弧焊机器人焊缝跟踪方法的研究现状

1、弧焊机器人焊缝跟踪方法的研究现状随着科技水平的进步，人们对焊接质量的要求也越来越高。而人工焊接时，由于受到技术水平、疲劳程度、责任心、生理极限等客观和主观因素的应影响，难以较长时间保持焊接工作的稳定性和一致性。而且，由于焊接恶劣的工作条件，愿意从事手工焊接的人在减少，熟练的技术工人更有短缺的趋势。另一方面，电子技术、计算机技术、数控及 HYPERLINK / 机器人技术的发展为焊接过程的自动化提供了有利的条件，并已渗透到焊接的各个领域。 近年来，焊接自动化程度在不断的增加，2000年时，中国焊接生产的机械化自动化率,按熔敷金属计算约为30%,而发达国家的焊接自动化率已经达到65%以上1。焊接自

2、动化生产已是必然的趋势。焊接机器人是焊接自动化的革命性的进步，它突破了焊接刚性自动化的传统方式，开拓了一种柔性自动化的生产方式2。 目前，用于工业生产的弧焊机器人主要是示教再现型机器人，在机器人弧焊过程中，它们可以在其工作空间内高精度重复已经示教的动作。但这也带来一定的局限性，那就是应变能力很差，对工件的装配精度要求较严，重复性要好。如果焊接条件基本稳定，则机器人能够保证焊接质量。但在实际焊接过程中，因为机器人工作时为了避免发生危险，操作人员不准或不宜进入机器人的工作区域，使得操作者不能近距离实时监视焊接过程并作必要的调节控制，所以当实际的焊接条件发生变化时，例如焊接过程中的工件在加工、装配过

3、程中的尺寸误差和位置偏差以及工件加热变形等因素的变化会使接头位置偏离所示教的路径，这样会造成焊接质量下降甚至失败。所以精确的焊缝跟踪是保证焊接质量的关键，它是实现焊接过程自动化的重要研究方向。 1 弧焊机器人在焊接中的应用现状 自从60年代机器人进入工业领域以来，发展较为迅速。预计从1999-2003年，世界实际装备工业机器人数量将由1999年的743,000台增加到892,000台，其中在“机器人王国”日本有370，000台，世界其他地区通用工业机器人的实际装备数量将由340,000台增加到508,000台。在美国，实际装备通用工业机器人的数量2003年将达到155,000台，欧洲达到262

4、,000台3 ，其中半数以上为焊接机器人。 焊接是工业机器人应用最重要的领域之一，随着国外对工业机器人在焊接方面的研究应用，我国也开始了焊接机器人的研究应用。在数量上，根据到2001年的统计，全国共有焊接机器人1040台(不包括港、澳、台)，其中弧焊机器多于点焊机器人。汽车制造和汽车零部件生产企业中的焊接机器人占全部焊接机器人的76，是我国焊接机器人最主要的用户。汽车制造厂的点焊机器人多，弧焊机器人少；而汽车零部件厂则相反 。 焊接机器人的技术水平在不断的进步，目前，焊接机器人几乎全部采用交流伺服电机驱动，这种电机因为没有电刷，故障率很低。控制器中普遍采用32位的计算机，除可以控制机器人本体的

5、56个轴外，还可以使外围设备和机器人协调联动。在2004年的中国焊接会议上，日本安川公司的新型焊接机器人控制器NX100技术中，一台控制器能同时控制四台机器人共36轴（每台机器人有本体6个轴，3个外部轴），并且使用软PLC对周围装置进行控制。示教盒也采用了功能强大的Windows CE操作系统。 配套焊接系统也有很多新的进展，在1993年的埃森展览会上，日本松下公司把旋转电弧焊技术用于弧焊机器人。由于采用旋转电弧焊时，焊丝能够以50HZ以上的频率旋转，所以用这种技术进行焊缝跟踪时，其跟踪精度比机器人经常采用的摆动焊（摆动频率小于10HZ）要高的多。该公司还于1993年首先销售在控制柜中内藏焊机

6、的机器人，依靠数字通讯技术实现焊机和机器人的结合。并于2004年实现焊机和机器人的融合，既由机器人控制器直接控制焊接波形。采用频率为100KHZ的逆变电源，体积小巧，控制精度高。焊机和机器人融合的优点主要有焊机和焊枪的动作能够实现同步的精确控制，便于实现缜密的焊接条件控制，并使焊接系统小型化。另外，该机器人把送丝机和机器人手臂做成一体，送丝机能够配合焊枪的动作进行旋转动作，以保证送丝始终顺畅。 2 焊缝跟踪过程中使用的传感器 弧焊用传感器可分为直接电弧式、接触式和非接触式3大类。按工作原理可分为机械、机电、电磁、电容、射流、超声、红外、光电、激光、视觉、电弧、光谱及光纤式等。按用途分有用于焊缝

7、跟踪、焊接条件控制(熔宽、熔深、熔透、成形面积、焊速、冷却速度和干伸长)及其他如温度分布、等离子体粒子密度、熔池行为等。据日本焊接技术学会1994年所做的调查显示,在日本、欧洲及其他发达国家,用于焊接过程的传感器有80%是用于焊缝跟踪的5。 接触式传感器一般在焊枪前方采用导杆或导轮和焊缝或工件的一个侧壁接触，通过导杆或导轮把焊缝位置的变化通过光电、滑动变阻器、力觉等方式转换为电信号，以供控制系统跟踪焊缝。其特点为不受电弧干扰，工作可靠，成本低，曾在生产中得到过广泛应用，但跟踪精度不高，目前正在被其他传感方法取代。此外，现在有的工业机器人中利用接触传感方式进行焊缝起点的寻找，例如日本安川公司生产

8、的机器人有些具有这种功能。 电弧式传感器利用焊接电极与被焊工件之间的距离变化能够引起电弧电流（对于GMAW方法）电弧电压（对于GTAW方法）变化这一物理现象来检测接头的坡口中心。电弧传感方式主要有摆动电弧传感、旋转电弧传感以及双丝电弧传感。因为旋转电弧传感器的旋转频率可达几十Hz以上，大大高于摆动电弧传感器的摆动频率（10Hz以下），所以提高了检测灵敏度，改善了焊缝跟踪的精度，且可以提高焊接速度，使焊道平滑等。旋转电弧传感器通常采用偏心齿轮的结构实现，而采用空心轴电机的机构能有效的减小传感器的体积，如图1所示。 图1 旋转电弧弧传感器66电弧传感器具有有以下优点： 传感器器基本不占额额外的空间

9、，焊焊枪的可达性性好 不受受电弧光、磁磁场、飞溅、烟烟尘的干扰，工工作稳定，寿寿命长 不不存在传感器器和电弧间的的距离，且信信号处理也比比较简单，实实时性好 不需要附加加装置和附加加装置成本低低，因而电弧弧传感器的价价格低 所以以电弧传感器器获得了广泛泛的应用，目目前是机器人人弧焊中用的的最多的传感感器，已经称称为大部分弧弧焊机器人的的标准配置。电电弧传感器的的缺点是对薄薄板件的对接接和搭接接头头，很难跟踪踪。 用于焊焊缝跟踪的非非接触式传感感器很多,主主要有电磁传传感器、超声声波传感器、温温度场传感器器及视觉传感感器等。其中中以视觉传感感器最引人注注目，由于视视觉传感器所所获得的信息息量大，

10、结合合计算机视觉觉和图像处理理的最新技术术成果，大大大增强了弧焊焊机器人的外外部适应能力力。 视觉传传感器采用的的光电转换器器件最简单的的是单元感光光器件，如光光电二极管等等；其次是一一维的感光单单元线阵，如如线阵CCDD(电荷耦合合器件)；应应用最多的是是结构最复杂杂的二维感光光单元面阵，如如面阵CCDD，是二维图图像的常规感感光器件,它它代表着目前前传感器发展展的最新阶段段，因而应用用日益广泛。在在焊接机器人人各种视觉传传感器中，CCCD传感器器因其性能可可靠、体积小小、价格低、图图像清晰直观观而受到了普普遍重视。特特别是80年年代以来，CCCD与高性性能的微机相相结合产生的的焊缝跟踪系系

11、统,使焊缝缝跟踪的研究究跨上了一个个新的台阶。 在弧焊过程程中，由于存存在弧光、电电弧热、飞溅溅、以及烟雾雾等多种强烈烈的干扰。是是每一种视觉觉传感方法都都需要解决的的问题。根据据焊接机器人人视觉焊系统统的工作方式式不同，可将将用于焊接机机器人视觉焊焊缝跟踪系统统的视觉传感感器分为：结结构光式、激激光扫描式和和直接拍摄电电弧式。其中中结构光式和和激光扫描式式属于主动视视觉的方法。使使用激光束因因为集中于一一点，抗干扰扰性能更好一一些。文献7中所提提到的采用CCCD摄像机机、激光二级级管与扫描透透镜相配合组组成的视觉系系统，如图22示，是比较较典型的激光光扫描应用方方式。类似的的还有文献8中所提

12、提到的焊缝跟跟踪方法，如如图3示。 视觉传感系统组组成视觉传感器组成成一般情况下， HYPERLINK / 激激光扫描式的的视觉系统，大大都是基于三三角测量原理理的主动视觉觉方法，其工工作原理是大大致相同的。首首先是激光管管发出的激光光点光源通过过光学扫描镜镜投射到被测测工件的表面面，由工件表表面反射后的的激光被CCCD摄像头所所接收，其中中扫描镜的扫扫描频率一般般在5-200Hz可调。通通过测量反射射光束与CCCD主光轴的的夹角，并结结合已知的透透射光束与扫扫描镜面的夹夹角以及CCCD与扫描镜镜面的距离等等数据，可以以求得每一束束激光在工件件表面投射点点与CCD镜镜面的距离，从从而可以得到到

13、焊缝的端面面剖面图，通通过适当的图图像处理算法法，实现对焊焊缝进行视觉觉跟踪的目的的。现在激光光和CCD相相结合所制成成的机器人焊焊接传感器在在市场已经有有产品在销售售，但一般价价格较昂贵。 被动视觉方方法是用CCCD摄像机通通过滤光片和和减光片直接接观察熔池附附近区域或焊焊缝。在这种种方法中，大大部分电弧本本身就是监测测位置，检测测对象（焊缝缝中心线）与与被控对象（焊焊炬）在同一一位置，不存存在检测对象象与被控对象象的位置差，即即时间差的问问题，所以没没有因热变形形等因素所引引起的超前检检测误差，更更容易实现较较为精确的跟跟踪控制，并并且能够获取取接头和熔池池的大量信息息，这对焊接接的自适应

14、控控制非常有利利。因为被动动视觉和人的的视觉更为相相似，所以它它最有希望解解决紧密对接接焊缝和薄板板搭接焊缝的的跟踪问题。而而且被动视觉觉传感器结构构简单价格低低，因而它是是一种很值得得研究的焊缝缝跟踪方法。在在这种方法中中确实存在图图像易受到电电弧的严重干干扰的问题，但但这可以通过过改进滤光方方法、图像处处理算法以及及调整合适的的取像时刻等等方法解决。主主动视觉和被被动视觉的比比较见表1。 表1 激光焊缝缝跟踪传感器器和被动视觉觉传感器的优优缺点比较 4 国内外视觉觉焊缝跟踪发发展现状 所所谓焊缝跟踪踪就是在焊接接时实时检测测出焊缝的偏偏差,并调整整焊接路径和和焊接参数，保保证焊接质量量的可

15、靠性。由由于工件的加加工误差（工工件间的尺寸寸差异、坡口口的准备情况况等）、装夹夹精度以及焊焊接时的热变变形等因素的的存在，以示示教再现方方式工作的弧弧焊机器人在在 HYPERLINK / 焊接时常常因因为焊缝和示示教轨迹有偏偏差而导致焊焊接质量下降降。所以焊缝缝跟踪是保证证弧焊机器人人焊接质量的的一个重要的的方面。在机机器人弧焊所所使用的传感感器中，电弧弧传感器和视视觉传感器占占有突出位置置，其中电弧弧传感器用得得最多，而视视觉传感器则则被认为是最最有前途得焊焊缝跟踪传感感器2。 4.1 主主动视觉焊缝缝跟踪 目前前主动视觉焊焊缝跟踪研究究的内容主要要有以下方面面： 1 提提高激光跟踪踪的鲁

16、棒性，如如适应各种焊焊接接头，和和接头尺寸变变化等。 22 跟踪中的的快速稳定的的图像处理方方法 3 传传感器的设计计问题，例如如激光和传感感器的角度 4 焊缝跟跟踪中的控制制问题，主要要为NN和FFuzzy及及两者结合方方法。 文献献8中为为获得焊缝跟跟踪高的鲁棒棒性和适用性性，采用两套套不同的图像像处理算法，分分别为在焊接接开始前检测测焊接接口模模型和在焊接接过程中检测测接头特征。文文献2中中详细的介绍绍了各种焊接接接头的识别别方法。而文文献则采用绞绞接对象模型型（Artiiculatted Obbject Modell）来提高跟跟踪的可靠性性，利用这种种方法从传感感器获得的轮轮廓数据中寻

17、寻找特征点（焊焊缝点），在在特征点处焊焊接。文献10从图图像处理的角角度，研究了了快速稳定的的图像处理算算法。 4.2 被动视视觉焊缝跟踪踪 被动视觉觉传感器所获获信息量大，接接近人的视觉觉等突出优点点，受到了研研究人员的广广泛关注。受受机器视觉技技术的大量成成功应用的启启发，人们尝尝试将被动视视觉传感应用用到各种焊接接方法中，如如GTAW、GGMAW和PPAW等。 在取像的位位置方面主要要是被动观察察熔池及其附附近区域，另另外利用工件件的特征观察察其他区域而而获得焊缝信信息。多数研研究中摄像机机是在斜上方方的位置取像像的，而在大大型管的对接接焊时则可以以从熔池的侧侧面取像，这这样可以获得得更

18、丰富的信信息, 能够够同时实现焊焊缝跟踪和熔熔池控制。 对熔池机器器人附近区域域的取像时，取取像时刻一般般选取电弧亮亮度小且图像像稳定的时刻刻。脉冲 GGTAW焊接接中，取像时时刻通常固定定在每个脉冲冲基值期间的的某一时刻，通通过电源同步步脉冲来控制制取像时刻。在在GMAW焊焊接时，取像像时刻通常为为短路时刻。 目前利用被被动视觉传感感器进行焊缝缝跟踪的研究究中，一般使使用一个摄像像机，所跟踪踪的焊缝是二二维的。这是是因为根据一一幅图片很难难获得高度信信息。虽然计计算机视觉技技术中有根据据一幅灰度图图像恢复表面面形状的方法法，但因熔池池图像本身很很复杂且控制制过程中有时时间要求，所所以很难在焊焊缝跟踪中实实现。即使使使用两个摄像像机采用立体体视觉技术计计算高度，特特征