基于機器視覺的自動化激光焊接系統集成與應用分析

劉猛軍

摘 要：近些年我國汽車工業(yè)快速發(fā)展，在為人們的出行提供了更大的方便的基礎上，也推動了我國經濟的發(fā)展。而且隨著技術水平的提升，汽車生產過程中使用的焊接技術也越來越先進。本文針對機器視覺在自動化激光焊接系統的應用進行分析，希望對相關人員有所幫助。

關鍵詞：機器視覺;自動化激光焊接系統;集成;應用

引言

激光焊接是20世紀最重要的發(fā)明之一，和傳統的焊接技術相比，不僅效率更高，而且焊接的質量更好，在很多領域中都得到了廣泛的應用，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，第一臺使用激光切割的紅寶石激光器出現，才算真正意義上將激光用于生產。時至今日，結合機器視覺的激光焊接在眾多領域中的應用極大地推動了產業(yè)的發(fā)展，非常深遠地改變了人們的生活。

1激光焊接簡介

激光焊接是利用高功率的激光作為焊接熱源，能夠將非常強大的能量集中在很小的區(qū)域內，溫度在短時間內快速提升，能夠快速熔化焊接板材，尤其對于一些熔點較高的金屬進行焊接時尤其有效。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量，和傳統的焊接模式相比，車身的強度更高。尤其在一些中高檔汽車產品中，激光焊接已經成為產品宣傳的賣點之一。

和其他類型的焊接技術比，激光焊接的優(yōu)勢非常明顯。首先，由于能量相對來說比較集中，使得焊接速度快，而且受熱供電的形變相對較小，不僅能夠提高焊接的強度，還能夠提升板材尖焊接的美觀性，免人工焊接可能出現的各種質量波動。其次，激光焊接對環(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塵環(huán)境中進行。激光焊接在真空、空氣中都可以操作，而且激光在進入電子廠之后也不會受到干擾，穩(wěn)定性更強。再次，激光焊接可以實現遠距離焊接，這種遠距離指的是非接觸式焊接，因為光具有較好的傳統性，可以通過玻璃或者特定的材料進行焊接，甚至可以通過光纖的鏡面反射來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，非接觸性焊接也在一定程度上降低了對其他部件造成損耗的風險。最后，對一些熔點較高的金屬，激光焊接能夠更加快速地讓其熔化，完成焊接任務，具備其他焊接技術不具備的優(yōu)勢。

2機器視覺簡介

機器視覺這種技術近些年在很多領域都得到了廣泛的應用，它指的是將視覺圖像作為信息進行輸入，然后在系統中對這些數據進行處理，提取出有用的信息，將信息傳遞給其他設備。通常來說，機器視覺系統都是由圖像采集設備、圖像處理器、機器人控制器等組成。在汽車工業(yè)中進行應用時，機器視覺系統還包括柔性線纜、輔助照明以及外殼保護等，這樣才能夠讓整個系統在汽車是生產這個相對復雜的環(huán)境中得到更加充分、穩(wěn)定的應用。

機器視覺是人工智能技術的一個分支，就是通過模擬人眼來對事物進行判斷。在汽車生產的很多環(huán)節(jié)都能得到應用。因為相對于人的肉眼識別來說，機器視覺對事物的判斷更加精確，誤差更小，尤其在對汽車材料的顏色進行識別、對零部件的尺寸進行測量時，有著傳統人工難以取代的優(yōu)勢。不僅如此，使用機器視覺還能夠在一些具有危險性的生產環(huán)節(jié)替代人工，提升生產的安全性。而且，機器視覺的靈敏性和自動化程度都較高，在批量生產的過程中，能夠進一步提升生產效率。

3基于機器視覺的自動化激光焊接系統

但汽車工業(yè)生產的過程中，基于機器視覺的自動化，激光焊接系統應用越來越充分，對于提升產品質量以及生產效率都有非常積極的作用。就機器視覺自動化激光焊接系統的構成來說，有大功率水冷系統、機運線和工位PLC、激光發(fā)生器、視覺機器人、激光焊縫跟蹤系統、末端執(zhí)行器激光焊槍等構成。在這些零部件集成到整個系統中之后，系統在焊接的過程中能夠發(fā)揮一個相對完整的作用。下面就其中的一些構成進行分析。

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欽離子，便構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)點是較為容易實現粒子數反轉，所需的激勵光強很小。使用摻欽銘鋁石榴石晶體作為固態(tài)激光發(fā)生物質，具有良好的導熱性，能夠在脈沖、連續(xù)和高重復率的狀態(tài)下工作。激光發(fā)生器雖然性能強大，但是對于汽車工業(yè)來說，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)生器的缺點比較明顯，那就是電光轉化效率只有3%左右，雖然經過近些年的研發(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TruInPf公司的HL4406D型Nd：YAG固體激光焊機所發(fā)射的激光波長為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，實際達到工件表面最大焊接功率為4400W。輸出功率波動性小于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。光束質量為25mm·mrad。延伸光纜長度達到20米，光纖最小彎折半徑為200IIlln，光纖直徑0.6mm[u]。通過適當的水循環(huán)冷卻系統可以保證每周24小時連續(xù)7天的長時間高負荷工作，在此情況下弧光燈管使用的壽命平均約為3000工作小時，大約為四個月。

3.2工業(yè)機器人

使用機器人進行操作，能夠提升生產過程的安全性，尤其對于焊接操作來說，使用視覺機器人能夠將人工操作的安全風險控制在最低限度內。而且機器人在操作的過程中更加穩(wěn)定，誤差更小。用于汽車工業(yè)生產的機器人的安全防護等級在ip67，能夠非常有效的防護激光焊接過程中產生的粉塵，同時降低高壓冷卻水泄漏的風險。無論是從安全還是從生產效率的角度來考量，使用機器人進行操作都有無可取代的優(yōu)勢。視覺機器人能夠在焊接的過程中對焊接部位進行識別，然后和系統內的其他設備進行協調，共同完成焊接工作。

3.3激光焊縫跟蹤系統

對于汽車生產來說，對焊縫的質量進行監(jiān)測是必不可少的。激光焊縫監(jiān)控系統就承擔這樣的責任，在焊接個工作進行的過程中，需要對焊接的板材進行固定，這樣才能夠保證焊接的穩(wěn)定性。然而在批量焊接的過程中，不同尺寸、不同材質的板材對焊接的要求也有所差異，完整的焊接控制模式相對來說彈性較差，而且定位時間較長不利于提升單車制造的效率。在固定板材的過程中，些許的偏移都有可能造成誤差，嚴重的甚至會讓機器人產生重復誤差，讓整個批次的產品質量都難以得到保障。使用激光焊縫跟蹤系統就能夠比較好地解決這一問題。技術人員可以通過系統對焊接板材的位置進行測量，確保板材的位置的準確性。同時，使用激光焊縫跟蹤系統還能夠對機器人的操作軌跡進行補償，將機器人操作的誤差控制在可以接受的范圍內。除此之外，因為這一系統利用的是光學原理，當肉眼可見的紅色激光經過光學原件之后，會產生變化，以直線條紋的形式投射到焊縫搭接的表面，進行焊接。激光在通過偏振鏡的過程中，其他波長的光被過濾掉，能夠更加精確地顯示焊接對象的截面特征。比較常用的是Precitec焊縫監(jiān)控系統，這種系統由激光視覺傳感器、視覺采集和處理控制單元構成，在馬達的驅動之下，系統能夠通過攝像頭來對激光投射到板牌表面的情況進行監(jiān)控，并借助計算機形成圖像，然后更為精確地確定焊縫的位置。

3.4視覺機器人測量系統

焊縫監(jiān)控系統在確定焊接板材對象位置方面有非常顯著的作用，能夠在進行焊接的過程中，通過反復補正機器人的軌跡來提高精度，但是不能否認的是，焊縫監(jiān)控系統的可控范圍較小，尤其在對機器人的操作進行修正時，范圍有限。為了進一步提升焊接的質量和精度，在整個系統的末端安裝機器人視覺測量系統就是非常必要的。既然視覺測量系統能夠對物體進行識別，而且以模擬人類視覺的方式進行處理，不僅效率更高，而且有肉眼不具備的精確測量的能力。機器人的視覺處理也能夠通過多種方式完成，比如可以根據實際需求進行獨立開發(fā)，或者借助于現有的機器人視覺處理軟件，或是使用機器視覺算法庫進行配套。這些方式各有特點，企業(yè)可以根據自身的實際情況，選擇合適的視覺機器人測量系統的建設方法。相對來說，根據企業(yè)生產的實際需要進行獨立開發(fā)，能夠更加充分、更加具有針對性的讓機器視覺發(fā)揮作用，提升生產效率。但是前期的成本較大，需要投入足夠的資金和研發(fā)人員。測量系統對使用環(huán)境的要求較高，尤其在進行現場安裝的過程中，需要根據實際情況對方案進行靈活調整。比如，有些機器視覺系統在識別白色車身車頂時，就會難以捕獲準確的特征。所以為了解決這一問題，可以將照相機安裝在末端執(zhí)行器上，然后在焊接開始之前，通過機器人手臂將照相機移動到特定位置，完成拍攝任務。在實際進行焊接的過程中，末端執(zhí)行器會處于相對惡劣的環(huán)境中。焊接會造成基礎融化，產生飛濺。而且，高溫的金屬蒸氣、飄散在空中的金屬粉塵也會對系統的使用效果產生影響。所以在安裝時，一定要做好對視覺單元的保護，在必要的情況下，需要在外部加裝不透明的保護殼，并在鏡頭前方加裝保護蓋。在需要進行測量時，可以將鏡頭前的保護蓋打開，測量完成之后，需要確保保護蓋處于關閉狀態(tài)，這樣才能夠避免焊接過程中的各種因素影響。除此之外，在保護殼的那必須要根據實際情況安裝密封圈，以此來阻擋金屬粉塵進入內部。

結束語

近些年我國汽車工業(yè)快速發(fā)展，為了提升產能、提升產品質量，使用的技術也越來越先進。基于機器視覺的自動化激光焊接系統就在產業(yè)發(fā)展的過程中得到了非常廣泛的應用。這一系統相較于傳統的焊接模式來說，穩(wěn)定性更高、焊接質量更好，尤其適用于批量生產。企業(yè)在進行生產的過程中應當積極應用這一系統，為系統功能的發(fā)揮創(chuàng)造良好條件。本文針對基于機器視覺的自動化激光焊接系統的集成和應用進行分析，希望對相關人員有所幫助。

參考文獻：

[1]顧俊，張玲玲，王健超. 機器視覺在自動化焊接中的應用[J]. 應用激光，2018，38（06）：1038-1043.

[2]陳林. 機器視覺及其在制造業(yè)中的應用[J]. 內燃機與配件，2019（23）：214-215.

[3]陳彬. 機器視覺系統在激光焊接中的應用[J]. 上海汽車，2020（09）：34-36.

[4]尹仕斌，任永杰，劉濤，郭思陽，趙進，邾繼貴. 機器視覺技術在現代汽車制造中的應用綜述[J]. 光學學報，2018，38（08）：11-22.

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

（上海首坤智能科技有限公司，上海201906）