基于激光視覺(jué)焊縫跟蹤技術(shù)的機(jī)器人焊接智能產(chǎn)線設(shè)計(jì)

陳銀銀

（河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，鄭州 451191）

由于焊接的產(chǎn)品復(fù)雜程度不一，機(jī)器人的精度無(wú)法得到保證，因此，采用基于激光視覺(jué)的焊縫跟蹤技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多，大大提高了焊接機(jī)器人的智能化程度。在焊接作業(yè)時(shí)，利用視覺(jué)焊縫跟蹤技術(shù)獲取焊縫的具體數(shù)據(jù)，將提取到的數(shù)據(jù)傳輸給焊接機(jī)器人，讓機(jī)器人更好地完成焊縫跟蹤工作。

1 焊縫識(shí)別與自動(dòng)跟蹤技術(shù)

1.1 焊縫視覺(jué)檢測(cè)傳感器

基于視覺(jué)的焊縫跟蹤技術(shù)研究的目的是更好地識(shí)別焊縫檢測(cè)與機(jī)器人焊縫跟蹤，焊縫的檢測(cè)識(shí)別對(duì)于機(jī)器人跟蹤焊縫而言十分重要。焊縫檢測(cè)識(shí)別的過(guò)程實(shí)際上就是尋找焊縫的過(guò)程，因此焊縫檢測(cè)傳感器在焊縫自動(dòng)跟蹤技術(shù)中是不可缺少的重要組成部分。隨著焊縫跟蹤技術(shù)的不斷發(fā)展，焊縫傳感器的種類(lèi)也越來(lái)越豐富。焊縫檢測(cè)傳感器分為直接式檢測(cè)傳感器與間接式檢測(cè)傳感器，如圖1所示[1]。

圖1 焊縫跟蹤傳感器種類(lèi)

1.2 焊縫圖像處理

圖像處理在焊縫跟蹤系統(tǒng)中是整個(gè)核心部分，圖像處理的效果好壞直接影響焊縫檢測(cè)識(shí)別的準(zhǔn)確性，更關(guān)系到焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性。視覺(jué)傳感器的主要任務(wù)是采集焊縫的圖像，并將圖像轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后傳到PC 端進(jìn)行圖像處理。圖像處理包括預(yù)處理和檢測(cè)識(shí)別2 部分，圖像預(yù)處理的目的是減弱圖像中噪聲帶來(lái)的影響，提高焊縫檢測(cè)識(shí)別的精度；圖像檢測(cè)識(shí)別的主要目的則是通過(guò)圖像中的焊縫位置信息，為焊縫機(jī)器人的工作奠定基礎(chǔ)。

1.3 焊縫跟蹤技術(shù)

根據(jù)焊縫視覺(jué)檢測(cè)傳感器獲取的焊縫圖像，對(duì)焊縫的位置信息進(jìn)行獲取，將提取到的焊縫信息按照一定的規(guī)則發(fā)送到機(jī)器人控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫的自動(dòng)跟蹤。在實(shí)際的生產(chǎn)中，焊接設(shè)備與機(jī)器人之間的裝配方式分為直接裝配和間接裝配。兩者最主要的區(qū)別是焊接設(shè)備與機(jī)器人之間是否存在導(dǎo)軌滑組。導(dǎo)軌滑組的作用是調(diào)整電機(jī)與絲杠的位置，以此來(lái)間接地對(duì)焊槍位置進(jìn)行調(diào)整，讓機(jī)器人可以在一些復(fù)雜的零件上進(jìn)行正常的焊接工作。系統(tǒng)通過(guò)控制機(jī)器人的方式控制焊槍?zhuān)尯附拥倪^(guò)程可以變得更加簡(jiǎn)單?；诤缚p檢測(cè)槍的直接控制需要在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加焊縫檢測(cè)傳感器，這種形式成本較高，在實(shí)際焊接時(shí)容易受到加工環(huán)境的影響；外部計(jì)算機(jī)結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)總線技術(shù)采用離線控制方式，將檢測(cè)到的焊縫數(shù)據(jù)傳輸給外部計(jì)算機(jī)，通過(guò)外部計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C(jī)中，最后由工控機(jī)控制機(jī)器人完成最后的焊接工作，缺點(diǎn)是步驟多、實(shí)時(shí)性低；基于焊接機(jī)器人本身控制器與控制系統(tǒng)的通知方法主要通過(guò)編寫(xiě)機(jī)器人程序，與外部傳感器相連接，通過(guò)外部視覺(jué)傳感器將檢測(cè)到的焊縫位置信息傳遞到機(jī)器人的控制系統(tǒng)中，完成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到跟蹤的目的。因此，采用焊接機(jī)器人控制方法可以直接控制機(jī)器人，獲得較高的實(shí)時(shí)性效果[2]。

2 激光視覺(jué)焊縫跟蹤圖像的分析與處理

2.1 機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)標(biāo)定

對(duì)圖像進(jìn)行分析的過(guò)程中需要獲取位置坐標(biāo)，并將位置坐標(biāo)作為圖像坐標(biāo)進(jìn)行使用，不能將位置坐標(biāo)應(yīng)用在機(jī)器人的系統(tǒng)糾錯(cuò)中，要先將位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為機(jī)器人坐標(biāo)才可以使用。根據(jù)鏡頭的安裝誤差，在使用光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定工作，通過(guò)標(biāo)定的方式獲取三維空間的同一坐標(biāo)值，通過(guò)獲得的標(biāo)定信息進(jìn)行運(yùn)算，得到坐標(biāo)之間的關(guān)系。相機(jī)在獲取圖像時(shí)，需要將圖像轉(zhuǎn)投影到相機(jī)成像平面中，通過(guò)成像平面和圖像轉(zhuǎn)換2 個(gè)節(jié)段完成圖像的轉(zhuǎn)化，將標(biāo)定的信息進(jìn)行登記后實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像與實(shí)物圖像之間的聯(lián)系，圖2為相機(jī)標(biāo)定幾何模型。

圖2 相機(jī)標(biāo)定幾何模型

在相機(jī)的光軸中心建立坐標(biāo)系，根據(jù)工業(yè)相機(jī)的成像原理，獲取圖像與數(shù)字之間的關(guān)系

式中，（u1，v1）和（u2，v2）表示對(duì)應(yīng)數(shù)字圖像點(diǎn)坐標(biāo)。

2.2 圖像預(yù)處理

攝像頭在使用的過(guò)程中無(wú)法做到像人眼一樣對(duì)光的強(qiáng)度有直接的反映，圖像的處理算法可以弱化干擾，放大信息，并不能像人的大腦一樣智能。因此在進(jìn)行圖像分析時(shí)，需要根據(jù)工作環(huán)境對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。在焊接的環(huán)境下，電磁干擾對(duì)圖像的影響非常大，獲取的圖像信噪比較低。在進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)，焊縫激光圖像中不僅有弧光的干擾，還有噪聲干擾。因此，為了保證圖像的質(zhì)量，在對(duì)其進(jìn)行分析處理的過(guò)程中，需要消除圖像的噪聲干擾，提高圖像的分辨率和邊緣梯度。通過(guò)圖像濾波、圖像去噪和圖像銳化的方式完成預(yù)處理。在本設(shè)計(jì)中，采用濾波圖像干擾噪聲的預(yù)處理方式，銳化邊緣，突出焊縫的特征，以獲取焊縫的中心準(zhǔn)確位置。

2.3 邊緣特征檢測(cè)與提取

完成圖像的預(yù)處理后，需要對(duì)圖像中存在的電磁噪聲干擾進(jìn)行處理。可以使用直方圖均衡化的方式進(jìn)行處理，通過(guò)增強(qiáng)圖像特征對(duì)比度，對(duì)圖像進(jìn)行分析處理。在焊縫跟蹤系統(tǒng)中，可以通過(guò)提取圖像中的焊縫位置信息，確定激光條紋的位置。在結(jié)構(gòu)光法的基礎(chǔ)上，確定條紋的位置，以此確定焊縫的中心位置。通過(guò)檢測(cè)的形式提取激光條紋的邊緣信息，對(duì)于圖像的獲取非常重要，將提取后的信息進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理，當(dāng)圖像中的灰度值發(fā)生變化，將較大的區(qū)域作為邊緣進(jìn)行邊緣檢測(cè)，邊緣檢測(cè)是機(jī)器視覺(jué)和圖像預(yù)處理的重要研究方向，也是一種非常重要的提取方式。在進(jìn)行邊緣檢測(cè)時(shí)，最主要的核心目的就是對(duì)數(shù)字圖像中的明亮部分進(jìn)行標(biāo)記，以此來(lái)降低圖像中存在的冗余信息，獲得圖像中有用的信息。根據(jù)圖像邊緣灰度值的變化，獲得不同區(qū)域之間的特性，使用邊緣檢測(cè)可以有效檢測(cè)出各個(gè)區(qū)域之間的邊界變化。通過(guò)檢測(cè)圖像的邊緣位置，對(duì)獲取的邊緣點(diǎn)進(jìn)行連接，在不同算法的幫助下獲取圖像的邊緣進(jìn)程，常用的邊緣檢測(cè)方法有很多，在常用的邊緣檢測(cè)中，Canny 算子需要滿(mǎn)足3 個(gè)條件：少錯(cuò)檢和漏檢；提取邊緣位置方差最小化；返回唯一結(jié)果。當(dāng)滿(mǎn)足這3 個(gè)條件后，就可以有效地抑制噪聲，精確地確定邊緣的位置。因此，Canny 算子只有在滿(mǎn)足上述3個(gè)條件時(shí)才可以成為效果最好的邊緣檢測(cè)算子。Canny算子的原理采用先平滑后求導(dǎo)的方式，通過(guò)二維高斯函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)作為濾波器，通過(guò)卷積運(yùn)算對(duì)圖像進(jìn)行濾波運(yùn)算，對(duì)獲得的圖像進(jìn)行最大值的圖像查找，確定圖像的邊緣信息，并采用非極大值的方式優(yōu)化圖像邊緣[3]。

3 機(jī)器人焊接智能產(chǎn)線設(shè)計(jì)

半掛車(chē)車(chē)架機(jī)器人焊接智能生產(chǎn)線構(gòu)成如圖3所示，由機(jī)器人焊接智能系統(tǒng)、物料自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)、焊接夾具和信息系統(tǒng)等構(gòu)成。

圖3 半掛車(chē)車(chē)架機(jī)器人焊接智能生產(chǎn)線構(gòu)成

3.1 機(jī)器人焊接智能系統(tǒng)

機(jī)器人焊接智能系統(tǒng)：由機(jī)器人及控制系統(tǒng)、外部軸行走機(jī)構(gòu)、自動(dòng)夾具及翻轉(zhuǎn)變位機(jī)構(gòu)成[4]。

3.1.1 機(jī)器人焊縫跟蹤技術(shù)

在焊絲的下方與部件之間增加高壓電的方式進(jìn)行接觸傳感，利用自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備對(duì)焊接的工件進(jìn)行偏差檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)功能幫助焊接機(jī)器人找到焊縫的位置，并進(jìn)行焊接工作。當(dāng)機(jī)器人在焊接時(shí)，采用自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償?shù)姆绞接^察偏移的位置和尺寸位置，并準(zhǔn)確地對(duì)工件進(jìn)行誤差補(bǔ)償，保證機(jī)器的高質(zhì)量焊接工作的完成[5]。

工件的位置和焊縫的位置如果發(fā)生移動(dòng)，可以通過(guò)機(jī)器人接觸傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)偏移位置的自動(dòng)檢測(cè)，并自動(dòng)尋找焊縫的起始位置，自動(dòng)從偏移后的位置開(kāi)始焊接。

當(dāng)機(jī)器人帶動(dòng)焊槍進(jìn)行焊接時(shí)，會(huì)對(duì)電弧進(jìn)行橫向擺動(dòng)，打斷焊接電流的規(guī)律。根據(jù)電弧原理，將電弧作為傳感器，當(dāng)機(jī)器人進(jìn)行橫向擺動(dòng)時(shí)，建立數(shù)學(xué)模型，讓機(jī)器人在焊接的過(guò)程中可以自動(dòng)檢測(cè)到焊接線的位置，并完成焊接軌跡偏差的修復(fù)。采用機(jī)器人焊接電弧傳感跟蹤該技術(shù)進(jìn)行焊接，可以更好地進(jìn)行焊縫成形。

3.1.2 機(jī)器人高效焊接技術(shù)

機(jī)器人高效焊接技術(shù)的主要功能就是降低車(chē)架各個(gè)部件的變形率，以保證工件的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)高效焊接的目的。采用雙機(jī)器人的方式對(duì)焊接整體夾具、變位機(jī)和焊接工藝順序等進(jìn)行有效控制，保證焊接后不扭曲，不再通過(guò)矯形設(shè)備進(jìn)行焊后處理工作。雙焊槍同時(shí)焊接，要保證焊接工藝的參數(shù)一致、熱輸入一致和夾具一致，保證焊后工件不變形。

焊接關(guān)鍵技術(shù)的有效組合，可以更好地解決焊接過(guò)程中所帶來(lái)的熱變形、焊縫偏差等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)半掛車(chē)車(chē)架機(jī)器人的自動(dòng)焊接。同時(shí)，針對(duì)工件的結(jié)構(gòu)和焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化后，可以大大提升機(jī)器人的自動(dòng)化焊接效率和焊接質(zhì)量，降低人工勞動(dòng)力，提高生產(chǎn)量。

3.2 物料自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)

根據(jù)不同工件對(duì)于轉(zhuǎn)運(yùn)的不同需求，設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)對(duì)應(yīng)的叉車(chē)式、背馱式的智能搬運(yùn)臺(tái)車(chē)，H 型鋼三軸搬運(yùn)系統(tǒng)和重載搬運(yùn)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)對(duì)半掛車(chē)車(chē)架工件的自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)工作，利用雙車(chē)協(xié)調(diào)技術(shù)和雙輸送技術(shù)，提高制造生產(chǎn)線的運(yùn)行效率。智能搬運(yùn)臺(tái)車(chē)采用低軌差子母車(chē)結(jié)構(gòu)，當(dāng)滿(mǎn)載時(shí)，其行走速度達(dá)到50 m/min，2 種叉車(chē)方式的載重可達(dá)2 t 以上。母車(chē)和子車(chē)沿著不同的軌道行走，根據(jù)工序信號(hào)，在不同工位之間來(lái)回運(yùn)轉(zhuǎn)工件。因?yàn)檐?chē)上都設(shè)有安全距離檢測(cè)裝置，所以可以大大保障物流的安全運(yùn)行。

在物料自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)中，重載搬運(yùn)機(jī)器人的最大抓取量為1.5 t，行走速度為30 m/min，通過(guò)總控系統(tǒng)的調(diào)度指令，完成組裝臺(tái)位與焊接臺(tái)位的搬運(yùn)工作，通過(guò)對(duì)工裝和焊接機(jī)器人系統(tǒng)的互鎖，保障生產(chǎn)線的安全運(yùn)行。

3.3 焊接夾具

為了適應(yīng)多種規(guī)格產(chǎn)品的快速生產(chǎn)，在焊接環(huán)節(jié)引入焊接工裝技術(shù)，設(shè)計(jì)基于模塊化的工裝及焊接夾具，根據(jù)不同的產(chǎn)品規(guī)格，進(jìn)行不同的定位程序設(shè)計(jì)，通過(guò)程序選擇完成產(chǎn)品的自動(dòng)定位夾緊，同時(shí)完成信息交互，實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)卸料與物流系統(tǒng)的互鎖功能。通過(guò)對(duì)前端梁定位模塊和牽引定位模塊的寬度調(diào)整，完成伺服電機(jī)控制，并根據(jù)不同工件規(guī)格編寫(xiě)對(duì)應(yīng)的PLC 程序。

3.4 信息系統(tǒng)

半掛車(chē)車(chē)架制造信息管理采用KYMIS 焊接制造信息管理系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)分為生產(chǎn)管理、設(shè)備管理、故障管理和品質(zhì)管理4 個(gè)模塊。

生產(chǎn)管理：機(jī)器人工作站實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能物流系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控、機(jī)器人工作站和物流線上工作信息統(tǒng)計(jì)、焊絲使用信息統(tǒng)計(jì)。

設(shè)備管理：設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)提醒及保障規(guī)范、機(jī)器人工作站和智能物流系統(tǒng)故障匯總統(tǒng)計(jì)、機(jī)器人工作站和物流系統(tǒng)使用效率統(tǒng)計(jì)、設(shè)備損耗物品統(tǒng)計(jì)。

故障診斷：智能設(shè)備自帶故障診斷系統(tǒng)、根據(jù)故障信息提示故障原因及優(yōu)化決策。

品質(zhì)管理：根據(jù)工件序列號(hào)追溯查詢(xún)工件的焊縫信息及實(shí)際焊接參數(shù)，支持售后服務(wù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

智能焊接生產(chǎn)線在制造行業(yè)中應(yīng)用廣泛，在半掛車(chē)制造行業(yè)是首次使用，其自動(dòng)化、智能化、信息化和高效化的功能，實(shí)現(xiàn)了焊接生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)運(yùn)行，提高了焊接質(zhì)量和焊接效率。在實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的同時(shí)又降低了企業(yè)制造成本，大大地說(shuō)明了機(jī)器人智能焊接生產(chǎn)線在更多領(lǐng)域中的普及及應(yīng)用。