激光、視覺傳感焊縫跟蹤技術的研究現狀

孟憲偉，張愛華，唐宇佟

（四川工程職業技術學院，四川 德陽，618000）

隨著科技的迅速發展和焊接制造業對產品質量和效率的需求，現代制造業發展方向為高效率、高質量的智能化制造，焊接制造業也是如此；隨著自動化程度的不斷提升，利用工業機器人和激光視覺焊縫跟蹤技術結合實現智能焊接成為焊接領域的趨勢。基于目前國內大型焊接自動設備實現焊縫跟蹤的主要方法是激光掃描法和視覺傳感器法[1]，本文主要對激光、視覺傳感焊縫跟蹤技術的研究現狀及應用進行闡述。

1 焊縫跟蹤系統

焊縫跟蹤系統是一個閉環反饋系統，由傳感器、調節器、執行機構三大部分組成[2]，焊縫跟蹤器采用傳感器實時判斷焊縫位置并通過上位機實時計算實際焊縫與機器人軌跡的偏差，最后通過控制器控制機器人關節角度變化，從而保證末端焊槍始終行走在實際焊縫上，實現了焊縫的實時跟蹤，根據傳感器檢測焊縫位置，矯正焊槍施工位置及其方向，使焊槍對準焊縫，以達到預期焊接效果[3]。而在焊接過程中，焊接母材會發生金屬熱變形導致在焊接過程中焊縫跟蹤定位困難[4]，所以焊縫自動跟蹤技術是高質量的焊接成品的關鍵，現在國內大型焊接自動設備實現焊縫跟蹤的主要方法是激光掃描法和視覺傳感法。

1.1 激光焊縫跟蹤技術

激光焊縫跟蹤技術的主要表現方式為激光掃描法。激光掃描法獲得焊縫信息是通過激光傳感器反復掃描焊縫來獲得。焊縫跟蹤技術的主要呈現形式是將激光焊縫傳感器安裝在焊槍前端同時通過自動裝置帶動傳感器做往復運動來檢測焊槍距離焊縫的橫、縱向位移來達到激光焊縫傳感器在焊縫上的掃描檢測的目的[5]。

伴隨著科技不斷進步，激光傳感器靈敏度和測量度都大大提高，同時還具備較強的抗電磁干擾能力，對于信息的采集傳輸功能都顯著增強。激光掃描法不與工件接觸的就可以完成對各種坡口形狀的掃描檢測等優點[6]。但在實際操作中激光掃描法由于掃描與跟蹤的順序不當會降低工作效率，增強了時間成本，實際利用效果并不理想。除此之外，造成激光掃描法誤差的原因是激光傳感器在采集焊縫信息時，受到強焊光影響[7]。基于激光結構光的視覺傳感技術主要應用是在坡口識別、焊縫跟蹤、焊縫成形和熔透等方面。

朱軼峰等[8]為了降低等離子弧焊接過程中弧光對激光焊縫跟蹤傳感器的干擾，設計專用的帶通濾光片，采用該濾光片后可以有效減少弧光對激光焊縫跟蹤傳感器的影響，獲得較清晰的跟蹤點圖像。劉凌云等[9]在傳統弧焊機器人系統的基礎上設計了一種基于激光傳感器的焊縫跟蹤子系統，構建了激光傳感器的數學模型及機器人手眼標定方法，并針對搭接焊縫的圖像特點，提取出焊縫特征點位置坐標。同時設計焊縫跟蹤控制算法和機器人焊縫跟蹤程序，通過對儲氣罐環形搭接焊縫的焊接實驗，證明該焊縫跟蹤系統有效性和可靠性。

1.2 視覺傳感焊縫跟蹤技術

視覺傳感器通常分為被動光視覺、主動光視覺[10]。被動光視覺是利用弧光或其他普通光源再加上攝像機組成的系統，在實際應用中，因所需設備較多，系統復雜，造價昂貴，限制實際生產中應用；主動光視覺是有特殊結構的光源和攝像機組成的系統，雖不能直接進行圖像信息采集，但其同步性強，設備成本低，可適用濾光法或基值采樣法進行實際應用。

視覺傳感器通過在焊接過程中投射到傳感器光敏面上的光學圖像轉化成電信號，即視頻信號，通過視頻信號再現入射的光輻射圖像，然后通過CCD等光學元件組成焊縫圖像信息傳感系統，將獲取的焊縫圖形信息進行處理來判斷焊接電弧與焊縫中心是否偏離，以偏離方向和程度的處理結果為根據來調整焊接電弧與焊縫中心的相對位置，使焊接電弧精準跟蹤焊縫。在焊接操作過程中，視覺傳感焊縫跟蹤起到的作用相當于眼睛，通過反饋操作過程中焊縫的信息來引導機器人準確定位焊縫位置進行焊接工藝操作[11]。視覺傳感器雖在力學應用方面欠佳，但信息量大，靈敏度、精度高、抗電磁干擾能力強的特點使其適用各種坡口形狀[12-14]。

由于視覺傳感器焊縫跟蹤技術信息采集量大，并且遠離弧光區等優點，在用機器人進行智能焊接時會優先選擇使用。目前在焊接中應用較廣的是CCD視覺傳感攝像機[15]。

張宇[16]研究了6mm厚LD10鋁合金開坡口填絲GTAW焊接圖像，并通過對比和研究各種圖像處理方法及其原理，提出了能提取焊縫中心和鎢極中心投影位置的兩套算法，足夠滿足焊縫跟蹤實時性的要求。根據焊縫跟蹤的實際特點，建立了PID控制和模糊控制兩套不同的控制方法，在實驗中獲得了很好的跟蹤效果。PID控制實驗得到的偏差量在±0.5mm之內，模糊控制實驗得到的偏差量在±0.3mm之內。

盛仲曦等[17]研究了2mm厚鋁合金薄板脈沖鎢極惰性氣體保護焊（GTAW）焊接過程中的熔池前端焊縫特征，設計了相應的焊縫邊緣獲取方法，基于此提出了實時焊縫跟蹤方法，并設計了模糊PID控制器。結果表明:將提出的實時焊縫跟蹤技術分別在平板對接直縫試件、法蘭環縫試件進行試驗，跟蹤精度分別可以控制在±0.3mm和±0.35mm之內。

2 激光、視覺傳感焊縫跟蹤技術的應用

為了提高焊接質量和效率，自動化焊接裝備已經是現代高速機車車輛制造所不可缺少的裝備。主要結構部件的尺寸都很大，有很多長焊縫，難以保證很高的工件或接縫定位精度及其重復性。通過Servo-Robot的數字視覺技術使得自動化焊接系統擁有智能視覺，實現鋁合金車體MIG焊接應用，鋁合金車體激光MIG復合焊接，薄板的激光焊接，轉向架的焊接，并根據坡口的狀況實時調整焊接參數，在焊后自動檢測焊縫的成形和表面缺陷[18]。

趙素娟[19]研究了激光視覺傳感焊縫識別與自動跟蹤系統，主要從結構光視覺傳感焊縫圖像的信息化處理、視覺傳感系統結構設計、計算機程序的實現記憶焊縫跟蹤系統的檢測精度等方面著手，在CCD攝像機前加特征波長的濾光片，同時采用遮光板對焊接飛濺以及弧光進行遮擋。除此之外，在圖像處理時也增加了濾波運算，降低了焊接飛濺、弧光等偶然因素對焊縫圖像造成的干擾，同時也提高了圖像處理速度，研制視覺傳感焊縫錯邊自動檢測系統，能夠相對準確地進行焊縫錯邊量的檢測。實驗結果表明，該系統的檢測精度和靈敏度均滿足實際生產要求，循環周期小于60ms，檢測精度可達±0.2mm。

3 結語

隨著微電子技術、光學視覺技術的進步，激光掃描法與視覺傳感器焊縫跟蹤技術得到了很大的發展。激光焊縫跟蹤器主要運用于機器人領域，使機器人能夠根據激光跟蹤視覺傳感器掃描焊縫的截面參數來實時調整焊接擺幅、擺動頻率、擺動左右停留時間、焊接速度、焊接電流電壓，實現高速高質量的自適應焊接。基于視覺焊縫跟蹤過程主要包括準確、可靠獲取焊縫與焊槍的偏差關系和設計合適的控制算法糾正焊縫和焊槍的偏差關系這兩個方面，整理現有算法，實現實時調節焊接參數以及焊槍角度等工藝參數是激光焊縫跟蹤技術的發展方向。隨著時代發展，智能化焊接技術應用會十分廣泛，激光掃描法與視覺傳感器焊縫跟蹤技術的應用與研究也會被更加重視。