1、序言

在現在的焊接生產(chǎn)過(guò)程中，不同的產(chǎn)品通常需要特定的焊接設備及工裝夾具，需要設計不同類(lèi)型的生產(chǎn)線(xiàn)及生產(chǎn)流程，即便是同類(lèi)的產(chǎn)品，由于型號不同，通常也需要更換工裝夾具。同時(shí)由于工件在組對過(guò)程中存在組對誤差，加工過(guò)程存在加工誤差，所以會(huì )導致實(shí)際焊接的工件與設計圖樣存在差異，工件一致性較差，對于機器人焊接來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單的示教通常存在較大的誤差。在焊接過(guò)程中的熱形變也會(huì )引起誤差，造成焊接缺陷。以上問(wèn)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(xiàn)具有精確定位工件和糾正偏差的能力，同時(shí)在焊接過(guò)程中能夠對焊縫實(shí)時(shí)檢測，調整焊接的路徑，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)現工件及焊縫的自動(dòng)定位及實(shí)時(shí)跟蹤。早期，由于檢測及計算機相關(guān)基礎技術(shù)落后，焊縫定位及跟蹤技術(shù)難以實(shí)現，工廠(chǎng)通常只能設計生產(chǎn)精密的夾具，同時(shí)對裝配環(huán)節提高要求，但是對于小批量生產(chǎn)，這種方式通常難以實(shí)現。

自20世紀70年代開(kāi)始，焊縫定位及檢測技術(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)展了機械式的接觸式仿形跟蹤。機械仿形跟蹤使用時(shí)間久后存在磨損問(wèn)題，同時(shí)精度較低，在應用上存在較大的限制，通常應用于對焊接精度要求較低的場(chǎng)景。另一方面研究人員基于電弧傳感的原理，實(shí)現了電弧實(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(wèn)題也限制了電弧跟蹤的使用范圍。由于早期受到計算機技術(shù)的制約，數據處理能力達不到要求，非接觸的焊縫跟蹤技術(shù)發(fā)展比較緩慢，無(wú)法達到實(shí)時(shí)檢測及實(shí)時(shí)跟蹤的需求。2000年后，隨著(zhù)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)校及科研機構對于非接觸的焊縫跟蹤技術(shù)逐漸開(kāi)展了深入的研究和開(kāi)發(fā)，同時(shí)隨著(zhù)機器人應用的成熟與普及，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)的應用現狀

在實(shí)際焊接行業(yè)中，由于機械式接觸傳感技術(shù)存在精度差易、磨損的問(wèn)題，應用已經(jīng)較為少見(jiàn)。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(jué)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(lái)表達電弧長(cháng)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(guò)焊接執行機構的實(shí)時(shí)調節，實(shí)現焊接過(guò)程中的實(shí)時(shí)電弧跟蹤。但是在實(shí)際中電弧長(cháng)度與焊接電流、電弧電壓之間的精準數學(xué)模型難以確定，特別是在熔化極電弧焊接過(guò)程中，焊接坡口的準確尺寸也難以在線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測，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)跟蹤的應用具有較大的局限性。

（2）基于三角測距原理的激光結構光檢測方法   該方法具有對比度高、精度高、實(shí)時(shí)性強，無(wú)接觸等特點(diǎn)，得到了廣泛應用。在實(shí)際使用中，激光結構光有多種類(lèi)型，如單線(xiàn)結構光、多線(xiàn)結構光、圓形及橢圓結構光、點(diǎn)陣等。應用最為廣泛的是單線(xiàn)結構光，基于單線(xiàn)結構光的焊縫跟蹤器具有結構簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性好，性?xún)r(jià)比高的特點(diǎn)，現已成熟應用于焊縫跟蹤、坡口信息監測等領(lǐng)域?；诙嗑€(xiàn)激光的焊縫跟蹤器（見(jiàn)圖1）在激光光路及圖像處理方面比單線(xiàn)激光更為復雜，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構光在焊縫識別及尋位跟蹤上也有相應研究和應用，但因為性?xún)r(jià)比不高，實(shí)時(shí)性較低，實(shí)際應用較為少見(jiàn)?；诩す恻c(diǎn)陣的三維重構技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速，主要用于醫療、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)測量等應用。目前基于激光結構光的視覺(jué)檢測已經(jīng)廣泛應用于焊縫坡口檢測、焊縫尋位及實(shí)時(shí)跟蹤等領(lǐng)域，也是未來(lái)焊縫檢測及跟蹤的發(fā)展方向。

在實(shí)際自動(dòng)焊接過(guò)程中，激光焊縫跟蹤器的作用是對焊縫做精確的定位。一個(gè)完整的焊縫檢測跟蹤系統通常由激光結構光傳感器、控制器及執行機構組成，它們構成了一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統，實(shí)現了檢測、計算和執行的功能。在實(shí)際使用中執行機構有可能是由伺服電動(dòng)機、直線(xiàn)導軌滑臺組成的焊接專(zhuān)機，也可能是焊接機器人?？刂破饕话銥楣た貦C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構等。機器人自動(dòng)焊接工作站就是一種典型的應用，首先通過(guò)視覺(jué)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(guò)程中啟動(dòng)實(shí)時(shí)跟蹤，通過(guò)實(shí)時(shí)的控制機器人不斷修正機器人的焊接軌跡，達到準確的自動(dòng)焊接（見(jiàn)圖2）。目前常用的跟蹤控制方式有無(wú)標定的模糊跟蹤、標定實(shí)時(shí)跟蹤、尋位及跟蹤+尋位方式。無(wú)標定的模糊跟蹤不需要精確標定實(shí)時(shí)檢測焊槍與焊縫的偏差，并實(shí)時(shí)地做趨勢微調控制。標定實(shí)時(shí)跟蹤檢測的是焊縫的實(shí)際絕對位置，同時(shí)控制焊槍運動(dòng)到焊縫的實(shí)際絕對位置。尋位方式指焊接時(shí)不實(shí)時(shí)跟蹤，在焊接前通過(guò)兩點(diǎn)或多點(diǎn)尋位確定當前焊縫或工件的位置，提前修改執行機構的運動(dòng)軌跡，從而實(shí)現精確的焊接。跟蹤+尋位方式則是標定實(shí)時(shí)跟蹤與尋位方式的結合。

4、新技術(shù)的融合與應用   

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

（1）離線(xiàn)編程技術(shù)與焊縫自動(dòng)跟蹤技術(shù)結合。離線(xiàn)編程技術(shù)是基于計算機圖像學(xué)及機器人運動(dòng)學(xué)等技術(shù)模擬仿真機器人的動(dòng)作，通過(guò)圖像化編程來(lái)生成機器人的運動(dòng)軌跡及相應的機器人操作。相對傳統的工作人員通過(guò)機器人示教器示教編程，離線(xiàn)編程可以極大地提高工作效率，同時(shí)可以使編程者遠離惡劣或危險的工作環(huán)境。近年來(lái)離線(xiàn)編程技術(shù)正在向著(zhù)全自動(dòng)，甚至更加智能化的方向發(fā)展，離線(xiàn)編程技術(shù)與焊縫自動(dòng)跟蹤技術(shù)結合可以起到部分免示教作用，對于焊縫數量多，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離有毒、深水、核輻射及易燃易爆等危險工作環(huán)境，實(shí)現對焊接設備和焊接過(guò)程進(jìn)行遠程操控。因為目前在很過(guò)焊接領(lǐng)域還不能完全實(shí)現智能化焊接技術(shù)來(lái)進(jìn)行自主焊接，所以需要采用遙控遠程操控焊接設備以保證焊接的精確性和質(zhì)量。早在20世紀70年代，操作人員就已經(jīng)通過(guò)遠程操作執行機構控制焊槍的運動(dòng)完成了焊接；20 世紀 80 年代中期，國外進(jìn)行了應用機器人的遙控焊接技術(shù)研究，最早實(shí)現應用的是在1984 年加拿大Douglas Point核電站，利用遙控焊接成功維修了反應堆泄露事故。主動(dòng)視覺(jué)傳感是遙控焊接中主要應用的傳感方式，隨著(zhù)熔池監控相機的發(fā)展，可以遠程遙控的環(huán)境及參數越來(lái)越多。

（3）虛擬現實(shí)仿真與人機交互技術(shù)。在目前的智能化焊接中，技術(shù)人員通過(guò)Unity3D在虛擬仿真與人機交互技術(shù)實(shí)現了虛擬現實(shí)交互的焊接（見(jiàn)圖3）。人機交互界面負責機器人運動(dòng)信息反饋和機器人的控制，人再通過(guò)人機交互界面對焊接機器人實(shí)施遠端操作，從而達到人機交互，在一定程度上可以替代示教編程及離線(xiàn)編程。在復雜、惡劣的環(huán)境中將遠端焊接機器人與虛擬現實(shí)結合起來(lái)并實(shí)施人機交互，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)?；?D視覺(jué)的機器人自主焊接系統可基于結構光相機生成的點(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器人的激光尋位、空走及焊接軌跡，在專(zhuān)家庫的基礎上添加焊接工藝。系統無(wú)需輸入準確的3D數模，無(wú)需示教編程，將工件進(jìn)行3D掃描后，機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)現場(chǎng)常見(jiàn)的多品種、小批量產(chǎn)品自主焊接。這類(lèi)焊接系統省去了工件數模創(chuàng )建、離線(xiàn)編程，機器人示教等環(huán)節，可有效提高整體的焊接質(zhì)量與效率。

5、結束語(yǔ)

基于激光結構光的焊縫定位與實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù)與其他焊縫跟蹤技術(shù)相比，有更廣泛的應用場(chǎng)景，和更高的實(shí)時(shí)性及精確度。未來(lái)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。

來(lái)源：《金屬加工（熱加工）》2020年第6期。