激光視覺傳感器的原理及其在焊接中的應(yīng)用

摘要：本文敘述了已開發(fā)的激光視覺系統(tǒng)，它能夠自動識別焊接接頭位置，實現(xiàn)焊頭跟隨接頭位置的自適應(yīng)控制。該系統(tǒng)是一種完整成套的和低成本的系統(tǒng)激光視覺系統(tǒng)。已成功地應(yīng)用于管子工程、機械設(shè)備、軌道車輛、橋梁、航空器和汽車等產(chǎn)品的制造過程。通過采用激光攝像機來進(jìn)行接縫跟蹤和焊接參數(shù)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(guān)鍵詞：激光視覺系統(tǒng)；電弧焊；激光焊；應(yīng)用

前言

焊接在工業(yè)的各個行業(yè)中都是一種關(guān)鍵的加工方法。結(jié)構(gòu)件的組焊是復(fù)雜的工藝過程，在可編程機器，如多軸聯(lián)動裝置和柔性的關(guān)節(jié)式機器人出現(xiàn)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(chǎn)率及焊接接頭和部件的質(zhì)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(yīng)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(tǒng)和先進(jìn)的傳感器，各種焊接方法都難以智能地自動適應(yīng)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。

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(dǎo)焊頭，就要求每秒鐘至少能夠處理16,000 個像素。焊接時環(huán)境很熱，受到強光的照射，這要求激光傳感系統(tǒng)必須堅固耐用。激光視覺系統(tǒng)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(jié)構(gòu)緊湊、可移動、以每10-100ms 的時間間隔處理數(shù)據(jù)備、有與機械人和專用焊機的接口軟件、聯(lián)接接頭集合參數(shù)與焊接參數(shù)的適應(yīng)控制能力、價格適宜（低于焊接機械人價格的一半）。

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(xiàn)三角形的光場。由于接頭形狀的差別，設(shè)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

3、焊接機械人用的一種視覺系統(tǒng)

比較實用的一種視覺系統(tǒng)是由幾個毫瓦的半導(dǎo)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(biāo)定，就可以快速計算出接頭的尺寸。接頭影響的精度和質(zhì)量受到許多因素的影響：攝像機的大�。痪喙ぜ砻娴木嚯x；視場的大�。环直娑群陀嬎闼俣�；CCD 的動態(tài)性能；激光電源的反饋控制；光路系統(tǒng)的質(zhì)量。

由于這種視覺系統(tǒng)的工作條件惡劣，設(shè)計和裝配一個壓縮空氣保護噴嘴來保證激光穩(wěn)定地通過物鏡傳輸?shù)焦ぜ�，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(guān)鍵是按日程定期維護和更換噴嘴系統(tǒng)。

接線不當(dāng)也常常成為設(shè)備運作失敗的原因，必須強制采用優(yōu)質(zhì)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(shù)據(jù)的控制單元與機械人或者專用設(shè)備聯(lián)接起來并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。接口應(yīng)該易于操作，并可以在PC 機上進(jìn)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(tǒng)可作為PC 控制焊機單元的一部分。

4、應(yīng)用實例

應(yīng)用領(lǐng)域主要有兩大類：一種是板金結(jié)構(gòu)中焊縫多而且很短，另一種時焊接工作量大。幾個典型應(yīng)用實例如下：

·加熱水罐的焊接：該薄壁水罐要求焊接速度達(dá)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(fù)性不好，因此必須有焊縫監(jiān)測和控制裝置，否則只能用手工焊，但是60 毫米厚的寒風(fēng)，手工完成是相當(dāng)艱苦的。因此采用了帶有激光視覺系統(tǒng)的熔化極氣體保護焊，實現(xiàn)了尋找焊縫、焊縫跟蹤、自適應(yīng)多道焊接。

·載重汽車車架的接頭自動定位：車架結(jié)構(gòu)有許多短焊縫，為提高生產(chǎn)率，應(yīng)該實現(xiàn)自動化。如果沒有視覺系統(tǒng)，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(tǒng)在幾分之一秒內(nèi)就實現(xiàn)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。

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