基于視覺系統的激光熔焊糾偏工藝改進研究

胡崇興 付隴德 孟彥冠

浙江吉利汽車有限公司張家口分公司 河北省張家口 075000

某工廠白車身頂蓋激光焊工位采用的焊接工藝為激光熔焊，使用Seamtracker焊縫跟蹤系統對焊接過程中的激光光斑位置進行實時糾正來保證焊縫的成型質量。該系統由二極管線型激光發生器與CCD相機組成其視覺系統。通過視覺系統測量得到的偏差量反饋給伺服電機進行負反饋調節，焊接激光的準直、聚焦鏡組由伺服電機驅動使得激光焦點始終跟隨焊縫。

該系統調節原理如下：

如圖1所示，二極管激光器發射一束線型激光以45度角投射在焊縫所在平面，搭接焊縫兩側由于存在板件落差，這束線型激光會有位錯的投影在上下兩層板件上，利用與準直鏡組同軸的CCD相機從板件法線方向觀察焊縫時就會觀察到如圖2所示的兩條有位錯的激光線，產生位錯的地方即為焊縫所在位置。

在系統運行時，CCD相機以100FPS的幀率采集線型激光束在焊縫平面上的投影線段形成的圖像。圖3為相機采集到的一幀圖像，該圖像中綠色 對應相機的視野中心，也就是實際的激光焦點的位置。系統以此點為原點，橫向為X軸，縱向為Y軸建立了一個坐標系（圖中相互垂直的細白線為輔助線）。互錯線段端部的位置在該坐標系中Y向的坐標值即可代表當前焊縫與實際光斑的偏差量。

系統以此偏差量負反饋給伺服電機驅動鏡組傾轉機構，將光斑糾正到實際焊縫所在位置，并在整個焊接過程中實時糾正使光斑始終跟隨焊縫。

圖1 線型激光成像原理

圖2 焊接時相機采集到的圖像

圖3 線型激光成像原理

1 問題描述

由于車間生產的車型的頂蓋在搭接位置有一折邊，故線型激光在焊縫處形成的兩條位錯線段并不是相互平行的，投射在頂蓋的一段線激光與縱向存在一定的傾斜。該傾斜會導致在焊縫偏差較大的時候，圖像處理在定位傾斜的激光線時出現錯誤，使系統停機。無偏差和偏差較大時捕捉到的圖像見圖4、圖5所示。

因此在機器人定位至其焊接起始位置前，要將焊縫的偏差量先輸入給機器人對其硬軌跡點進行糾偏。保證在視覺系統介入之前焊縫與激光焦點位置的偏差在1mm范圍內。原有系統使用一個距離傳感器作為測量工具測量頂蓋偏差，在實際使用過程中經常會出錯，主要有兩個問題：一是在起始點時找不到焊縫，需要設備操作人員進行二次測量后才能焊接，該問題對激光焊設備開動率造成較大影響；二是焊接過程中出現斷焊，斷焊車輛需要下線后待生產結束后再上線從斷焊處重新編輯焊接軌跡后才能進行焊接，且兩次焊縫中間留下的一段焊縫需要人工補焊，該問題對車間FTT及DPU指標造成了一定的影響。

2 原因分析

原有測量系統偏差量的采集使用的是一個距離傳感器，當其檢測到距離達到一定值時便會產生一個開關量，機器人通過中斷來監控該開關量的變化，當其由0→1時機器人進入中斷程序，停在開關量發生變化的位置，并記錄該位置時機器人的坐標，比較得出與標定車坐標的偏差量，機器人利用該偏差量對硬軌跡進行糾偏。

使用該原理進行硬軌跡糾偏時，需要選取一存在較明顯高差的位置用于觸發傳感器的變化信號。在該車型的應用中，僅有頂蓋R角處存在一定的高差，因此選取了圖六中R角上的A點作為特征點。但由與該點處的高差變化不是特別明顯，從而導致使用該原理測量出的偏差量與實際偏差量不符。硬軌跡利用該偏差量調整后與實際焊縫依然存在較大偏差，在視覺系統進行糾偏時產生錯誤，見圖6。

圖6 偏差量測量點示意圖

3 改進措施

由于現場使用的視覺系統具備將其檢測到的偏差量通過總線傳輸給機器人的功能，因此將焊前糾偏測量原理更改為直接使用視覺系統對圖六中頂蓋切邊處的B點進行檢測，將偏差量傳輸給機器人作為糾偏的偏差量輸入。該點在視覺成像時特征非常明顯，所以檢測該點的準確度很高，不會出現測量值錯誤的問題。可以有效的避免使用距離傳感器測量偏差量時帶來的問題。

3.1 圖像處理過程的優化

焊縫跟蹤時使用的圖像處理過程為：分別從左右兩側尋找位錯線段的左右邊界，然后以此邊界一定距離劃定一條形區域后分別向上或向下尋找位錯線段的端部。該處理方法在糾偏過程中由于存在問題描述部分提出的問題，在偏差較大的情況下無法正常測量，導致測量失敗。因此筆者參考該圖像處理過程重新建立了用于糾偏使用的圖像處理過程。

如圖x所示，將原有從兩側分別尋找頂蓋和側圍上投影線段的過程改為只從左側尋找側圍上在圖像中豎直的線段。具體過程為先從紅框左側開始向右尋找明暗交界位置即線型激光在側圍上的投影線段，然后以找到的線段左側向右一定距離設置一個向上尋找線段端部的條形區域，而后在此區域內尋找明暗交界位置即焊縫實際位置所對應的投影線段的端部，該位置在圖像坐標系中的Y值即為實際焊縫與示較焊縫的偏差量。

圖7 糾偏測量時的圖像處理過程

3.2 視覺系統與機器人數據通訊的建立

視覺系統可以將圖像處理結果通過總線傳輸給機器人，在機器人IO配置中將視覺系統測量偏差量的輸出端口與機器人的端口進行配置，如圖8所示。

圖8 端口配置及信號定義

3.3 程序應用流程

本次改進只針對偏差量的測量方式進行了優化，原有測量程序未做大的改動，其程序應用流程簡介如下：

（1）在焊縫前后端選取兩點作為糾偏測量的測量點；

（2）示教糾偏測量軌跡使得視覺系統在測量點處的偏差量在0.1mm以內；

（3）示教焊接軌跡，保證在每一軌跡點處視覺系統偏差值在0.1mm以內；

（4）示教完成后開始焊接時首先測量前后兩端的偏差量，使用該偏差量對焊接軌跡的坐標系進行運算，以實現硬軌跡的糾偏。

3.4 實施效果

如圖9所示在實施改進方案后，有效的避免了造車過程中由于測量失敗或焊接中途斷焊導致的故障停線，提高了激光焊設備的開動率。焊縫可以一次焊接完成，減少了該問題導致的問題車的返修工作量。在實際應用中取得了良好的效果。

圖9 激光焊工位停線時間統計

4 結語

本次工藝優化通過對原有糾偏算法原理進行剖析后，根據現場的工況改進了新的頂蓋糾偏的運行原理。使得頂蓋糾偏的準確性顯著增加，減少了頂蓋糾偏錯誤對制造過程帶來的不利影響。