一种基于视觉传感技术的车身智能焊接系统

黄凤辉　杨戈　曾威　黄继辉　盛征阳　章冰

【摘  要】本文开发一种基于视觉传感技术的车身智能焊接系统，将图像感应技术与机器人焊接系统融合起来，实现初始焊位自动识别、焊缝特征智能表征和应变智能测量，能有效解决机器人焊接在精度和品质方面的难题，可大大提升汽车车身机器人焊接水平，对整个汽车工业的制造和发展意义重大。

【关键词】视觉传感技术；车身；智能焊接

中图分类号：U463.82    文献标志码：A    文章编号：1003-8639（ 2023 ）06-0006-02

An Intelligent Welding System for Car Body Based on Visual Sensing Technology

HUANG Feng-hui YANG Ge ZENG Wei HUANG Ji-hui SHENG Zheng-yang ZHANG Bing

（1. Hunan Tongxin Mold Manufacturing Co.，Ltd.，；2. Hunan Tonggang Technology Development Co.，Ltd.，Changsha 410135，China）

【Abstract】This paper developed a new welding technology of automobile body based on vision sensing technology，which integrates image sensing technology with Robot welding system，automatic identification of initial weld position，intelligent characterization of weld feature and intelligent measurement of strain are realized. It solves the industrial problems of robot welding in terms of precision and quality，it greatly improves the quality level of robot welding of automobile body，and is of great significance to the manufacturing and development of the entire automobile industry.

【Key words】vision sensing technology；automobile body；intelligent welding

近年來，中国的汽车工业获得了快速发展，汽车工业的高速发展也带来了竞争的加剧，导致汽车的迭代周期缩短，产品种类不断增加。为了满足不断增加的产品种类制造需求，要求一条生产线制造各种规格型号的车身结构件和零件，给汽车制造技术带来了很大的挑战。与其他制造工艺相比较，焊接工艺具有一系列的高标准要求[1]，因此，传统的人工焊接方法很难满足这种新的需求。焊接机器人的智能性和可灵活控制性可以实现在一个工位上对不同型号的车身进行大批量的焊接，效率得到很大提升，同时在品质方面，相比于人工焊接，能够得到更有效的保证[2]。但是，即使是焊接机器人，面对要求一条生产线制造30种以上车型焊接件的需求，由于焊接工件存在着各种加工和装配误差等问题，也会导致焊缝存在尺寸定位不准、焊接错边、焊缝间隙、焊接过程热变形和夹具失效不稳定等各种品质问题。因此，在焊接过程中能够实时检测到各种不确定因素对焊接品质的影响，同时通过信息反馈和智能控制等手段调整焊接机器人的焊接参数和姿态，避免品质问题的发生，实现焊接机器人的“焊接智造”，成为了汽车车身机器人焊接不可回避的行业难题。本文开发的基于视觉传感技术的车身智能焊接系统能够很好地解决汽车车身机器人焊接的瓶颈问题，其通过先进的视觉传感技术实现焊缝的实时图像检测，将图像信息输入智能控制系统后，基于数据库的算法控制焊接机器人实现初始焊位自动识别、焊缝特征智能表征和应变智能测量等各项功能，最终实现“焊接智造”，解决焊接机器人焊接的各种品质问题。

1  基于视觉传感技术的车身智能焊接系统组成

为了解决机器人焊接制造过程中的品质问题，能自动化识别和控制问题，本文基于弧焊机器人平台，研究开发出了具备视觉传感技术和测量功能的车身焊接机器人，其融入了视觉传感技术，实现了车身焊接品质的在线检测和智能控制功能，如图1所示。该系统由视觉传感系统、交互通信模块、控制模块和机器人焊接执行模块等组成。首先通过激光视觉传感器对焊接位置进行激光扫描，通过交互通信模块将信息传递给控制模块，数据模块基于数据库自我学习和对策输出控制策略给机器人焊接执行模块，实现自主精准焊接。新系统因为融合了视觉传感和图像处理技术，可以自动识别出待焊工件的初始焊接位置，实现自主寻位，寻位误差可以控制在2mm以内，解决了人工定位误差达到10mm、定位不准的行业难题，同时还可以实现焊缝特征的智能表征和焊缝应变的智能测量等功能。

1.1  待焊工件初始焊位位置识别

为了实现初始焊接工位的识别，首先通过视觉传感功能获得初始焊接工位的图像信息，通过视觉传感技术提取出起始区域的像素信息，建立起图像坐标与目标点坐标的转换关系，实现初始焊接工位位置的视觉系统标定，其整个过程涉及摄像机内部参数、线结构光参数和坐标系转换标定这3个环节。其中，摄像机内部参数标定建立起了二维图像平面像素点与三维空间特征点之间的对应关系，完成摄像机内部成像参数的确定。线结构光标定是为了实现线结构光平面在摄像机坐标系下的位置关系。坐标系转换标定确定了摄像机坐标系与工具坐标系之间的相对位置关系。

本文以汽车车身平板对接焊为例，首先通过摄像头获取初始点焊接位置的图像信息，然后通过视觉传感技术和先进的图像处理技术实现图像的锐化和滤波处理，通过一系列算法计算和摄像机内部参数、线结构光参数和坐标系转换标定等获得初始焊接位置的精准信息，然后机器人通过自我学习和控制精准地寻找到焊接起始点，实现机器人焊接的初始焊位位置识别，完成焊接。初始焊位识别流程如图2所示。

1.2  焊缝特征智能表征

通过激光扫描可以获取焊缝的液态熔池清晰图像，通过一系列的坐标转换和测量获得液态熔池的相关几何参数，比如宽度、面积等信息。本文以变极性等离子弧焊进行点焊为例，获得液态熔池图像（图3），并且通过焊接机器人系统获取焊接电流、电压值的参数，得出：随着焊接电流的增加，液态熔池的面积和宽度不断增大。借助这一信息，通过算法控制，便可以通过识别液态熔池的面积和宽度信息调整电压和电流值实现焊点尺寸和面积的控制，进而实现汽车车身点焊尺寸和品质的在线智能控制。以此类推，通过同样的方法和策略实现其他类型焊缝特征的智能表证，建立起焊接参数与焊缝特征之间的关系，不断积累建立起焊缝品质问题处理策略的数据库系统，最终实现汽车车身焊接品质的智能控制。

1.3  焊缝应变智能测量

焊缝焊接完成后，其是否有焊接缺陷，特别是汽车车身的焊接，其焊点的强度和应变情况直接关系到整个汽车车身的强度和刚度，一旦有一个焊点出现问题，可能导致一辆轿车车身钣金件的开裂和变形，关系到整个车辆的安全性，因此需要對焊接品质进行严格控制。

本文开发的基于视觉传感技术的汽车车身智能焊接系统开创出了一种焊接应变的测量方法。首先通过激光扫描获得焊接变形前的图像，并且将图像划分为不同的子区域，在变形后再次扫描此区域并搜索识别出子区域在变形后的形状，将这一形状变化关系建立起函数转换关系，从而计算出图像区域内各点的位移和应变值，进而计算出焊接后内部的残余应力和获取各个焊点的焊接应变曲线。以汽车车身焊接为例，如图4所示，通过这一方法获取焊点的2个位置点的时间应变变化曲线，其表示出焊点的2个位置点在不同时间的应变值变化规律。通过建立起具备有焊缝缺陷的焊点和正常焊缝的焊点的应变曲线，进行对比分析建立数据库，焊接时进行在线检测和识别，发现潜在的焊缝品质风险，然后通过控制策略对此区域进行加强焊接，避免出现焊点或焊缝缺陷，同时通过不断的品质故障积累，建立起各种焊接品质问题与焊接应变值之间关系和对策方案数据库，实现焊接过程中的品质问题在线检测和自我诊断，实现焊接品质问题的智能控制和汽车车身的“焊接智造”。

2  结语

随着汽车工业的发展，对汽车制造技术的要求越来越高，特别是汽车车身焊接技术，其柔性需求导致焊接机器人的快速发展。目前，越来越多的焊接机器人应用于汽车生产制造中，并且对焊接机器人提出了很高的精度和品质要求，现在采用的人工定位和人工控制品质已无法满足要求，而本文介绍的基于视觉传感技术的车身智能焊接系统将图像感应与机器人焊接系统融合起来，实现了初始焊位的自动识别，实现了焊缝特征的智能表征，实现了焊缝的应变智能测量等功能，这些关键技术的使用解决了机器人焊接人工定位不准，缺乏有效的焊缝品质检测手段和智能表征手段的行业难题，大大提升了车身机器人焊接的品质水平，对整个汽车工业制造和发展意义重大。

参考文献：

[1] 刘云飞． 汽车车身焊接技术概述[J]． 制造与工艺，2021（4）：136-137．

[2] 蓝俊，罗颖洹． 基于机器人的车身焊接技术研究[J]． 制造与工艺，2021（6）：127-128．

（编辑  凌  波）