弧焊機器人對縫焊的跟蹤測量

前言
　　隨著科技水平的進步，人們對焊接質(zhì)量的要求也越來越高。而人工焊接時，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，難以較長時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。另一方面，電子技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)控及機器人技術(shù)的發(fā)展為焊接過程的自動化提供了有利的條件，并已滲透到焊接的各個領(lǐng)域。

　　近年來，焊接自動化程度在不斷的增加，2000年時，中國焊接生產(chǎn)的機械化自動化率,按熔敷金屬計算約為30%,而發(fā)達國家的焊接自動化率已經(jīng)達到65%以上。焊接自動化生產(chǎn)已是必然的趨勢。焊接機器人是焊接自動化的革命性的進步，它突破了焊接剛性自動化的傳統(tǒng)方式，開拓了一種柔性自動化的生產(chǎn)方式。

　　目前，用于工業(yè)生產(chǎn)的弧焊機器人主要是示教再現(xiàn)型機器人，在機器人弧焊過程中，它們可以在其工作空間內(nèi)高精度重復(fù)已經(jīng)示教的動作。但這也帶來一定的局限性，那就是應(yīng)變能力很差，對工件的裝配精度要求較嚴，重復(fù)性要好。如果焊接條件基本穩(wěn)定，則機器人能夠保證焊接質(zhì)量。但在實際焊接過程中，因為機器人工作時為了避免發(fā)生危險，操作人員不準或不宜進入機器人的工作區(qū)域，使得操作者不能近距離實時監(jiān)視焊接過程并作必要的調(diào)節(jié)控制，所以當(dāng)實際的焊接條件發(fā)生變化時，例如焊接過程中的工件在加工、裝配過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使接頭位置偏離所示教的路徑，這樣會造成焊接質(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，它是實現(xiàn)焊接過程自動化的重要研究方向。

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

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

　　焊接機器人的技術(shù)水平在不斷的進步，目前，焊接機器人幾乎全部采用交流伺服電機驅(qū)動，這種電機因為沒有電刷，故障率很低�？刂破髦衅毡椴捎�32位的計算機，除可以控制機器人本體的5－6個軸外，還可以使外圍設(shè)備和機器人協(xié)調(diào)聯(lián)動。在2004年的中國焊接會議上，日本安川公司的新型焊接機器人控制器NX100技術(shù)中，一臺控制器能同時控制四臺機器人共36軸（每臺機器人有本體6個軸，3個外部軸），并且使用軟PLC對周圍裝置進行控制。示教盒也采用了功能強大的Windows CE操作系統(tǒng)。

　　配套焊接系統(tǒng)也有很多新的進展，在1993年的埃森展覽會上，日本松下公司把旋轉(zhuǎn)電弧焊技術(shù)用于弧焊機器人。由于采用旋轉(zhuǎn)電弧焊時，焊絲能夠以50HZ以上的頻率旋轉(zhuǎn)，所以用這種技術(shù)進行焊縫跟蹤時，其跟蹤精度比機器人經(jīng)常采用的擺動焊（擺動頻率小于10HZ）要高的多。該公司還于1993年首先銷售在控制柜中內(nèi)藏焊機的機器人，依靠數(shù)字通訊技術(shù)實現(xiàn)焊機和機器人的結(jié)合。并于2004年實現(xiàn)焊機和機器人的融合，既由機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。焊機和機器人融合的優(yōu)點主要有焊機和焊槍的動作能夠?qū)崿F(xiàn)同步的精確控制，便于實現(xiàn)縝密的焊接條件控制，并使焊接系統(tǒng)小型化。另外，該機器人把送絲機和機器人手臂做成一體，送絲機能夠配合焊槍的動作進行旋轉(zhuǎn)動作，以保證送絲始終順暢。

2 焊縫跟蹤過程中使用的傳感器
　　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械、機電、電磁、電容、射流、超聲、紅外、光電、激光、視覺、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)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1994年所做的調(diào)查顯示,在日本、歐洲及其他發(fā)達國家,用于焊接過程的傳感器有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或工件的一個側(cè)壁接觸，通過導(dǎo)桿或?qū)л啺押缚p位置的變化通過光電、滑動變阻器、力覺等方式轉(zhuǎn)換為電信號，以供控制系統(tǒng)跟蹤焊縫。其特點為不受電弧干擾，工作可靠，成本低，曾在生產(chǎn)中得到過廣泛應(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)機器人中利用接觸傳感方式進行焊縫起點的尋找，例如日本安川公司生產(chǎn)的機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（對于GMAW方法）電弧電壓（對于GTAW方法）變化這一物理現(xiàn)象來檢測接頭的坡口中心。電弧傳感方式主要有擺動電弧傳感、旋轉(zhuǎn)電弧傳感以及雙絲電弧傳感。因為旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的旋轉(zhuǎn)頻率可達幾十Hz以上，大大高于擺動電弧傳感器的擺動頻率（10Hz以下），所以提高了檢測靈敏度，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)實現(xiàn)，而采用空心軸電機的機構(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：
·傳感器基本不占額外的空間，焊槍的可達性好
·不受電弧光、磁場、飛濺、煙塵的干擾，工作穩(wěn)定，壽命長
·不存在傳感器和電弧間的距離，且信號處理也比較簡單，實時性好
·不需要附加裝置和附加裝置成本低，因而電弧傳感器的價格低

　　所以電弧傳感器獲得了廣泛的應(yīng)用，目前是機器人弧焊中用的最多的傳感器，已經(jīng)稱為大部分弧焊機器人的標準配置。電弧傳感器的缺點是對薄板件的對接和搭接接頭，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、溫度場傳感器及視覺傳感器等。其中以視覺傳感器最引人注目，由于視覺傳感器所獲得的信息量大，結(jié)合計算機視覺和圖像處理的最新技術(shù)成果，大大增強了弧焊機器人的外部適應(yīng)能力。

　　視覺傳感器采用的光電轉(zhuǎn)換器件最簡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。在焊接機器人各種視覺傳感器中，CCD傳感器因其性能可靠、體積小、價格低、圖像清晰直觀而受到了普遍重視。特別是80年代以來，CCD與高性能的微機相結(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新的臺階。

　　在弧焊過程中，由于存在弧光、電弧熱、飛濺、以及煙霧等多種強烈的干擾。是每一種視覺傳感方法都需要解決的問題。根據(jù)焊接機器人視覺焊系統(tǒng)的工作方式不同，可將用于焊接機器人視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)的視覺傳感器分為：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視覺的方法。使用激光束因為集中于一點，抗干擾性能更好一些。文獻[7]中所提到的采用CCD攝像機、激光二級管與掃描透鏡相配合組成的視覺系統(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[8]中所提到的焊縫跟蹤方法，如圖3示。
 　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　視覺傳感系統(tǒng)組成　　　　　　　　　視覺傳感器組成

　　一般情況下，激光掃描式的視覺系統(tǒng)，大都是基于三角測量原理的主動視覺方法，其工作原理是大致相同的。首先是激光管發(fā)出的激光點光源通過光學(xué)掃描鏡投射到被測工件的表面，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)。通過測量反射光束與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與CCD鏡面的距離，從而可以得到焊縫的端面剖面圖，通過適當(dāng)?shù)膱D像處理算法，實現(xiàn)對焊縫進行視覺跟蹤的目的。現(xiàn)在激光和CCD相結(jié)合所制成的機器人焊接傳感器在市場已經(jīng)有產(chǎn)品在銷售，但一般價格較昂貴。

　　被動視覺方法是用CCD攝像機通過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)測位置，檢測對象（焊縫中心線）與被控對象（焊炬）在同一位置，不存在檢測對象與被控對象的位置差，即時間差的問題，所以沒有因熱變形等因素所引起的超前檢測誤差，更容易實現(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，這對焊接的自適應(yīng)控制非常有利。因為被動視覺和人的視覺更為相似，所以它最有希望解決緊密對接焊縫和薄板搭接焊縫的跟蹤問題。而且被動視覺傳感器結(jié)構(gòu)簡單價格低，因而它是一種很值得研究的焊縫跟蹤方法。在這種方法中確實存在圖像易受到電弧的嚴重干擾的問題，但這可以通過改進濾光方法、圖像處理算法以及調(diào)整合適的取像時刻等方法解決。主動視覺和被動視覺的比較見表1。
　　　　　　　　　　　　　　表1 激光焊縫跟蹤傳感器和被動視覺傳感器的優(yōu)缺點比較
　　　　　　

4 國內(nèi)外視覺焊縫跟蹤發(fā)展現(xiàn)狀
　　所謂焊縫跟蹤就是在焊接時實時檢測出焊縫的偏差,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、坡口的準備情況等）、裝夾精度以及焊接時的熱變形等因素的存在，以示教－再現(xiàn)方式工作的弧焊機器人在焊接時常常因為焊縫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器人焊接質(zhì)量的一個重要的方面。在機器人弧焊所使用的傳感器中，電弧傳感器和視覺傳感器占有突出位置，其中電弧傳感器用得最多，而視覺傳感器則被認為是最有前途得焊縫跟蹤傳感器[2]。

4.1 主動視覺焊縫跟蹤
　　目前主動視覺焊縫跟蹤研究的內(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)計問題，例如激光和傳感器的角度
　　4 焊縫跟蹤中的控制問題，主要為NN和Fuzzy及兩者結(jié)合方法。

　　文獻[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焊接接口模型和在焊接過程中檢測接頭特征。文獻[2]中詳細的介紹了各種焊接接頭的識別方法。而文獻[9]則采用絞接對象模型（Articulated Object Model）來提高跟蹤的可靠性，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（焊縫點），在特征點處焊接。文獻[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 被動視覺焊縫跟蹤
　　被動視覺傳感器所獲信息量大，接近人的視覺等突出優(yōu)點，受到了研究人員的廣泛關(guān)注。受機器視覺技術(shù)的大量成功應(yīng)用的啟發(fā)，人們嘗試將被動視覺傳感應(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)研究中攝像機是在斜上方的位置取像的，而在大型管的對接焊時則可以從熔池的側(cè)面取像，這樣可以獲得更豐富的信息, 能夠同時實現(xiàn)焊縫跟蹤和熔池控制。

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

　　目前利用被動視覺傳感器進行焊縫跟蹤的研究中，一般使用一個攝像機，所跟蹤的焊縫是二維的。這是因為根據(jù)一幅圖片很難獲得高度信息。雖然計算機視覺技術(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)雜且控制過程中有時間要求，所以很難在焊縫跟蹤中實現(xiàn)。即使使用兩個攝像機采用立體視覺技術(shù)計算高度，特征點的匹配也較困難。所以利用被動視覺跟蹤焊縫高度的問題上還需要作進一步的研究。

5 結(jié)論
　　焊接機器人作為焊接自動化的一個重要載體必將在我國得到更加廣泛的應(yīng)用，而焊縫跟蹤是弧焊機器人應(yīng)用的一個重要的研究方向。在各種傳感方法中視覺傳感是很有前途的傳感方法，其中被動視覺傳感因為具有較多優(yōu)點，將成為一個研究熱點。