jié)焊槍姿態(tài)以及焊槍終端與焊接目標(biāo)的相對位置。焊接目標(biāo)的相機(jī)拍攝圖片和逆向3D點(diǎn)云重建模型見圖9。

(a)相機(jī)拍攝圖片 (b)3D點(diǎn)云重建模型

考慮到采用小型機(jī)械手時其手臂末端的負(fù)重能力有限，焊接設(shè)備接入必將使結(jié)構(gòu)設(shè)計和測試都變得復(fù)雜，而且焊接系統(tǒng)已在原焊接機(jī)器人中標(biāo)定并取得成功應(yīng)用，后續(xù)測試時嵌入焊接觸發(fā)指令即可，故此處只驗(yàn)證3D結(jié)構(gòu)光相機(jī)視覺識別技術(shù)對鋼筋搭接特征的識別、提取和焊接糾偏功能，機(jī)械手終端固定一根具有指示作用的鋼針代替焊槍完成焊接動作。

試驗(yàn)調(diào)試中，基于相機(jī)自帶軟件，通過程序二次開發(fā)和圖像處理算法優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對相機(jī)拍攝目標(biāo)及模型的再加工，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將最終計算焊接目標(biāo)坐標(biāo)值發(fā)送給機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)焊接糾偏和焊接引導(dǎo)。同時，添加焊接完成后的焊接質(zhì)量檢測功能，控制機(jī)械手帶動相機(jī)以一定的角度再次對焊接目標(biāo)進(jìn)行拍照，將獲取的照片與數(shù)據(jù)庫中合格的焊接接頭照片進(jìn)行對比。視覺引導(dǎo)軟件開發(fā)流程如圖10所示。結(jié)果表明，借助3D結(jié)構(gòu)光相機(jī)可以實(shí)現(xiàn)原示教型六軸焊接機(jī)械手同時對多點(diǎn)鋼筋搭接特征的提取和焊接糾偏。

圖10 視覺引導(dǎo)軟件開發(fā)流程

2.2 鋼筋骨架自動焊接引導(dǎo)

2.2.1 相機(jī)及焊接系統(tǒng)安裝

接下來將3D結(jié)構(gòu)光相機(jī)及焊接系統(tǒng)應(yīng)用于管片鋼筋骨架的焊接糾偏。與前期試驗(yàn)驗(yàn)證階段不同的是，管片鋼筋骨架焊接現(xiàn)場環(huán)境差，存在較強(qiáng)的弧光輻射、焊接熔融金屬飛濺、焊接煙塵等情況，易破壞相機(jī)，故專門設(shè)計一套相機(jī)保護(hù)裝置，為相機(jī)提供有效防護(hù)。

機(jī)械手與相機(jī)保護(hù)裝置如圖11所示。保護(hù)裝置為鋁合金材質(zhì)，外觀輪廓尺寸為300 mm×80 mm×200 mm，質(zhì)量為3 kg。保護(hù)裝置的保護(hù)窗采用氣缸驅(qū)動，開合速度小于1 s，驅(qū)動次數(shù)達(dá)1 000萬次以上。相機(jī)移動過程中，機(jī)械手控制氣缸打開保護(hù)窗，進(jìn)行拍照，機(jī)械手移動的同時保護(hù)窗關(guān)閉，以減少整個拍照時間。圖12為機(jī)械手與相機(jī)裝配實(shí)物圖。

圖11 機(jī)械手與相機(jī)保護(hù)裝置示意圖

圖12 機(jī)械手與相機(jī)裝配實(shí)物圖

2.2.2 鋼筋骨架焊接糾偏和引導(dǎo)焊接

相機(jī)及焊接系統(tǒng)安裝完畢后，對鋼筋骨架進(jìn)行焊接糾偏和引導(dǎo)焊接。機(jī)械手就位和相機(jī)安裝完畢后，將按照相機(jī)標(biāo)定方法對機(jī)械手進(jìn)行一次標(biāo)定，得到相機(jī)與機(jī)械手之間的坐標(biāo)關(guān)系。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，相機(jī)通過拍照獲得焊接目標(biāo)的坐標(biāo)，并通過標(biāo)定關(guān)系轉(zhuǎn)換成機(jī)械手坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。

焊接點(diǎn)糾偏與引導(dǎo)：1)通過人工操作對主筋-箍筋鋼筋搭接位置進(jìn)行逐點(diǎn)示教，示教時根據(jù)鋼筋骨架位置調(diào)整好相機(jī)拍照姿態(tài)、規(guī)劃焊接路徑并記錄；2)啟動焊接系統(tǒng)，相機(jī)移動到拍照位，由機(jī)械手觸發(fā)打開相機(jī)保護(hù)窗并拍照，然后機(jī)械手離開拍照位并關(guān)閉保護(hù)窗；3)系統(tǒng)對照片進(jìn)行處理，初步判斷拍照位的可焊性，一旦系統(tǒng)判斷拍照點(diǎn)滿足焊接條件，機(jī)械手將運(yùn)動到焊接位置實(shí)施焊接，否則將發(fā)出警報、記錄該壞點(diǎn)位置，同時運(yùn)動到下一個拍照位。

從相機(jī)拍照到機(jī)械手收到系統(tǒng)指令并執(zhí)行動作總時間約為0.5 s，所以現(xiàn)場工作人員不會感覺到機(jī)械手中間有停頓現(xiàn)象。另外，采用帶機(jī)器視覺的焊接系統(tǒng)，只需要一次示教過程就可以完成同一型號或標(biāo)段的所有鋼筋骨架的引導(dǎo)焊接。

圖13為帶有3D結(jié)構(gòu)光相機(jī)的機(jī)械手焊接鋼筋骨架現(xiàn)場照片。

圖13 帶有3D結(jié)構(gòu)光相機(jī)的機(jī)械手焊接鋼筋骨架現(xiàn)場照片

2.2.3 焊接質(zhì)量檢測

針對鋼筋骨架鋼筋搭接特征焊接質(zhì)量檢測，從整體焊接效率考慮，采用單點(diǎn)焊接完畢即時檢測的策略，這還將有助于現(xiàn)場工作人員通過界面顯示隨時查看并評估鋼筋骨架即時焊接質(zhì)量信息。同樣，焊接檢測需要焊前示教并記錄相機(jī)拍照姿態(tài)，待焊接指令完成后機(jī)械手將發(fā)送焊后檢測指令到相機(jī)，相機(jī)保護(hù)窗打開，同時機(jī)械手以特定的姿態(tài)運(yùn)動到拍照位完成拍照，上傳至系統(tǒng)并與數(shù)據(jù)庫內(nèi)合格焊接圖片進(jìn)行比對，對焊接質(zhì)量進(jìn)行判斷，隨后機(jī)械手自動運(yùn)動到下一個拍照位。大量測試結(jié)果表明，基于機(jī)器視覺的鋼筋骨架的焊接質(zhì)量可以滿足要求，然而焊后檢測使機(jī)械手動作增多，嚴(yán)重影響焊接效率的提升，因此，實(shí)際應(yīng)用中建議取消焊后檢測，或采用抽檢，這一點(diǎn)在自動焊接效果分析部分將給出具體分析。

3 基于3D結(jié)構(gòu)光相機(jī)的管片鋼筋骨架自動焊接效果分析

3.1 實(shí)際焊接效果測試

對鋼筋骨架內(nèi)側(cè)弧面與外側(cè)弧面中具有十字型及T字型特征的主筋與鋼筋搭接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測試，基于3D結(jié)構(gòu)光相機(jī)機(jī)器視覺的鋼筋骨架自動焊接結(jié)果如圖14所示。由圖可見，鋼筋骨架中焊點(diǎn)焊接位置總體上比較一致，焊點(diǎn)均位于主筋鋼筋-箍筋鋼筋交叉點(diǎn)上，焊點(diǎn)大小比較均勻，焊點(diǎn)表面光滑，無明顯漏焊、焊偏、咬肉等問題出現(xiàn)。

(a)T字型接頭 (b)十字型接頭

由圖13和圖14可見，圖中地面上貼有多個黃色標(biāo)記，具有2方面作用：1)鋼筋骨架組裝完畢后，由人工通過臺架直接推到指定標(biāo)記處，具體標(biāo)記位置根據(jù)管片鋼筋骨架內(nèi)、外弧面劃分，推放過程中鋼筋骨架位置允許誤差范圍為±50 mm；2)焊接測試時采用一臺機(jī)械手進(jìn)行焊接，受機(jī)械手臂展限制，機(jī)械手在一個固定位置無法完成鋼筋骨架整個弧面焊接，故機(jī)械手完成一次連續(xù)焊接后，將鋼筋骨架推到下一個指定標(biāo)記處，完成鋼筋骨架該弧面剩余部分的焊接，鋼筋骨架放置位置允許誤差范圍為±50 mm。對于示教型焊接機(jī)械手，鋼筋骨架總裝允許誤差為±3 mm。相比之下，帶有機(jī)器視覺的焊接系統(tǒng)對裝配的要求大大降低。

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前基于機(jī)器視覺的焊接系統(tǒng)工作效率為5 s/單點(diǎn)，示教型焊接系統(tǒng)連續(xù)工作效率為4 s/單點(diǎn)。前者鋼筋骨架從裝配完成到推到焊接位置，焊前準(zhǔn)備時間為25 min；后者由鋼筋骨架總裝到吊裝完成需要50 min。焊接完畢，前者可由人工直接推離焊接位，下一組鋼筋骨架推到焊接標(biāo)識區(qū)內(nèi)即可焊接，用時3 min；后者需要借助行車將鋼筋骨架吊離夾具、再吊進(jìn)新的鋼筋骨架，用時15 min。綜合對比發(fā)現(xiàn)，按單側(cè)弧面100個交叉點(diǎn)計算，前者工作效率為20 s/單點(diǎn)；考慮位置標(biāo)定，后者加工效率遠(yuǎn)低于34 s/單點(diǎn)。此外，基于機(jī)器視覺的焊接系統(tǒng)的識別精度在±1 mm以內(nèi)，識別成功率≥97%，焊接成功率≥99%，對鋼筋骨架型號沒有特殊要求。

3.2 焊后補(bǔ)焊輔助顯示

對于示教型自動焊接系統(tǒng)，鋼筋骨架中主筋-箍筋鋼筋交叉焊接點(diǎn)位多，總會存在一些交叉焊點(diǎn)在裝配時無法精確定位，導(dǎo)致焊接時出現(xiàn)脫焊、漏焊等現(xiàn)象，難以滿足鋼筋網(wǎng)漏焊率≤4%的要求[15]，因而焊接完畢后人工巡檢補(bǔ)焊工作量較大。視覺焊接系統(tǒng)擁有焊接目標(biāo)糾偏功能，將極大地避免脫焊、漏焊的發(fā)生；此外，當(dāng)焊接系統(tǒng)檢出因主筋-箍筋鋼筋間距過大而無法焊接時，將在顯示界面標(biāo)識出來，以指示后期人工快速補(bǔ)焊。帶有視覺焊接系統(tǒng)的焊接狀態(tài)顯示界面如圖15所示。

基于視覺焊接系統(tǒng)焊后檢測，據(jù)不完全統(tǒng)計，無焊接焊后檢測時，焊接效率為5 s/單點(diǎn)。增加焊后檢測，整體焊接效率降低為9 s/單點(diǎn)。對比發(fā)現(xiàn)，增加焊后檢測環(huán)節(jié)，焊接系統(tǒng)總體焊接效率將大打折扣。分析認(rèn)為，相機(jī)拍照、上傳與圖像處理時間在ms級，機(jī)械手動作的改變，如由靜止到運(yùn)動或由運(yùn)動到靜止的時間在s級。焊后檢測過程中，機(jī)械手首先要運(yùn)動到拍照位、然后靜止拍照、再復(fù)位，有4個運(yùn)動狀態(tài)變換，則整個焊接時間被嚴(yán)重延長。由圖14可見，基于機(jī)器視覺的焊接系統(tǒng)可以保證鋼筋骨架的焊接質(zhì)量。提高焊接效率，應(yīng)當(dāng)減少機(jī)械手運(yùn)動頻次，采用焊接中抽檢代替全檢，或根據(jù)焊接要求取消焊后質(zhì)量檢測，依據(jù)圖15所示的焊接狀態(tài)圖，由焊前檢測狀態(tài)判斷焊后補(bǔ)焊情況。

綠色表示已成功焊接點(diǎn)位，紅色表示主筋-箍筋鋼筋間距過大無法焊接點(diǎn)位。

4 結(jié)論與討論

針對當(dāng)前盾構(gòu)管片鋼筋骨架焊接中存在的焊接質(zhì)量不齊、生產(chǎn)效率低下、焊后檢驗(yàn)困難等問題，本文提出將3D結(jié)構(gòu)光相機(jī)引入示教型焊接機(jī)器人中，通過軟件編制、圖像處理算法開發(fā)及相應(yīng)試驗(yàn)測試，得到以下相關(guān)結(jié)論：

1)通過引入結(jié)構(gòu)光相機(jī)，焊接機(jī)械手實(shí)現(xiàn)對多維度鋼筋搭接點(diǎn)的糾偏和焊接引導(dǎo)；

2)相比于原焊接系統(tǒng)，機(jī)器視覺技術(shù)引入后，鋼筋骨架的焊接質(zhì)量和焊接均勻性均得到提高，焊接效率提高近2倍；

3)基于視覺的焊接系統(tǒng)，焊接識別精度在±1 mm以內(nèi)，識別成功率≥97%，焊接成功率≥99%；

4)采用帶視覺的焊接系統(tǒng)，只需要一次示教過程就可以完成對于同一型號或標(biāo)段的所有鋼筋骨架的焊接，大大提高了鋼筋骨架的焊接效率；

5)考慮到機(jī)械手狀態(tài)的改變耗費(fèi)時間較多，且視覺技術(shù)引入后使得鋼筋骨架的焊接質(zhì)量得到保證，建議取消焊后焊接質(zhì)量隨檢環(huán)節(jié)或采用隨機(jī)抽樣檢測的方式，以保證鋼筋骨架整體焊接效率；

6)鋼筋骨架搭接與裝配是自動焊接的前提，當(dāng)前鋼筋骨架采用人工裝配，存在時間長、主筋-箍筋間距無法保證等問題，限制了自動焊接應(yīng)用的推廣；

7)基于自動化、智能化技術(shù)，需進(jìn)一步研究鋼筋自動上料設(shè)備及鋼筋搭接緊固方法，解決鋼筋主筋-箍筋之間間隙過大難以焊接的問題。