摘要：本文敘述了已開發的激光視覺系統，它能夠自動識別焊接接頭位置，實現焊頭跟隨接頭位置的自適應控制。該系統是一種完整成套的和低成本的系統激光視覺系統。已成功地應用于管子工程、機械設備、軌道車輛、橋梁、航空器和汽車等產品的制造過程。通過采用激光攝像機來進行接縫跟蹤和焊接參數的實時控制，使焊接過程，如埋弧焊、熔化極氣體保護電弧焊、鎢極氬弧焊甚至激光焊，能夠以更低的成本焊出更好的接頭。
關鍵詞：激光視覺系統；電弧焊；激光焊；應用

前言

焊接在工業的各個行業中都是一種關鍵的加工方法。結構件的組焊是復雜的工藝過程，在可編程機器，如多軸聯動裝置和柔性的關節式機器人出現之前，大部分仍采用手工操作來完成。焊接的自動化可使生產率及焊接接頭和部件的質量得到提高，同時降低總成本。

然而，焊接機器人和焊接專機都缺少對工件的自適應能力，這點與焊工不一樣。因為他們有眼睛和頭腦，不用視覺系統和先進的傳感器，各種焊接方法都難以智能地自動適應不良的接頭裝配和焊接變形引起的接頭位置的變化。這些問題有時是由于粗糙的加工或由于難以避免的尺寸誤差所造成的。

表1 示出各種焊接方法和允許的接頭位置偏差，為實現這種接頭的焊前準備和防止焊接時的變形，需要消耗大量的人力和物力。為此，自1970 年開始就對焊縫跟蹤系統進行了大量的研究工作。

表1 可以允許的焊接接頭位置偏差

1 焊機的人工視覺

對于機械人焊接過程，需要3D 視覺信息。為了在焊接過程中適時引導焊頭，就要求每秒鐘至少能夠處理16,000 個像素。焊接時環境很熱，受到強光的照射，這要求激光傳感系統必須堅固耐用。激光視覺系統的要求可歸接如下：耐熱、抗沖擊、抗強光輻射和磁場干擾、適宜各種不同的金屬表面狀況、易于編程和操作結構緊湊、可移動、以每10-100ms 的時間間隔處理數據備、有與機械人和專用焊機的接口軟件、聯接接頭集合參數與焊接參數的適應控制能力、價格適宜（低于焊接機械人價格的一半）。

圖1 示出應用最廣的激光攝像頭該攝像頭，觀察熔池前方30mm 處的圖像壓縮空氣噴嘴保護攝像頭的物鏡免受焊接煙塵和飛濺的干擾。

為了測量焊接接頭的幾何形狀，激光束照射在工件表面上呈現三角形的光場。由于接頭形狀的差別，設計了不同的激光攝像頭。對激光焊接用的攝像頭可以以幾個微米的精度來確定接頭位置，其它攝像頭精度可以差一些，但是可以處理大坡口接頭。

2 自動焊接和機械人焊接采用傳感器和過程控制的益處

視覺系統用于焊接過程，可以完成的功能如下表2。

表2 激光傳感器和控制功能一覽表

圖1 激光攝像機結構

3 焊接機械人用的一種視覺系統

比較實用的一種視覺系統是由幾個毫瓦的半導體激光二極管照射接頭的三角形視場。通過機械掃描或者圓柱形透鏡使激光在接頭的橫向掃描。線排列的CCD 或者PSD 或者CCD矩陣接受接頭的映像。通過三角測量和視覺場的標定，就可以快速計算出接頭的尺寸。接頭影響的精度和質量受到許多因素的影響：攝像機的大小；距工件表面的距離；視場的大??；分辨度和計算速度；CCD 的動態性能；激光電源的反饋控制；光路系統的質量。

由于這種視覺系統的工作條件惡劣，設計和裝配一個壓縮空氣保護噴嘴來保證激光穩定地通過物鏡傳輸到工件，這是極端重要的。還必須使用一個可更換的窗口來保護攝像機的物鏡，而可控的空氣層流同時可以壓縮和冷卻前噴嘴，成功的關鍵是按日程定期維護和更換噴嘴系統。

接線不當也常常成為設備運作失敗的原因，必須強制采用優質元件和材料以保證長的無故障時間MTBF。必須采用將激光攝像機、過程數據的控制單元與機械人或者專用設備聯接起來并進行數據交換。接口應該易于操作，并可以在PC 機上進行編程。攝像機的操作必須與機械人的控制裝在一起。有時視覺系統可作為PC 控制焊機單元的一部分。

4 應用實例

應用領域主要有兩大類：一種是板金結構中焊縫多而且很短，另一種時焊接工作量大。幾個典型應用實例如下：

·加熱水罐的焊接：該薄壁水罐要求焊接速度達到2.5m/min，焊接方法是熔化極氣體保護焊，焊絲直徑為2mm，采用90%氬和10% CO2 混合氣體保護。焊接電流為750A，電壓為28 30V。

·挖掘機零件的多道焊：挖掘機零件常常是鑄件，其焊縫位置的重復性不好，因此必須有焊縫監測和控制裝置，否則只能用手工焊，但是60 毫米厚的寒風，手工完成是相當艱苦的。因此采用了帶有激光視覺系統的熔化極氣體保護焊，實現了尋找焊縫、焊縫跟蹤、自適應多道焊接。

·載重汽車車架的接頭自動定位：車架結構有許多短焊縫，為提高生產率，應該實現自動化。如果沒有視覺系統，需要靠接觸傳感器，這就增加了工作周期。采用激光視覺系統在幾分之一秒內就實現了接頭的定位，包括機器人定位、影像提取和焊槍運動到位等動作。

·此外，還用于船體面板組裝焊接、載重汽車鋁合金染料筒的焊接、管道的多站焊接線、排氣管的焊接等。