摘要：本文敘述了已開發(fā)的激光視覺系統(tǒng)，它能夠自動(dòng)識(shí)別焊接接頭位置，實(shí)現(xiàn)焊頭跟隨接頭位置的自適應(yīng)控制。該系統(tǒng)是一種完整成套的和低成本的系統(tǒng)激光視覺系統(tǒng)。已成功地應(yīng)用于管子工程、機(jī)械設(shè)備、軌道車輛、橋梁、航空器和汽車等產(chǎn)品的制造過程。通過采用激光攝像機(jī)來進(jìn)行接縫跟蹤和焊接參數(shù)的實(shí)時(shí)控制，使焊接過程，如埋弧焊、熔化極氣體保護(hù)電弧焊、鎢極氬弧焊甚至激光焊，能夠以更低的成本焊出更好的接頭。
關(guān)鍵詞：激光視覺系統(tǒng)；電弧焊；激光焊；應(yīng)用
前言
焊接在工業(yè)的各個(gè)行業(yè)中都是一種關(guān)鍵的加工方法。結(jié)構(gòu)件的組焊是復(fù)雜的工藝過程，在可編程機(jī)器，如多軸聯(lián)動(dòng)裝置和柔性的關(guān)節(jié)式機(jī)器人出現(xiàn)之前，大部分仍采用手工操作來完成。焊接的自動(dòng)化可使生產(chǎn)率及焊接接頭和部件的質(zhì)量得到提高，同時(shí)降低總成本。
然而，焊接機(jī)器人和焊接專機(jī)都缺少對(duì)工件的自適應(yīng)能力，這點(diǎn)與焊工不一樣。因?yàn)樗麄冇醒劬皖^腦，不用視覺系統(tǒng)和先進(jìn)的傳感器，各種焊接方法都難以智能地自動(dòng)適應(yīng)不良的接頭裝配和焊接變形引起的接頭位置的變化。這些問題有時(shí)是由于粗糙的加工或由于難以避免的尺寸誤差所造成的。
表1 示出各種焊接方法和允許的接頭位置偏差，為實(shí)現(xiàn)這種接頭的焊前準(zhǔn)備和防止焊接時(shí)的變形，需要消耗大量的人力和物力。為此，自1970 年開始就對(duì)焊縫跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究工作。
表1 可以允許的焊接接頭位置偏差
1 焊機(jī)的人工視覺
對(duì)于機(jī)械人焊接過程，需要3D 視覺信息。為了在焊接過程中適時(shí)引導(dǎo)焊頭，就要求每秒鐘至少能夠處理16,000 個(gè)像素。焊接時(shí)環(huán)境很熱，受到強(qiáng)光的照射，這要求激光傳感系統(tǒng)必須堅(jiān)固耐用。激光視覺系統(tǒng)的要求可歸接如下：耐熱、抗沖擊、抗強(qiáng)光輻射和磁場干擾、適宜各種不同的金屬表面狀況、易于編程和操作結(jié)構(gòu)緊湊、可移動(dòng)、以每10-100ms 的時(shí)間間隔處理數(shù)據(jù)備、有與機(jī)械人和專用焊機(jī)的接口軟件、聯(lián)接接頭集合參數(shù)與焊接參數(shù)的適應(yīng)控制能力、價(jià)格適宜（低于焊接機(jī)械人價(jià)格的一半）。
圖1 示出應(yīng)用最廣的激光攝像頭該攝像頭，觀察熔池前方30mm 處的圖像壓縮空氣噴嘴保護(hù)攝像頭的物鏡免受焊接煙塵和飛濺的干擾。
為了測量焊接接頭的幾何形狀，激光束照射在工件表面上呈現(xiàn)三角形的光場。由于接頭形狀的差別，設(shè)計(jì)了不同的激光攝像頭。對(duì)激光焊接用的攝像頭可以以幾個(gè)微米的精度來確定接頭位置，其它攝像頭精度可以差一些，但是可以處理大坡口接頭。
2 自動(dòng)焊接和機(jī)械人焊接采用傳感器和過程控制的益處
視覺系統(tǒng)用于焊接過程，可以完成的功能如下表2。
表2 激光傳感器和控制功能一覽表
圖1 激光攝像機(jī)結(jié)構(gòu)
3 焊接機(jī)械人用的一種視覺系統(tǒng)
比較實(shí)用的一種視覺系統(tǒng)是由幾個(gè)毫瓦的半導(dǎo)體激光
二極管照射接頭的三角形視場。通過機(jī)械掃描或者圓柱形透鏡使激光在接頭的橫向掃描。線排列的CCD 或者PSD 或者CCD矩陣接受接頭的映像。通過三角測量和視覺場的標(biāo)定，就可以快速計(jì)算出接頭的尺寸。接頭影響的精度和質(zhì)量受到許多因素的影響：攝像機(jī)的大小；距工件表面的距離；視場的大小；分辨度和計(jì)算速度；CCD 的動(dòng)態(tài)性能；激光電源的反饋控制；光路系統(tǒng)的質(zhì)量。
由于這種視覺系統(tǒng)的工作條件惡劣，設(shè)計(jì)和裝配一個(gè)壓縮空氣保護(hù)噴嘴來保證激光穩(wěn)定地通過物鏡傳輸?shù)焦ぜ@是極端重要的。還必須使用一個(gè)可更換的窗口來保護(hù)攝像機(jī)的物鏡，而可控的空氣層流同時(shí)可以壓縮和冷卻前噴嘴，成功的關(guān)鍵是按日程定期維護(hù)和更換噴嘴系統(tǒng)。
接線不當(dāng)也常常成為設(shè)備運(yùn)作失敗的原因，必須強(qiáng)制采用優(yōu)質(zhì)元件和材料以保證長的無故障時(shí)間MTBF。必須采用將激光攝像機(jī)、過程數(shù)據(jù)的控制單元與機(jī)械人或者專用設(shè)備聯(lián)接起來并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。接口應(yīng)該易于操作，并可以在PC 機(jī)上進(jìn)行編程。攝像機(jī)的操作必須與機(jī)械人的控制裝在一起。有時(shí)視覺系統(tǒng)可作為PC 控制焊機(jī)單元的一部分。
4 應(yīng)用實(shí)例
應(yīng)用領(lǐng)域主要有兩大類：一種是板金結(jié)構(gòu)中焊縫多而且很短，另一種時(shí)焊接工作量大。幾個(gè)典型應(yīng)用實(shí)例如下：
·加熱水罐的焊接：該薄壁水罐要求焊接速度達(dá)到2.5m/min，焊接方法是熔化極氣體保護(hù)焊，焊絲直徑為2mm，采用90%氬和10% CO2 混合氣體保護(hù)。焊接電流為750A，電壓為28 30V。
·挖掘機(jī)零件的多道焊：挖掘機(jī)零件常常是鑄件，其焊縫位置的重復(fù)性不好，因此必須有焊縫監(jiān)測和控制裝置，否則只能用手工焊，但是60 毫米厚的寒風(fēng)，手工完成是相當(dāng)艱苦的。因此采用了帶有激光視覺系統(tǒng)的熔化極氣體保護(hù)焊，實(shí)現(xiàn)了尋找焊縫、焊縫跟蹤、自適應(yīng)多道焊接。
·載重汽車車架的接頭自動(dòng)定位：車架結(jié)構(gòu)有許多短焊縫，為提高生產(chǎn)率，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。如果沒有視覺系統(tǒng)，需要靠接觸傳感器，這就增加了工作周期。采用激光視覺系統(tǒng)在幾分之一秒內(nèi)就實(shí)現(xiàn)了接頭的定位，包括機(jī)器人定位、影像提取和焊槍運(yùn)動(dòng)到位等動(dòng)作。
·此外，還用于船體面板組裝焊接、載重汽車鋁合金染料筒的焊接、管道的多站焊接線、排氣管的焊接等。
