基于數字化視覺技術的焊接實訓系統構建

張曉明

（唐山市人事考試中心，河北 唐山 063000）

引言

焊接實訓中，焊接參數是教學重點也是難點，要求準確地選擇并設置合適的參數[1-3]。大多數情況下，這個工作仍然需要經驗豐富的技術工人按照給定的邊界條件來優化選擇焊接參數。對于剛接觸焊接的學生來說，理解較為困難[4-5]。因此，采用三維運動仿真實現實驗測試的數字化分析，完成焊接過程的視覺表現，并構建最佳的三維重構系統，為焊接實訓難點的解決提供可靠的解決方案。

1 數字化視覺系統

1.1 視覺系統

如圖1所示，創新性的氣體金屬電弧焊接系統配備有包括攝像機激光頭和帶通濾波器的視覺系統。

通過得到的激光條紋圖像計算目標的幾何形狀，這對根據特定焊接任務焊接焊縫的幾何形狀尺寸等特征實現自動化選擇合適焊接參數非常有用，尤其有利于多道焊接和復雜的焊縫跟蹤等。視覺系統的CCD攝像機提供分辨率為658×494像素的圖像，用IEE1394a接口和電腦連接，傳輸速率為100、200、400兆比特/秒，幀速率具有超過60 fps。功率為15 mW，波長約為640 nm的3級紅色激光二極管發射激光，為了得到條紋，需要再添加一個圓柱形的光學透鏡。為了較少噪聲，帶通濾波器作用于激光源頻率（637 441~648 359 nm）附近的一個頻率范圍。圖2是根據激光和攝像機構建的視覺系統的示意圖。

1.2 圖像處理

為了實現氣體保護金屬極電弧焊的自動化，已經開發了適當的軟件工具，基于視覺系統提供的圖像等輸入數據得到數學函數的算法，處理后能夠輸出對應特征，根據這些特征，適當的決策過程可以確定焊炬的位置，焊炬速度或電參數等工藝參數[6-7]。

圖像處理是通過獲取的圖像及數據分析工具來重建焊縫輪廓，特定的任務可能用到每一個工具，例如：邊緣檢測可根據像素強度的局部變化識別焊縫輪廓；閾值，即過濾器可以削減定義閾值的灰度，能夠獲得更加清晰的圖像[8]；查表可通過過濾器將圖像轉換成黑白（二進制）圖像[9]。

圖3為數字濾波后得到的圖像，圖中進行了進一步處理提取了所需的特征，特別是：圖像歸一化：用以糾正旋轉矩陣導致的照相機的傾斜；圖像穩定：通過低通濾波器設置誒1.5 Hz；所需特征的檢測：在焊縫間隙部分檢測到所需的特征（見下頁圖4）。

根據檢測到的特征，以焊接過程參數作為例子，比如焊縫跟蹤的焊接位置設置在焊縫間隙的中心位置，而多通道焊接的焊接位置設置在焊接焊縫的最小高度，因為這是進行下一次循環的部分。然后，通過執行閉環控制完成所選參數的自動調整。

1.3 實驗室設備

焊接實訓實驗室設備的包括焊槍和視覺系統設備，該配置的局限性有：

1）零部件的最大尺寸：可運行的工作空間是3 000 mm×400 mm×400 mm；

2）零部件和所需焊接焊縫的幾何復雜性：只有三軸也就是六個方向，所以焊槍的取向有很多限制。

2 系統參數分析

本次研究工作的目的是研究創新的數字化視覺實訓系統在零件焊接實訓中的使用，由三維運動仿真的方法確定實驗室設備的最佳系統配置和實際工業應用的重構。

2.1 零件焊接

零件焊接實訓包含嵌條和轉向架側架核心的自動化焊接過程，這個焊接過程一般是經驗豐富的技師操作完成的，實現這一過程的自動化，對生產效率和可重復性方面有很大優勢，但會面臨以下兩個難題：復雜的焊接路徑（如圖5所示的粗線條）；沿著焊接路徑焊縫間隙寬度。

兩部分輪廓并不是完全重合的，因為彎曲輪廓是根據所需輪廓從金屬片上切割得到的，而嵌條輪廓是金屬板彎曲得到的，沿焊接路徑兩個輪廓之間的間隙完全不一樣，不能精確的預測焊縫間隙尺寸。根據焊接路徑每個點的焊縫間隙寬度，焊槍位置、送絲率和電參數等工藝參數能夠相應調整，使得焊槍軸線與焊縫間隙的軸線重合，并且給予適量的熔融金屬，這個調整能夠快速自動地獲得機械性能良好的焊珠。

工藝參數如應調整以使焊槍的軸線與關節間隙的軸線重合，并交付適量的熔融金屬。這種適應允許獲得焊珠在一個快速自動的方式良好的機械性能。

2.2 三維數字仿真

為了研究上述轉向架組件的最佳設置，采用視覺系統的三維模型（見圖6）進行數字仿真。

可用的視覺系統的第一個限制與焊接部件的尺寸相關，相對于視覺系統來說轉向架框架部件尺寸相當大，所以部分考慮進行焊接實驗。試驗片的自動化焊接執行的三維模型如圖7所示，三維運動仿真是為了找到焊接和焊槍的最佳位置。

考慮到一個很重要的限制條件，即為了識別焊接軌跡和間隙寬度，視覺系統應該總是在焊槍之前，然后根據視覺系統的輸出調整焊接參數，焊接過程仿真中的碰撞測試發現焊槍到達所需位置后但沒有擊中該位置的路徑。進行幾個不同零部件定位和焊槍取向的仿真模擬后，確定了自動化實驗測試的最終設置（見圖8）。為了能夠使焊槍到達xy平面上焊縫所有的點，焊槍的取向沿X軸旋轉45°，相當于視覺系統傾斜45°。

2.3 焊接系統參數

通過安裝在視覺系統收集到的信息完成了工藝參數的自動調節，比如焊槍位置、速度、送絲速度和電參數等。根據視覺系統得到的圖像，計算處理之后得到焊槍路徑。在焊接過程中，視覺系統得到一個xy平面上的軌跡圖，通過花鍵在連續的兩點之間插入10個點，對于每個xy坐標，圖像處理計算后輸出對應間隙寬度的值，如表1所列了一些例子，而下頁圖9和圖10是通過視覺系統得到的路徑以及焊接路徑的間隙寬度值。

表1 每個XY坐標對應的間隙寬度的值 mm

根據視覺系統捕捉到的圖像經過處理后提取特征，自動調整焊接參數，以便提高焊接焊縫的質量。特別是焊縫間隙寬度的尺寸，一方面在焊縫中間校準焊槍位置，另一方面能調整其他的過程參數，比如送絲速率、焊槍速度和電參數等。當間隙寬度變大，焊槍速度減小或者送絲速率變大，相應電參數做適當調整（比如設置更高的電壓等）。本實驗的結果用于轉向架側架焊接過程中軟件參數的自動調整。

該過程是要應用于工業上的鐵路制造方面，但是實驗室的三軸配置局限性比較大，因為整個轉向架框架的焊接尺寸（3 000 mm×3 500 mm）比較大，找到合適的焊槍位置也比較復雜，所以需要改進運動軸和工作空間。

3 視覺系統三維數字重構

數字仿真模擬環境可以重現較高水平的細節問題，這是焊接實訓比較看重的。所以三維運動仿真必不可少，它能夠完成虛擬驗證，比如依靠機器人這樣一個裝置進行。為了確定最佳設計，即機器人和周邊設備之間的合適距離，并設計沒有碰撞機器人的安全路徑，機器人仿真模擬是非常有用的。通過動學模型和碰撞測試進行該仿真模擬，目標遍布工作區的適當位置，并給每一個目標設定合適的動作并復制給機器人。在全數字化基礎上對其可行性和性能進行分析對不同的系統配置進行測試，最終建立合適配置的機器人焊接系統。

這種類型的仿真與零部件和設備的幾何及功能特征相關，在數字化環境中構建轉向架框架的三維模型，并用來進行機器人焊接最佳設置的數字測試，本次應用程序選擇的是六軸機器人。

機器人應該配備焊槍和視覺系統，視覺系統應該隨焊槍移動，主要是因為它總是聚焦在接縫間隙處，把視覺系統連接到焊槍上是確保視覺系統總是在焊槍之前的一種方式。用這種方式它可以隨機器人的第六軸一起旋轉，這種旋轉可以確保視覺系統在路徑的每一個點都在焊槍之前，以便得到焊縫間隙的圖像，并完成焊接參數的自動調整。如圖11所示，整個焊接過程中激光和攝像機的位置，兩個設備軸線是高亮部分的直線表示的：焦點是兩個軸線的交點。

通過識別三維空間中的目標進行機器人焊接行為的仿真模擬：一個特定的機器人對應一個目標任務。識別產品上合適的目標不僅要考慮焊槍的位置，還要將激光和攝像機聚焦，兩個高亮軸線的交點表示的幾何形狀如圖12所示。

轉向架側架整個目標任務的焊接過程如圖13所示，一旦確定了產品上的所有目標任務，并進行可行性分析，這些分析可以驗證選擇的機器人從當前位置開始是否能夠到達所有的目標位置。如果一些目標位置無法到達，可以嘗試以下幾種解決方案：修改機器人的起始位置；更換機器人模型（比如更大的機器人）；利用輔助設備，比如導軌或是機架。

在這個案例研究中，因為零部件尺寸較大，要求機器人最遠要達到3 500 mm：為了確保其能夠到達整個轉向架側架，將其放置在合適的位置，根據三維運動仿真實驗的結果確定最小長度。根據現有的標準模塊，軌道的最佳尺寸設定為3 900 mm。采用這種方法更容易克服零部件尺寸的限制，機器人焊接系統能夠處理完成整個轉向架側架，圖14所示是機器人焊接系統的整體設置。

隨著重構的設置，目標任務分配給機器人。目標任務是再現整個焊接過程，即每個目標點的行為，這些目標任務的三維運動仿真驗證其可行性，并且能夠確保該路徑上焊接機器人和產品之間沒有碰撞。根據機器人運動學和碰撞試驗模塊進行仿真模擬后，經由機器人完成目標任務后得到焊接路徑。該路徑可以應用于離線機器人編程，仿真模擬的目的是確定最佳系統重構并驗證自動化視覺系統的可行性。

4 結論

本文創新性的將數字化視覺技術與焊接實訓相融合，并以工件焊接實訓實際案例進行研究。該系統能夠通過軟件程序根據視覺系統收集的信息來自動調整焊接工藝參數。為了該視覺焊接系統應用于實際的工業生產及實訓中，按照零部件的尺寸及三軸運動裝置限制對系統進行了最佳重構。視覺傳達過程的仿真能夠確定并驗證焊接方案的最佳配置。