基于视觉与重力传感的焊缝空间姿态检测技术研究与发展

　　摘要：对于空间位置的金属结构件焊接，焊枪相对于工件(焊接坡口)的位置和姿态直接影响焊缝成形质量。焊枪的最优相对位姿由焊缝(接头)所在平面的绝对空间姿态、焊接坡口的特征尺寸参数确定。简要分析了视觉传感在焊接领域的研究与应用，总结了焊枪空间姿态检测常用方法。在此基础上，介绍了提出的基于视觉与重力传感信息融合的组合式检测系统，该系统可实现对焊缝(接头)所在平面的绝对空间姿态、焊枪相对于该平面的相对位置和姿态以及焊接坡口特征尺寸参数的检测，进而实现未知姿态平面内的复杂空间焊缝(接头)的检测与跟踪及焊枪姿态控制。最后展望了基于视觉与重力传感信息融合的组合式检测系统在曲面工件复杂空间焊缝(接头)焊接中的研究和发展应用前景。

　　关键词：视觉传感;重力传感;空间姿态;焊接坡口;特征尺寸;检测与控制

　　0 前言

　　实施自动化和智能化焊接的机器人，按照机器人操作和实施焊接的模式可分为三大类。其一为“示教-再现”型：根据工作台上所装夹被焊工件的焊接坡口类型及所在位置和姿态，操作者首先对机器人进行在线编程和人工示教，然后机器人复现规划的焊槍运动轨迹与姿态，按预设的工艺参数完成焊接任务;其二为“离线编程”型：机器人通常搭载有数控和编程系统，根据被焊工件的设计参数(包括焊接接头所在位置和坡口类型)及预期的装夹位置和姿态，操作者预先离线编写对应的机器人运动和焊枪姿态控制程序，并设定对应的焊接工艺参数，然后，机器人自动控制焊枪完成固定轨迹和姿态的运动，按设定的焊接工艺参数完成预设的焊接任务;其三为“智能”型：机器人搭载多种传感器(系统)，在对焊接作业环境、焊接接头位置和坡口类型等进行在线检测后，根据作业环境与工艺需要，对焊枪的运动轨迹和姿态、焊接工艺参数等进行自动设定、实时反馈调整和控制，进而完成焊接任务，具有较高的适应性[1]。

　　目前，全球大量应用的焊接机器人绝大部分属于“示教-再现”或“离线编程”型。在初次设定焊接工艺参数或编写程序后，它们能够高效地完成批量性焊接作业任务。然而，对于小规模、甚至单件焊接生产制造，繁复的编程需求使得这2种类型的机器人焊接完全失去效率上的优势;并且，当被焊工件及其坡口存在加工或装配误差、在焊接过程中产生热变形时，对焊缝成形质量、焊接工艺过程及电弧燃烧稳定性等会产生不利(甚至严重)影响，因此，他们在焊接领域的应用存在一定的局限性。

　　“智能”型焊接机器人通常具备对焊接坡口的类型、空间位置和姿态的在线检测和跟踪能力，以及对焊枪的空间位置和姿态的实时检测和控制功能，与“示教-再现”或“离线编程”配合，既可以满足批量生产的高效率要求，又能有效保证焊接工艺过程和电弧燃烧的稳定性，确保焊缝成形质量。进一步的发展方向为：摒弃“示教-再现”或“离线编程”，仅依靠各类传感器(系统)对焊接作业环境的全面在线检测，即可实现对焊枪运动轨迹和姿态的调整和控制，并据此自动确定相应的焊接工艺参数，从而满足单件(包括存在各类误差的批量工件)焊接的质量要求。因此，智能型焊接机器人逐渐成为研究与应用主流。

　　对于复杂金属结构件的空间(全)位置焊接，除了焊接电流(送丝速度)与电弧电压外，焊枪相对于工件(焊接坡口)的空间位置与姿态(位姿)对焊缝的成形质量也有重要影响[2]。焊接实施过程中的焊枪前后倾角与左右摆角大小的选择和确定，通常由焊接接头的绝对空间姿态决定。例如，在平焊、立焊与横焊等工况下，所需的焊枪相对于焊接接头或坡口的倾斜情况是不同的。因此，为了实现实时调整和控制焊枪相对于工件(焊接坡口)的空间位置与姿态(位姿)，对焊接接头绝对空间姿态的在线检测至关重要。另外，对于复杂的空间轨迹焊缝的焊接，工件或坡口可能存在加工与安装误差，以及焊接过程中可能出现热变形，导致需要对焊接坡口的特征参数进行在线实时检测，并对焊枪相对于工件(焊接坡口)的空间位姿进行实时反馈控制。这些都是前2种类型的焊接机器人无法实现的，而传感器的应用使得“智能”型焊接机器人具备更多的研究价值与发展应用前景。

　　在“智能”型焊接机器人搭载的多种传感器中，视觉传感器占主导地位。根据光源的不同，视觉传感器可分为被动视觉与主动视觉2大类。被动视觉的光源来自于周围环境，虽然具有系统构成相对简单的优势，但弧光、飞溅等会产生严重干扰，影响其检测精度和可靠性;而主动视觉通常采用激光结构光作为光源，由于激光单色性好，配合相应的滤光片，可使主动视觉具有良好的检测稳定性和可靠性。根据用于获取目标信息的相机的数量，视觉传感器可分为单目视觉与多目视觉。多目视觉由于需要对多幅图像进行处理，实时性受到较大影响，且视觉传感器体积较大;与之相对，单目视觉的图像处理量少，具有良好的实时性，但存在检测信息不完整的问题。为此，引入激光结构光技术，既可以保持良好的传感实时性，又可以保证关键待测信息不丢失。

　　文中简要介绍了视觉传感在焊接领域的研究和应用现状，对目前的焊枪和工件空间姿态检测方法进行深入分析，指出其不足和发展空间;介绍了基于视觉与重力传感器的焊枪和被焊工件(焊接坡口)空间姿态检测的最新研究进展;展望了视觉传感器在复杂结构件空间焊接的潜在应用和发展方向。

　　1 焊接领域的视觉传感研究与应用

　　以视觉传感为基础，针对已知平面内的简单直线或规则曲线焊缝的焊接坡口检测与焊缝跟踪系统的研究和应用最为成熟，其技术关键在于检测算法、图像处理及控制策略的精度与效率。

　　Shen H[3]设计了一种无需“示教-再现”的焊接实时跟踪系统，利用视觉传感装置和双层滤波系统，通过采集不同焊接电流水平下清晰的焊接图像，结合焊接图像的投影处理算法，进而实现精确的直线和曲线焊缝跟踪，直线焊缝跟踪的最大误差为±0.3 mm，曲线焊缝的跟踪误差在±0.5 mm范围内。Kim J S[4]采用2种不同的视觉处理算法，对焊接接头的轮廓数据进行提取，一种算法用于焊接开始前的接头建模，另一种算法用于焊接过程中的接头特征参数检测，耗时约0.3 s，实现了对接、搭接、圆角和V形4种不同类型焊缝的检测与自动焊接。Luo H[5]以建立正确的焊接坡口(焊缝)轮廓为基础，研制出具有焊接起始点自动定位、焊接接头位置和坡口尺寸自动标定和检测以及跟踪控制等功能的自动化焊接系统，跟踪精度高，误差小于0.4 mm。王作山等[6]搭建了一种基于单线激光结构光视觉引导的焊缝跟踪系统试验平台(见图1)，引入线结构光视觉测量模型与Eye-in-hand式手眼系统模型，并通过设定弓高误差，进而控制过渡圆弧相对于焊缝的跟踪精度，保证了平面曲线焊缝轨迹的跟踪精度，其跟踪精度可达0.05 mm。

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文章名称： 基于视觉与重力传感的焊缝空间姿态检测技术研究与发展

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