1、弧焊機器人焊縫跟蹤方法的研究現狀隨著科技水平的進步，人們對焊接質量的要求也越來越高。而人工焊接時，由于受到技術水平、疲勞程度、責任心、生理極限等客觀和主觀因素的應影響，難以較長時間保持焊接工作的穩定性和一致性。而且，由于焊接惡劣的工作條件，愿意從事手工焊接的人在減少，熟練的技術工人更有短缺的趨勢。另一方面，電子技術、計算機技術、數控及 HYPERLINK / 機器人技術的發展為焊接過程的自動化提供了有利的條件，并已滲透到焊接的各個領域。 近年來，焊接自動化程度在不斷的增加，2000年時，中國焊接生產的機械化自動化率,按熔敷金屬計算約為30%,而發達國家的焊接自動化率已經達到65%以上1。焊接自

2、動化生產已是必然的趨勢。焊接機器人是焊接自動化的革命性的進步，它突破了焊接剛性自動化的傳統方式，開拓了一種柔性自動化的生產方式2。 目前，用于工業生產的弧焊機器人主要是示教再現型機器人，在機器人弧焊過程中，它們可以在其工作空間內高精度重復已經示教的動作。但這也帶來一定的局限性，那就是應變能力很差，對工件的裝配精度要求較嚴，重復性要好。如果焊接條件基本穩定，則機器人能夠保證焊接質量。但在實際焊接過程中，因為機器人工作時為了避免發生危險，操作人員不準或不宜進入機器人的工作區域，使得操作者不能近距離實時監視焊接過程并作必要的調節控制，所以當實際的焊接條件發生變化時，例如焊接過程中的工件在加工、裝配過

3、程中的尺寸誤差和位置偏差以及工件加熱變形等因素的變化會使接頭位置偏離所示教的路徑，這樣會造成焊接質量下降甚至失敗。所以精確的焊縫跟蹤是保證焊接質量的關鍵，它是實現焊接過程自動化的重要研究方向。 1 弧焊機器人在焊接中的應用現狀 自從60年代機器人進入工業領域以來，發展較為迅速。預計從1999-2003年，世界實際裝備工業機器人數量將由1999年的743,000臺增加到892,000臺，其中在“機器人王國”日本有370，000臺，世界其他地區通用工業機器人的實際裝備數量將由340,000臺增加到508,000臺。在美國，實際裝備通用工業機器人的數量2003年將達到155,000臺，歐洲達到262

4、,000臺3 ，其中半數以上為焊接機器人。 焊接是工業機器人應用最重要的領域之一，隨著國外對工業機器人在焊接方面的研究應用，我國也開始了焊接機器人的研究應用。在數量上，根據到2001年的統計，全國共有焊接機器人1040臺(不包括港、澳、臺)，其中弧焊機器多于點焊機器人。汽車制造和汽車零部件生產企業中的焊接機器人占全部焊接機器人的76，是我國焊接機器人最主要的用戶。汽車制造廠的點焊機器人多，弧焊機器人少；而汽車零部件廠則相反 。 焊接機器人的技術水平在不斷的進步，目前，焊接機器人幾乎全部采用交流伺服電機驅動，這種電機因為沒有電刷，故障率很低。控制器中普遍采用32位的計算機，除可以控制機器人本體的

5、56個軸外，還可以使外圍設備和機器人協調聯動。在2004年的中國焊接會議上，日本安川公司的新型焊接機器人控制器NX100技術中，一臺控制器能同時控制四臺機器人共36軸（每臺機器人有本體6個軸，3個外部軸），并且使用軟PLC對周圍裝置進行控制。示教盒也采用了功能強大的Windows CE操作系統。 配套焊接系統也有很多新的進展，在1993年的埃森展覽會上，日本松下公司把旋轉電弧焊技術用于弧焊機器人。由于采用旋轉電弧焊時，焊絲能夠以50HZ以上的頻率旋轉，所以用這種技術進行焊縫跟蹤時，其跟蹤精度比機器人經常采用的擺動焊（擺動頻率小于10HZ）要高的多。該公司還于1993年首先銷售在控制柜中內藏焊機

6、的機器人，依靠數字通訊技術實現焊機和機器人的結合。并于2004年實現焊機和機器人的融合，既由機器人控制器直接控制焊接波形。采用頻率為100KHZ的逆變電源，體積小巧，控制精度高。焊機和機器人融合的優點主要有焊機和焊槍的動作能夠實現同步的精確控制，便于實現縝密的焊接條件控制，并使焊接系統小型化。另外，該機器人把送絲機和機器人手臂做成一體，送絲機能夠配合焊槍的動作進行旋轉動作，以保證送絲始終順暢。 2 焊縫跟蹤過程中使用的傳感器 弧焊用傳感器可分為直接電弧式、接觸式和非接觸式3大類。按工作原理可分為機械、機電、電磁、電容、射流、超聲、紅外、光電、激光、視覺、電弧、光譜及光纖式等。按用途分有用于焊縫

7、跟蹤、焊接條件控制(熔寬、熔深、熔透、成形面積、焊速、冷卻速度和干伸長)及其他如溫度分布、等離子體粒子密度、熔池行為等。據日本焊接技術學會1994年所做的調查顯示,在日本、歐洲及其他發達國家,用于焊接過程的傳感器有80%是用于焊縫跟蹤的5。 接觸式傳感器一般在焊槍前方采用導桿或導輪和焊縫或工件的一個側壁接觸，通過導桿或導輪把焊縫位置的變化通過光電、滑動變阻器、力覺等方式轉換為電信號，以供控制系統跟蹤焊縫。其特點為不受電弧干擾，工作可靠，成本低，曾在生產中得到過廣泛應用，但跟蹤精度不高，目前正在被其他傳感方法取代。此外，現在有的工業機器人中利用接觸傳感方式進行焊縫起點的尋找，例如日本安川公司生產

8、的機器人有些具有這種功能。 電弧式傳感器利用焊接電極與被焊工件之間的距離變化能夠引起電弧電流（對于GMAW方法）電弧電壓（對于GTAW方法）變化這一物理現象來檢測接頭的坡口中心。電弧傳感方式主要有擺動電弧傳感、旋轉電弧傳感以及雙絲電弧傳感。因為旋轉電弧傳感器的旋轉頻率可達幾十Hz以上，大大高于擺動電弧傳感器的擺動頻率（10Hz以下），所以提高了檢測靈敏度，改善了焊縫跟蹤的精度，且可以提高焊接速度，使焊道平滑等。旋轉電弧傳感器通常采用偏心齒輪的結構實現，而采用空心軸電機的機構能有效的減小傳感器的體積，如圖1所示。 圖1 旋轉電弧弧傳感器66電弧傳感器具有有以下優點： 傳感器器基本不占額額外的空間

9、，焊焊槍的可達性性好 不受受電弧光、磁磁場、飛濺、煙煙塵的干擾，工工作穩定，壽壽命長 不不存在傳感器器和電弧間的的距離，且信信號處理也比比較簡單，實實時性好 不需要附加加裝置和附加加裝置成本低低，因而電弧弧傳感器的價價格低 所以以電弧傳感器器獲得了廣泛泛的應用，目目前是機器人人弧焊中用的的最多的傳感感器，已經稱稱為大部分弧弧焊機器人的的標準配置。電電弧傳感器的的缺點是對薄薄板件的對接接和搭接接頭頭，很難跟蹤蹤。 用于焊焊縫跟蹤的非非接觸式傳感感器很多,主主要有電磁傳傳感器、超聲聲波傳感器、溫溫度場傳感器器及視覺傳感感器等。其中中以視覺傳感感器最引人注注目，由于視視覺傳感器所所獲得的信息息量大，

10、結合合計算機視覺覺和圖像處理理的最新技術術成果，大大大增強了弧焊焊機器人的外外部適應能力力。 視覺傳傳感器采用的的光電轉換器器件最簡單的的是單元感光光器件，如光光電二極管等等；其次是一一維的感光單單元線陣，如如線陣CCDD(電荷耦合合器件)；應應用最多的是是結構最復雜雜的二維感光光單元面陣，如如面陣CCDD，是二維圖圖像的常規感感光器件,它它代表著目前前傳感器發展展的最新階段段，因而應用用日益廣泛。在在焊接機器人人各種視覺傳傳感器中，CCCD傳感器器因其性能可可靠、體積小小、價格低、圖圖像清晰直觀觀而受到了普普遍重視。特特別是80年年代以來，CCCD與高性性能的微機相相結合產生的的焊縫跟蹤系系

11、統,使焊縫縫跟蹤的研究究跨上了一個個新的臺階。 在弧焊過程程中，由于存存在弧光、電電弧熱、飛濺濺、以及煙霧霧等多種強烈烈的干擾。是是每一種視覺覺傳感方法都都需要解決的的問題。根據據焊接機器人人視覺焊系統統的工作方式式不同，可將將用于焊接機機器人視覺焊焊縫跟蹤系統統的視覺傳感感器分為：結結構光式、激激光掃描式和和直接拍攝電電弧式。其中中結構光式和和激光掃描式式屬于主動視視覺的方法。使使用激光束因因為集中于一一點，抗干擾擾性能更好一一些。文獻7中所提提到的采用CCCD攝像機機、激光二級級管與掃描透透鏡相配合組組成的視覺系系統，如圖22示，是比較較典型的激光光掃描應用方方式。類似的的還有文獻8中所提

12、提到的焊縫跟跟蹤方法，如如圖3示。 視覺傳感系統組組成視覺傳感器組成成一般情況下， HYPERLINK / 激激光掃描式的的視覺系統，大大都是基于三三角測量原理理的主動視覺覺方法，其工工作原理是大大致相同的。首首先是激光管管發出的激光光點光源通過過光學掃描鏡鏡投射到被測測工件的表面面，由工件表表面反射后的的激光被CCCD攝像頭所所接收，其中中掃描鏡的掃掃描頻率一般般在5-200Hz可調。通通過測量反射射光束與CCCD主光軸的的夾角，并結結合已知的透透射光束與掃掃描鏡面的夾夾角以及CCCD與掃描鏡鏡面的距離等等數據，可以以求得每一束束激光在工件件表面投射點點與CCD鏡鏡面的距離，從從而可以得到到

13、焊縫的端面面剖面圖，通通過適當的圖圖像處理算法法，實現對焊焊縫進行視覺覺跟蹤的目的的。現在激光光和CCD相相結合所制成成的機器人焊焊接傳感器在在市場已經有有產品在銷售售，但一般價價格較昂貴。 被動視覺方方法是用CCCD攝像機通通過濾光片和和減光片直接接觀察熔池附附近區域或焊焊縫。在這種種方法中，大大部分電弧本本身就是監測測位置，檢測測對象（焊縫縫中心線）與與被控對象（焊焊炬）在同一一位置，不存存在檢測對象象與被控對象象的位置差，即即時間差的問問題，所以沒沒有因熱變形形等因素所引引起的超前檢檢測誤差，更更容易實現較較為精確的跟跟蹤控制，并并且能夠獲取取接頭和熔池池的大量信息息，這對焊接接的自適應

14、控控制非常有利利。因為被動動視覺和人的的視覺更為相相似，所以它它最有希望解解決緊密對接接焊縫和薄板板搭接焊縫的的跟蹤問題。而而且被動視覺覺傳感器結構構簡單價格低低，因而它是是一種很值得得研究的焊縫縫跟蹤方法。在在這種方法中中確實存在圖圖像易受到電電弧的嚴重干干擾的問題，但但這可以通過過改進濾光方方法、圖像處處理算法以及及調整合適的的取像時刻等等方法解決。主主動視覺和被被動視覺的比比較見表1。 表1 激光焊縫縫跟蹤傳感器器和被動視覺覺傳感器的優優缺點比較 4 國內外視覺覺焊縫跟蹤發發展現狀 所所謂焊縫跟蹤蹤就是在焊接接時實時檢測測出焊縫的偏偏差,并調整整焊接路徑和和焊接參數，保保證焊接質量量的可

15、靠性。由由于工件的加加工誤差（工工件間的尺寸寸差異、坡口口的準備情況況等）、裝夾夾精度以及焊焊接時的熱變變形等因素的的存在，以示示教再現方方式工作的弧弧焊機器人在在 HYPERLINK / 焊接時常常因因為焊縫和示示教軌跡有偏偏差而導致焊焊接質量下降降。所以焊縫縫跟蹤是保證證弧焊機器人人焊接質量的的一個重要的的方面。在機機器人弧焊所所使用的傳感感器中，電弧弧傳感器和視視覺傳感器占占有突出位置置，其中電弧弧傳感器用得得最多，而視視覺傳感器則則被認為是最最有前途得焊焊縫跟蹤傳感感器2。 4.1 主主動視覺焊縫縫跟蹤 目前前主動視覺焊焊縫跟蹤研究究的內容主要要有以下方面面： 1 提提高激光跟蹤蹤的魯

16、棒性，如如適應各種焊焊接接頭，和和接頭尺寸變變化等。 22 跟蹤中的的快速穩定的的圖像處理方方法 3 傳傳感器的設計計問題，例如如激光和傳感感器的角度 4 焊縫跟跟蹤中的控制制問題，主要要為NN和FFuzzy及及兩者結合方方法。 文獻獻8中為為獲得焊縫跟跟蹤高的魯棒棒性和適用性性，采用兩套套不同的圖像像處理算法，分分別為在焊接接開始前檢測測焊接接口模模型和在焊接接過程中檢測測接頭特征。文文獻2中中詳細的介紹紹了各種焊接接接頭的識別別方法。而文文獻則采用絞絞接對象模型型（Artiiculatted Obbject Modell）來提高跟跟蹤的可靠性性，利用這種種方法從傳感感器獲得的輪輪廓數據中尋

17、尋找特征點（焊焊縫點），在在特征點處焊焊接。文獻10從圖圖像處理的角角度，研究了了快速穩定的的圖像處理算算法。 4.2 被動視視覺焊縫跟蹤蹤 被動視覺覺傳感器所獲獲信息量大，接接近人的視覺覺等突出優點點，受到了研研究人員的廣廣泛關注。受受機器視覺技技術的大量成成功應用的啟啟發，人們嘗嘗試將被動視視覺傳感應用用到各種焊接接方法中，如如GTAW、GGMAW和PPAW等。 在取像的位位置方面主要要是被動觀察察熔池及其附附近區域，另另外利用工件件的特征觀察察其他區域而而獲得焊縫信信息。多數研研究中攝像機機是在斜上方方的位置取像像的，而在大大型管的對接接焊時則可以以從熔池的側側面取像，這這樣可以獲得得更

18、豐富的信信息, 能夠夠同時實現焊焊縫跟蹤和熔熔池控制。 對熔池機器器人附近區域域的取像時，取取像時刻一般般選取電弧亮亮度小且圖像像穩定的時刻刻。脈沖 GGTAW焊接接中，取像時時刻通常固定定在每個脈沖沖基值期間的的某一時刻，通通過電源同步步脈沖來控制制取像時刻。在在GMAW焊焊接時，取像像時刻通常為為短路時刻。 目前利用被被動視覺傳感感器進行焊縫縫跟蹤的研究究中，一般使使用一個攝像像機，所跟蹤蹤的焊縫是二二維的。這是是因為根據一一幅圖片很難難獲得高度信信息。雖然計計算機視覺技技術中有根據據一幅灰度圖圖像恢復表面面形狀的方法法，但因熔池池圖像本身很很復雜且控制制過程中有時時間要求，所所以很難在焊焊縫跟蹤中實實現。即使使使用兩個攝像像機采用立體體視覺技術計計算高度，特特征