基于激光視覺焊縫跟蹤技術的機器人焊接智能產線設計

陳銀銀

（河南工業貿易職業學院，鄭州 451191）

由于焊接的產品復雜程度不一，機器人的精度無法得到保證，因此，采用基于激光視覺的焊縫跟蹤技術應運而生，并在焊接領域的應用越來越多，大大提高了焊接機器人的智能化程度。在焊接作業時，利用視覺焊縫跟蹤技術獲取焊縫的具體數據，將提取到的數據傳輸給焊接機器人，讓機器人更好地完成焊縫跟蹤工作。

1 焊縫識別與自動跟蹤技術

1.1 焊縫視覺檢測傳感器

基于視覺的焊縫跟蹤技術研究的目的是更好地識別焊縫檢測與機器人焊縫跟蹤，焊縫的檢測識別對于機器人跟蹤焊縫而言十分重要。焊縫檢測識別的過程實際上就是尋找焊縫的過程，因此焊縫檢測傳感器在焊縫自動跟蹤技術中是不可缺少的重要組成部分。隨著焊縫跟蹤技術的不斷發展，焊縫傳感器的種類也越來越豐富。焊縫檢測傳感器分為直接式檢測傳感器與間接式檢測傳感器，如圖1所示[1]。

圖1 焊縫跟蹤傳感器種類

1.2 焊縫圖像處理

圖像處理在焊縫跟蹤系統中是整個核心部分，圖像處理的效果好壞直接影響焊縫檢測識別的準確性，更關系到焊縫自動跟蹤系統的穩定性。視覺傳感器的主要任務是采集焊縫的圖像，并將圖像轉化為電信號后傳到PC 端進行圖像處理。圖像處理包括預處理和檢測識別2 部分，圖像預處理的目的是減弱圖像中噪聲帶來的影響，提高焊縫檢測識別的精度；圖像檢測識別的主要目的則是通過圖像中的焊縫位置信息，為焊縫機器人的工作奠定基礎。

1.3 焊縫跟蹤技術

根據焊縫視覺檢測傳感器獲取的焊縫圖像，對焊縫的位置信息進行獲取，將提取到的焊縫信息按照一定的規則發送到機器人控制系統中，實現對焊縫的自動跟蹤。在實際的生產中，焊接設備與機器人之間的裝配方式分為直接裝配和間接裝配。兩者最主要的區別是焊接設備與機器人之間是否存在導軌滑組。導軌滑組的作用是調整電機與絲杠的位置，以此來間接地對焊槍位置進行調整，讓機器人可以在一些復雜的零件上進行正常的焊接工作。系統通過控制機器人的方式控制焊槍，讓焊接的過程可以變得更加簡單。基于焊縫檢測槍的直接控制需要在原有系統的基礎上增加焊縫檢測傳感器，這種形式成本較高，在實際焊接時容易受到加工環境的影響；外部計算機結合工業以太網總線技術采用離線控制方式，將檢測到的焊縫數據傳輸給外部計算機，通過外部計算機將數據傳輸到工控機中，最后由工控機控制機器人完成最后的焊接工作，缺點是步驟多、實時性低；基于焊接機器人本身控制器與控制系統的通知方法主要通過編寫機器人程序，與外部傳感器相連接，通過外部視覺傳感器將檢測到的焊縫位置信息傳遞到機器人的控制系統中，完成機器人的運動，達到跟蹤的目的。因此，采用焊接機器人控制方法可以直接控制機器人，獲得較高的實時性效果[2]。

2 激光視覺焊縫跟蹤圖像的分析與處理

2.1 機器人視覺系統標定

對圖像進行分析的過程中需要獲取位置坐標，并將位置坐標作為圖像坐標進行使用，不能將位置坐標應用在機器人的系統糾錯中，要先將位置坐標轉換為機器人坐標才可以使用。根據鏡頭的安裝誤差，在使用光學系統進行作業時，需要對系統進行標定工作，通過標定的方式獲取三維空間的同一坐標值，通過獲得的標定信息進行運算，得到坐標之間的關系。相機在獲取圖像時，需要將圖像轉投影到相機成像平面中，通過成像平面和圖像轉換2 個節段完成圖像的轉化，將標定的信息進行登記后實現數字圖像與實物圖像之間的聯系，圖2為相機標定幾何模型。

圖2 相機標定幾何模型

在相機的光軸中心建立坐標系，根據工業相機的成像原理，獲取圖像與數字之間的關系

式中，（u1，v1）和（u2，v2）表示對應數字圖像點坐標。

2.2 圖像預處理

攝像頭在使用的過程中無法做到像人眼一樣對光的強度有直接的反映，圖像的處理算法可以弱化干擾，放大信息，并不能像人的大腦一樣智能。因此在進行圖像分析時，需要根據工作環境對圖像進行預處理。在焊接的環境下，電磁干擾對圖像的影響非常大，獲取的圖像信噪比較低。在進行焊接作業時，焊縫激光圖像中不僅有弧光的干擾，還有噪聲干擾。因此，為了保證圖像的質量，在對其進行分析處理的過程中，需要消除圖像的噪聲干擾，提高圖像的分辨率和邊緣梯度。通過圖像濾波、圖像去噪和圖像銳化的方式完成預處理。在本設計中，采用濾波圖像干擾噪聲的預處理方式，銳化邊緣，突出焊縫的特征，以獲取焊縫的中心準確位置。

2.3 邊緣特征檢測與提取

完成圖像的預處理后，需要對圖像中存在的電磁噪聲干擾進行處理。可以使用直方圖均衡化的方式進行處理，通過增強圖像特征對比度，對圖像進行分析處理。在焊縫跟蹤系統中，可以通過提取圖像中的焊縫位置信息，確定激光條紋的位置。在結構光法的基礎上，確定條紋的位置，以此確定焊縫的中心位置。通過檢測的形式提取激光條紋的邊緣信息，對于圖像的獲取非常重要，將提取后的信息進行進一步的分析處理，當圖像中的灰度值發生變化，將較大的區域作為邊緣進行邊緣檢測，邊緣檢測是機器視覺和圖像預處理的重要研究方向，也是一種非常重要的提取方式。在進行邊緣檢測時，最主要的核心目的就是對數字圖像中的明亮部分進行標記，以此來降低圖像中存在的冗余信息，獲得圖像中有用的信息。根據圖像邊緣灰度值的變化，獲得不同區域之間的特性，使用邊緣檢測可以有效檢測出各個區域之間的邊界變化。通過檢測圖像的邊緣位置，對獲取的邊緣點進行連接，在不同算法的幫助下獲取圖像的邊緣進程，常用的邊緣檢測方法有很多，在常用的邊緣檢測中，Canny 算子需要滿足3 個條件：少錯檢和漏檢；提取邊緣位置方差最小化；返回唯一結果。當滿足這3 個條件后，就可以有效地抑制噪聲，精確地確定邊緣的位置。因此，Canny 算子只有在滿足上述3個條件時才可以成為效果最好的邊緣檢測算子。Canny算子的原理采用先平滑后求導的方式，通過二維高斯函數的一階導數作為濾波器，通過卷積運算對圖像進行濾波運算，對獲得的圖像進行最大值的圖像查找，確定圖像的邊緣信息，并采用非極大值的方式優化圖像邊緣[3]。

3 機器人焊接智能產線設計

半掛車車架機器人焊接智能生產線構成如圖3所示，由機器人焊接智能系統、物料自動搬運系統、焊接夾具和信息系統等構成。

圖3 半掛車車架機器人焊接智能生產線構成

3.1 機器人焊接智能系統

機器人焊接智能系統：由機器人及控制系統、外部軸行走機構、自動夾具及翻轉變位機構成[4]。

3.1.1 機器人焊縫跟蹤技術

在焊絲的下方與部件之間增加高壓電的方式進行接觸傳感，利用自動檢測設備對焊接的工件進行偏差檢測，通過檢測功能幫助焊接機器人找到焊縫的位置，并進行焊接工作。當機器人在焊接時，采用自動跟蹤補償的方式觀察偏移的位置和尺寸位置，并準確地對工件進行誤差補償，保證機器的高質量焊接工作的完成[5]。

工件的位置和焊縫的位置如果發生移動，可以通過機器人接觸傳感技術實現偏移位置的自動檢測，并自動尋找焊縫的起始位置，自動從偏移后的位置開始焊接。

當機器人帶動焊槍進行焊接時，會對電弧進行橫向擺動，打斷焊接電流的規律。根據電弧原理，將電弧作為傳感器，當機器人進行橫向擺動時，建立數學模型，讓機器人在焊接的過程中可以自動檢測到焊接線的位置，并完成焊接軌跡偏差的修復。采用機器人焊接電弧傳感跟蹤該技術進行焊接，可以更好地進行焊縫成形。

3.1.2 機器人高效焊接技術

機器人高效焊接技術的主要功能就是降低車架各個部件的變形率，以保證工件的質量，實現高效焊接的目的。采用雙機器人的方式對焊接整體夾具、變位機和焊接工藝順序等進行有效控制，保證焊接后不扭曲，不再通過矯形設備進行焊后處理工作。雙焊槍同時焊接，要保證焊接工藝的參數一致、熱輸入一致和夾具一致，保證焊后工件不變形。

焊接關鍵技術的有效組合，可以更好地解決焊接過程中所帶來的熱變形、焊縫偏差等問題，實現半掛車車架機器人的自動焊接。同時，針對工件的結構和焊接工藝進行優化后，可以大大提升機器人的自動化焊接效率和焊接質量，降低人工勞動力，提高生產量。

3.2 物料自動搬運系統

根據不同工件對于轉運的不同需求，設計專門對應的叉車式、背馱式的智能搬運臺車，H 型鋼三軸搬運系統和重載搬運機器人可以實現對半掛車車架工件的自動轉運工作，利用雙車協調技術和雙輸送技術，提高制造生產線的運行效率。智能搬運臺車采用低軌差子母車結構，當滿載時，其行走速度達到50 m/min，2 種叉車方式的載重可達2 t 以上。母車和子車沿著不同的軌道行走，根據工序信號，在不同工位之間來回運轉工件。因為車上都設有安全距離檢測裝置，所以可以大大保障物流的安全運行。

在物料自動搬運系統中，重載搬運機器人的最大抓取量為1.5 t，行走速度為30 m/min，通過總控系統的調度指令，完成組裝臺位與焊接臺位的搬運工作，通過對工裝和焊接機器人系統的互鎖，保障生產線的安全運行。

3.3 焊接夾具

為了適應多種規格產品的快速生產，在焊接環節引入焊接工裝技術，設計基于模塊化的工裝及焊接夾具，根據不同的產品規格，進行不同的定位程序設計，通過程序選擇完成產品的自動定位夾緊，同時完成信息交互，實現工件的自動卸料與物流系統的互鎖功能。通過對前端梁定位模塊和牽引定位模塊的寬度調整，完成伺服電機控制，并根據不同工件規格編寫對應的PLC 程序。

3.4 信息系統

半掛車車架制造信息管理采用KYMIS 焊接制造信息管理系統，整個系統分為生產管理、設備管理、故障管理和品質管理4 個模塊。

生產管理：機器人工作站實時監控、智能物流系統實時監控、機器人工作站和物流線上工作信息統計、焊絲使用信息統計。

設備管理：設備維護保養提醒及保障規范、機器人工作站和智能物流系統故障匯總統計、機器人工作站和物流系統使用效率統計、設備損耗物品統計。

故障診斷：智能設備自帶故障診斷系統、根據故障信息提示故障原因及優化決策。

品質管理：根據工件序列號追溯查詢工件的焊縫信息及實際焊接參數，支持售后服務。

4 結束語

智能焊接生產線在制造行業中應用廣泛，在半掛車制造行業是首次使用，其自動化、智能化、信息化和高效化的功能，實現了焊接生產線的實時運行，提高了焊接質量和焊接效率。在實現高質量的同時又降低了企業制造成本，大大地說明了機器人智能焊接生產線在更多領域中的普及及應用。