激光、视觉传感焊缝跟踪技术的研究现状

孟宪伟，张爱华，唐宇佟

（四川工程职业技术学院，四川 德阳，618000）

随着科技的迅速发展和焊接制造业对产品质量和效率的需求，现代制造业发展方向为高效率、高质量的智能化制造，焊接制造业也是如此；随着自动化程度的不断提升，利用工业机器人和激光视觉焊缝跟踪技术结合实现智能焊接成为焊接领域的趋势。基于目前国内大型焊接自动设备实现焊缝跟踪的主要方法是激光扫描法和视觉传感器法[1]，本文主要对激光、视觉传感焊缝跟踪技术的研究现状及应用进行阐述。

1 焊缝跟踪系统

焊缝跟踪系统是一个闭环反馈系统，由传感器、调节器、执行机构三大部分组成[2]，焊缝跟踪器采用传感器实时判断焊缝位置并通过上位机实时计算实际焊缝与机器人轨迹的偏差，最后通过控制器控制机器人关节角度变化，从而保证末端焊枪始终行走在实际焊缝上，实现了焊缝的实时跟踪，根据传感器检测焊缝位置，矫正焊枪施工位置及其方向，使焊枪对准焊缝，以达到预期焊接效果[3]。而在焊接过程中，焊接母材会发生金属热变形导致在焊接过程中焊缝跟踪定位困难[4]，所以焊缝自动跟踪技术是高质量的焊接成品的关键，现在国内大型焊接自动设备实现焊缝跟踪的主要方法是激光扫描法和视觉传感法。

1.1 激光焊缝跟踪技术

激光焊缝跟踪技术的主要表现方式为激光扫描法。激光扫描法获得焊缝信息是通过激光传感器反复扫描焊缝来获得。焊缝跟踪技术的主要呈现形式是将激光焊缝传感器安装在焊枪前端同时通过自动装置带动传感器做往复运动来检测焊枪距离焊缝的横、纵向位移来达到激光焊缝传感器在焊缝上的扫描检测的目的[5]。

伴随着科技不断进步，激光传感器灵敏度和测量度都大大提高，同时还具备较强的抗电磁干扰能力，对于信息的采集传输功能都显著增强。激光扫描法不与工件接触的就可以完成对各种坡口形状的扫描检测等优点[6]。但在实际操作中激光扫描法由于扫描与跟踪的顺序不当会降低工作效率，增强了时间成本，实际利用效果并不理想。除此之外，造成激光扫描法误差的原因是激光传感器在采集焊缝信息时，受到强焊光影响[7]。基于激光结构光的视觉传感技术主要应用是在坡口识别、焊缝跟踪、焊缝成形和熔透等方面。

朱轶峰等[8]为了降低等离子弧焊接过程中弧光对激光焊缝跟踪传感器的干扰，设计专用的带通滤光片，采用该滤光片后可以有效减少弧光对激光焊缝跟踪传感器的影响，获得较清晰的跟踪点图像。刘凌云等[9]在传统弧焊机器人系统的基础上设计了一种基于激光传感器的焊缝跟踪子系统，构建了激光传感器的数学模型及机器人手眼标定方法，并针对搭接焊缝的图像特点，提取出焊缝特征点位置坐标。同时设计焊缝跟踪控制算法和机器人焊缝跟踪程序，通过对储气罐环形搭接焊缝的焊接实验，证明该焊缝跟踪系统有效性和可靠性。

1.2 视觉传感焊缝跟踪技术

视觉传感器通常分为被动光视觉、主动光视觉[10]。被动光视觉是利用弧光或其他普通光源再加上摄像机组成的系统，在实际应用中，因所需设备较多，系统复杂，造价昂贵，限制实际生产中应用；主动光视觉是有特殊结构的光源和摄像机组成的系统，虽不能直接进行图像信息采集，但其同步性强，设备成本低，可适用滤光法或基值采样法进行实际应用。

视觉传感器通过在焊接过程中投射到传感器光敏面上的光学图像转化成电信号，即视频信号，通过视频信号再现入射的光辐射图像，然后通过CCD等光学元件组成焊缝图像信息传感系统，将获取的焊缝图形信息进行处理来判断焊接电弧与焊缝中心是否偏离，以偏离方向和程度的处理结果为根据来调整焊接电弧与焊缝中心的相对位置，使焊接电弧精准跟踪焊缝。在焊接操作过程中，视觉传感焊缝跟踪起到的作用相当于眼睛，通过反馈操作过程中焊缝的信息来引导机器人准确定位焊缝位置进行焊接工艺操作[11]。视觉传感器虽在力学应用方面欠佳，但信息量大，灵敏度、精度高、抗电磁干扰能力强的特点使其适用各种坡口形状[12-14]。

由于视觉传感器焊缝跟踪技术信息采集量大，并且远离弧光区等优点，在用机器人进行智能焊接时会优先选择使用。目前在焊接中应用较广的是CCD视觉传感摄像机[15]。

张宇[16]研究了6mm厚LD10铝合金开坡口填丝GTAW焊接图像，并通过对比和研究各种图像处理方法及其原理，提出了能提取焊缝中心和钨极中心投影位置的两套算法，足够满足焊缝跟踪实时性的要求。根据焊缝跟踪的实际特点，建立了PID控制和模糊控制两套不同的控制方法，在实验中获得了很好的跟踪效果。PID控制实验得到的偏差量在±0.5mm之内，模糊控制实验得到的偏差量在±0.3mm之内。

盛仲曦等[17]研究了2mm厚铝合金薄板脉冲钨极惰性气体保护焊（GTAW）焊接过程中的熔池前端焊缝特征，设计了相应的焊缝边缘获取方法，基于此提出了实时焊缝跟踪方法，并设计了模糊PID控制器。结果表明:将提出的实时焊缝跟踪技术分别在平板对接直缝试件、法兰环缝试件进行试验，跟踪精度分别可以控制在±0.3mm和±0.35mm之内。

2 激光、视觉传感焊缝跟踪技术的应用

为了提高焊接质量和效率，自动化焊接装备已经是现代高速机车车辆制造所不可缺少的装备。主要结构部件的尺寸都很大，有很多长焊缝，难以保证很高的工件或接缝定位精度及其重复性。通过Servo-Robot的数字视觉技术使得自动化焊接系统拥有智能视觉，实现铝合金车体MIG焊接应用，铝合金车体激光MIG复合焊接，薄板的激光焊接，转向架的焊接，并根据坡口的状况实时调整焊接参数，在焊后自动检测焊缝的成形和表面缺陷[18]。

赵素娟[19]研究了激光视觉传感焊缝识别与自动跟踪系统，主要从结构光视觉传感焊缝图像的信息化处理、视觉传感系统结构设计、计算机程序的实现记忆焊缝跟踪系统的检测精度等方面着手，在CCD摄像机前加特征波长的滤光片，同时采用遮光板对焊接飞溅以及弧光进行遮挡。除此之外，在图像处理时也增加了滤波运算，降低了焊接飞溅、弧光等偶然因素对焊缝图像造成的干扰，同时也提高了图像处理速度，研制视觉传感焊缝错边自动检测系统，能够相对准确地进行焊缝错边量的检测。实验结果表明，该系统的检测精度和灵敏度均满足实际生产要求，循环周期小于60ms，检测精度可达±0.2mm。

3 结语

随着微电子技术、光学视觉技术的进步，激光扫描法与视觉传感器焊缝跟踪技术得到了很大的发展。激光焊缝跟踪器主要运用于机器人领域，使机器人能够根据激光跟踪视觉传感器扫描焊缝的截面参数来实时调整焊接摆幅、摆动频率、摆动左右停留时间、焊接速度、焊接电流电压，实现高速高质量的自适应焊接。基于视觉焊缝跟踪过程主要包括准确、可靠获取焊缝与焊枪的偏差关系和设计合适的控制算法纠正焊缝和焊枪的偏差关系这两个方面，整理现有算法，实现实时调节焊接参数以及焊枪角度等工艺参数是激光焊缝跟踪技术的发展方向。随着时代发展，智能化焊接技术应用会十分广泛，激光扫描法与视觉传感器焊缝跟踪技术的应用与研究也会被更加重视。