侯順華

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

激光焊接技術具有精度高、可靠性高、生產(chǎn)加工效率高、焊接成本低等優(yōu)勢，在汽車制造加工中得以廣泛應用和發(fā)展。而隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展以及國民生活水平的提高，人們對于個性化產(chǎn)品的需求與渴望也越來越迫切。個性化定制推動了柔性制造技術的研究與應用，汽車制造業(yè)作為國民經(jīng)濟的重要支柱，其柔性制造改革與應用也勢在必行。個性化定制使得汽車的更新?lián)Q代速度空前加快，對汽車的研發(fā)與生產(chǎn)成本也大幅度增加。為了有效控制成本、增加企業(yè)的利潤、提高市場競爭力，采用柔性化生產(chǎn)技術是汽車制造業(yè)主要的發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)的激光焊接工藝，在產(chǎn)品更新時需要重新對工位、焊接參數(shù)等進行調(diào)整，費時費力。視覺激光焊接技術，是在計算機圖形圖像檢測與處理的基礎上發(fā)展起來的新型激光加工技術，它能實現(xiàn)焊接工件位姿的自動檢測、對焊縫（焊點）的自適應軌跡跟蹤控制，能夠?qū)附淤|(zhì)量進行在線檢測與調(diào)整。將視覺激光焊接取代傳統(tǒng)的激光焊接是主要的發(fā)展方向。

1 機器視覺激光焊接系統(tǒng)的組成

與傳統(tǒng)的激光焊接系統(tǒng)相比，基于機器視覺的激光焊接系統(tǒng)也包含激光源、送絲機構、焊接機器人、激光鏡組等。所不同之處在于，視覺激光焊接系統(tǒng)增加了圖像檢測單元，該圖像檢測單元與焊接機器人之間構成位置控制或伺服控制系統(tǒng)。視覺激光焊接系統(tǒng)的結構如圖1所示，其中圖像檢測元件（CCD傳感器）可置于機器人的手臂上，從而構成手眼系統(tǒng)，也可以將圖像檢測元件相對于工作臺固定。機器視覺手眼系統(tǒng)，由于圖像檢測傳感器跟隨機械手一起運動，圖像檢測精度要比固定式低，而且在圖像處理時，需對手眼系統(tǒng)進行標定，算法處理時間長。而固定攝像機檢測，在檢測精度和處理速度上都有優(yōu)勢。

圖1 機器視覺激光焊接系統(tǒng)構成

此外，根據(jù)所采用的圖像傳感器的數(shù)目，還可將機器視覺分為單目視覺和雙目視覺。由于單目視覺缺乏圖像深度信息，因此，可在機械手安裝其他傳感器，如紅外傳感器、超聲傳感器等，與單目視覺配合使用，以提供冗余信息。而雙目視覺，是將2個圖像傳感器按照一定的空間位置布置，再通過圖形變換算法得到目標工件的三維信息。隨著計算機圖像處理速度的快速發(fā)展，雙目視覺越來越多地應用到機器視覺技術上。

2 視覺激光焊關鍵技術

汽車制造業(yè)是國民經(jīng)濟的重要支柱之一，同時也是各種先進設備和技術前沿試驗基地。將視覺激光焊接技術應用到汽車焊接生產(chǎn)中，不僅可以降低人力成本，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，也能很好地契合當前個性化定制、柔性化生產(chǎn)的發(fā)展方向。在汽車制造視覺激光焊接系統(tǒng)中，其關鍵設備是具有視覺控制或視覺伺服的焊接機器人。所有焊接加工過程均圍繞這一關鍵設備進行，視覺焊接機器人性能的優(yōu)劣是影響汽車焊接質(zhì)量與效率的主要因素。因此，視覺激光焊接的關鍵技術包括：機器人位姿誤差的檢測與標定、焊接工件位姿誤差檢測與校正、焊縫（焊點）軌跡的精確跟蹤控制、自適應控制、焊縫缺陷檢測與修形等。

機器人位姿的誤差標定，是所有工業(yè)機器人都必須進行的環(huán)節(jié)。由于存在制造與裝配的誤差，以及機器人在使用過程中的磨損等原因，使得機器人名義位姿與實際位姿不匹配，必須進行誤差標定。機器人誤差標定可基于數(shù)學模型，也可根據(jù)實際測量值與理論值之間的誤差進行補償。機器人的誤差標定是定位精度、重復定位精度的前提。

焊接工件位姿誤差的檢測，是利于機器視覺檢測待加工零件的位姿，并與期望值進行匹配。當工件位姿與期望值誤差超出允許范圍之外，則進行報警。工件定位系統(tǒng)則根據(jù)視覺檢測的結果進一步調(diào)整工件的位置和姿態(tài)，從而形成一個工件定位的閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量。

為了獲得較好的焊接加工質(zhì)量，需要激光焊接機器人對焊縫或焊點進行精確的軌跡跟蹤控制，從而獲得理想的焊縫質(zhì)量。而在機器人軌跡跟蹤的控制中，比較常用的跟蹤算法包括：模糊控制、PID控制、模板匹配、自適應控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等智能算法，或是將其中兩者甚至多者配合使用，以獲得更加精確的跟蹤軌跡。

工件激光焊接工序完成后，利用機器視覺檢測技術，對焊縫的寬窄、深度等進行檢測，以判斷焊接質(zhì)量是否滿足工藝需求。對于不合格的激光焊接工件，在可返修的情況下，可對焊縫進行二次修形，從而降低廢品率，提高產(chǎn)品的合格率，節(jié)約制造成本。

總之，視覺激光焊接加工能夠顯著提高汽車制造企業(yè)的加工效率，降低生產(chǎn)成本，符合時代背景下個性化定制和柔性化生產(chǎn)的企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，從而為企業(yè)贏得更多的利益和市場口碑。隨著計算機視覺技術的不斷發(fā)展與成熟，將機器視覺激光焊接技術引入到汽車制造業(yè)是大勢所趨，因此，汽車制造企業(yè)需要在這方面做出努力，搶占戰(zhàn)略制高點，為企業(yè)后續(xù)的發(fā)展奠定基礎與技術保障。

3 視覺激光焊的發(fā)展趨勢

在以技術創(chuàng)新提高企業(yè)績效的時代背景下，視覺激光焊接技術及其系統(tǒng)也必須適應企業(yè)發(fā)展的需求，并結合具體的應用場合，不斷地推陳出新。目前，在汽車制造業(yè)中，基本采用一個工位一個工藝相對應的加工模式，占地空間大，需其他設備輔助工件進行輸送與定位。為了解決這種占地空間大、附屬設備冗余的問題，采用移動機器人進行汽車制造是一個切實可行的方案。采用移動機器人技術，可以消除一些多余的附屬設備，精簡系統(tǒng)，減少人工成本并節(jié)約能源。而多移動機器人系統(tǒng)，多臺移動機器人同時參與同一個工件的加工制造，分工協(xié)作，可以大大提高加工效率，這對于提高生產(chǎn)速度、滿足用戶個性化需求、提高市場競爭力都有著十分重要的意義。在視覺焊接系統(tǒng)硬件設備上進行提高，也是視覺焊接的一個重要發(fā)展方向，如提高工業(yè)相機的分辨率和光源的穩(wěn)定度等。為了進一步提高視覺激光焊接的效率與質(zhì)量，將模糊控制、自適應控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等新型控制技術應用到焊接過程的控制中，可以有效提高焊接跟蹤控制的精度，提高焊接速度與焊接質(zhì)量。此外，隨著企業(yè)人性化管理的發(fā)展，企業(yè)對員工的心理、情緒狀態(tài)的關注度不斷加深，將機器視覺用于檢測操作人員的情緒狀態(tài)、疲勞程度等，在員工情緒不佳、疲勞的情況下，提醒操作人員注意，從而避免造成操作事故等，這將會是機器視覺在企業(yè)中的又一應用方向，具有良好的前景。

4 結語

本文對視覺激光焊接系統(tǒng)對汽車制造業(yè)的重要意義進行了分析，簡要介紹了視覺激光焊接系統(tǒng)的構成，主要包括焊接機器人、視覺檢測單元、激光源等。對視覺激光焊接的關鍵技術進行了闡述，分析了焊接機器人的誤差標定、焊接工件位姿誤差的檢測與校正、焊接軌跡精確跟蹤控制、焊接質(zhì)量檢測與控制等。隨著科學技術的不斷進步，機器視覺技術必將越來越多地應用到工業(yè)制造領域中。

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