一種基于視覺傳感技術(shù)的車身智能焊接系統(tǒng)

黃鳳輝　楊戈　曾威　黃繼輝　盛征陽　章冰

【摘? 要】本文開發(fā)一種基于視覺傳感技術(shù)的車身智能焊接系統(tǒng)，將圖像感應(yīng)技術(shù)與機(jī)器人焊接系統(tǒng)融合起來，實(shí)現(xiàn)初始焊位自動識別、焊縫特征智能表征和應(yīng)變智能測量，能有效解決機(jī)器人焊接在精度和品質(zhì)方面的難題，可大大提升汽車車身機(jī)器人焊接水平，對整個汽車工業(yè)的制造和發(fā)展意義重大。

【關(guān)鍵詞】視覺傳感技術(shù)；車身；智能焊接

中圖分類號：U463.82? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）06-0006-02

An Intelligent Welding System for Car Body Based on Visual Sensing Technology

HUANG Feng-hui YANG Ge ZENG Wei HUANG Ji-hui SHENG Zheng-yang ZHANG Bing

（1. Hunan Tongxin Mold Manufacturing Co.，Ltd.，；2. Hunan Tonggang Technology Development Co.，Ltd.，Changsha 410135，China）

【Abstract】This paper developed a new welding technology of automobile body based on vision sensing technology，which integrates image sensing technology with Robot welding system，automatic identification of initial weld position，intelligent characterization of weld feature and intelligent measurement of strain are realized. It solves the industrial problems of robot welding in terms of precision and quality，it greatly improves the quality level of robot welding of automobile body，and is of great significance to the manufacturing and development of the entire automobile industry.

【Key words】vision sensing technology；automobile body；intelligent welding

近年來，中國的汽車工業(yè)獲得了快速發(fā)展，汽車工業(yè)的高速發(fā)展也帶來了競爭的加劇，導(dǎo)致汽車的迭代周期縮短，產(chǎn)品種類不斷增加。為了滿足不斷增加的產(chǎn)品種類制造需求，要求一條生產(chǎn)線制造各種規(guī)格型號的車身結(jié)構(gòu)件和零件，給汽車制造技術(shù)帶來了很大的挑戰(zhàn)。與其他制造工藝相比較，焊接工藝具有一系列的高標(biāo)準(zhǔn)要求[1]，因此，傳統(tǒng)的人工焊接方法很難滿足這種新的需求。焊接機(jī)器人的智能性和可靈活控制性可以實(shí)現(xiàn)在一個工位上對不同型號的車身進(jìn)行大批量的焊接，效率得到很大提升，同時在品質(zhì)方面，相比于人工焊接，能夠得到更有效的保證[2]。但是，即使是焊接機(jī)器人，面對要求一條生產(chǎn)線制造30種以上車型焊接件的需求，由于焊接工件存在著各種加工和裝配誤差等問題，也會導(dǎo)致焊縫存在尺寸定位不準(zhǔn)、焊接錯邊、焊縫間隙、焊接過程熱變形和夾具失效不穩(wěn)定等各種品質(zhì)問題。因此，在焊接過程中能夠?qū)崟r檢測到各種不確定因素對焊接品質(zhì)的影響，同時通過信息反饋和智能控制等手段調(diào)整焊接機(jī)器人的焊接參數(shù)和姿態(tài)，避免品質(zhì)問題的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)器人的“焊接智造”，成為了汽車車身機(jī)器人焊接不可回避的行業(yè)難題。本文開發(fā)的基于視覺傳感技術(shù)的車身智能焊接系統(tǒng)能夠很好地解決汽車車身機(jī)器人焊接的瓶頸問題，其通過先進(jìn)的視覺傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)焊縫的實(shí)時圖像檢測，將圖像信息輸入智能控制系統(tǒng)后，基于數(shù)據(jù)庫的算法控制焊接機(jī)器人實(shí)現(xiàn)初始焊位自動識別、焊縫特征智能表征和應(yīng)變智能測量等各項功能，最終實(shí)現(xiàn)“焊接智造”，解決焊接機(jī)器人焊接的各種品質(zhì)問題。

1? 基于視覺傳感技術(shù)的車身智能焊接系統(tǒng)組成

為了解決機(jī)器人焊接制造過程中的品質(zhì)問題，能自動化識別和控制問題，本文基于弧焊機(jī)器人平臺，研究開發(fā)出了具備視覺傳感技術(shù)和測量功能的車身焊接機(jī)器人，其融入了視覺傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了車身焊接品質(zhì)的在線檢測和智能控制功能，如圖1所示。該系統(tǒng)由視覺傳感系統(tǒng)、交互通信模塊、控制模塊和機(jī)器人焊接執(zhí)行模塊等組成。首先通過激光視覺傳感器對焊接位置進(jìn)行激光掃描，通過交互通信模塊將信息傳遞給控制模塊，數(shù)據(jù)模塊基于數(shù)據(jù)庫自我學(xué)習(xí)和對策輸出控制策略給機(jī)器人焊接執(zhí)行模塊，實(shí)現(xiàn)自主精準(zhǔn)焊接。新系統(tǒng)因?yàn)槿诤狭艘曈X傳感和圖像處理技術(shù)，可以自動識別出待焊工件的初始焊接位置，實(shí)現(xiàn)自主尋位，尋位誤差可以控制在2mm以內(nèi)，解決了人工定位誤差達(dá)到10mm、定位不準(zhǔn)的行業(yè)難題，同時還可以實(shí)現(xiàn)焊縫特征的智能表征和焊縫應(yīng)變的智能測量等功能。

1.1? 待焊工件初始焊位位置識別

為了實(shí)現(xiàn)初始焊接工位的識別，首先通過視覺傳感功能獲得初始焊接工位的圖像信息，通過視覺傳感技術(shù)提取出起始區(qū)域的像素信息，建立起圖像坐標(biāo)與目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，實(shí)現(xiàn)初始焊接工位位置的視覺系統(tǒng)標(biāo)定，其整個過程涉及攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)、線結(jié)構(gòu)光參數(shù)和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換標(biāo)定這3個環(huán)節(jié)。其中，攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定建立起了二維圖像平面像素點(diǎn)與三維空間特征點(diǎn)之間的對應(yīng)關(guān)系，完成攝像機(jī)內(nèi)部成像參數(shù)的確定。線結(jié)構(gòu)光標(biāo)定是為了實(shí)現(xiàn)線結(jié)構(gòu)光平面在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的位置關(guān)系。坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換標(biāo)定確定了攝像機(jī)坐標(biāo)系與工具坐標(biāo)系之間的相對位置關(guān)系。

本文以汽車車身平板對接焊為例，首先通過攝像頭獲取初始點(diǎn)焊接位置的圖像信息，然后通過視覺傳感技術(shù)和先進(jìn)的圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖像的銳化和濾波處理，通過一系列算法計算和攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)、線結(jié)構(gòu)光參數(shù)和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換標(biāo)定等獲得初始焊接位置的精準(zhǔn)信息，然后機(jī)器人通過自我學(xué)習(xí)和控制精準(zhǔn)地尋找到焊接起始點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接的初始焊位位置識別，完成焊接。初始焊位識別流程如圖2所示。

1.2? 焊縫特征智能表征

通過激光掃描可以獲取焊縫的液態(tài)熔池清晰圖像，通過一系列的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和測量獲得液態(tài)熔池的相關(guān)幾何參數(shù)，比如寬度、面積等信息。本文以變極性等離子弧焊進(jìn)行點(diǎn)焊為例，獲得液態(tài)熔池圖像（圖3），并且通過焊接機(jī)器人系統(tǒng)獲取焊接電流、電壓值的參數(shù)，得出：隨著焊接電流的增加，液態(tài)熔池的面積和寬度不斷增大。借助這一信息，通過算法控制，便可以通過識別液態(tài)熔池的面積和寬度信息調(diào)整電壓和電流值實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)尺寸和面積的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)汽車車身點(diǎn)焊尺寸和品質(zhì)的在線智能控制。以此類推，通過同樣的方法和策略實(shí)現(xiàn)其他類型焊縫特征的智能表證，建立起焊接參數(shù)與焊縫特征之間的關(guān)系，不斷積累建立起焊縫品質(zhì)問題處理策略的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)汽車車身焊接品質(zhì)的智能控制。

1.3? 焊縫應(yīng)變智能測量

焊縫焊接完成后，其是否有焊接缺陷，特別是汽車車身的焊接，其焊點(diǎn)的強(qiáng)度和應(yīng)變情況直接關(guān)系到整個汽車車身的強(qiáng)度和剛度，一旦有一個焊點(diǎn)出現(xiàn)問題，可能導(dǎo)致一輛轎車車身鈑金件的開裂和變形，關(guān)系到整個車輛的安全性，因此需要對焊接品質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格控制。

本文開發(fā)的基于視覺傳感技術(shù)的汽車車身智能焊接系統(tǒng)開創(chuàng)出了一種焊接應(yīng)變的測量方法。首先通過激光掃描獲得焊接變形前的圖像，并且將圖像劃分為不同的子區(qū)域，在變形后再次掃描此區(qū)域并搜索識別出子區(qū)域在變形后的形狀，將這一形狀變化關(guān)系建立起函數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而計算出圖像區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的位移和應(yīng)變值，進(jìn)而計算出焊接后內(nèi)部的殘余應(yīng)力和獲取各個焊點(diǎn)的焊接應(yīng)變曲線。以汽車車身焊接為例，如圖4所示，通過這一方法獲取焊點(diǎn)的2個位置點(diǎn)的時間應(yīng)變變化曲線，其表示出焊點(diǎn)的2個位置點(diǎn)在不同時間的應(yīng)變值變化規(guī)律。通過建立起具備有焊縫缺陷的焊點(diǎn)和正常焊縫的焊點(diǎn)的應(yīng)變曲線，進(jìn)行對比分析建立數(shù)據(jù)庫，焊接時進(jìn)行在線檢測和識別，發(fā)現(xiàn)潛在的焊縫品質(zhì)風(fēng)險，然后通過控制策略對此區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)焊接，避免出現(xiàn)焊點(diǎn)或焊縫缺陷，同時通過不斷的品質(zhì)故障積累，建立起各種焊接品質(zhì)問題與焊接應(yīng)變值之間關(guān)系和對策方案數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)焊接過程中的品質(zhì)問題在線檢測和自我診斷，實(shí)現(xiàn)焊接品質(zhì)問題的智能控制和汽車車身的“焊接智造”。

2? 結(jié)語

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，對汽車制造技術(shù)的要求越來越高，特別是汽車車身焊接技術(shù)，其柔性需求導(dǎo)致焊接機(jī)器人的快速發(fā)展。目前，越來越多的焊接機(jī)器人應(yīng)用于汽車生產(chǎn)制造中，并且對焊接機(jī)器人提出了很高的精度和品質(zhì)要求，現(xiàn)在采用的人工定位和人工控制品質(zhì)已無法滿足要求，而本文介紹的基于視覺傳感技術(shù)的車身智能焊接系統(tǒng)將圖像感應(yīng)與機(jī)器人焊接系統(tǒng)融合起來，實(shí)現(xiàn)了初始焊位的自動識別，實(shí)現(xiàn)了焊縫特征的智能表征，實(shí)現(xiàn)了焊縫的應(yīng)變智能測量等功能，這些關(guān)鍵技術(shù)的使用解決了機(jī)器人焊接人工定位不準(zhǔn)，缺乏有效的焊縫品質(zhì)檢測手段和智能表征手段的行業(yè)難題，大大提升了車身機(jī)器人焊接的品質(zhì)水平，對整個汽車工業(yè)制造和發(fā)展意義重大。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉云飛． 汽車車身焊接技術(shù)概述[J]． 制造與工藝，2021（4）：136-137．

[2] 藍(lán)俊，羅穎洹． 基于機(jī)器人的車身焊接技術(shù)研究[J]． 制造與工藝，2021（6）：127-128．

（編輯? 凌? 波）