吳興華

北京創(chuàng)想智控科技有限公司 北京 100085

1 序言

目前，在焊接生產(chǎn)過程中，不同的產(chǎn)品通常需要特定的焊接設(shè)備及工裝夾具，需要設(shè)計(jì)不同類型的生產(chǎn)線及生產(chǎn)流程，即便是同類產(chǎn)品，由于型號(hào)不同，通常也需要更換工裝夾具。同時(shí)由于工件在組對(duì)過程中存在組對(duì)誤差，加工過程存在加工誤差，因此會(huì)導(dǎo)致實(shí)際焊接的工件與設(shè)計(jì)圖樣存在差異，工件一致性較差，對(duì)于機(jī)器人焊接來說簡(jiǎn)單的示教通常存在較大的誤差。在焊接過程中的熱形變也會(huì)引起誤差，造成焊接缺陷。以上問題在一般工業(yè)生產(chǎn)中普遍存在，這就需要焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線具有精確定位工件和糾正偏差的能力，同時(shí)在焊接過程中能夠?qū)缚p實(shí)時(shí)檢測(cè)，調(diào)整焊接的路徑，糾正焊接的偏差，保證焊接的質(zhì)量，這樣也可以大幅降低操作人員的工作量，提高焊接效率，降低制造成本，實(shí)現(xiàn)智能的柔性制造。

2 焊縫跟蹤技術(shù)的發(fā)展歷程

智能焊接的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)工件及焊縫的自動(dòng)定位及實(shí)時(shí)跟蹤。早期，由于檢測(cè)及計(jì)算機(jī)相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)落后，焊縫定位及跟蹤技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)，工廠通常只能設(shè)計(jì)生產(chǎn)精密的夾具，同時(shí)對(duì)裝配環(huán)節(jié)提高要求，但是對(duì)于小批量生產(chǎn)，這種方式通常難以實(shí)現(xiàn)。

自20世紀(jì)70年代開始，焊縫定位及檢測(cè)技術(shù)有了一定的發(fā)展。主要有兩個(gè)方面的進(jìn)展，一方面是發(fā)展了機(jī)械式的接觸式仿形跟蹤。機(jī)械仿形跟蹤使用時(shí)間久后存在磨損問題，同時(shí)精度較低，在應(yīng)用上受到較大的限制，通常應(yīng)用于對(duì)焊接精度要求較低的場(chǎng)景。另一方面是研究人員基于電弧傳感的原理，實(shí)現(xiàn)了電弧實(shí)時(shí)跟蹤及焊絲碰觸尋位，但是電弧跟蹤通常要求焊接工件為角焊縫，而且需要使用擺動(dòng)焊接，這些問題也限制了電弧跟蹤的使用范圍。由于早期受到計(jì)算機(jī)技術(shù)的制約，數(shù)據(jù)處理能力達(dá)不到要求，非接觸的焊縫跟蹤技術(shù)發(fā)展比較緩慢，無法達(dá)到實(shí)時(shí)檢測(cè)及實(shí)時(shí)跟蹤的需求。

2000年后，隨著信息技術(shù)與嵌入式處理技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)與圖像處理技術(shù)的進(jìn)步，國外研究人員在非接觸實(shí)時(shí)跟蹤領(lǐng)域取得了很大的進(jìn)展，并形成了產(chǎn)品化的能力。2010年后我國的企業(yè)、學(xué)校及科研機(jī)構(gòu)對(duì)于非接觸的焊縫跟蹤技術(shù)逐漸開展了深入的研究和開發(fā)，同時(shí)隨著機(jī)器人應(yīng)用的成熟與普及，焊縫跟蹤技術(shù)取得了突破性的發(fā)展，并逐漸走向成熟。

3 焊縫跟蹤技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

在實(shí)際焊接行業(yè)中，由于機(jī)械式接觸傳感技術(shù)存在精度差、易磨損的問題，應(yīng)用已經(jīng)較為少見。目前，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的是非接觸式的電弧跟蹤及基于視覺傳感器的跟蹤方法。

（1）電弧跟蹤 電弧跟蹤的基本原理是檢測(cè)焊接電流和電弧電壓的變化，來表達(dá)電弧長度的變化，從而推算焊槍與焊縫的相對(duì)高度及與焊接坡口的相對(duì)位置關(guān)系，通過焊接執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)焊接過程中的實(shí)時(shí)電弧跟蹤[1，2]。但是在實(shí)際中電弧長度與焊接電流、電弧電壓之間的精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型難以確定，特別是在熔化極電弧焊接過程中，焊接坡口的準(zhǔn)確尺寸也難以在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，以及電弧跟蹤需要角接焊縫、擺動(dòng)焊接等限制條件，因此電弧實(shí)時(shí)跟蹤的應(yīng)用具有較大的局限性。

（2）基于三角測(cè)距原理的激光結(jié)構(gòu)光檢測(cè) 該方法具有對(duì)比度高、精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、無接觸等特點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。在實(shí)際使用中，激光結(jié)構(gòu)光有多種類型，如單線結(jié)構(gòu)光、多線結(jié)構(gòu)光、圓形及橢圓結(jié)構(gòu)光、點(diǎn)陣等。應(yīng)用最為廣泛的是單線結(jié)構(gòu)光，基于單線結(jié)構(gòu)光的焊縫跟蹤器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性好、性價(jià)比高的特點(diǎn)，現(xiàn)已成熟應(yīng)用于焊縫跟蹤、坡口信息監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。基于多線激光的焊縫跟蹤器（見圖1）在激光光路及圖像處理方面比單線激光更為復(fù)雜，提取的焊縫有效信息更多，但是降低了實(shí)時(shí)性，提高了產(chǎn)品成本。圓形或橢圓形激光結(jié)構(gòu)光在焊縫識(shí)別及尋位跟蹤上也有相應(yīng)研究和應(yīng)用，但因?yàn)樾詢r(jià)比不高，實(shí)時(shí)性較低，實(shí)際應(yīng)用較為少見?；诩す恻c(diǎn)陣的三維重構(gòu)技術(shù)近年來發(fā)展迅速，主要用于醫(yī)療、其他商業(yè)等領(lǐng)域，在焊接行業(yè)有用于焊接表面三維形態(tài)測(cè)量等。目前，基于激光結(jié)構(gòu)光的視覺檢測(cè)已經(jīng)應(yīng)用于焊縫坡口檢測(cè)、焊縫尋位及實(shí)時(shí)跟蹤等領(lǐng)域，也是未來焊縫檢測(cè)及跟蹤的發(fā)展方向[3]。

圖1 激光焊縫跟蹤器

在實(shí)際自動(dòng)化焊接過程中，激光焊縫跟蹤器的作用是對(duì)焊縫做精確的定位。一個(gè)完整的焊縫檢測(cè)跟蹤系統(tǒng)通常由激光結(jié)構(gòu)光傳感器、控制器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，它們構(gòu)成了一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)、計(jì)算和執(zhí)行的功能。在實(shí)際使用中執(zhí)行機(jī)構(gòu)有可能是由伺服電動(dòng)機(jī)、直線導(dǎo)軌滑臺(tái)組成的焊接專機(jī)，也可能是焊接機(jī)器人?？刂破饕话銥楣た貦C(jī)或FPGA、DSP等嵌入式處理器。除此以外，一般還包括焊接電源、工裝夾具及上下料機(jī)構(gòu)等。機(jī)器人自動(dòng)焊接工作站就是一種典型的應(yīng)用，首先通過視覺傳感器尋位確定工件及焊縫的位置，修正真實(shí)焊縫的焊接起始位置，在焊接過程中啟動(dòng)實(shí)時(shí)跟蹤，通過實(shí)時(shí)的控制機(jī)器人不斷修正機(jī)器人的焊接軌跡，達(dá)到準(zhǔn)確的自動(dòng)化焊接（見圖2）。目前常用的跟蹤控制方式有無標(biāo)定的模糊跟蹤、標(biāo)定實(shí)時(shí)跟蹤、尋位及跟蹤+尋位方式[4，5]。無標(biāo)定的模糊跟蹤不需要精確標(biāo)定實(shí)時(shí)檢測(cè)焊槍與焊縫的偏差，并實(shí)時(shí)地做趨勢(shì)微調(diào)控制。標(biāo)定實(shí)時(shí)跟蹤檢測(cè)的是焊縫的實(shí)際絕對(duì)位置，同時(shí)控制焊槍運(yùn)動(dòng)到焊縫的實(shí)際絕對(duì)位置。尋位方式指焊接時(shí)不實(shí)時(shí)跟蹤，在焊接前通過兩點(diǎn)或多點(diǎn)尋位確定當(dāng)前焊縫或工件的位置，提前修改執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而實(shí)現(xiàn)精確的焊接。跟蹤+尋位方式則是標(biāo)定實(shí)時(shí)跟蹤與尋位方式的結(jié)合。

圖2 激光跟蹤應(yīng)用

4 新技術(shù)的融合與應(yīng)用

近年來隨著離線編程技術(shù)、通信技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)及人工智能等的發(fā)展，基于視覺的焊縫跟蹤技術(shù)也在發(fā)展進(jìn)步。

1）離線編程技術(shù)與焊縫自動(dòng)跟蹤技術(shù)結(jié)合。離線編程技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)等技術(shù)模擬仿真機(jī)器人的動(dòng)作，通過圖形化編程來生成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡及相應(yīng)的機(jī)器人操作。相對(duì)傳統(tǒng)的工作人員通過機(jī)器人示教器示教編程，離線編程可以極大地提高工作效率，同時(shí)可以使編程者遠(yuǎn)離惡劣或危險(xiǎn)的工作環(huán)境。近年來，離線編程技術(shù)正在向著更加智能的方向發(fā)展，離線編程技術(shù)與焊縫自動(dòng)跟蹤技術(shù)結(jié)合可以起到部分免示教作用，對(duì)于焊縫數(shù)量多，且形式多變的情況可以很大程度地減少工作量。

2）焊接遙控技術(shù)。遙控焊接是指操作者遠(yuǎn)離有毒、深水、核輻射及易燃易爆等危險(xiǎn)工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接設(shè)備和焊接過程進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。受技術(shù)及成本因素限制，很多焊接領(lǐng)域還不能完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接，因此需要采用遙控遠(yuǎn)程操控焊接設(shè)備以保證焊接的精確性和質(zhì)量。早在20世紀(jì)70年代，操作人員就已經(jīng)通過遠(yuǎn)程操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制焊槍的運(yùn)動(dòng)完成了焊接；20世紀(jì)80年代中期，國外進(jìn)行了應(yīng)用機(jī)器人的遙控焊接技術(shù)研究，最早實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的是在1984 年加拿大Douglas Point核電站，利用遙控焊接成功維修了反應(yīng)堆泄漏事故。主動(dòng)視覺傳感是遙控焊接中主要應(yīng)用的傳感方式，隨著熔池監(jiān)控相機(jī)的發(fā)展，可以遠(yuǎn)程遙控的環(huán)境及參數(shù)越來越多。

3）虛擬現(xiàn)實(shí)仿真與人機(jī)交互技術(shù)。近年來，技術(shù)人員運(yùn)用Unity3D等軟件，結(jié)合虛擬仿真與人機(jī)交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)交互的焊接示教應(yīng)用（見圖3）。相對(duì)于常規(guī)的離線編程技術(shù)，基于虛擬仿真的示教編程，不僅可以提供圖形化的示教仿真環(huán)境，還給示教操作人員增加了更強(qiáng)的沉浸感及更多的操作視角，可以提高操作人員的示教效率，減少示教錯(cuò)誤率。與離線編程一樣，基于虛擬現(xiàn)實(shí)仿真的示教編程與焊縫尋位及跟蹤技術(shù)結(jié)合，適應(yīng)性更強(qiáng)，實(shí)施流程會(huì)更加簡(jiǎn)潔[6]。

圖3 虛擬現(xiàn)實(shí)交互用于智能化焊接

4）3D掃描成像及人工智能技術(shù)。基于3D視覺的機(jī)器人自主焊接系統(tǒng)，可基于結(jié)構(gòu)光相機(jī)生成的點(diǎn)云圖像并且基于人工智能快速自主生成焊縫軌跡，然后基于焊縫軌跡生成機(jī)器人的激光尋位、空走及焊接軌跡，在專家?guī)斓幕A(chǔ)上添加焊接工藝。系統(tǒng)無需輸入準(zhǔn)確的3D數(shù)模，無需示教編程，將工件進(jìn)行3D掃描后，機(jī)器人焊接軌跡自主生成，激光精確尋位糾偏的工作合成在一起，非常適用于解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常見的多品種、小批量產(chǎn)品自主焊接。這類焊接系統(tǒng)省去了工件數(shù)模創(chuàng)建、離線編程、機(jī)器人示教等環(huán)節(jié)，可有效提高整體的焊接質(zhì)量與效率。

5 結(jié)束語

基于激光結(jié)構(gòu)光的焊縫定位與實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù)與其他焊縫跟蹤技術(shù)相比，有更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景和更高的實(shí)時(shí)性及精確度。未來基于激光特別是基于3D成像技術(shù)的焊縫跟蹤必然會(huì)在智能焊接領(lǐng)域有更加廣闊的發(fā)展。