基于機(jī)器視覺的自動(dòng)化激光焊接系統(tǒng)集成與應(yīng)用分析

劉猛軍

摘 要：近些年我國(guó)汽車工業(yè)快速發(fā)展，在為人們的出行提供了更大的方便的基礎(chǔ)上，也推動(dòng)了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。而且隨著技術(shù)水平的提升，汽車生產(chǎn)過(guò)程中使用的焊接技術(shù)也越來(lái)越先進(jìn)。本文針對(duì)機(jī)器視覺在自動(dòng)化激光焊接系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行分析，希望對(duì)相關(guān)人員有所幫助。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺;自動(dòng)化激光焊接系統(tǒng);集成;應(yīng)用

引言

激光焊接是20世紀(jì)最重要的發(fā)明之一，和傳統(tǒng)的焊接技術(shù)相比，不僅效率更高，而且焊接的質(zhì)量更好，在很多領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用，比如通信工程、醫(yī)療等。雖然愛因斯坦早在1917年就提出了受激發(fā)射的理論，可是直到50年后的1960年，第一臺(tái)使用激光切割的紅寶石激光器出現(xiàn)，才算真正意義上將激光用于生產(chǎn)。時(shí)至今日，結(jié)合機(jī)器視覺的激光焊接在眾多領(lǐng)域中的應(yīng)用極大地推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，非常深遠(yuǎn)地改變了人們的生活。

1激光焊接簡(jiǎn)介

激光焊接是利用高功率的激光作為焊接熱源，能夠?qū)⒎浅?qiáng)大的能量集中在很小的區(qū)域內(nèi)，溫度在短時(shí)間內(nèi)快速提升，能夠快速熔化焊接板材，尤其對(duì)于一些熔點(diǎn)較高的金屬進(jìn)行焊接時(shí)尤其有效。在汽車制造工業(yè)中，激光焊接能夠更好的提升板材之間連接的質(zhì)量，和傳統(tǒng)的焊接模式相比，車身的強(qiáng)度更高。尤其在一些中高檔汽車產(chǎn)品中，激光焊接已經(jīng)成為產(chǎn)品宣傳的賣點(diǎn)之一。

和其他類型的焊接技術(shù)比，激光焊接的優(yōu)勢(shì)非常明顯。首先，由于能量相對(duì)來(lái)說(shuō)比較集中，使得焊接速度快，而且受熱供電的形變相對(duì)較小，不僅能夠提高焊接的強(qiáng)度，還能夠提升板材尖焊接的美觀性，免人工焊接可能出現(xiàn)的各種質(zhì)量波動(dòng)。其次，激光焊接對(duì)環(huán)境的要求更低，不像一些其他類型的焊接需要在真空和無(wú)塵環(huán)境中進(jìn)行。激光焊接在真空、空氣中都可以操作，而且激光在進(jìn)入電子廠之后也不會(huì)受到干擾，穩(wěn)定性更強(qiáng)。再次，激光焊接可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離焊接，這種遠(yuǎn)距離指的是非接觸式焊接，因?yàn)楣饩哂休^好的傳統(tǒng)性，可以通過(guò)玻璃或者特定的材料進(jìn)行焊接，甚至可以通過(guò)光纖的鏡面反射來(lái)觸及到一些難以接觸的焊接位置，在提升焊接了工作效率的同時(shí)，非接觸性焊接也在一定程度上降低了對(duì)其他部件造成損耗的風(fēng)險(xiǎn)。最后，對(duì)一些熔點(diǎn)較高的金屬，激光焊接能夠更加快速地讓其熔化，完成焊接任務(wù)，具備其他焊接技術(shù)不具備的優(yōu)勢(shì)。

2機(jī)器視覺簡(jiǎn)介

機(jī)器視覺這種技術(shù)近些年在很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，它指的是將視覺圖像作為信息進(jìn)行輸入，然后在系統(tǒng)中對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取出有用的信息，將信息傳遞給其他設(shè)備。通常來(lái)說(shuō)，機(jī)器視覺系統(tǒng)都是由圖像采集設(shè)備、圖像處理器、機(jī)器人控制器等組成。在汽車工業(yè)中進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，機(jī)器視覺系統(tǒng)還包括柔性線纜、輔助照明以及外殼保護(hù)等，這樣才能夠讓整個(gè)系統(tǒng)在汽車是生產(chǎn)這個(gè)相對(duì)復(fù)雜的環(huán)境中得到更加充分、穩(wěn)定的應(yīng)用。

機(jī)器視覺是人工智能技術(shù)的一個(gè)分支，就是通過(guò)模擬人眼來(lái)對(duì)事物進(jìn)行判斷。在汽車生產(chǎn)的很多環(huán)節(jié)都能得到應(yīng)用。因?yàn)橄鄬?duì)于人的肉眼識(shí)別來(lái)說(shuō)，機(jī)器視覺對(duì)事物的判斷更加精確，誤差更小，尤其在對(duì)汽車材料的顏色進(jìn)行識(shí)別、對(duì)零部件的尺寸進(jìn)行測(cè)量時(shí)，有著傳統(tǒng)人工難以取代的優(yōu)勢(shì)。不僅如此，使用機(jī)器視覺還能夠在一些具有危險(xiǎn)性的生產(chǎn)環(huán)節(jié)替代人工，提升生產(chǎn)的安全性。而且，機(jī)器視覺的靈敏性和自動(dòng)化程度都較高，在批量生產(chǎn)的過(guò)程中，能夠進(jìn)一步提升生產(chǎn)效率。

3基于機(jī)器視覺的自動(dòng)化激光焊接系統(tǒng)

但汽車工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中，基于機(jī)器視覺的自動(dòng)化，激光焊接系統(tǒng)應(yīng)用越來(lái)越充分，對(duì)于提升產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)效率都有非常積極的作用。就機(jī)器視覺自動(dòng)化激光焊接系統(tǒng)的構(gòu)成來(lái)說(shuō)，有大功率水冷系統(tǒng)、機(jī)運(yùn)線和工位PLC、激光發(fā)生器、視覺機(jī)器人、激光焊縫跟蹤系統(tǒng)、末端執(zhí)行器激光焊槍等構(gòu)成。在這些零部件集成到整個(gè)系統(tǒng)中之后，系統(tǒng)在焊接的過(guò)程中能夠發(fā)揮一個(gè)相對(duì)完整的作用。下面就其中的一些構(gòu)成進(jìn)行分析。

3.1激光發(fā)生器

在銘鋁石榴石單晶里摻入一定量的三價(jià)欽離子，便構(gòu)成了摻欽憶鋁石榴石晶體，表示為Nd：3+：YAG。Nd：3+：YAG的主要優(yōu)點(diǎn)是較為容易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，所需的激勵(lì)光強(qiáng)很小。使用摻欽銘鋁石榴石晶體作為固態(tài)激光發(fā)生物質(zhì)，具有良好的導(dǎo)熱性，能夠在脈沖、連續(xù)和高重復(fù)率的狀態(tài)下工作。激光發(fā)生器雖然性能強(qiáng)大，但是對(duì)于汽車工業(yè)來(lái)說(shuō)，在室溫環(huán)境下能夠持續(xù)輸出穩(wěn)定的工作是非常重要的。激光發(fā)生器的缺點(diǎn)比較明顯，那就是電光轉(zhuǎn)化效率只有3%左右，雖然經(jīng)過(guò)近些年的研發(fā)，這一比例逐漸提升，但是和理想狀態(tài)還有較大差距。再比如，德國(guó)TruInPf公司的HL4406D型Nd：YAG固體激光焊機(jī)所發(fā)射的激光波長(zhǎng)為1064nm，在光譜中處于近紅外線區(qū)域。此激光發(fā)生器最大輸出功率為6000w，加入光纖傳輸和禍合端子等功率損失累加，實(shí)際達(dá)到工件表面最大焊接功率為4400W。輸出功率波動(dòng)性小于2%，可連續(xù)高功率工作。具備脈沖輸出和連續(xù)恒定輸出等模式。光束質(zhì)量為25mm·mrad。延伸光纜長(zhǎng)度達(dá)到20米，光纖最小彎折半徑為200IIlln，光纖直徑0.6mm[u]。通過(guò)適當(dāng)?shù)乃h(huán)冷卻系統(tǒng)可以保證每周24小時(shí)連續(xù)7天的長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷工作，在此情況下弧光燈管使用的壽命平均約為3000工作小時(shí)，大約為四個(gè)月。

3.2工業(yè)機(jī)器人

使用機(jī)器人進(jìn)行操作，能夠提升生產(chǎn)過(guò)程的安全性，尤其對(duì)于焊接操作來(lái)說(shuō)，使用視覺機(jī)器人能夠?qū)⑷斯げ僮鞯陌踩L(fēng)險(xiǎn)控制在最低限度內(nèi)。而且機(jī)器人在操作的過(guò)程中更加穩(wěn)定，誤差更小。用于汽車工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)器人的安全防護(hù)等級(jí)在ip67，能夠非常有效的防護(hù)激光焊接過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵，同時(shí)降低高壓冷卻水泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。無(wú)論是從安全還是從生產(chǎn)效率的角度來(lái)考量，使用機(jī)器人進(jìn)行操作都有無(wú)可取代的優(yōu)勢(shì)。視覺機(jī)器人能夠在焊接的過(guò)程中對(duì)焊接部位進(jìn)行識(shí)別，然后和系統(tǒng)內(nèi)的其他設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)，共同完成焊接工作。

3.3激光焊縫跟蹤系統(tǒng)

對(duì)于汽車生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，對(duì)焊縫的質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)是必不可少的。激光焊縫監(jiān)控系統(tǒng)就承擔(dān)這樣的責(zé)任，在焊接個(gè)工作進(jìn)行的過(guò)程中，需要對(duì)焊接的板材進(jìn)行固定，這樣才能夠保證焊接的穩(wěn)定性。然而在批量焊接的過(guò)程中，不同尺寸、不同材質(zhì)的板材對(duì)焊接的要求也有所差異，完整的焊接控制模式相對(duì)來(lái)說(shuō)彈性較差，而且定位時(shí)間較長(zhǎng)不利于提升單車制造的效率。在固定板材的過(guò)程中，些許的偏移都有可能造成誤差，嚴(yán)重的甚至?xí)寵C(jī)器人產(chǎn)生重復(fù)誤差，讓整個(gè)批次的產(chǎn)品質(zhì)量都難以得到保障。使用激光焊縫跟蹤系統(tǒng)就能夠比較好地解決這一問(wèn)題。技術(shù)人員可以通過(guò)系統(tǒng)對(duì)焊接板材的位置進(jìn)行測(cè)量，確保板材的位置的準(zhǔn)確性。同時(shí)，使用激光焊縫跟蹤系統(tǒng)還能夠?qū)C(jī)器人的操作軌跡進(jìn)行補(bǔ)償，將機(jī)器人操作的誤差控制在可以接受的范圍內(nèi)。除此之外，因?yàn)檫@一系統(tǒng)利用的是光學(xué)原理，當(dāng)肉眼可見的紅色激光經(jīng)過(guò)光學(xué)原件之后，會(huì)產(chǎn)生變化，以直線條紋的形式投射到焊縫搭接的表面，進(jìn)行焊接。激光在通過(guò)偏振鏡的過(guò)程中，其他波長(zhǎng)的光被過(guò)濾掉，能夠更加精確地顯示焊接對(duì)象的截面特征。比較常用的是Precitec焊縫監(jiān)控系統(tǒng)，這種系統(tǒng)由激光視覺傳感器、視覺采集和處理控制單元構(gòu)成，在馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)之下，系統(tǒng)能夠通過(guò)攝像頭來(lái)對(duì)激光投射到板牌表面的情況進(jìn)行監(jiān)控，并借助計(jì)算機(jī)形成圖像，然后更為精確地確定焊縫的位置。

3.4視覺機(jī)器人測(cè)量系統(tǒng)

焊縫監(jiān)控系統(tǒng)在確定焊接板材對(duì)象位置方面有非常顯著的作用，能夠在進(jìn)行焊接的過(guò)程中，通過(guò)反復(fù)補(bǔ)正機(jī)器人的軌跡來(lái)提高精度，但是不能否認(rèn)的是，焊縫監(jiān)控系統(tǒng)的可控范圍較小，尤其在對(duì)機(jī)器人的操作進(jìn)行修正時(shí)，范圍有限。為了進(jìn)一步提升焊接的質(zhì)量和精度，在整個(gè)系統(tǒng)的末端安裝機(jī)器人視覺測(cè)量系統(tǒng)就是非常必要的。既然視覺測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)ξ矬w進(jìn)行識(shí)別，而且以模擬人類視覺的方式進(jìn)行處理，不僅效率更高，而且有肉眼不具備的精確測(cè)量的能力。機(jī)器人的視覺處理也能夠通過(guò)多種方式完成，比如可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行獨(dú)立開發(fā)，或者借助于現(xiàn)有的機(jī)器人視覺處理軟件，或是使用機(jī)器視覺算法庫(kù)進(jìn)行配套。這些方式各有特點(diǎn)，企業(yè)可以根據(jù)自身的實(shí)際情況，選擇合適的視覺機(jī)器人測(cè)量系統(tǒng)的建設(shè)方法。相對(duì)來(lái)說(shuō)，根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需要進(jìn)行獨(dú)立開發(fā)，能夠更加充分、更加具有針對(duì)性的讓機(jī)器視覺發(fā)揮作用，提升生產(chǎn)效率。但是前期的成本較大，需要投入足夠的資金和研發(fā)人員。測(cè)量系統(tǒng)對(duì)使用環(huán)境的要求較高，尤其在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝的過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)方案進(jìn)行靈活調(diào)整。比如，有些機(jī)器視覺系統(tǒng)在識(shí)別白色車身車頂時(shí)，就會(huì)難以捕獲準(zhǔn)確的特征。所以為了解決這一問(wèn)題，可以將照相機(jī)安裝在末端執(zhí)行器上，然后在焊接開始之前，通過(guò)機(jī)器人手臂將照相機(jī)移動(dòng)到特定位置，完成拍攝任務(wù)。在實(shí)際進(jìn)行焊接的過(guò)程中，末端執(zhí)行器會(huì)處于相對(duì)惡劣的環(huán)境中。焊接會(huì)造成基礎(chǔ)融化，產(chǎn)生飛濺。而且，高溫的金屬蒸氣、飄散在空中的金屬粉塵也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的使用效果產(chǎn)生影響。所以在安裝時(shí)，一定要做好對(duì)視覺單元的保護(hù)，在必要的情況下，需要在外部加裝不透明的保護(hù)殼，并在鏡頭前方加裝保護(hù)蓋。在需要進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可以將鏡頭前的保護(hù)蓋打開，測(cè)量完成之后，需要確保保護(hù)蓋處于關(guān)閉狀態(tài)，這樣才能夠避免焊接過(guò)程中的各種因素影響。除此之外，在保護(hù)殼的那必須要根據(jù)實(shí)際情況安裝密封圈，以此來(lái)阻擋金屬粉塵進(jìn)入內(nèi)部。

結(jié)束語(yǔ)

近些年我國(guó)汽車工業(yè)快速發(fā)展，為了提升產(chǎn)能、提升產(chǎn)品質(zhì)量，使用的技術(shù)也越來(lái)越先進(jìn)。基于機(jī)器視覺的自動(dòng)化激光焊接系統(tǒng)就在產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過(guò)程中得到了非常廣泛的應(yīng)用。這一系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的焊接模式來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定性更高、焊接質(zhì)量更好，尤其適用于批量生產(chǎn)。企業(yè)在進(jìn)行生產(chǎn)的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)積極應(yīng)用這一系統(tǒng)，為系統(tǒng)功能的發(fā)揮創(chuàng)造良好條件。本文針對(duì)基于機(jī)器視覺的自動(dòng)化激光焊接系統(tǒng)的集成和應(yīng)用進(jìn)行分析，希望對(duì)相關(guān)人員有所幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]顧俊，張玲玲，王健超. 機(jī)器視覺在自動(dòng)化焊接中的應(yīng)用[J]. 應(yīng)用激光，2018，38（06）：1038-1043.

[2]陳林. 機(jī)器視覺及其在制造業(yè)中的應(yīng)用[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（23）：214-215.

[3]陳彬. 機(jī)器視覺系統(tǒng)在激光焊接中的應(yīng)用[J]. 上海汽車，2020（09）：34-36.

[4]尹仕斌，任永杰，劉濤，郭思陽(yáng)，趙進(jìn)，邾繼貴. 機(jī)器視覺技術(shù)在現(xiàn)代汽車制造中的應(yīng)用綜述[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào)，2018，38（08）：11-22.

[5]劉科，伍力. 基于視覺技術(shù)的汽車制造智能裝備文獻(xiàn)綜述[J]. 汽車實(shí)用技術(shù)，2017（03）：21-24.

（上海首坤智能科技有限公司，上海201906）