隨著機(jī)器人自動焊接技術(shù)的快速發(fā)展,機(jī)器視覺技術(shù)的需求越來越強(qiáng),一方面導(dǎo)致了機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大化,另一方面對該技術(shù)的要求也更加嚴(yán)格和健全,這有力的推動了該技術(shù)的發(fā)展。
焊接的特點(diǎn)是工藝因素復(fù)雜、勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)周期長、勞動環(huán)境差，其品質(zhì)依賴操作者的技能、技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，也和操作者情緒及身體狀況相關(guān)，因此，焊接自動化技術(shù)對于提高接頭品質(zhì)，保證穩(wěn)定性具有很重要的意義。焊接機(jī)器人技術(shù)實(shí)現(xiàn)了焊接自動化、柔性化，但焊接機(jī)器人無法自主獲取工件定位信息、焊縫空間位置信息、焊縫熔透信息等，也不能自主適應(yīng)工件與接頭組對，焊接熱變形等引起的軌跡、坡口尺寸變化，不能進(jìn)行在線調(diào)整，即不具有智能。現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中軌跡和接頭坡口幾何尺寸的變化較為常見，無智能的再現(xiàn)式焊接會出現(xiàn)焊偏、焊穿、未焊透等較為嚴(yán)重的成型缺陷，所以急需基于視覺的智能化焊接技術(shù)。
目前，視覺傳感技術(shù)在焊接機(jī)器人上的應(yīng)用，極大地提高了焊接的質(zhì)量和效率。機(jī)器視覺在自動化焊接中的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：
一是基于視覺的焊縫識別和焊前引導(dǎo)及焊縫跟蹤技術(shù)，這是實(shí)現(xiàn)自動化焊接的前提；
二是焊接過程中焊縫熔池狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過對熔池圖像的提取可以分析焊縫的熔透與熔深狀態(tài)；
三是焊后焊縫缺陷監(jiān)測及控制。
基于視覺的焊縫識別與定位技術(shù)
為了實(shí)現(xiàn)焊前引導(dǎo)，必須首先通過視覺傳感系統(tǒng)識別工件和焊縫，確定焊接的關(guān)鍵點(diǎn)位置，建立關(guān)鍵點(diǎn)的二維或三維坐標(biāo)，發(fā)送給機(jī)器人，將機(jī)器人的末端執(zhí)行器運(yùn)動到焊接起始點(diǎn)，自動完成焊前導(dǎo)引，焊縫識別的準(zhǔn)確率與識別精度直接影響焊縫跟蹤的精度。
因此，焊縫識別技術(shù)的研究是焊接自動化的重要研究方向。基于圖像的焊縫識別系統(tǒng)主要由照明、圖像的聚焦成像、圖像處理形成輸出信號３部分組成。
研究人員提出一種紋理特征的焊縫識別方法。此方法利用焊縫位置與鋼板之間紋理特征差別來實(shí)現(xiàn)焊縫區(qū)域的識別。該方法先對焊縫的圖像進(jìn)行紋理分析，提取出紋理特征后，再利用母材區(qū)和待焊區(qū)的紋理特征差異，采用圖像分割的方法確定焊縫區(qū)域位置及焊縫中心。首先分析焊接過程中影響焊縫識別的因素，主要有傳感器的配置參數(shù)，電弧焊接機(jī)器人的精確度和圖像識別的準(zhǔn)確性，并根據(jù)這些影響因素設(shè)計(jì)一個(gè)閉環(huán)的視覺檢測焊接系統(tǒng)，通過反饋環(huán)節(jié)的信息來提高焊接的精確度。這種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能有效提高焊頭的運(yùn)行精度。
另外有研究人員提出基于改進(jìn)的暗通道先驗(yàn)焊縫圖像預(yù)處理算法。該算法能夠獲得清晰、連續(xù)、居中的焊縫中心線，具有更好的處理效果。通過研究手眼系統(tǒng)的標(biāo)定方法和圖像處理技術(shù)，在傳統(tǒng)模板匹配技術(shù)基礎(chǔ)上融合基于幾何形狀的金字塔分層匹配算法，提取圖像幾何特征，并對幾何特征進(jìn)行分層。計(jì)算灰度區(qū)域的圖像質(zhì)心，對焊接工件進(jìn)行定位。以像素點(diǎn)的平移矩陣和旋轉(zhuǎn)矩陣為基礎(chǔ)，根據(jù)模板匹配檢測到的偏移量和旋轉(zhuǎn)角度，計(jì)算出實(shí)際軌跡，從而校正焊接軌跡。
基于激光視覺的焊縫跟蹤技術(shù)
焊縫跟蹤技術(shù)的應(yīng)用，可以大幅提高機(jī)器人焊接過程中的靈活性，而且可以同時(shí)進(jìn)行接縫跟蹤和焊接品質(zhì)的控制，是目前發(fā)展最快且最有發(fā)展前途的焊接傳感技術(shù)。
目前在激光焊縫跟蹤系統(tǒng)中，國內(nèi)外市場上已開發(fā)出了多種成熟的激光焊縫跟蹤傳感器，比如國產(chǎn)的創(chuàng)想和進(jìn)口的賽融、Meta。創(chuàng)想其產(chǎn)品大多數(shù)采用激光結(jié)構(gòu)光，采用CCD相機(jī)拍攝圖像，可以實(shí)現(xiàn)對V型坡口、角接、搭接等所有形式的焊縫跟蹤，精度可達(dá)到0.1mm 。創(chuàng)想激光焊縫跟蹤器，可以實(shí)現(xiàn)對焊縫的自動識別，并對焊槍的運(yùn)動軌跡實(shí)時(shí)控制，結(jié)構(gòu)緊湊、高集成，具有緊湊的控制單元，廣泛應(yīng)用于航空航天、壓力容器制造、船舶制造、汽車制造等。另外，部分產(chǎn)品具有適應(yīng)性與抗反射干擾能力強(qiáng)，能適應(yīng)于高反射焊接面如鋁合金、不銹鋼等材料，不僅能用于弧焊焊接還可用于激光焊接，測量速度高。
國內(nèi)外的學(xué)者對焊縫跟蹤系統(tǒng)也做了大量的研究。
有學(xué)者設(shè)計(jì)了一種新的實(shí)時(shí)焊縫跟蹤算法———基于軌跡控制的視覺伺服系統(tǒng)，這種伺服系統(tǒng)能通過視覺傳感獲得焊縫在笛卡爾坐標(biāo)系的位置信息，并將該位置信息存入緩存中，從而生成機(jī)器人的焊槍位置運(yùn)動軌跡，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證該方法的直線焊接誤差在0.1mm以內(nèi)，正弦誤差在0.5mm以內(nèi)，具有較高的控制精度。
有學(xué)者對焊接的實(shí)時(shí)跟蹤性能進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)可控性。他們設(shè)計(jì)基于以太網(wǎng)的數(shù)字型CMOS工業(yè)相機(jī)和結(jié)構(gòu)光法進(jìn)行圖像采集分析的視覺傳感硬件系統(tǒng)方案，在集成了攝像頭、機(jī)器人通訊軟件二次開發(fā)包基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)了焊縫圖像處理、焊縫PID糾偏控制以及機(jī)器人通訊檢測等功能模塊，這樣能夠克服常規(guī)焊接工藝過程中不同強(qiáng)度電弧光的干擾，并能對0.5～3.0mm之間的偏差進(jìn)行糾偏處理。
也有學(xué)者采用C++聯(lián)合QT搭建軟件開發(fā)平臺，提出一種基于查詢計(jì)算焊縫輪廓線中間線的算法來提取焊縫中間位置，并采用同軸共聚焦白光傳感器對重復(fù)精度進(jìn)行測量驗(yàn)證，使驗(yàn)證機(jī)器重復(fù)精度更加方便、準(zhǔn)確。
基于模糊切換的Fuzzy－PID雙模復(fù)合控制器，可對不同類型的焊縫偏差，采用不同的控制器，可保證焊縫跟蹤系統(tǒng)在焊接時(shí)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。
綜合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀可知，學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)在激光視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)方面取得了很多成就，提高了機(jī)器人焊接精度和焊接質(zhì)量。
基于視覺的焊縫熔池實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測
焊接熔池的尺寸主要包括熔寬、熔長、熔深和熔池表面高度等參數(shù)，其中熔深和熔寬是影響焊接質(zhì)量和成形的主要因素。
熔池的幾何形態(tài)決定了焊縫的形狀，其中熔寬、后拖角等幾何參數(shù)與焊接電流、弧壓、焊速等工藝參數(shù)直接相關(guān)。
熔池的幾何形態(tài)決定了焊縫與母材的結(jié)合特征，因而視覺信息能夠反映成型品質(zhì)。
熔透是對承載焊縫最重要的技術(shù)要求之一。自動化焊接過程中，尋找熔透與未熔透焊接圖像的視覺特征是實(shí)現(xiàn)熔透智能控制的關(guān)鍵，具有十分重要的意義。
在熔池圖像獲取和幾何形態(tài)提取研究中，國內(nèi)外的研究成果非常豐富。國外有學(xué)者以850nm的激光光源為輔助光源，搭建了主動式旁軸監(jiān)測系統(tǒng)，直接監(jiān)測焊接的小孔區(qū)域，建立了小孔等離子體與焊接質(zhì)量的關(guān)系。
另有學(xué)者利用多種視覺傳感器，并將其集成到焊接頭上。這樣便可以得到激光焊接過程中豐富多樣的焊縫信息，同時(shí)也可直觀有效地判別焊接過程中缺陷的產(chǎn)生。
有的學(xué)者以波長為530nm的綠色激光光源為輔助光源，搭建主動式同軸監(jiān)測系統(tǒng)，采集熔池、小孔圖像，并且將熔池的頭部和尾部用不同的圖像處理算法分開提取。通過該方法能獲得熔寬信息。
有的研究機(jī)構(gòu)以高速相機(jī)為成像設(shè)備，用532nm的激光光源為輔助光源，采集到小孔及穿透孔圖像，直接測量小孔及穿透孔圖像，并分析不同焊接速度下小孔傾角。
國內(nèi)北京創(chuàng)想智控開發(fā)了一套可用于觀察熔池區(qū)域的圖像傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過視覺傳感器，可以清晰觀察到熔池的形狀尺寸以及焊縫區(qū)域的圖像。
有學(xué)者搭建主動式同軸監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)激光焊接的熔透與焊縫同步監(jiān)測，通過采集不同焊接工藝參數(shù)下的小孔、穿透孔以及焊縫的同軸圖像。建立熔透狀態(tài)與穿透孔面積關(guān)系，實(shí)現(xiàn)熔透狀態(tài)監(jiān)測，并通過計(jì)算小孔質(zhì)心與焊縫中心偏差，實(shí)現(xiàn)待焊縫隙監(jiān)測以及焊縫跟蹤監(jiān)測。
目前很多的焊縫熔池監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用到工業(yè)上。如美國公司的激光拼焊生產(chǎn)線上就配有焊縫自動監(jiān)測儀器，該系統(tǒng)能夠很好地反映焊接過程的穩(wěn)定性，但不能識別焊接缺陷的產(chǎn)生。TEC公司研制的激光焊接實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)可基于紅外視覺傳感器采集熔池的紅外圖像，通過圖像處理方法可實(shí)時(shí)得到熔池及小孔的尺寸，從而判別工件的熔透狀態(tài)。
國內(nèi)這一塊成熟的系統(tǒng)比較少，北京創(chuàng)想智控公司開發(fā)的焊縫熔池監(jiān)控系統(tǒng)可識別焊接過程中飛濺、間隙等缺陷，觀看焊接熔池高清圖像。
在此發(fā)展形式之下，數(shù)據(jù)采集、分析、處理和對比，機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)緊密結(jié)合自動化，同時(shí)在焊接行業(yè)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步過程中，實(shí)現(xiàn)焊接智能化的最終發(fā)展目標(biāo)。
