摘要：對于空間位置的金屬結(jié)構(gòu)件焊接，焊槍相對于工件(焊接坡口)的位置和姿態(tài)直接影響焊縫成形質(zhì)量。焊槍的最優(yōu)相對位姿由焊縫(接頭)所在平面的絕對空間姿態(tài)、焊接坡口的特征尺寸參數(shù)確定。簡要分析了視覺傳感在焊接領(lǐng)域的研究與應(yīng)用，總結(jié)了焊槍空間姿態(tài)檢測常用方法。在此基礎(chǔ)上，介紹了提出的基于視覺與重力傳感信息融合的組合式檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)對焊縫(接頭)所在平面的絕對空間姿態(tài)、焊槍相對于該平面的相對位置和姿態(tài)以及焊接坡口特征尺寸參數(shù)的檢測，進(jìn)而實現(xiàn)未知姿態(tài)平面內(nèi)的復(fù)雜空間焊縫(接頭)的檢測與跟蹤及焊槍姿態(tài)控制。最后展望了基于視覺與重力傳感信息融合的組合式檢測系統(tǒng)在曲面工件復(fù)雜空間焊縫(接頭)焊接中的研究和發(fā)展應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞：視覺傳感;重力傳感;空間姿態(tài);焊接坡口;特征尺寸;檢測與控制

　　0 前言

　　實施自動化和智能化焊接的機器人，按照機器人操作和實施焊接的模式可分為三大類。其一為“示教-再現(xiàn)”型：根據(jù)工作臺上所裝夾被焊工件的焊接坡口類型及所在位置和姿態(tài)，操作者首先對機器人進(jìn)行在線編程和人工示教，然后機器人復(fù)現(xiàn)規(guī)劃的焊槍運動軌跡與姿態(tài)，按預(yù)設(shè)的工藝參數(shù)完成焊接任務(wù);其二為“離線編程”型：機器人通常搭載有數(shù)控和編程系統(tǒng)，根據(jù)被焊工件的設(shè)計參數(shù)(包括焊接接頭所在位置和坡口類型)及預(yù)期的裝夾位置和姿態(tài)，操作者預(yù)先離線編寫對應(yīng)的機器人運動和焊槍姿態(tài)控制程序，并設(shè)定對應(yīng)的焊接工藝參數(shù)，然后，機器人自動控制焊槍完成固定軌跡和姿態(tài)的運動，按設(shè)定的焊接工藝參數(shù)完成預(yù)設(shè)的焊接任務(wù);其三為“智能”型：機器人搭載多種傳感器(系統(tǒng))，在對焊接作業(yè)環(huán)境、焊接接頭位置和坡口類型等進(jìn)行在線檢測后，根據(jù)作業(yè)環(huán)境與工藝需要，對焊槍的運動軌跡和姿態(tài)、焊接工藝參數(shù)等進(jìn)行自動設(shè)定、實時反饋調(diào)整和控制，進(jìn)而完成焊接任務(wù)，具有較高的適應(yīng)性[1]。

　　目前，全球大量應(yīng)用的焊接機器人絕大部分屬于“示教-再現(xiàn)”或“離線編程”型。在初次設(shè)定焊接工藝參數(shù)或編寫程序后，它們能夠高效地完成批量性焊接作業(yè)任務(wù)。然而，對于小規(guī)模、甚至單件焊接生產(chǎn)制造，繁復(fù)的編程需求使得這2種類型的機器人焊接完全失去效率上的優(yōu)勢;并且，當(dāng)被焊工件及其坡口存在加工或裝配誤差、在焊接過程中產(chǎn)生熱變形時，對焊縫成形質(zhì)量、焊接工藝過程及電弧燃燒穩(wěn)定性等會產(chǎn)生不利(甚至嚴(yán)重)影響，因此，他們在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用存在一定的局限性。

　　“智能”型焊接機器人通常具備對焊接坡口的類型、空間位置和姿態(tài)的在線檢測和跟蹤能力，以及對焊槍的空間位置和姿態(tài)的實時檢測和控制功能，與“示教-再現(xiàn)”或“離線編程”配合，既可以滿足批量生產(chǎn)的高效率要求，又能有效保證焊接工藝過程和電弧燃燒的穩(wěn)定性，確保焊縫成形質(zhì)量。進(jìn)一步的發(fā)展方向為：摒棄“示教-再現(xiàn)”或“離線編程”，僅依靠各類傳感器(系統(tǒng))對焊接作業(yè)環(huán)境的全面在線檢測，即可實現(xiàn)對焊槍運動軌跡和姿態(tài)的調(diào)整和控制，并據(jù)此自動確定相應(yīng)的焊接工藝參數(shù)，從而滿足單件(包括存在各類誤差的批量工件)焊接的質(zhì)量要求。因此，智能型焊接機器人逐漸成為研究與應(yīng)用主流。

　　對于復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)件的空間(全)位置焊接，除了焊接電流(送絲速度)與電弧電壓外，焊槍相對于工件(焊接坡口)的空間位置與姿態(tài)(位姿)對焊縫的成形質(zhì)量也有重要影響[2]。焊接實施過程中的焊槍前后傾角與左右擺角大小的選擇和確定，通常由焊接接頭的絕對空間姿態(tài)決定。例如，在平焊、立焊與橫焊等工況下，所需的焊槍相對于焊接接頭或坡口的傾斜情況是不同的。因此，為了實現(xiàn)實時調(diào)整和控制焊槍相對于工件(焊接坡口)的空間位置與姿態(tài)(位姿)，對焊接接頭絕對空間姿態(tài)的在線檢測至關(guān)重要。另外，對于復(fù)雜的空間軌跡焊縫的焊接，工件或坡口可能存在加工與安裝誤差，以及焊接過程中可能出現(xiàn)熱變形，導(dǎo)致需要對焊接坡口的特征參數(shù)進(jìn)行在線實時檢測，并對焊槍相對于工件(焊接坡口)的空間位姿進(jìn)行實時反饋控制。這些都是前2種類型的焊接機器人無法實現(xiàn)的，而傳感器的應(yīng)用使得“智能”型焊接機器人具備更多的研究價值與發(fā)展應(yīng)用前景。

　　在“智能”型焊接機器人搭載的多種傳感器中，視覺傳感器占主導(dǎo)地位。根據(jù)光源的不同，視覺傳感器可分為被動視覺與主動視覺2大類。被動視覺的光源來自于周圍環(huán)境，雖然具有系統(tǒng)構(gòu)成相對簡單的優(yōu)勢，但弧光、飛濺等會產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，影響其檢測精度和可靠性;而主動視覺通常采用激光結(jié)構(gòu)光作為光源，由于激光單色性好，配合相應(yīng)的濾光片，可使主動視覺具有良好的檢測穩(wěn)定性和可靠性。根據(jù)用于獲取目標(biāo)信息的相機的數(shù)量，視覺傳感器可分為單目視覺與多目視覺。多目視覺由于需要對多幅圖像進(jìn)行處理，實時性受到較大影響，且視覺傳感器體積較大;與之相對，單目視覺的圖像處理量少，具有良好的實時性，但存在檢測信息不完整的問題。為此，引入激光結(jié)構(gòu)光技術(shù)，既可以保持良好的傳感實時性，又可以保證關(guān)鍵待測信息不丟失。

　　文中簡要介紹了視覺傳感在焊接領(lǐng)域的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，對目前的焊槍和工件空間姿態(tài)檢測方法進(jìn)行深入分析，指出其不足和發(fā)展空間;介紹了基于視覺與重力傳感器的焊槍和被焊工件(焊接坡口)空間姿態(tài)檢測的最新研究進(jìn)展;展望了視覺傳感器在復(fù)雜結(jié)構(gòu)件空間焊接的潛在應(yīng)用和發(fā)展方向。

　　1 焊接領(lǐng)域的視覺傳感研究與應(yīng)用

　　以視覺傳感為基礎(chǔ)，針對已知平面內(nèi)的簡單直線或規(guī)則曲線焊縫的焊接坡口檢測與焊縫跟蹤系統(tǒng)的研究和應(yīng)用最為成熟，其技術(shù)關(guān)鍵在于檢測算法、圖像處理及控制策略的精度與效率。

　　Shen H[3]設(shè)計了一種無需“示教-再現(xiàn)”的焊接實時跟蹤系統(tǒng)，利用視覺傳感裝置和雙層濾波系統(tǒng)，通過采集不同焊接電流水平下清晰的焊接圖像，結(jié)合焊接圖像的投影處理算法，進(jìn)而實現(xiàn)精確的直線和曲線焊縫跟蹤，直線焊縫跟蹤的最大誤差為±0.3 mm，曲線焊縫的跟蹤誤差在±0.5 mm范圍內(nèi)。Kim J S[4]采用2種不同的視覺處理算法，對焊接接頭的輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，一種算法用于焊接開始前的接頭建模，另一種算法用于焊接過程中的接頭特征參數(shù)檢測，耗時約0.3 s，實現(xiàn)了對接、搭接、圓角和V形4種不同類型焊縫的檢測與自動焊接。Luo H[5]以建立正確的焊接坡口(焊縫)輪廓為基礎(chǔ)，研制出具有焊接起始點自動定位、焊接接頭位置和坡口尺寸自動標(biāo)定和檢測以及跟蹤控制等功能的自動化焊接系統(tǒng)，跟蹤精度高，誤差小于0.4 mm。王作山等[6]搭建了一種基于單線激光結(jié)構(gòu)光視覺引導(dǎo)的焊縫跟蹤系統(tǒng)試驗平臺(見圖1)，引入線結(jié)構(gòu)光視覺測量模型與Eye-in-hand式手眼系統(tǒng)模型，并通過設(shè)定弓高誤差，進(jìn)而控制過渡圓弧相對于焊縫的跟蹤精度，保證了平面曲線焊縫軌跡的跟蹤精度，其跟蹤精度可達(dá)0.05 mm。

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