劉猛軍

摘 要：近些年我國汽車工業(yè)快速發(fā)展，在為人們的出行提供了更大的方便的基礎上，也推動了我國經(jīng)濟的發(fā)展。而且隨著技術水平的提升，汽車生產過程中使用的焊接技術也越來越先進。本文針對機器視覺在自動化激光焊接系統(tǒng)的應用進行分析，希望對相關人員有所幫助。

關鍵詞：機器視覺;自動化激光焊接系統(tǒng);集成;應用

引言

激光焊接是20世紀最重要的發(fā)明之一，和傳統(tǒng)的焊接技術相比，不僅效率更高，而且焊接的質量更好，在很多領域中都得到了廣泛的應用，比如通信工程、醫(yī)療等。雖然愛因斯坦早在1917年就提出了受激發(fā)射的理論，可是直到50年后的1960年，第一臺使用激光切割的紅寶石激光器出現(xiàn)，才算真正意義上將激光用于生產。時至今日，結合機器視覺的激光焊接在眾多領域中的應用極大地推動了產業(yè)的發(fā)展，非常深遠地改變了人們的生活。

1激光焊接簡介

激光焊接是利用高功率的激光作為焊接熱源，能夠將非常強大的能量集中在很小的區(qū)域內，溫度在短時間內快速提升，能夠快速熔化焊接板材，尤其對于一些熔點較高的金屬進行焊接時尤其有效。在汽車制造工業(yè)中，激光焊接能夠更好的提升板材之間連接的質量，和傳統(tǒng)的焊接模式相比，車身的強度更高。尤其在一些中高檔汽車產品中，激光焊接已經(jīng)成為產品宣傳的賣點之一。

和其他類型的焊接技術比，激光焊接的優(yōu)勢非常明顯。首先，由于能量相對來說比較集中，使得焊接速度快，而且受熱供電的形變相對較小，不僅能夠提高焊接的強度，還能夠提升板材尖焊接的美觀性，免人工焊接可能出現(xiàn)的各種質量波動。其次，激光焊接對環(huán)境的要求更低，不像一些其他類型的焊接需要在真空和無塵環(huán)境中進行。激光焊接在真空、空氣中都可以操作，而且激光在進入電子廠之后也不會受到干擾，穩(wěn)定性更強。再次，激光焊接可以實現(xiàn)遠距離焊接，這種遠距離指的是非接觸式焊接，因為光具有較好的傳統(tǒng)性，可以通過玻璃或者特定的材料進行焊接，甚至可以通過光纖的鏡面反射來觸及到一些難以接觸的焊接位置，在提升焊接了工作效率的同時，非接觸性焊接也在一定程度上降低了對其他部件造成損耗的風險。最后，對一些熔點較高的金屬，激光焊接能夠更加快速地讓其熔化，完成焊接任務，具備其他焊接技術不具備的優(yōu)勢。

2機器視覺簡介

機器視覺這種技術近些年在很多領域都得到了廣泛的應用，它指的是將視覺圖像作為信息進行輸入，然后在系統(tǒng)中對這些數(shù)據(jù)進行處理，提取出有用的信息，將信息傳遞給其他設備。通常來說，機器視覺系統(tǒng)都是由圖像采集設備、圖像處理器、機器人控制器等組成。在汽車工業(yè)中進行應用時，機器視覺系統(tǒng)還包括柔性線纜、輔助照明以及外殼保護等，這樣才能夠讓整個系統(tǒng)在汽車是生產這個相對復雜的環(huán)境中得到更加充分、穩(wěn)定的應用。

機器視覺是人工智能技術的一個分支，就是通過模擬人眼來對事物進行判斷。在汽車生產的很多環(huán)節(jié)都能得到應用。因為相對于人的肉眼識別來說，機器視覺對事物的判斷更加精確，誤差更小，尤其在對汽車材料的顏色進行識別、對零部件的尺寸進行測量時，有著傳統(tǒng)人工難以取代的優(yōu)勢。不僅如此，使用機器視覺還能夠在一些具有危險性的生產環(huán)節(jié)替代人工，提升生產的安全性。而且，機器視覺的靈敏性和自動化程度都較高，在批量生產的過程中，能夠進一步提升生產效率。

3基于機器視覺的自動化激光焊接系統(tǒng)

但汽車工業(yè)生產的過程中，基于機器視覺的自動化，激光焊接系統(tǒng)應用越來越充分，對于提升產品質量以及生產效率都有非常積極的作用。就機器視覺自動化激光焊接系統(tǒng)的構成來說，有大功率水冷系統(tǒng)、機運線和工位PLC、激光發(fā)生器、視覺機器人、激光焊縫跟蹤系統(tǒng)、末端執(zhí)行器激光焊槍等構成。在這些零部件集成到整個系統(tǒng)中之后，系統(tǒng)在焊接的過程中能夠發(fā)揮一個相對完整的作用。下面就其中的一些構成進行分析。

3.1激光發(fā)生器

在銘鋁石榴石單晶里摻入一定量的三價欽離子，便構成了摻欽憶鋁石榴石晶體，表示為Nd：3+：YAG。Nd：3+：YAG的主要優(yōu)點是較為容易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，所需的激勵光強很小。使用摻欽銘鋁石榴石晶體作為固態(tài)激光發(fā)生物質，具有良好的導熱性，能夠在脈沖、連續(xù)和高重復率的狀態(tài)下工作。激光發(fā)生器雖然性能強大，但是對于汽車工業(yè)來說，在室溫環(huán)境下能夠持續(xù)輸出穩(wěn)定的工作是非常重要的。激光發(fā)生器的缺點比較明顯，那就是電光轉化效率只有3%左右，雖然經(jīng)過近些年的研發(fā)，這一比例逐漸提升，但是和理想狀態(tài)還有較大差距。再比如，德國TruInPf公司的HL4406D型Nd：YAG固體激光焊機所發(fā)射的激光波長為1064nm，在光譜中處于近紅外線區(qū)域。此激光發(fā)生器最大輸出功率為6000w，加入光纖傳輸和禍合端子等功率損失累加，實際達到工件表面最大焊接功率為4400W。輸出功率波動性小于2%，可連續(xù)高功率工作。具備脈沖輸出和連續(xù)恒定輸出等模式。光束質量為25mm·mrad。延伸光纜長度達到20米，光纖最小彎折半徑為200IIlln，光纖直徑0.6mm[u]。通過適當?shù)乃h(huán)冷卻系統(tǒng)可以保證每周24小時連續(xù)7天的長時間高負荷工作，在此情況下弧光燈管使用的壽命平均約為3000工作小時，大約為四個月。

3.2工業(yè)機器人

使用機器人進行操作，能夠提升生產過程的安全性，尤其對于焊接操作來說，使用視覺機器人能夠將人工操作的安全風險控制在最低限度內。而且機器人在操作的過程中更加穩(wěn)定，誤差更小。用于汽車工業(yè)生產的機器人的安全防護等級在ip67，能夠非常有效的防護激光焊接過程中產生的粉塵，同時降低高壓冷卻水泄漏的風險。無論是從安全還是從生產效率的角度來考量，使用機器人進行操作都有無可取代的優(yōu)勢。視覺機器人能夠在焊接的過程中對焊接部位進行識別，然后和系統(tǒng)內的其他設備進行協(xié)調，共同完成焊接工作。

3.3激光焊縫跟蹤系統(tǒng)

對于汽車生產來說，對焊縫的質量進行監(jiān)測是必不可少的。激光焊縫監(jiān)控系統(tǒng)就承擔這樣的責任，在焊接個工作進行的過程中，需要對焊接的板材進行固定，這樣才能夠保證焊接的穩(wěn)定性。然而在批量焊接的過程中，不同尺寸、不同材質的板材對焊接的要求也有所差異，完整的焊接控制模式相對來說彈性較差，而且定位時間較長不利于提升單車制造的效率。在固定板材的過程中，些許的偏移都有可能造成誤差，嚴重的甚至會讓機器人產生重復誤差，讓整個批次的產品質量都難以得到保障。使用激光焊縫跟蹤系統(tǒng)就能夠比較好地解決這一問題。技術人員可以通過系統(tǒng)對焊接板材的位置進行測量，確保板材的位置的準確性。同時，使用激光焊縫跟蹤系統(tǒng)還能夠對機器人的操作軌跡進行補償，將機器人操作的誤差控制在可以接受的范圍內。除此之外，因為這一系統(tǒng)利用的是光學原理，當肉眼可見的紅色激光經(jīng)過光學原件之后，會產生變化，以直線條紋的形式投射到焊縫搭接的表面，進行焊接。激光在通過偏振鏡的過程中，其他波長的光被過濾掉，能夠更加精確地顯示焊接對象的截面特征。比較常用的是Precitec焊縫監(jiān)控系統(tǒng)，這種系統(tǒng)由激光視覺傳感器、視覺采集和處理控制單元構成，在馬達的驅動之下，系統(tǒng)能夠通過攝像頭來對激光投射到板牌表面的情況進行監(jiān)控，并借助計算機形成圖像，然后更為精確地確定焊縫的位置。

3.4視覺機器人測量系統(tǒng)

焊縫監(jiān)控系統(tǒng)在確定焊接板材對象位置方面有非常顯著的作用，能夠在進行焊接的過程中，通過反復補正機器人的軌跡來提高精度，但是不能否認的是，焊縫監(jiān)控系統(tǒng)的可控范圍較小，尤其在對機器人的操作進行修正時，范圍有限。為了進一步提升焊接的質量和精度，在整個系統(tǒng)的末端安裝機器人視覺測量系統(tǒng)就是非常必要的。既然視覺測量系統(tǒng)能夠對物體進行識別，而且以模擬人類視覺的方式進行處理，不僅效率更高，而且有肉眼不具備的精確測量的能力。機器人的視覺處理也能夠通過多種方式完成，比如可以根據(jù)實際需求進行獨立開發(fā)，或者借助于現(xiàn)有的機器人視覺處理軟件，或是使用機器視覺算法庫進行配套。這些方式各有特點，企業(yè)可以根據(jù)自身的實際情況，選擇合適的視覺機器人測量系統(tǒng)的建設方法。相對來說，根據(jù)企業(yè)生產的實際需要進行獨立開發(fā)，能夠更加充分、更加具有針對性的讓機器視覺發(fā)揮作用，提升生產效率。但是前期的成本較大，需要投入足夠的資金和研發(fā)人員。測量系統(tǒng)對使用環(huán)境的要求較高，尤其在進行現(xiàn)場安裝的過程中，需要根據(jù)實際情況對方案進行靈活調整。比如，有些機器視覺系統(tǒng)在識別白色車身車頂時，就會難以捕獲準確的特征。所以為了解決這一問題，可以將照相機安裝在末端執(zhí)行器上，然后在焊接開始之前，通過機器人手臂將照相機移動到特定位置，完成拍攝任務。在實際進行焊接的過程中，末端執(zhí)行器會處于相對惡劣的環(huán)境中。焊接會造成基礎融化，產生飛濺。而且，高溫的金屬蒸氣、飄散在空中的金屬粉塵也會對系統(tǒng)的使用效果產生影響。所以在安裝時，一定要做好對視覺單元的保護，在必要的情況下，需要在外部加裝不透明的保護殼，并在鏡頭前方加裝保護蓋。在需要進行測量時，可以將鏡頭前的保護蓋打開，測量完成之后，需要確保保護蓋處于關閉狀態(tài)，這樣才能夠避免焊接過程中的各種因素影響。除此之外，在保護殼的那必須要根據(jù)實際情況安裝密封圈，以此來阻擋金屬粉塵進入內部。

結束語

近些年我國汽車工業(yè)快速發(fā)展，為了提升產能、提升產品質量，使用的技術也越來越先進?；跈C器視覺的自動化激光焊接系統(tǒng)就在產業(yè)發(fā)展的過程中得到了非常廣泛的應用。這一系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的焊接模式來說，穩(wěn)定性更高、焊接質量更好，尤其適用于批量生產。企業(yè)在進行生產的過程中應當積極應用這一系統(tǒng)，為系統(tǒng)功能的發(fā)揮創(chuàng)造良好條件。本文針對基于機器視覺的自動化激光焊接系統(tǒng)的集成和應用進行分析，希望對相關人員有所幫助。

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（上海首坤智能科技有限公司，上海201906）