弧焊機(jī)器人對(duì)縫焊的跟蹤測(cè)量

前言
　　隨著科技水平的進(jìn)步，人們對(duì)焊接質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。而人工焊接時(shí)，由于受到技術(shù)水平、疲勞程度、責(zé)任心、生理極限等客觀和主觀因素的應(yīng)影響，難以較長(zhǎng)時(shí)間保持焊接工作的穩(wěn)定性和一致性。而且，由于焊接惡劣的工作條件，愿意從事手工焊接的人在減少，熟練的技術(shù)工人更有短缺的趨勢(shì)。另一方面，電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控及機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展為焊接過(guò)程的自動(dòng)化提供了有利的條件，并已滲透到焊接的各個(gè)領(lǐng)域。

　　近年來(lái)，焊接自動(dòng)化程度在不斷的增加，2000年時(shí)，中國(guó)焊接生產(chǎn)的機(jī)械化自動(dòng)化率,按熔敷金屬計(jì)算約為30%,而發(fā)達(dá)國(guó)家的焊接自動(dòng)化率已經(jīng)達(dá)到65%以上。焊接自動(dòng)化生產(chǎn)已是必然的趨勢(shì)。焊接機(jī)器人是焊接自動(dòng)化的革命性的進(jìn)步，它突破了焊接剛性自動(dòng)化的傳統(tǒng)方式，開拓了一種柔性自動(dòng)化的生產(chǎn)方式。

　　目前，用于工業(yè)生產(chǎn)的弧焊機(jī)器人主要是示教再現(xiàn)型機(jī)器人，在機(jī)器人弧焊過(guò)程中，它們可以在其工作空間內(nèi)高精度重復(fù)已經(jīng)示教的動(dòng)作。但這也帶來(lái)一定的局限性，那就是應(yīng)變能力很差，對(duì)工件的裝配精度要求較嚴(yán)，重復(fù)性要好。如果焊接條件基本穩(wěn)定，則機(jī)器人能夠保證焊接質(zhì)量。但在實(shí)際焊接過(guò)程中，因?yàn)闄C(jī)器人工作時(shí)為了避免發(fā)生危險(xiǎn)，操作人員不準(zhǔn)或不宜進(jìn)入機(jī)器人的工作區(qū)域，使得操作者不能近距離實(shí)時(shí)監(jiān)視焊接過(guò)程并作必要的調(diào)節(jié)控制，所以當(dāng)實(shí)際的焊接條件發(fā)生變化時(shí)，例如焊接過(guò)程中的工件在加工、裝配過(guò)程中的尺寸誤差和位置偏差以及工件加熱變形等因素的變化會(huì)使接頭位置偏離所示教的路徑，這樣會(huì)造成焊接質(zhì)量下降甚至失敗。所以精確的焊縫跟蹤是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵，它是實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程自動(dòng)化的重要研究方向。

1 弧焊機(jī)器人在焊接中的應(yīng)用現(xiàn)狀
　　自從60年代機(jī)器人進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域以來(lái)，發(fā)展較為迅速。預(yù)計(jì)從1999-2003年，世界實(shí)際裝備工業(yè)機(jī)器人數(shù)量將由1999年的743,000臺(tái)增加到892,000臺(tái)，其中在“機(jī)器人王國(guó)”日本有370，000臺(tái)，世界其他地區(qū)通用工業(yè)機(jī)器人的實(shí)際裝備數(shù)量將由340,000臺(tái)增加到508,000臺(tái)。在美國(guó)，實(shí)際裝備通用工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量2003年將達(dá)到155,000臺(tái)，歐洲達(dá)到262,000臺(tái) ，其中半數(shù)以上為焊接機(jī)器人。

　　焊接是工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用最重要的領(lǐng)域之一，隨著國(guó)外對(duì)工業(yè)機(jī)器人在焊接方面的研究應(yīng)用，我國(guó)也開始了焊接機(jī)器人的研究應(yīng)用。在數(shù)量上，根據(jù)到2001年的統(tǒng)計(jì)，全國(guó)共有焊接機(jī)器人1040臺(tái)(不包括港、澳、臺(tái))，其中弧焊機(jī)器多于點(diǎn)焊機(jī)器人。汽車制造和汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)中的焊接機(jī)器人占全部焊接機(jī)器人的76％，是我國(guó)焊接機(jī)器人最主要的用戶。汽車制造廠的點(diǎn)焊機(jī)器人多，弧焊機(jī)器人少；而汽車零部件廠則相反。

　　焊接機(jī)器人的技術(shù)水平在不斷的進(jìn)步，目前，焊接機(jī)器人幾乎全部采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這種電機(jī)因?yàn)闆](méi)有電刷，故障率很低�？刂破髦衅毡椴捎�32位的計(jì)算機(jī)，除可以控制機(jī)器人本體的5－6個(gè)軸外，還可以使外圍設(shè)備和機(jī)器人協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)。在2004年的中國(guó)焊接會(huì)議上，日本安川公司的新型焊接機(jī)器人控制器NX100技術(shù)中，一臺(tái)控制器能同時(shí)控制四臺(tái)機(jī)器人共36軸（每臺(tái)機(jī)器人有本體6個(gè)軸，3個(gè)外部軸），并且使用軟PLC對(duì)周圍裝置進(jìn)行控制。示教盒也采用了功能強(qiáng)大的Windows CE操作系統(tǒng)。

　　配套焊接系統(tǒng)也有很多新的進(jìn)展，在1993年的埃森展覽會(huì)上，日本松下公司把旋轉(zhuǎn)電弧焊技術(shù)用于弧焊機(jī)器人。由于采用旋轉(zhuǎn)電弧焊時(shí)，焊絲能夠以50HZ以上的頻率旋轉(zhuǎn)，所以用這種技術(shù)進(jìn)行焊縫跟蹤時(shí)，其跟蹤精度比機(jī)器人經(jīng)常采用的擺動(dòng)焊（擺動(dòng)頻率小于10HZ）要高的多。該公司還于1993年首先銷售在控制柜中內(nèi)藏焊機(jī)的機(jī)器人，依靠數(shù)字通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)焊機(jī)和機(jī)器人的結(jié)合。并于2004年實(shí)現(xiàn)焊機(jī)和機(jī)器人的融合，既由機(jī)器人控制器直接控制焊接波形。采用頻率為100KHZ的逆變電源，體積小巧，控制精度高。焊機(jī)和機(jī)器人融合的優(yōu)點(diǎn)主要有焊機(jī)和焊槍的動(dòng)作能夠?qū)崿F(xiàn)同步的精確控制，便于實(shí)現(xiàn)縝密的焊接條件控制，并使焊接系統(tǒng)小型化。另外，該機(jī)器人把送絲機(jī)和機(jī)器人手臂做成一體，送絲機(jī)能夠配合焊槍的動(dòng)作進(jìn)行旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，以保證送絲始終順暢。

2 焊縫跟蹤過(guò)程中使用的傳感器
　　弧焊用傳感器可分為直接電弧式、接觸式和非接觸式3大類。按工作原理可分為機(jī)械、機(jī)電、電磁、電容、射流、超聲、紅外、光電、激光、視覺(jué)、電弧、光譜及光纖式等。按用途分有用于焊縫跟蹤、焊接條件控制(熔寬、熔深、熔透、成形面積、焊速、冷卻速度和干伸長(zhǎng))及其他如溫度分布、等離子體粒子密度、熔池行為等。據(jù)日本焊接技術(shù)學(xué)會(huì)1994年所做的調(diào)查顯示,在日本、歐洲及其他發(fā)達(dá)國(guó)家,用于焊接過(guò)程的傳感器有80%是用于焊縫跟蹤的。

　　接觸式傳感器一般在焊槍前方采用導(dǎo)桿或?qū)л喓秃缚p或工件的一個(gè)側(cè)壁接觸，通過(guò)導(dǎo)桿或?qū)л啺押缚p位置的變化通過(guò)光電、滑動(dòng)變阻器、力覺(jué)等方式轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以供控制系統(tǒng)跟蹤焊縫。其特點(diǎn)為不受電弧干擾，工作可靠，成本低，曾在生產(chǎn)中得到過(guò)廣泛應(yīng)用，但跟蹤精度不高，目前正在被其他傳感方法取代。此外，現(xiàn)在有的工業(yè)機(jī)器人中利用接觸傳感方式進(jìn)行焊縫起點(diǎn)的尋找，例如日本安川公司生產(chǎn)的機(jī)器人有些具有這種功能。

　　電弧式傳感器利用焊接電極與被焊工件之間的距離變化能夠引起電弧電流（對(duì)于GMAW方法）電弧電壓（對(duì)于GTAW方法）變化這一物理現(xiàn)象來(lái)檢測(cè)接頭的坡口中心。電弧傳感方式主要有擺動(dòng)電弧傳感、旋轉(zhuǎn)電弧傳感以及雙絲電弧傳感。因?yàn)樾�轉(zhuǎn)電弧傳感器的旋轉(zhuǎn)頻率可達(dá)幾十Hz以上，大大高于擺動(dòng)電弧傳感器的擺動(dòng)頻率（10Hz以下），所以提高了檢測(cè)靈敏度，改善了焊縫跟蹤的精度，且可以提高焊接速度，使焊道平滑等。旋轉(zhuǎn)電弧傳感器通常采用偏心齒輪的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，而采用空心軸電機(jī)的機(jī)構(gòu)能有效的減小傳感器的體積，如圖1所示。
 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 圖1 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器

電弧傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：
·傳感器基本不占額外的空間，焊槍的可達(dá)性好
·不受電弧光、磁場(chǎng)、飛濺、煙塵的干擾，工作穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)
·不存在傳感器和電弧間的距離，且信號(hào)處理也比較簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性好
·不需要附加裝置和附加裝置成本低，因而電弧傳感器的價(jià)格低

　　所以電弧傳感器獲得了廣泛的應(yīng)用，目前是機(jī)器人弧焊中用的最多的傳感器，已經(jīng)稱為大部分弧焊機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)配置。電弧傳感器的缺點(diǎn)是對(duì)薄板件的對(duì)接和搭接接頭，很難跟蹤。

　　用于焊縫跟蹤的非接觸式傳感器很多,主要有電磁傳感器、超聲波傳感器、溫度場(chǎng)傳感器及視覺(jué)傳感器等。其中以視覺(jué)傳感器最引人注目，由于視覺(jué)傳感器所獲得的信息量大，結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理的最新技術(shù)成果，大大增強(qiáng)了弧焊機(jī)器人的外部適應(yīng)能力。

　　視覺(jué)傳感器采用的光電轉(zhuǎn)換器件最簡(jiǎn)單的是單元感光器件，如光電二極管等；其次是一維的感光單元線陣，如線陣CCD(電荷耦合器件)；應(yīng)用最多的是結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的二維感光單元面陣，如面陣CCD，是二維圖像的常規(guī)感光器件,它代表著目前傳感器發(fā)展的最新階段，因而應(yīng)用日益廣泛。在焊接機(jī)器人各種視覺(jué)傳感器中，CCD傳感器因其性能可靠、體積小、價(jià)格低、圖像清晰直觀而受到了普遍重視。特別是80年代以來(lái)，CCD與高性能的微機(jī)相結(jié)合產(chǎn)生的焊縫跟蹤系統(tǒng),使焊縫跟蹤的研究跨上了一個(gè)新的臺(tái)階。

　　在弧焊過(guò)程中，由于存在弧光、電弧熱、飛濺、以及煙霧等多種強(qiáng)烈的干擾。是每一種視覺(jué)傳感方法都需要解決的問(wèn)題。根據(jù)焊接機(jī)器人視覺(jué)焊系統(tǒng)的工作方式不同，可將用于焊接機(jī)器人視覺(jué)焊縫跟蹤系統(tǒng)的視覺(jué)傳感器分為：結(jié)構(gòu)光式、激光掃描式和直接拍攝電弧式。其中結(jié)構(gòu)光式和激光掃描式屬于主動(dòng)視覺(jué)的方法。使用激光束因?yàn)榧�中于一點(diǎn)，抗干擾性能更好一些。文獻(xiàn)[7]中所提到的采用CCD攝像機(jī)、激光二級(jí)管與掃描透鏡相配合組成的視覺(jué)系統(tǒng)，如圖2示，是比較典型的激光掃描應(yīng)用方式。類似的還有文獻(xiàn)[8]中所提到的焊縫跟蹤方法，如圖3示。
 　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　視覺(jué)傳感系統(tǒng)組成　　　　　　　　　視覺(jué)傳感器組成

　　一般情況下，激光掃描式的視覺(jué)系統(tǒng)，大都是基于三角測(cè)量原理的主動(dòng)視覺(jué)方法，其工作原理是大致相同的。首先是激光管發(fā)出的激光點(diǎn)光源通過(guò)光學(xué)掃描鏡投射到被測(cè)工件的表面，由工件表面反射后的激光被CCD攝像頭所接收，其中掃描鏡的掃描頻率一般在5-20Hz可調(diào)。通過(guò)測(cè)量反射光束與CCD主光軸的夾角，并結(jié)合已知的透射光束與掃描鏡面的夾角以及CCD與掃描鏡面的距離等數(shù)據(jù)，可以求得每一束激光在工件表面投射點(diǎn)與CCD鏡面的距離，從而可以得到焊縫的端面剖面圖，通過(guò)適當(dāng)?shù)膱D像處理算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫進(jìn)行視覺(jué)跟蹤的目的。現(xiàn)在激光和CCD相結(jié)合所制成的機(jī)器人焊接傳感器在市場(chǎng)已經(jīng)有產(chǎn)品在銷售，但一般價(jià)格較昂貴。

　　被動(dòng)視覺(jué)方法是用CCD攝像機(jī)通過(guò)濾光片和減光片直接觀察熔池附近區(qū)域或焊縫。在這種方法中，大部分電弧本身就是監(jiān)測(cè)位置，檢測(cè)對(duì)象（焊縫中心線）與被控對(duì)象（焊炬）在同一位置，不存在檢測(cè)對(duì)象與被控對(duì)象的位置差，即時(shí)間差的問(wèn)題，所以沒(méi)有因熱變形等因素所引起的超前檢測(cè)誤差，更容易實(shí)現(xiàn)較為精確的跟蹤控制，并且能夠獲取接頭和熔池的大量信息，這對(duì)焊接的自適應(yīng)控制非常有利。因?yàn)楸粍?dòng)視覺(jué)和人的視覺(jué)更為相似，所以它最有希望解決緊密對(duì)接焊縫和薄板搭接焊縫的跟蹤問(wèn)題。而且被動(dòng)視覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單價(jià)格低，因而它是一種很值得研究的焊縫跟蹤方法。在這種方法中確實(shí)存在圖像易受到電弧的嚴(yán)重干擾的問(wèn)題，但這可以通過(guò)改進(jìn)濾光方法、圖像處理算法以及調(diào)整合適的取像時(shí)刻等方法解決。主動(dòng)視覺(jué)和被動(dòng)視覺(jué)的比較見(jiàn)表1。
　　　　　　　　　　　　　　表1 激光焊縫跟蹤傳感器和被動(dòng)視覺(jué)傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)比較
　　　　　　

4 國(guó)內(nèi)外視覺(jué)焊縫跟蹤發(fā)展現(xiàn)狀
　　所謂焊縫跟蹤就是在焊接時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)出焊縫的偏差,并調(diào)整焊接路徑和焊接參數(shù)，保證焊接質(zhì)量的可靠性。由于工件的加工誤差（工件間的尺寸差異、坡口的準(zhǔn)備情況等）、裝夾精度以及焊接時(shí)的熱變形等因素的存在，以示教－再現(xiàn)方式工作的弧焊機(jī)器人在焊接時(shí)常常因?yàn)楹缚p和示教軌跡有偏差而導(dǎo)致焊接質(zhì)量下降。所以焊縫跟蹤是保證弧焊機(jī)器人焊接質(zhì)量的一個(gè)重要的方面。在機(jī)器人弧焊所使用的傳感器中，電弧傳感器和視覺(jué)傳感器占有突出位置，其中電弧傳感器用得最多，而視覺(jué)傳感器則被認(rèn)為是最有前途得焊縫跟蹤傳感器[2]。

4.1 主動(dòng)視覺(jué)焊縫跟蹤
　　目前主動(dòng)視覺(jué)焊縫跟蹤研究的內(nèi)容主要有以下方面：
　　1 提高激光跟蹤的魯棒性，如適應(yīng)各種焊接接頭，和接頭尺寸變化等。
　　2 跟蹤中的快速穩(wěn)定的圖像處理方法
　　3 傳感器的設(shè)計(jì)問(wèn)題，例如激光和傳感器的角度
　　4 焊縫跟蹤中的控制問(wèn)題，主要為NN和Fuzzy及兩者結(jié)合方法。

　　文獻(xiàn)[8]中為獲得焊縫跟蹤高的魯棒性和適用性，采用兩套不同的圖像處理算法，分別為在焊接開始前檢測(cè)焊接接口模型和在焊接過(guò)程中檢測(cè)接頭特征。文獻(xiàn)[2]中詳細(xì)的介紹了各種焊接接頭的識(shí)別方法。而文獻(xiàn)[9]則采用絞接對(duì)象模型（Articulated Object Model）來(lái)提高跟蹤的可靠性，利用這種方法從傳感器獲得的輪廓數(shù)據(jù)中尋找特征點(diǎn)（焊縫點(diǎn)），在特征點(diǎn)處焊接。文獻(xiàn)[10]從圖像處理的角度，研究了快速穩(wěn)定的圖像處理算法。

4.2 被動(dòng)視覺(jué)焊縫跟蹤
　　被動(dòng)視覺(jué)傳感器所獲信息量大，接近人的視覺(jué)等突出優(yōu)點(diǎn)，受到了研究人員的廣泛關(guān)注。受機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的大量成功應(yīng)用的啟發(fā)，人們嘗試將被動(dòng)視覺(jué)傳感應(yīng)用到各種焊接方法中，如GTAW、GMAW和PAW等。

　　在取像的位置方面主要是被動(dòng)觀察熔池及其附近區(qū)域，另外利用工件的特征觀察其他區(qū)域而獲得焊縫信息。多數(shù)研究中攝像機(jī)是在斜上方的位置取像的，而在大型管的對(duì)接焊時(shí)則可以從熔池的側(cè)面取像，這樣可以獲得更豐富的信息, 能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤和熔池控制。

　　對(duì)熔池機(jī)器人附近區(qū)域的取像時(shí)，取像時(shí)刻一般選取電弧亮度小且圖像穩(wěn)定的時(shí)刻。脈沖 GTAW焊接中，取像時(shí)刻通常固定在每個(gè)脈沖基值期間的某一時(shí)刻，通過(guò)電源同步脈沖來(lái)控制取像時(shí)刻。在GMAW焊接時(shí)，取像時(shí)刻通常為短路時(shí)刻。

　　目前利用被動(dòng)視覺(jué)傳感器進(jìn)行焊縫跟蹤的研究中，一般使用一個(gè)攝像機(jī)，所跟蹤的焊縫是二維的。這是因?yàn)楦鶕?jù)一幅圖片很難獲得高度信息。雖然計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)中有根據(jù)一幅灰度圖像恢復(fù)表面形狀的方法，但因熔池圖像本身很復(fù)雜且控制過(guò)程中有時(shí)間要求，所以很難在焊縫跟蹤中實(shí)現(xiàn)。即使使用兩個(gè)攝像機(jī)采用立體視覺(jué)技術(shù)計(jì)算高度，特征點(diǎn)的匹配也較困難。所以利用被動(dòng)視覺(jué)跟蹤焊縫高度的問(wèn)題上還需要作進(jìn)一步的研究。

5 結(jié)論
　　焊接機(jī)器人作為焊接自動(dòng)化的一個(gè)重要載體必將在我國(guó)得到更加廣泛的應(yīng)用，而焊縫跟蹤是弧焊機(jī)器人應(yīng)用的一個(gè)重要的研究方向。在各種傳感方法中視覺(jué)傳感是很有前途的傳感方法，其中被動(dòng)視覺(jué)傳感因?yàn)榫哂休^多優(yōu)點(diǎn)，將成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。