趙 亮

（寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系 陜西 寶雞 721013）

引言

自20世紀(jì)70年代以來，智能機(jī)器人焊接（Intelligent Robotic Welding，IRW）技術(shù)一直作為焊接領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容，隨著全自動焊接工藝需求的不斷提升，全自動機(jī)器人焊接系統(tǒng)還不能滿足實際的需求，主要是由于焊接過程產(chǎn)生的惡劣環(huán)境條件以及各種因素?zé)o法處理解決，如焊渣飛濺和電弧燈干擾，焊接結(jié)構(gòu)類型，焊接發(fā)熱引起的變形以及焊縫結(jié)構(gòu)的不同等[1]。這些因素共同影響了IRW系統(tǒng)實現(xiàn)，在設(shè)計過程中，IRW系統(tǒng)由3個基本部分組成：

1）獲取被焊接處（焊接池）的幾何信息；

2）機(jī)器人控制實現(xiàn)；

3）焊接控制實現(xiàn)[2]。

機(jī)器人和焊接控制依賴于提取的幾何信息的反饋。在提取焊接池的各種方法中，基于視覺的技術(shù)由于其無創(chuàng)性和準(zhǔn)確性而成為最有效的解決方法。以視覺為基礎(chǔ)的技術(shù)可以分為被動視覺[3]和主動視覺[4]。這2種方法之間的區(qū)別在于使用可選光源，在主動視覺中，使用照相機(jī)裝置和光源，而在被動視覺中使用2個照相機(jī)裝置而沒有光源。

主動視覺方法包括使用結(jié)構(gòu)光源（通常是紅色激光）、窄帶濾光片和相機(jī)；所使用的紅色激光的波長主要在640～660 nm之間；窄帶濾光片有助于選擇這個范圍的激光波長并濾除任何其他波長，但是，高質(zhì)量的紅色激光器和窄帶濾光片成本較高，從而造成主動視覺系統(tǒng)價格十分昂貴。本文主要對影響IRW的主要因素進(jìn)行優(yōu)化選擇，從成本和系統(tǒng)精度考慮，討論了設(shè)計過程的各個細(xì)節(jié)。

1 系統(tǒng)功能描述

要構(gòu)建視覺控制系統(tǒng)并與機(jī)器人集成，主要包含以下4個主要組件：

1）系統(tǒng)控制單元；

2）軟件單元；

3）機(jī)器人單元；

4）光學(xué)單元

5）圖形用戶界面。

以下對各個組件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。

1.1 控制單元

控制單元的設(shè)計如圖1所示，該單元主要完成機(jī)器人和計算機(jī)之間的控制命令的交換，在計算機(jī)中執(zhí)行圖像信息的處理，提取焊接池幾何特征并發(fā)送給機(jī)器人單元，通過XML的方式完成信息等交換。機(jī)器人端在接收到XML后完成解析過程，從計算機(jī)接收到的命令被存儲到命令緩沖區(qū)中，因為機(jī)器人控制器的運行速度比計算機(jī)慢得多，然后依次逐個執(zhí)行命令，直到執(zhí)行緩沖區(qū)中的所有命令。根據(jù)圖像處理的結(jié)果，從數(shù)據(jù)庫中選擇合適的焊接工藝參數(shù)，并用這些參數(shù)調(diào)整焊接機(jī)?？刂茊卧€設(shè)計適用于用戶定義的控制，可以包括用戶手動定位機(jī)器人、啟動和停止機(jī)器人等操作，在機(jī)器人上運行特定程序，啟動或停止焊機(jī)、照相機(jī)或激光裝置等。此處需注意的是，手動焊機(jī)已被修改并配備了電流傳感器，以便能夠控制計算機(jī)的焊接過程，通過此控制單元設(shè)計，系統(tǒng)將能夠添加和刪除數(shù)據(jù)庫中的過程參數(shù)，并且控制圖像處理中的軟件算法以及允許定制的用戶定義[5-7]。

圖1 控制單元工作流程

1.2 光學(xué)單元

光學(xué)系統(tǒng)解決的問題是在工件上以一定角度投影的激光線的可視化，相機(jī)芯片上的線條厚度應(yīng)至少檢測一個像素。但是，由于激光和焊接光的噪聲干擾，必須謹(jǐn)慎選擇光學(xué)系統(tǒng)組件。光學(xué)系統(tǒng)是根據(jù)三角測量原理設(shè)計的，它由一個對準(zhǔn)的激光器、相機(jī)和濾光器組成，如圖2所示，相機(jī)的選擇會影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。選擇相機(jī)之前需要考慮許多因素。諸如相機(jī)分辨率、動態(tài)范圍、視場、傳感器類型等因素。本文所采用的相機(jī)為來自成像源的DFK 23GP031，其擁有Aptina MT9P031 CMOS傳感器，分辨率為1 600×1 200，動態(tài)范圍為 8/12 位[8-9]。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

如圖3所示為傳感器量子效率圖，傳感器量子效率在激光器使用的660 nm激光波長附近幾乎為35%。激光器的選擇是基于對鋼焊接過程中產(chǎn)生的弧光光譜分析的研究?？梢杂^察到，對于鋼電弧焊，弧光在650～670 nm的波長附近處于其最弱的強(qiáng)度，為此本文選擇660 nm的激光波長。

為了達(dá)到良好的精度，激光和相機(jī)需要正確對準(zhǔn)。因此，必須確定照相機(jī)與激光之間的距離以及激光的傾斜角度。如圖4所示為相機(jī)與激光的位置關(guān)系，相機(jī)被設(shè)定為與工件垂直，而激光線以角度θ投射到工件上，并且θ的值直接影響系統(tǒng)測量垂直距離的靈敏度。同樣，相機(jī)的視場（Field of View，F(xiàn)OV）為 Fx× Fy。

圖4 相機(jī)與激光的位置關(guān)系

本文所提策略的相機(jī)配備了ND濾鏡，以減少焊接火花本身所受到的光線強(qiáng)度。同時，照相機(jī)和手電筒之間還安裝了金屬屏蔽罩，以阻擋手電筒中的光線到達(dá)相機(jī)前鏡頭，從而降低噪聲并改善激光線檢測過程。

1.3 軟件算法單元

軟件設(shè)計主要包括從照相機(jī)捕獲的圖像中提取接縫幾何特征所需的算法。算法必須對復(fù)雜變化的焊接環(huán)境具有魯棒性。本文采用的算法描述如下：

1）檢測激光基線，基線檢測涉及顏色過濾、中值濾波和線擬合；

2）檢測特征點，特征提取涉及感興趣區(qū)域確定；3）自定義像素鄰域搜索。

應(yīng)用軟件算法結(jié)果如圖5所示。在本研究中開發(fā)的算法已經(jīng)顯示出對激光線和特征點的優(yōu)異檢測，即使不需要窄帶寬濾波器或者偏振鏡透鏡相機(jī)。該系統(tǒng)還可以使用普通的CCD/CMOS相機(jī)，無需高動態(tài)范圍相機(jī)（120 dB），因此降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本。

圖5 左側(cè)為原始圖像，右側(cè)為原始圖像的檢測點（放大圖）

1.4 機(jī)器人單元

機(jī)器人單元在光學(xué)系統(tǒng)與機(jī)器人集成時，已經(jīng)考慮了許多因素。諸如機(jī)器人最大有效載荷、速度、集成簡單性和安全性等因素，以及能夠使用具有最少技術(shù)支持的不同類型機(jī)器人的系統(tǒng)。如圖6所示為機(jī)器人結(jié)構(gòu)，照相機(jī)和激光器被包裝在一個盒子中，并用簡單的夾子連接到火炬桿上，其中該盒子是水冷的，以保護(hù)相機(jī)和激光器免受由于焊接過程產(chǎn)生的熱量而造成的損壞，焊絲送料箱安裝在機(jī)器人上。設(shè)計中采用的機(jī)器人是庫卡KR 5弧工業(yè)機(jī)器人，專門用于執(zhí)行焊接。它具有±0.04 mm的重復(fù)性和6軸重復(fù)性。機(jī)器人由CR 4庫卡控制器系列控制。它可以通過TCP/IP通信進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。該控制器附帶軟件包，允許使用XML文件在機(jī)器人和外部組件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。圖6顯示了機(jī)器人的圖片，盡管該系統(tǒng)是與庫卡機(jī)器人一起開發(fā)和集成的，但它可以通過更改必要的命令來進(jìn)行機(jī)器人數(shù)據(jù)通信，從而可以輕松地與任何其他類型的機(jī)器人集成。

圖6 機(jī)器人結(jié)構(gòu)

2 圖形用戶界面（GUI）

在設(shè)計圖形用戶界面（GUI）時，要考慮的因素包括系統(tǒng)用戶輸入、消息通知、用戶靈活性，輸出顯示、控制策略等。因此，GUI設(shè)計用于提供所有過程的輸出顯示在系統(tǒng)中，它也可以作為系統(tǒng)用戶的輸入界面。顯示的輸出包括機(jī)器人的運動位置、圖像處理結(jié)果、焊點的攝像機(jī)實時視頻等。GUI設(shè)計為允許用戶對系統(tǒng)進(jìn)行絕對控制，GUI的一個值得注意的功能是相機(jī)的自動校準(zhǔn)，該功能為用戶提供了只需點擊一個按鈕，系統(tǒng)就會自動生成控制命令，發(fā)送給機(jī)器人以將攝像機(jī)置于不同的姿勢。在每個姿勢下，圖像將被捕捉，并且在捕捉到一定數(shù)量的圖像后，系統(tǒng)會自動執(zhí)行這些圖像的相機(jī)校準(zhǔn)。分配表集成在GUI中，為焊接選擇參數(shù)提供指導(dǎo)，通過GUI，可實現(xiàn)對所有設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，包括機(jī)器人、焊接機(jī)、激光器和相機(jī)等。

3 結(jié)論

本文主要以機(jī)器人激光檢測技術(shù)在汽車焊接線上應(yīng)用作為研究背景，提出影響主動視覺系統(tǒng)主要因素，并介紹了機(jī)器人自動焊接系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，并對各組件進(jìn)行了詳細(xì)介紹，同時結(jié)合各主要因素進(jìn)行了分析以及相關(guān)設(shè)計細(xì)節(jié)，并以實例介紹了一個機(jī)器人自動化焊接系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置以及部件組成。