摘要：簡(jiǎn)要介紹了激光視覺(jué)傳感的發(fā)展及其工作原理，綜述了近幾年激光視覺(jué)傳感技術(shù)在數(shù)字化、抗反光、焊縫檢測(cè)、雙傳感、集成化、小型化和網(wǎng)絡(luò)化等方面的最新進(jìn)展及應(yīng)用。這些新技術(shù)將為自動(dòng)化焊接制造過(guò)程提供一些新的解決方案或思路。 簡(jiǎn)單地說(shuō)，焊接的操作過(guò)程就是控制能量或熱源作用在兩塊或多塊材料上，使之形成一個(gè)完整的接頭。例如，對(duì)電弧焊來(lái)說(shuō)，其操作過(guò)程是由人、機(jī)器人或?qū)Ｓ脵C(jī)器把持焊槍?zhuān)砸欢ǖ乃俣妊刂缚p運(yùn)動(dòng)，同時(shí)以一定的工藝參數(shù)施加能量。除了正確的工藝參數(shù)外，焊槍是否準(zhǔn)確地跟蹤焊縫是保證焊接質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。 手工或半自動(dòng)焊接是依靠操作者肉眼的觀察和手工的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫的跟蹤。對(duì)于機(jī)器人或自動(dòng)焊接專(zhuān)機(jī)等全自動(dòng)化的焊接應(yīng)用，主要靠機(jī)器的編程和記憶能力、工件及其裝配的精度和一致性來(lái)保證焊槍能在工藝許可的精度范圍內(nèi)對(duì)準(zhǔn)焊縫。通常，機(jī)器的重復(fù)定位精度、編程和記憶能力等已能滿足焊接的要求。然而，在很多情況下，工件及其裝配的精度和一致性不易滿足大型工件或大批量自動(dòng)焊接生產(chǎn)的要求，其中還存在因過(guò)熱而導(dǎo)致的應(yīng)力和變形的影響。因此，一旦遇到這些情況，就需要有自動(dòng)跟蹤裝置，用來(lái)執(zhí)行類(lèi)似于手工焊中人眼與手的協(xié)調(diào)跟蹤與調(diào)節(jié)的功能。 在諸多焊接過(guò)程信息傳感方法中，視覺(jué)方法是當(dāng)前公認(rèn)的信息量最大、效果最好的傳感方法。早在20 世紀(jì)80 年代初，國(guó)內(nèi)外的很多研究人員就已開(kāi)始研究視覺(jué)傳感方法，包括以電弧光為光源的被動(dòng)視覺(jué)傳感和采用激光輔助照明的主動(dòng)視覺(jué)傳感。被動(dòng)視覺(jué)方法中，電弧本身就是監(jiān)測(cè)位置，沒(méi)有因熱變形等因素所引起的超前檢測(cè)誤差，能夠直接獲取焊縫接頭和熔池的信息，有利于焊接質(zhì)量的自適應(yīng)控制。然而，直接觀測(cè)易受到電弧的嚴(yán)重干擾，至今還沒(méi)有成熟的工業(yè)應(yīng)用的報(bào)道。因而，主動(dòng)光視覺(jué)特別是基于激光三角測(cè)量原理的結(jié)構(gòu)光或掃描方法已成為目前焊接工業(yè)應(yīng)用中主要的視覺(jué)傳感方法。激光視覺(jué)傳感的最大特點(diǎn)是能夠獲取焊縫截面的精確幾何形狀和空間位置的信息，適合實(shí)時(shí)焊縫跟蹤和自適應(yīng)工藝參數(shù)控制。 一、激光視覺(jué)傳感的原理 激光視覺(jué)傳感的基本原理就是光學(xué)的三角測(cè)量原理，如圖1 所示。激光束照射到目標(biāo)物體的表面，形成一個(gè)光斑點(diǎn)，經(jīng)過(guò)攝像頭上的透鏡在光敏探測(cè)器上產(chǎn)生一個(gè)像點(diǎn)。由于激光器與攝像頭的相對(duì)位置是固定的，當(dāng)激光傳感器與目標(biāo)物體的距離發(fā)生變化時(shí)，光敏探測(cè)器上的像點(diǎn)位置也相應(yīng)發(fā)生變化，所以根據(jù)物像的三角形關(guān)系可以計(jì)算出高度的變化，即測(cè)量了高度變化。當(dāng)激光束以一定的形狀掃描( 掃描方式) 或通過(guò)光學(xué)器件變換以光面的形式在目標(biāo)物體的表面投射出線形或其他幾何形狀的條紋( 結(jié)構(gòu)光方式) ，在面陣的光敏探測(cè)器上就可以得到表征目標(biāo)截面的激光條紋圖像，如圖2 所示。而當(dāng)激光傳感器沿著物體表面掃描前進(jìn)時(shí)，就能得到所掃描表面形狀的輪廓信息。所獲得的信息可用于焊縫搜索定位、焊縫跟蹤、自適應(yīng)焊接參數(shù)控制、焊縫成形檢測(cè)等。二、激光視覺(jué)傳感的新進(jìn)展及其應(yīng)用 目前，已在焊接中應(yīng)用的激光視覺(jué)傳感器主要有掃描和結(jié)構(gòu)光兩種形式。掃描方式主要有線形掃描和圓形掃描，其中圓形掃描的圖像處理方式要復(fù)雜一些。相對(duì)而言，對(duì)于反光的處理，掃描方式比結(jié)構(gòu)光方式要容易。此外，掃描方式傳感器的視場(chǎng)深度大，可達(dá)280mm或更大。但受到掃描激光斑點(diǎn)的影響，掃描激光傳感器的精度，尤其是橫向分辨率相對(duì)較低，通常>0.3mm。同時(shí)，受機(jī)械掃描的影響，掃描速度不高。掃描式激光傳感器大多只用于大厚度工件的焊縫跟蹤和自適應(yīng)控制。在高精度和高速度跟蹤或檢測(cè)中應(yīng)用的激光視覺(jué)傳感器大多為結(jié)構(gòu)光方式的傳感器。因此，以下主要以ServoRobot Inc . ( 賽融公司) 的新技術(shù)為例介紹激光視覺(jué)傳感器的新近進(jìn)展及應(yīng)用情況，其主要進(jìn)展體現(xiàn)在數(shù)字化、抗反光、焊縫檢測(cè)、雙傳感、多層焊、集成化、小型化和網(wǎng)絡(luò)化等方面。 1. 數(shù)字化 本文的數(shù)字化主要指圖像的獲取和處理方面。最初的激光傳感器中采用的圖像獲取器件為模擬的CCD，通常其圖像獲取的最高幀率為60 幀/s 或30 幀/ s ，因而圖像處理或輸出控制等算法也隨之受到限制。隨著電子與信息技術(shù)的發(fā)展，如圖3 所示，激光傳感器中的圖像獲取器件逐漸采用了更為先進(jìn)的數(shù)字CMOS 器件，圖像獲取的幀率最高可達(dá)3000 幀/ s 或10000 幀/ s ，為高速和高精度的傳感創(chuàng)造了條件。同時(shí)，采用了數(shù)字化技術(shù)可以很方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字圖像目標(biāo)區(qū)域的裁剪，消除臨近焊縫夾具的其他特征對(duì)焊縫識(shí)別的干擾。所以，在工件表面光亮、接頭旁邊有夾具影響或激光焊、焊縫成形與缺陷檢測(cè)等高速傳感要求的場(chǎng)合，采用數(shù)字CMOS 圖像探測(cè)器件的激光視覺(jué)傳感器具備了采用模擬CCD 的傳感器所無(wú)法達(dá)到的性能。2. 抗反光技術(shù) 由于采用了數(shù)字化技術(shù)，除了成像質(zhì)量大幅提高外，在圖像處理上也可以采用一些更好的算法，從而能很好地消除鋁合金、不銹鋼、鍍鋅板等光亮表面反光的干擾，清晰地識(shí)別角焊縫、V 形坡口等接頭的細(xì)節(jié)，如圖4 所示。在實(shí)現(xiàn)精確跟蹤的同時(shí)，準(zhǔn)確測(cè)量接頭的間隙、錯(cuò)邊和坡口截面積等幾何參數(shù)。圖4a 中激光條紋照射到不銹鋼角焊縫表面，圖4b為未采用抗反光技術(shù)獲得的圖像，圖4c 為采用抗反光技術(shù)獲得的圖像。圖5 是TX/ S 數(shù)字激光視覺(jué)傳感器在航天鋁合金大型構(gòu)件自適應(yīng)焊接中的應(yīng)用實(shí)例。激光視覺(jué)傳感器檢測(cè)待焊坡口的幾何信息，實(shí)現(xiàn)焊槍的自動(dòng)對(duì)中及高度的自動(dòng)調(diào)整，同時(shí)根據(jù)檢測(cè)到的坡口間隙和截面積自動(dòng)優(yōu)化焊接參數(shù)并在線調(diào)整。圖5a 顯示了自適應(yīng)焊接系統(tǒng)的主要構(gòu)成。圖5b 顯示了TX/ S 傳感器及其在非常光亮的鋁合金V 形坡口上的檢測(cè)結(jié)果，完全消除反光的影響并準(zhǔn)確測(cè)量出間隙、錯(cuò)邊和截面積等參數(shù)。3. 焊縫檢測(cè) 利用高速和高精度的激光視覺(jué)傳感器掃描焊縫表面，可以得到焊縫表面的3D 圖像，通過(guò)一定的算法可以測(cè)量焊縫成形的幾何參數(shù)如焊縫寬度、余高、焊趾角度等，還可探測(cè)咬邊、焊瘤和表面氣孔等缺陷，如圖6和圖7 所示。ARC—SCAN 和LAS—SCAN 傳感系統(tǒng)分別用于弧焊和激光焊等焊縫或密封縫的檢測(cè)，符合6σ質(zhì)量控制的需求。4. 雙傳感技術(shù) 在焊縫檢測(cè)時(shí)，除了要檢測(cè)焊縫寬度、余高、咬邊等焊縫成形有關(guān)的幾何參數(shù)，還要檢測(cè)焊縫上細(xì)小的氣孔等表面缺陷。采用雙傳感技術(shù)的激光視覺(jué)傳感器在焊縫上投射一道激光條紋，由兩個(gè)傳感器來(lái)獲取測(cè)距圖像。如圖8 所示，其中一個(gè)傳感器的視場(chǎng)較大，用于檢測(cè)焊縫成形參數(shù)，另一個(gè)傳感器的視場(chǎng)較小但具有較高的分辨率，集中在焊縫表面，用于檢測(cè)焊縫上可能的細(xì)小氣孔。圖9 是采用雙傳感技術(shù)的PX—10/ 25 激光視覺(jué)傳感器進(jìn)行轎車(chē)車(chē)身激光釬焊焊縫自動(dòng)檢測(cè)的照片。5. 多層焊功能 激光視覺(jué)傳感的多層焊功能是專(zhuān)門(mén)針對(duì)大厚板多層多道焊的焊縫跟蹤與自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整的需求而開(kāi)發(fā)的。根據(jù)不同的參數(shù)設(shè)置，激光傳感器可以識(shí)別根部焊道和隨后各層焊道的輪廓圖像，獲得焊縫的跟蹤點(diǎn)，并能根據(jù)焊縫坡口的截面規(guī)劃每一焊道的焊接參數(shù)。多層焊功能既可用于焊接專(zhuān)機(jī)，也可用于機(jī)器人焊接。但由于不同廠家的機(jī)器人對(duì)多層多道焊功能的支持是不一樣的，所以，目前只有一部分機(jī)器人可以和激光視覺(jué)傳感的多層焊功能配合使用。圖10 是采用M—SPOT 激光視覺(jué)傳感器的推土機(jī)構(gòu)件的機(jī)器人自適應(yīng)多層焊接的照片。6. 集成化 激光視覺(jué)傳感的集成化體現(xiàn)在3 個(gè)方面: 多功能的集成、不同傳感方法的集成和傳感器與控制器的集成。 ( 1) 多功能的集成 Digi —Las 系統(tǒng)就是多功能集成的典型代表。如圖11 所示，系統(tǒng)集成了焊前接頭裝配檢驗(yàn)、高速焊縫跟蹤、激光焊接頭、自適應(yīng)過(guò)程參數(shù)控制、激光焊熔池監(jiān)視、焊后焊縫質(zhì)量檢測(cè)六種功能。Digi —Las 采用了一前一后的兩個(gè)激光視覺(jué)傳感器，中間為激光焊接聚焦裝置和監(jiān)視焊接熔池的CCD。前面的激光條紋用于檢測(cè)并記錄反映裝配質(zhì)量的錯(cuò)邊、間隙及接頭位置等參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)高速焊縫跟蹤功能和激光焊接過(guò)程參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整功能。后面的激光條紋用于檢測(cè)焊縫的幾何形狀和焊接缺陷并進(jìn)行記錄。圖12 是Digi - Las 激光焊接頭在汽車(chē)TWB 激光拼焊中應(yīng)用的照片。 ( 2) 不同傳感方法的集成 圖13 所示的Digi —I/ S 傳感器在激光視覺(jué)傳感的基礎(chǔ)上集成了電弧聲音傳感器。傳感器在具有激光視覺(jué)傳感的焊縫跟蹤與自適應(yīng)焊接參數(shù)控制功能的同時(shí)，還能探測(cè)電弧發(fā)出的聲音，用于MIG/ MAG 焊短路過(guò)渡等的過(guò)程質(zhì)量監(jiān)控。圖14 所示的Robo —Pal 傳感器內(nèi)部集成了超聲傳感器，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的位置探測(cè)，有兩個(gè)十字交叉的激光視覺(jué)傳感實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的精確定位。這種傳感器主要用于機(jī)器搬運(yùn)、裝卸等。( 3) 傳感器與控制器的集成 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的激光視覺(jué)傳感技術(shù)已經(jīng)可以把激光傳感器的控制器部分集成到傳感器的內(nèi)部，從而使激光視覺(jué)傳感系統(tǒng)使用和維護(hù)更為簡(jiǎn)單，同時(shí)降低成本。圖14中的Robo —Pal 傳感器內(nèi)部已經(jīng)集成了系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。圖15所示的Sense —i/ D 傳感器的控制系統(tǒng)也已經(jīng)嵌入傳感器內(nèi)部，傳感器可向外提供模擬接口、數(shù)字IO 接口和以太網(wǎng)接口，可以方便地和機(jī)器人或?qū)C(jī)進(jìn)行配套集成。. 小型化 在很多自動(dòng)化焊接應(yīng)用中，工件的形狀或者工裝夾具很復(fù)雜，這就降低了焊槍的可達(dá)性。因此，希望傳感器的體積越小越好。隨著集成度的提高，出現(xiàn)了很多小體積的傳感器，當(dāng)前體積最小的激光視覺(jué)傳感器，包括防飛濺保護(hù)裝置在內(nèi)，其大小尺寸僅為35mm×34mm×125mm。 8. 網(wǎng)絡(luò)化 隨著精益生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)制造等先進(jìn)制造思想的發(fā)展與推廣，制造企業(yè)對(duì)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化功能的需求也越來(lái)越多，激光視覺(jué)傳感也從原有的單機(jī)系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。新型的激光傳感器或系統(tǒng)已經(jīng)具有工業(yè)以太網(wǎng)接口，可以很方便地與機(jī)器人或CNC 專(zhuān)機(jī)、PLC、焊接電源及PC等構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的生產(chǎn)制造系統(tǒng)。圖16 和圖17 分別是適合機(jī)器人和CNC 專(zhuān)機(jī)的IT—WELDTM 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。I T—WELD 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)可以驅(qū)動(dòng)多激光傳感頭，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的激光視覺(jué)和過(guò)程控制，從而實(shí)現(xiàn)智能制造過(guò)程。三、結(jié)語(yǔ) 在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的驅(qū)動(dòng)下，自動(dòng)化的焊接生產(chǎn)制造過(guò)程對(duì)傳感技術(shù)、質(zhì)量監(jiān)控與保證技術(shù)的需求越來(lái)越迫切。在很多自動(dòng)化焊接制造場(chǎng)合，沒(méi)有傳感器和自動(dòng)檢測(cè)手段，生產(chǎn)質(zhì)量和成本將是難以接受的。以上所述的激光視覺(jué)傳感新技術(shù)正是為滿足自動(dòng)焊接過(guò)程的需求而在近幾年內(nèi)發(fā)展起來(lái)的。在電弧焊、激光焊及火焰切割或等離子切割等領(lǐng)域，它們已為焊接工業(yè)提供了焊縫搜索定位、焊縫跟蹤、焊接參數(shù)自適應(yīng)控制、焊縫成形及缺陷的檢測(cè)等許多可靠的工業(yè)應(yīng)用。這些新技術(shù)將為自動(dòng)化焊接制造過(guò)程提供一些新的解決方案或思路。但是，由于焊接過(guò)程傳感與控制的復(fù)雜性，即使是這些最新發(fā)展的激光視覺(jué)傳感技術(shù)，仍難以完全滿足各種各樣的焊接過(guò)程的需求。因此，目前還有很多的公司或科研機(jī)構(gòu)正為新的、更為可靠的或者成本更低的傳感技術(shù)和手段而努力。