用于焊接自動化過程的激光視覺傳感器

趙菁，林三寶

(1.英國Meta視覺系統公司，英國；2.哈爾濱工業大學現代焊接生產技術國家重點實驗室，黑龍江哈爾濱150006)

專題討論

用于焊接自動化過程的激光視覺傳感器

趙菁1，林三寶2

(1.英國Meta視覺系統公司，英國；2.哈爾濱工業大學現代焊接生產技術國家重點實驗室，黑龍江哈爾濱150006)

激光焊接切割及激光焊縫跟蹤

自動化焊接包括機器人焊接在內，都要求在整個焊接過程中焊槍始終保持在焊縫的正確位置。要做到這一點單靠工裝夾具是很難保證的，必須依靠某種實時的跟蹤系統。激光視覺跟蹤系統為實時焊縫跟蹤提供了現代化的解決方案。在此綜述了各種焊縫跟蹤技術及其優缺點，重點討論了各種類型激光視覺傳感器的原理和設計，并給出了應用實例。

焊縫跟蹤；激光視覺；傳感器；自動化

0 前言

電弧焊接過程中需要將焊槍中的電極(TIG焊為鎢極，GMAW和SAW為焊絲)置于焊接接頭上，并按照不同的接頭型式，使電極與接頭在焊接過程中始終保持準確的相對位置關系，這就是通常說的焊縫跟蹤技術。對于手工焊接而言，焊工通過焊帽觀察焊接熔池和電弧，操縱焊槍以獲得所要求的位姿，焊工技能水平越高，操作越熟練，位置控制越準確。

而對于自動焊而言，焊槍通常安裝在機器人末端或者焊接專機的機頭部分，工件一般采用夾具或者變位機安裝在焊接平臺上，或者通過生產線連續送給到焊接位置，如焊管。無論哪種自動化焊接系統，工件位置的定位精度和重復精度都是有限的。另外焊接過程的熱變形也會引起焊接接頭位置或工件表面形狀發生變化。如在螺旋焊管生產線中，焊管的運動受其生產線精度等條件的限制，焊槍與焊縫之間的相對位置經常發生變化。在此情況下，需要實時的焊縫跟蹤系統來識別焊縫的實際位置，移動并控制焊接機頭以保證焊槍精確定位于焊縫上。

1 焊縫跟蹤技術及特點

1.1 常用的焊縫跟蹤技術

在自動化焊接過程中通常有三種控制焊槍位置的跟蹤方法：(1)手動跟蹤；(2)機械式跟蹤；(3)激光跟蹤。其他的方式如電弧傳感或者電弧電壓傳感等，只適用于某些特定的焊接方法。

手動跟蹤不適用于機器人自動焊，但常用于焊接專機自動焊。在焊接過程中，操作工通過焊帽、激光指示器或者遠程視頻觀察焊槍的位置，一旦發現焊槍偏離焊縫，操作工便通過操作手柄移動電動滑架來控制焊槍的位置。

機械式跟蹤同樣也不適用于機器人自動焊，但在專機自動焊中經常使用，尤其是使用十字操作機焊接一些大型工件。焊接機頭上通常安裝機械式的探針，當將焊槍定位在焊縫上時，探針位于滑架行程的特定位置。在焊接開始后，焊接接頭位置的變化會導致探針偏離滑架的特定位置。探針通常為桿件，這就意味著探針前端的移動同樣會引起探針末端的移動，而安裝于末端的傳感器輸出模擬量來控制十字滑架的移動，使探針返回到初始特定位置。當探針回到初始位置后驅動信號消失，滑架停止移動。機械式跟蹤，也叫接觸式跟蹤，常用于埋弧焊(SAW)過程，其精度通常不足以滿足高精度焊接場合，另外，它在MIG焊中也經常受到飛濺顆粒的影響。

激光跟蹤系統目前已被廣泛地用于機器人自動焊和專機自動焊中。激光視覺傳感器安裝在焊槍的前面來檢測接頭的位置和形狀變化，并通過軟件分析其圖像信息以找到焊縫的特征位置。然后與存儲在系統中的參考位置相比較，計算出焊槍相對于焊縫的偏差值。偏差值被輸入到軟件控制算法中來確定移動機器人或者機頭十字滑架以消除偏差。

1.2 各種焊縫跟蹤技術的優缺點

(1)手動跟蹤的優點是無需初始投資、智能化和靈活性。缺點是焊接質量一致性差，需要人工運營成本。手動跟蹤對焊接質量影響有兩方面因素：一是操作工很難長時間集中精力，手工跟蹤的單調和枯燥極易使操作工產生視覺疲勞；另一方面是精度不穩定，很大程度上依賴于操作工的判斷水平。如在激光焊接時，通常要求跟蹤精度在±0.05～±0.1 mm，這是手動跟蹤所無法實現的。

手動跟蹤的精度是無法與激光視覺跟蹤相比擬的，如圖1所示。操作工只能在實際焊槍偏差達到足夠大時才能有所反應，而且調整量很不精確，導致焊縫成形呈鋸齒狀。而自動跟蹤系統能夠以很快的速度對微小的偏差加以糾正，每秒鐘有數十次，因此其跟蹤精度很高，焊縫成形美觀。當焊接速度超過1.5 m／min時，手工跟蹤將變得非常困難，而激光自動跟蹤可適應焊速超過10 m／min。手動跟蹤的另外一個問題是對工人健康的威脅，工人必須長期呆在電弧附近，其健康將受到威脅，這也是很多企業用自動跟蹤取代手動跟蹤的重要因素之一。

圖1 手動跟蹤和自動跟蹤精度的比較

(2)機械式跟蹤的優點是成本低，操作簡單。主要缺點是精度不高，所適合的應用范圍較窄。如接頭型式必須是大尺寸坡口，焊縫為簡單的直線或環形，需要定期維護。接觸式跟蹤通常用于埋弧焊，因為埋弧焊與其他弧焊相比，對定位精度要求較低。另外埋弧焊接頭尺寸較大，有足夠的空間供機械式探針操作。但即使是埋弧焊，接觸式跟蹤應用也經常受到限制，如在多層多道焊中接觸式跟蹤很難滿足要求。

(3)激光視覺跟蹤的主要優點是跟蹤性能好、功能強，在設置正確的前提下易于使用。缺點是初始投資高，系統復雜。激光焊縫跟蹤系統可以用于從激光焊接到埋弧焊接的各種焊接過程。既適用于機器人自動焊，也同樣適用于專機自動焊。由于激光焊縫跟蹤系統都帶有各種計算功能，因此能夠集成其他類型跟蹤系統不能提供的更多高級功能，其性能優勢主要體現在精度和速度上。

2 激光焊縫跟蹤技術的原理和技術

2.1 三角測量原理

激光焊縫跟蹤技術基于三角測量原理，如圖2所示。三角測量是一種提取幾何信息的方法，應用廣泛。焊接激光傳感器中通常使用一個半導體激光光源結合圖像采集器件，來生成焊接接頭的一系列三維截面圖像。

圖2 三角測量原理

三角測量法的最大優點是其僅提供接頭的幾何信息，即物體的真實三維截面信息，在理論上不受工件的表面狀態影響，如表面光照變化或者表面上標記等。但實際上物體的表面反射會對圖像信號有一定的影響，需要一些特殊的技術來克服反射噪聲的影響。

三角測量法的另一個優點是易于從設計上克服環境光照的影響，這在明弧環境下尤為重要。強烈的電弧光會對普通的機器視覺系統產生嚴重的干擾。

用點狀激光測量距工件表面距離的原理如圖2所示。若要測量整個焊接接頭的輪廓，需要沿著接頭橫向測量一系列連續的距離信息，從而形成三維截面輪廓，可以通過以下兩種方式來實現：

(1)采用激光條紋投影到接頭上，并用二維面陣CCD獲取激光條紋的圖像，稱其為條紋式傳感器。

(2)沿著接頭橫向做一維點狀激光掃描，稱其為掃描式傳感器。

2.2 條紋式傳感器

顧名思義，其原理是采用激光條紋垂直投射到焊接接頭上，如圖3所示。條紋的形狀因受焊接接頭形狀影響而產生變形，與激光器呈一定角度的二維CCD或者CMOS攝像機將已變形的條紋圖像采集到計算機中進行信號處理。采用與激光同等波長的光學濾光片濾掉所有的包括弧光在內的雜散光，而只形成激光條紋的圖像。這種條紋式傳感器的優點是不采用任何移動式部件，堅固耐用，不受電弧光、煙塵、飛濺等干擾；另一個優點是尺寸相對較小，有利于解決焊槍可達性限制問題，這在機器人焊接中尤為重要。

圖3條紋式傳感器原理

圖4 為典型激光條紋式傳感器。對于光學元器件來說，焊接環境是很惡劣的，因此焊接用的傳感器必須堅固耐用，能夠適應各種復雜的環境。圖5為傳感器在MIG焊應用中使用數月后的狀況。

圖4 條紋式激光傳感器

圖5 現場使用的激光傳感器

2.3 點狀掃描式激光傳感器

這是一種比較特殊的傳感器，它采用點狀激光而非條紋激光，傳感器內的點狀激光沿著焊接接頭橫向進行掃描，同時在線性CCD上成像。傳感器內部包含了運動部件，設計相對復雜，比普通激光條紋式傳感器造價高，靈活性稍差。但在焊接深坡口等特定應用中具有很多優點，主要包括：

(1)傳感器水平方向分辨率獨立于垂直方向的分辨率，這就使得系統能夠獲得視場寬度小、景深大的焊接接頭圖像。

(2)傳感器內部激光的掃描寬度是可編程控制的，因此既可以識別大尺寸坡口，也能精確測量很小的坡口。

(3)掃描式激光傳感器具有很好的抗表面反射功能，大大提高了反射性接頭的識別精度，例如機械加工的U型接頭。

(4)激光器的功率在每次掃描過程中可以動態調整以獲得高質量的圖像，這不同于條紋型激光傳感器，其整個條紋的激光功率是不變的。典型的掃描式傳感器如圖6所示。

2.4 多條紋傳感器

有些應用環境需要傳感器能夠投射多條激光條紋，例如在機器人焊接復雜形狀工件時，多條紋激光的使用提供了除坡口形狀外的更多信息，拓展了跟蹤系統的功能。Meta的Scout傳感器可以發出五條具有特定模式的激光條紋，Scout搭接接頭的圖像如圖7所示。多條紋圖像不僅提供了接頭的位置信息，而且可以判斷出焊槍的姿態和各種角度，結合更多復雜的算法，比常規單條紋傳感器能夠更好地適應復雜的空間曲線等焊接路徑。

圖6 掃描式傳感器

圖7 多條紋激光視覺傳感器

多條紋傳感器也可用于焊接接頭特征不明顯、不能穩定檢測的情況。預精焊埋弧焊管的精焊內焊就是一個很好的實例。預焊工序將管子內部用MIG點固焊接，管壁較薄時，點固焊縫幾乎會填滿坡口，這給后續精焊內焊的焊縫可靠識別造成很大困難。三條紋傳感器在此應用中發揮了明顯優勢，它采用更加復雜的圖像處理算法，改善了圖像識別的靈敏度和可靠性，適合于接頭特征不宜識別的環境，如圖8所示。

2.5 智能型激光傳感器(Smart Laser Sensor)

激光傳感器最新的技術以智能型激光傳感器為代表。智能是指圖像處理集成在傳感器的內部，而不像常規傳感器需要額外的圖像處理工具。如圖9所示，由于采用了高速超微型電子元器件，傳感器的體積仍然很小，但性能足以進行全畫幅的實時圖像處理。

傳感器內部高度集成了先進的可編程邏輯芯片和嵌入式計算芯片，具有以下優點：

(1)圖像采集和圖像處理元件緊密集成，大幅提高圖像采集和預處理效率。

(2)在傳感器內部進行圖像處理和焊縫識別，使得傳感器的數據輸出量大幅減少，因此可以采用各種標準的數據接口。

(3)由于無需外部的圖像處理計算機，系統總體的硬件成本減少。

圖9顯示了安裝在焊接專機上的智能型激光傳感器，操作者通過手控盒操作，并配有彩色液晶觸摸顯示屏。傳感器采用網絡接口輸出數據，可以與其他標準控制器和設備相連接。

智能型傳感器(SLS)的設計初衷是用于焊縫跟蹤，但由于其具有分辨率高、圖像質量好、運算速度快等優點，使得該傳感器也能進行與焊接有關的檢測用途。SLS可以在焊前檢測焊接接頭以確保焊接接頭的加工和裝配尺寸在設計允許的范圍內，這在海洋管線或者壓力容器焊接中特別有用。同樣也可以采用傳感器檢測焊后焊縫的尺寸形貌和表面缺陷，如氣孔、咬邊等。圖10顯示了焊縫形貌檢測的應用。如果焊縫尺寸超出誤差允許范圍，所測量的值馬上以紅色警示。傳感器同時集成了一個視頻攝像機，在測量焊縫尺寸輪廓的同時，提供該區域的焊縫圖像。

圖8 三條紋傳感器在預精焊埋弧焊管上的應用

圖9 智能型傳感器

圖10 焊后表面尺寸檢測

智能傳感器的開發是一個多學科最先進技術綜合的結晶，包括光、電、機械設計和嵌入式軟件和圖像處理技術等。雖然開發成本比較高，但傳感器本身優越的性價比和易于集成性為焊接設備制造商提供了最佳的選擇。

3 結論

用于焊縫跟蹤的激光傳感器設計思想起源于20世紀80年代，其原型系統比較粗糙。隨著現代科技的進步，激光傳感器在設計和性能上有了質的飛躍，Meta的高性能點掃描式傳感器(DLS)、多條紋傳感器(Scout，MTH)以及最新的具有嵌入式圖像處理技術的智能傳感器(SLS)就是其中的代表。

在此主要回顧了用于焊縫跟蹤的激光視覺傳感器技術，但激光視覺傳感器在其他焊接相關領域的應用前景也不可忽視。如SLS傳感器不僅用于焊縫跟蹤，也可用于焊前和焊后檢測。這種一機多用功能增加了用戶的投資回報。隨著激光傳感器性價比的逐漸提高，使用更加方便可靠，未來必將更多地取代手工跟蹤或者機械式跟蹤。

Introduction to laser sensors for automated welding

ZHAO Jing1，LIN San-bao2
(1.Meta Vision Systems Ltd.，UK；2.State Key Lab of Advance Welding Production Technology，Harbin Institute of Technology，Harbin 150006，China)

Automated arc welding，including robot welding，requires the welding electrode to be kept in the correct position in the weld joint throughout the welding process.It is extremely difficult to achieve this by fixturing alone.Some kind of real time tracking system is required.The modern solution to weld seam tracking is by using a laser vision system.This paper reviews the background to weld seam tracking，discusses the design of different kinds of laser vision sensors and gives several examples.

seam tracking；laser vision；sensors；automation

book=1,ebook=340

TG409

A

1001－2303(2010)11－0001－05

2010－10－22

趙菁(1962—)，女，江蘇人，博士，Meta視覺系統公司中國區經理，主要從事激光視覺系統設計、圖像識別算法的研究及軟件開發。