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弧焊机器人焊缝跟踪方法的研究现状

周律 陈善本 林涛
（上海交通大学焊接研究所，上海，200030）

摘要：本文首先对焊接机器人在工业中的应用情况作了简要的介绍，然后较全面的介绍了弧焊机器人的各种焊缝跟踪方法，重点论述了视觉方法在焊缝跟踪中的研究现状。

关键词：弧焊机器人 焊缝跟踪 研究现状


0 前言


  随着科技水平的进步，人们对焊接质量的要求也越来越高。而人工焊接时，由于受到技术水平、疲劳程度、责任心、生理极限等客观和主观因素的影响，难以较长时间保持焊接工作的稳定性和一致性。而且，由于焊接恶劣的工作条件，愿意从事手工焊接的人在减少，熟练的技术工人更有短缺的趋势。另一方面，电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展为焊接过程的自动化提供了有利的条件，并已渗透到焊接的各个领域。

  近年来，焊接自动化程度在不断的增加，2000年时，中国焊接生产的机械化自动化率,按熔敷金属计算约为30%,而发达国家的焊接自动化率已经达到65%以上。焊接自动化生产已是必然的趋势。焊接机器人是焊接自动化的革命性的进步，它突破了焊接刚性自动化的传统方式，开拓了一种柔性自动化的生产方式。

  目前，用于工业生产的弧焊机器人主要是示教再现型机器人，在机器人弧焊过程中，它们可以在其工作空间内高精度重复已经示教的动作。但这也带来一定的局限性，那就是应变能力很差，对工件的装配精度要求较严，重复性要好。如果焊接条件基本稳定，则机器人能够保证焊接质量。但在实际焊接过程中，因为机器人工作时为了避免发生危险，操作人员不准或不宜进入机器人的工作区域，使得操作者不能近距离实时监视焊接过程并作必要的调节控制，所以当实际的焊接条件发生变化时，例如焊接过程中的工件在加工、装配过程中的尺寸误差和位置偏差以及工件加热变形等因素的变化会使接头位置偏离所示教的路径，这样会造成焊接质量下降甚至失败。所以精确的焊缝跟踪是保证焊接质量的关键，它是实现焊接过程自动化的重要研究方向。


1 弧焊机器人在焊接中的应用现状


  自从60年代机器人进入工业领域以来，发展较为迅速。预计从1999-2003年，世界实际装备工业机器人数量将由1999年的743,000台增加到892,000台，其中在“机器人王国”日本有370，000台，世界其他地区通用工业机器人的实际装备数量将由340,000台增加到508,000台。在美国，实际装备通用工业机器人的数量2003年将达到155,000台，欧洲达到262,000台 ，其中半数以上为焊接机器人。

  焊接是工业机器人应用最重要的领域之一，随着国外对工业机器人在焊接方面的研究应用，我国也开始了焊接机器人的研究应用。在数量上，根据到2001年的统计，全国共有焊接机器人1040台(不包括港、澳、台)，其中弧焊机器多于点焊机器人。汽车制造和汽车零部件生产企业中的焊接机器人占全部焊接机器人的76％，是我国焊接机器人最主要的用户。汽车制造厂的点焊机器人多，弧焊机器人少；而汽车零部件厂则相反 。

  焊接机器人的技术水平在不断的进步，目前，焊接机器人几乎全部采用交流伺服电机驱动，这种电机因为没有电刷，故障率很低。控制器中普遍采用32位的计算机，除可以控制机器人本体的5－6个轴外，还可以使外围设备和机器人协调联动。在2004年的中国焊接会议上，日本安川公司的新型焊接机器人控制器NX100技术中，一台控制器能同时控制四台机器人共36轴（每台机器人有本体6个轴，3个外部轴），并且使用软PLC对周围装置进行控制。示教盒也采用了功能强大的Windows CE操作系统。

  配套焊接系统也有很多新的进展，在1993年的埃森展览会上，日本松下公司把旋转电弧焊技术用于弧焊机器人。由于采用旋转电弧焊时，焊丝能够以50HZ以上的频率旋转，所以用这种技术进行焊缝跟踪时，其跟踪精度比机器人经常采用的摆动焊（摆动频率小于10HZ）要高的多。该公司还于1993年首先销售在控制柜中内藏焊机的机器人，依靠数字通讯技术实现焊机和机器人的结合。并于2004年实现焊机和机器人的融合，既由机器人控制器直接控制焊接波形。采用频率为100kHZ的逆变电源，体积小巧，控制精度高。焊机和机器人融合的优点主要有焊机和焊枪的动作能够实现同步的精确控制，便于实现缜密的焊接条件控制，并使焊接系统小型化。另外，该机器人把送丝机和机器人手臂做成一体，送丝机能够配合焊枪的动作进行旋转动作，以保证送丝始终顺畅。

图 1旋转电弧传感器

  一般情况下，激光扫描式的视觉系统，大都是基于三角测量原理的主动视觉方法，其工作原理是大致相同的。首先是激光管发出的激光点光源通过光学扫描镜投射到被测工件的表面，由工件表面反射后的激光被CCD摄像头所接收，其中扫描镜的扫描频率一般在5-20 Hz可调。通过测量反射光束与CCD主光轴的夹角，并结合已知的透射光束与扫描镜面的夹角以及CCD与扫描镜面的距离等数据，可以求得每一束激光在工件表面投射点与CCD镜面的距离，从而可以得到焊缝的端面剖面图，通过适当的图像处理算法，实现对焊缝进行视觉跟踪的目的。现在激光和CCD相结合所制成的机器人焊接传感器在市场已经有产品在销售，但一般价格较昂贵。
  被动视觉方法是用CCD摄像机通过滤光片和减光片直接观察熔池附近区域或焊缝。在这种方法中，大部分电弧本身就是监测位置，检测对象（焊缝中心线）与被控对象（焊炬）在同一位置，不存在检测对象与被控对象的位置差，即时间差的问题，所以没有因热变形等因素所引起的超前检测误差，更容易实现较为精确的跟踪控制，并且能够获取接头和熔池的大量信息，这对焊接的自适应控制非常有利。因为被动视觉和人的视觉更为相似，所以它最有希望解决紧密对接焊缝和薄板搭接焊缝的跟踪问题。而且被动视觉传感器结构简单价格低，因而它是一种很值得研究的焊缝跟踪方法。在这种方法中确实存在图像易受到电弧的严重干扰的问题，但这可以通过改进滤光方法、图像处理算法以及调整合适的取像时刻等方法解决。主动视觉和被动视觉的比较见表1。

表1 激光焊缝跟踪传感器和被动视觉传感器的优缺点比较