1、序言
在現(xiàn)在的焊接生產(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，即便是同類的產(chǎn)品，由于型號不同，通常也需要更換工裝夾具。同時由于工件在組對過程中存在組對誤差，加工過程存在加工誤差，所以會導(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，對于機(jī)器人焊接來說簡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，這就需要焊接自動化生產(chǎn)線具有精確定位工件和糾正偏差的能力，同時在焊接過程中能夠?qū)缚p實(shí)時檢測，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
智能焊接的一個關(guān)鍵技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)工件及焊縫的自動定位及實(shí)時跟蹤。早期，由于檢測及計(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，同時對裝配環(huán)節(jié)提高要求，但是對于小批量生產(chǎn)，這種方式通常難以實(shí)現(xiàn)。
自20世紀(jì)70年代開始，焊縫定位及檢測技術(shù)有了一定的發(fā)展。主要有兩個方面的進(jìn)展，一方面是發(fā)展了機(jī)械式的接觸式仿形跟蹤。機(jī)械仿形跟蹤使用時間久后存在磨損問題，同時精度較低，在應(yīng)用上存在較大的限制，通常應(yīng)用于對焊接精度要求較低的場景。另一方面研究人員基于電弧傳感的原理，實(shí)現(xiàn)了電弧實(shí)時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)時檢測及實(shí)時跟蹤的需求。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)際使用中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高度及與焊接坡口的相對位置關(guān)系，通過焊接執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)時調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)焊接過程中的實(shí)時電弧跟蹤。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)時檢測，以及電弧跟蹤需要角接焊縫、擺動焊接等限制條件，因此電弧實(shí)時跟蹤的應(yīng)用具有較大的局限性。
（2）基于三角測距原理的激光結(jié)構(gòu)光檢測方法 該方法具有對比度高、精度高、實(shí)時性強(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)簡單，實(shí)時性好，性價比高的特點(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)光在焊縫識別及尋位跟蹤上也有相應(yīng)研究和應(yīng)用，但因?yàn)樾詢r比不高，實(shí)時性較低，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、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)測量等應(yīng)用。目前基于激光結(jié)構(gòu)光的視覺檢測已經(jīng)廣泛應(yīng)用于焊縫坡口檢測、焊縫尋位及實(shí)時跟蹤等領(lǐng)域，也是未來焊縫檢測及跟蹤的發(fā)展方向。
在實(shí)際自動焊接過程中，激光焊縫跟蹤器的作用是對焊縫做精確的定位。一個完整的焊縫檢測跟蹤系統(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)成了一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了檢測、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機(jī)、直線導(dǎo)軌滑臺組成的焊接專機(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，在焊接過程中啟動實(shí)時跟蹤，通過實(shí)時的控制機(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)時跟蹤、尋位及跟蹤+尋位方式。無標(biāo)定的模糊跟蹤不需要精確標(biāo)定實(shí)時檢測焊槍與焊縫的偏差，并實(shí)時地做趨勢微調(diào)控制。標(biāo)定實(shí)時跟蹤檢測的是焊縫的實(shí)際絕對位置，同時控制焊槍運(yùn)動到焊縫的實(shí)際絕對位置。尋位方式指焊接時不實(shí)時跟蹤，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)時跟蹤與尋位方式的結(jié)合。
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)與焊縫自動跟蹤技術(shù)結(jié)合。離線編程技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)圖像學(xué)及機(jī)器人運(yùn)動學(xué)等技術(shù)模擬仿真機(jī)器人的動作，通過圖像化編程來生成機(jī)器人的運(yùn)動軌跡及相應(yīng)的機(jī)器人操作。相對傳統(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)正在向著全自動，甚至更加智能化的方向發(fā)展，離線編程技術(shù)與焊縫自動跟蹤技術(shù)結(jié)合可以起到部分免示教作用，對于焊縫數(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)對焊接設(shè)備和焊接過程進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。因?yàn)槟壳霸诤苓^焊接領(lǐng)域還不能完全實(shí)現(xiàn)智能化焊接技術(shù)來進(jìn)行自主焊接，所以需要采用遙控遠(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)堆泄露事故。主動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)。在目前的智能化焊接中，技術(shù)人員通過Unity3D在虛擬仿真與人機(jī)交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)交互的焊接（見圖3）。人機(jī)交互界面負(fù)責(zé)機(jī)器人運(yùn)動信息反饋和機(jī)器人的控制，人再通過人機(jī)交互界面對焊接機(jī)器人實(shí)施遠(yuǎn)端操作，從而達(dá)到人機(jī)交互，在一定程度上可以替代示教編程及離線編程。在復(fù)雜、惡劣的環(huán)境中將遠(yuǎn)端焊接機(jī)器人與虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合起來并實(shí)施人機(jī)交互，既能保證焊接工人的安全又能高效地完成焊接作業(yè)。
（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)用場景，和更高的實(shí)時性及精確度。未來基于激光特別是基于3D成像技術(shù)的焊縫跟蹤必然會在智能焊接領(lǐng)域有更加廣闊的發(fā)展。
來源：《金屬加工（熱加工）》2020年第6期。
