隨著機器人自動焊接技術(shù)的快速發(fā)展,機器視覺技術(shù)的需求越來越強,一方面導致了機器視覺技術(shù)的應用領(lǐng)域擴大化,另一方面對該技術(shù)的要求也更加嚴格和健全,這有力的推動了該技術(shù)的發(fā)展。
焊接的特點是工藝因素復雜、勞動強度大、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，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。焊接機器人技術(shù)實現(xiàn)了焊接自動化、柔性化，但焊接機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，不能進行在線調(diào)整，即不具有智能。現(xiàn)實生產(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)在焊接機器人上的應用，極大地提高了焊接的質(zhì)量和效率。機器視覺在自動化焊接中的應用主要有以下幾個方面：
一是基于視覺的焊縫識別和焊前引導及焊縫跟蹤技術(shù)，這是實現(xiàn)自動化焊接的前提；
二是焊接過程中焊縫熔池狀態(tài)實時監(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)
為了實現(xiàn)焊前引導，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)鍵點位置，建立關(guān)鍵點的二維或三維坐標，發(fā)送給機器人，將機器人的末端執(zhí)行器運動到焊接起始點，自動完成焊前導引，焊縫識別的準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現(xiàn)焊縫區(qū)域的識別。該方法先對焊縫的圖像進行紋理分析，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)，電弧焊接機器人的精確度和圖像識別的準確性，并根據(jù)這些影響因素設(shè)計一個閉環(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)計能有效提高焊頭的運行精度。
另外有研究人員提出基于改進的暗通道先驗焊縫圖像預處理算法。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，并對幾何特征進行分層。計算灰度區(qū)域的圖像質(zhì)心，對焊接工件進行定位。以像素點的平移矩陣和旋轉(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，計算出實際軌跡，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)的應用，可以大幅提高機器人焊接過程中的靈活性，而且可以同時進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相機拍攝圖像，可以實現(xiàn)對V型坡口、角接、搭接等所有形式的焊縫跟蹤，精度可達到0.1mm 。創(chuàng)想激光焊縫跟蹤器，可以實現(xiàn)對焊縫的自動識別，并對焊槍的運動軌跡實時控制，結(jié)構(gòu)緊湊、高集成，具有緊湊的控制單元，廣泛應用于航空航天、壓力容器制造、船舶制造、汽車制造等。另外，部分產(chǎn)品具有適應性與抗反射干擾能力強，能適應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)外的學者對焊縫跟蹤系統(tǒng)也做了大量的研究。
有學者設(shè)計了一種新的實時焊縫跟蹤算法———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系的位置信息，并將該位置信息存入緩存中，從而生成機器人的焊槍位置運動軌跡，經(jīng)試驗驗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。
有學者對焊接的實時跟蹤性能進行進一步改進，增強系統(tǒng)的實時可控性。他們設(shè)計基于以太網(wǎng)的數(shù)字型CMOS工業(yè)相機和結(jié)構(gòu)光法進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、機器人通訊軟件二次開發(fā)包基礎(chǔ)之上，設(shè)計了焊縫圖像處理、焊縫PID糾偏控制以及機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度電弧光的干擾，并能對0.5～3.0mm之間的偏差進行糾偏處理。
也有學者采用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精度進行測量驗證，使驗證機器重復精度更加方便、準確。
基于模糊切換的Fuzzy－PID雙模復合控制器，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)在焊接時的實時性和穩(wěn)定性。
綜合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀可知，學者及研究機構(gòu)在激光視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)方面取得了很多成就，提高了機器人焊接精度和焊接質(zhì)量。
基于視覺的焊縫熔池實時狀態(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，同時也可直觀有效地判別焊接過程中缺陷的產(chǎn)生。
有的學者以波長為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。
有的研究機構(gòu)以高速相機為成像設(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。
有學者搭建主動式同軸監(jiān)測系統(tǒng)，實現(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，實現(xiàn)熔透狀態(tài)監(jiān)測，并通過計算小孔質(zhì)心與焊縫中心偏差，實現(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時監(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時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，機器視覺技術(shù)應緊密結(jié)合自動化，同時在焊接行業(yè)技術(shù)的發(fā)展和進步過程中，實現(xiàn)焊接智能化的最終發(fā)展目標。
