侯順華

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

激光焊接技術(shù)具有精度高、可靠性高、生產(chǎn)加工效率高、焊接成本低等優(yōu)勢(shì)，在汽車制造加工中得以廣泛應(yīng)用和發(fā)展。而隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及國(guó)民生活水平的提高，人們對(duì)于個(gè)性化產(chǎn)品的需求與渴望也越來(lái)越迫切。個(gè)性化定制推動(dòng)了柔性制造技術(shù)的研究與應(yīng)用，汽車制造業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱，其柔性制造改革與應(yīng)用也勢(shì)在必行。個(gè)性化定制使得汽車的更新?lián)Q代速度空前加快，對(duì)汽車的研發(fā)與生產(chǎn)成本也大幅度增加。為了有效控制成本、增加企業(yè)的利潤(rùn)、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，采用柔性化生產(chǎn)技術(shù)是汽車制造業(yè)主要的發(fā)展趨勢(shì)。傳統(tǒng)的激光焊接工藝，在產(chǎn)品更新時(shí)需要重新對(duì)工位、焊接參數(shù)等進(jìn)行調(diào)整，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。視覺(jué)激光焊接技術(shù)，是在計(jì)算機(jī)圖形圖像檢測(cè)與處理的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型激光加工技術(shù)，它能實(shí)現(xiàn)焊接工件位姿的自動(dòng)檢測(cè)、對(duì)焊縫（焊點(diǎn)）的自適應(yīng)軌跡跟蹤控制，能夠?qū)附淤|(zhì)量進(jìn)行在線檢測(cè)與調(diào)整。將視覺(jué)激光焊接取代傳統(tǒng)的激光焊接是主要的發(fā)展方向。

1 機(jī)器視覺(jué)激光焊接系統(tǒng)的組成

與傳統(tǒng)的激光焊接系統(tǒng)相比，基于機(jī)器視覺(jué)的激光焊接系統(tǒng)也包含激光源、送絲機(jī)構(gòu)、焊接機(jī)器人、激光鏡組等。所不同之處在于，視覺(jué)激光焊接系統(tǒng)增加了圖像檢測(cè)單元，該圖像檢測(cè)單元與焊接機(jī)器人之間構(gòu)成位置控制或伺服控制系統(tǒng)。視覺(jué)激光焊接系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中圖像檢測(cè)元件（CCD傳感器）可置于機(jī)器人的手臂上，從而構(gòu)成手眼系統(tǒng)，也可以將圖像檢測(cè)元件相對(duì)于工作臺(tái)固定。機(jī)器視覺(jué)手眼系統(tǒng)，由于圖像檢測(cè)傳感器跟隨機(jī)械手一起運(yùn)動(dòng)，圖像檢測(cè)精度要比固定式低，而且在圖像處理時(shí)，需對(duì)手眼系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，算法處理時(shí)間長(zhǎng)。而固定攝像機(jī)檢測(cè)，在檢測(cè)精度和處理速度上都有優(yōu)勢(shì)。

圖1 機(jī)器視覺(jué)激光焊接系統(tǒng)構(gòu)成

此外，根據(jù)所采用的圖像傳感器的數(shù)目，還可將機(jī)器視覺(jué)分為單目視覺(jué)和雙目視覺(jué)。由于單目視覺(jué)缺乏圖像深度信息，因此，可在機(jī)械手安裝其他傳感器，如紅外傳感器、超聲傳感器等，與單目視覺(jué)配合使用，以提供冗余信息。而雙目視覺(jué)，是將2個(gè)圖像傳感器按照一定的空間位置布置，再通過(guò)圖形變換算法得到目標(biāo)工件的三維信息。隨著計(jì)算機(jī)圖像處理速度的快速發(fā)展，雙目視覺(jué)越來(lái)越多地應(yīng)用到機(jī)器視覺(jué)技術(shù)上。

2 視覺(jué)激光焊關(guān)鍵技術(shù)

汽車制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱之一，同時(shí)也是各種先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)前沿試驗(yàn)基地。將視覺(jué)激光焊接技術(shù)應(yīng)用到汽車焊接生產(chǎn)中，不僅可以降低人力成本，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，也能很好地契合當(dāng)前個(gè)性化定制、柔性化生產(chǎn)的發(fā)展方向。在汽車制造視覺(jué)激光焊接系統(tǒng)中，其關(guān)鍵設(shè)備是具有視覺(jué)控制或視覺(jué)伺服的焊接機(jī)器人。所有焊接加工過(guò)程均圍繞這一關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行，視覺(jué)焊接機(jī)器人性能的優(yōu)劣是影響汽車焊接質(zhì)量與效率的主要因素。因此，視覺(jué)激光焊接的關(guān)鍵技術(shù)包括：機(jī)器人位姿誤差的檢測(cè)與標(biāo)定、焊接工件位姿誤差檢測(cè)與校正、焊縫（焊點(diǎn)）軌跡的精確跟蹤控制、自適應(yīng)控制、焊縫缺陷檢測(cè)與修形等。

機(jī)器人位姿的誤差標(biāo)定，是所有工業(yè)機(jī)器人都必須進(jìn)行的環(huán)節(jié)。由于存在制造與裝配的誤差，以及機(jī)器人在使用過(guò)程中的磨損等原因，使得機(jī)器人名義位姿與實(shí)際位姿不匹配，必須進(jìn)行誤差標(biāo)定。機(jī)器人誤差標(biāo)定可基于數(shù)學(xué)模型，也可根據(jù)實(shí)際測(cè)量值與理論值之間的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。機(jī)器人的誤差標(biāo)定是定位精度、重復(fù)定位精度的前提。

焊接工件位姿誤差的檢測(cè)，是利于機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)待加工零件的位姿，并與期望值進(jìn)行匹配。當(dāng)工件位姿與期望值誤差超出允許范圍之外，則進(jìn)行報(bào)警。工件定位系統(tǒng)則根據(jù)視覺(jué)檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)一步調(diào)整工件的位置和姿態(tài)，從而形成一個(gè)工件定位的閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量。

為了獲得較好的焊接加工質(zhì)量，需要激光焊接機(jī)器人對(duì)焊縫或焊點(diǎn)進(jìn)行精確的軌跡跟蹤控制，從而獲得理想的焊縫質(zhì)量。而在機(jī)器人軌跡跟蹤的控制中，比較常用的跟蹤算法包括：模糊控制、PID控制、模板匹配、自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能算法，或是將其中兩者甚至多者配合使用，以獲得更加精確的跟蹤軌跡。

工件激光焊接工序完成后，利用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)，對(duì)焊縫的寬窄、深度等進(jìn)行檢測(cè)，以判斷焊接質(zhì)量是否滿足工藝需求。對(duì)于不合格的激光焊接工件，在可返修的情況下，可對(duì)焊縫進(jìn)行二次修形，從而降低廢品率，提高產(chǎn)品的合格率，節(jié)約制造成本。

總之，視覺(jué)激光焊接加工能夠顯著提高汽車制造企業(yè)的加工效率，降低生產(chǎn)成本，符合時(shí)代背景下個(gè)性化定制和柔性化生產(chǎn)的企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，從而為企業(yè)贏得更多的利益和市場(chǎng)口碑。隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，將機(jī)器視覺(jué)激光焊接技術(shù)引入到汽車制造業(yè)是大勢(shì)所趨，因此，汽車制造企業(yè)需要在這方面做出努力，搶占戰(zhàn)略制高點(diǎn)，為企業(yè)后續(xù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)與技術(shù)保障。

3 視覺(jué)激光焊的發(fā)展趨勢(shì)

在以技術(shù)創(chuàng)新提高企業(yè)績(jī)效的時(shí)代背景下，視覺(jué)激光焊接技術(shù)及其系統(tǒng)也必須適應(yīng)企業(yè)發(fā)展的需求，并結(jié)合具體的應(yīng)用場(chǎng)合，不斷地推陳出新。目前，在汽車制造業(yè)中，基本采用一個(gè)工位一個(gè)工藝相對(duì)應(yīng)的加工模式，占地空間大，需其他設(shè)備輔助工件進(jìn)行輸送與定位。為了解決這種占地空間大、附屬設(shè)備冗余的問(wèn)題，采用移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行汽車制造是一個(gè)切實(shí)可行的方案。采用移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)，可以消除一些多余的附屬設(shè)備，精簡(jiǎn)系統(tǒng)，減少人工成本并節(jié)約能源。而多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，多臺(tái)移動(dòng)機(jī)器人同時(shí)參與同一個(gè)工件的加工制造，分工協(xié)作，可以大大提高加工效率，這對(duì)于提高生產(chǎn)速度、滿足用戶個(gè)性化需求、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力都有著十分重要的意義。在視覺(jué)焊接系統(tǒng)硬件設(shè)備上進(jìn)行提高，也是視覺(jué)焊接的一個(gè)重要發(fā)展方向，如提高工業(yè)相機(jī)的分辨率和光源的穩(wěn)定度等。為了進(jìn)一步提高視覺(jué)激光焊接的效率與質(zhì)量，將模糊控制、自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等新型控制技術(shù)應(yīng)用到焊接過(guò)程的控制中，可以有效提高焊接跟蹤控制的精度，提高焊接速度與焊接質(zhì)量。此外，隨著企業(yè)人性化管理的發(fā)展，企業(yè)對(duì)員工的心理、情緒狀態(tài)的關(guān)注度不斷加深，將機(jī)器視覺(jué)用于檢測(cè)操作人員的情緒狀態(tài)、疲勞程度等，在員工情緒不佳、疲勞的情況下，提醒操作人員注意，從而避免造成操作事故等，這將會(huì)是機(jī)器視覺(jué)在企業(yè)中的又一應(yīng)用方向，具有良好的前景。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)視覺(jué)激光焊接系統(tǒng)對(duì)汽車制造業(yè)的重要意義進(jìn)行了分析，簡(jiǎn)要介紹了視覺(jué)激光焊接系統(tǒng)的構(gòu)成，主要包括焊接機(jī)器人、視覺(jué)檢測(cè)單元、激光源等。對(duì)視覺(jué)激光焊接的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述，分析了焊接機(jī)器人的誤差標(biāo)定、焊接工件位姿誤差的檢測(cè)與校正、焊接軌跡精確跟蹤控制、焊接質(zhì)量檢測(cè)與控制等。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)必將越來(lái)越多地應(yīng)用到工業(yè)制造領(lǐng)域中。

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