張?zhí)煲?朱志明 郭吉昌 孫博文

摘要：對(duì)于空間位置的金屬結(jié)構(gòu)件焊接，焊槍相對(duì)于工件（焊接坡口）的位置和姿態(tài)直接影響焊縫成形質(zhì)量。焊槍的最優(yōu)相對(duì)位姿由焊縫（接頭）所在平面的絕對(duì)空間姿態(tài)、焊接坡口的特征尺寸參數(shù)確定。簡(jiǎn)要分析了視覺傳感在焊接領(lǐng)域的研究與應(yīng)用，總結(jié)了焊槍空間姿態(tài)檢測(cè)常用方法。在此基礎(chǔ)上，介紹了提出的基于視覺與重力傳感信息融合的組合式檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫（接頭）所在平面的絕對(duì)空間姿態(tài)、焊槍相對(duì)于該平面的相對(duì)位置和姿態(tài)以及焊接坡口特征尺寸參數(shù)的檢測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)未知姿態(tài)平面內(nèi)的復(fù)雜空間焊縫（接頭）的檢測(cè)與跟蹤及焊槍姿態(tài)控制。最后展望了基于視覺與重力傳感信息融合的組合式檢測(cè)系統(tǒng)在曲面工件復(fù)雜空間焊縫（接頭）焊接中的研究和發(fā)展應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：視覺傳感;重力傳感;空間姿態(tài);焊接坡口;特征尺寸;檢測(cè)與控制

中圖分類號(hào)：TG409 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）11-0001-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.01

0 前言

實(shí)施自動(dòng)化和智能化焊接的機(jī)器人，按照機(jī)器人操作和實(shí)施焊接的模式可分為三大類。其一為“示教-再現(xiàn)”型：根據(jù)工作臺(tái)上所裝夾被焊工件的焊接坡口類型及所在位置和姿態(tài)，操作者首先對(duì)機(jī)器人進(jìn)行在線編程和人工示教，然后機(jī)器人復(fù)現(xiàn)規(guī)劃的焊槍運(yùn)動(dòng)軌跡與姿態(tài)，按預(yù)設(shè)的工藝參數(shù)完成焊接任務(wù);其二為“離線編程”型：機(jī)器人通常搭載有數(shù)控和編程系統(tǒng)，根據(jù)被焊工件的設(shè)計(jì)參數(shù)（包括焊接接頭所在位置和坡口類型）及預(yù)期的裝夾位置和姿態(tài)，操作者預(yù)先離線編寫對(duì)應(yīng)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和焊槍姿態(tài)控制程序，并設(shè)定對(duì)應(yīng)的焊接工藝參數(shù)，然后，機(jī)器人自動(dòng)控制焊槍完成固定軌跡和姿態(tài)的運(yùn)動(dòng)，按設(shè)定的焊接工藝參數(shù)完成預(yù)設(shè)的焊接任務(wù);其三為“智能”型：機(jī)器人搭載多種傳感器（系統(tǒng)），在對(duì)焊接作業(yè)環(huán)境、焊接接頭位置和坡口類型等進(jìn)行在線檢測(cè)后，根據(jù)作業(yè)環(huán)境與工藝需要，對(duì)焊槍的運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)、焊接工藝參數(shù)等進(jìn)行自動(dòng)設(shè)定、實(shí)時(shí)反饋調(diào)整和控制，進(jìn)而完成焊接任務(wù)，具有較高的適應(yīng)性[1]。

目前，全球大量應(yīng)用的焊接機(jī)器人絕大部分屬于“示教-再現(xiàn)”或“離線編程”型。在初次設(shè)定焊接工藝參數(shù)或編寫程序后，它們能夠高效地完成批量性焊接作業(yè)任務(wù)。然而，對(duì)于小規(guī)模、甚至單件焊接生產(chǎn)制造，繁復(fù)的編程需求使得這2種類型的機(jī)器人焊接完全失去效率上的優(yōu)勢(shì);并且，當(dāng)被焊工件及其坡口存在加工或裝配誤差、在焊接過程中產(chǎn)生熱變形時(shí)，對(duì)焊縫成形質(zhì)量、焊接工藝過程及電弧燃燒穩(wěn)定性等會(huì)產(chǎn)生不利（甚至嚴(yán)重）影響，因此，他們?cè)诤附宇I(lǐng)域的應(yīng)用存在一定的局限性。

“智能”型焊接機(jī)器人通常具備對(duì)焊接坡口的類型、空間位置和姿態(tài)的在線檢測(cè)和跟蹤能力，以及對(duì)焊槍的空間位置和姿態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制功能，與“示教-再現(xiàn)”或“離線編程”配合，既可以滿足批量生產(chǎn)的高效率要求，又能有效保證焊接工藝過程和電弧燃燒的穩(wěn)定性，確保焊縫成形質(zhì)量。進(jìn)一步的發(fā)展方向?yàn)椋恨饤墶笆窘?再現(xiàn)”或“離線編程”，僅依靠各類傳感器（系統(tǒng)）對(duì)焊接作業(yè)環(huán)境的全面在線檢測(cè)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)焊槍運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)的調(diào)整和控制，并據(jù)此自動(dòng)確定相應(yīng)的焊接工藝參數(shù)，從而滿足單件（包括存在各類誤差的批量工件）焊接的質(zhì)量要求。因此，智能型焊接機(jī)器人逐漸成為研究與應(yīng)用主流。

對(duì)于復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)件的空間（全）位置焊接，除了焊接電流（送絲速度）與電弧電壓外，焊槍相對(duì)于工件（焊接坡口）的空間位置與姿態(tài)（位姿）對(duì)焊縫的成形質(zhì)量也有重要影響[2]。焊接實(shí)施過程中的焊槍前后傾角與左右擺角大小的選擇和確定，通常由焊接接頭的絕對(duì)空間姿態(tài)決定。例如，在平焊、立焊與橫焊等工況下，所需的焊槍相對(duì)于焊接接頭或坡口的傾斜情況是不同的。因此，為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整和控制焊槍相對(duì)于工件（焊接坡口）的空間位置與姿態(tài)（位姿），對(duì)焊接接頭絕對(duì)空間姿態(tài)的在線檢測(cè)至關(guān)重要。另外，對(duì)于復(fù)雜的空間軌跡焊縫的焊接，工件或坡口可能存在加工與安裝誤差，以及焊接過程中可能出現(xiàn)熱變形，導(dǎo)致需要對(duì)焊接坡口的特征參數(shù)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，并對(duì)焊槍相對(duì)于工件（焊接坡口）的空間位姿進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋控制。這些都是前2種類型的焊接機(jī)器人無法實(shí)現(xiàn)的，而傳感器的應(yīng)用使得“智能”型焊接機(jī)器人具備更多的研究?jī)r(jià)值與發(fā)展應(yīng)用前景。

在“智能”型焊接機(jī)器人搭載的多種傳感器中，視覺傳感器占主導(dǎo)地位。根據(jù)光源的不同，視覺傳感器可分為被動(dòng)視覺與主動(dòng)視覺2大類。被動(dòng)視覺的光源來自于周圍環(huán)境，雖然具有系統(tǒng)構(gòu)成相對(duì)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，但弧光、飛濺等會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，影響其檢測(cè)精度和可靠性;而主動(dòng)視覺通常采用激光結(jié)構(gòu)光作為光源，由于激光單色性好，配合相應(yīng)的濾光片，可使主動(dòng)視覺具有良好的檢測(cè)穩(wěn)定性和可靠性。根據(jù)用于獲取目標(biāo)信息的相機(jī)的數(shù)量，視覺傳感器可分為單目視覺與多目視覺。多目視覺由于需要對(duì)多幅圖像進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)性受到較大影響，且視覺傳感器體積較大;與之相對(duì)，單目視覺的圖像處理量少，具有良好的實(shí)時(shí)性，但存在檢測(cè)信息不完整的問題。為此，引入激光結(jié)構(gòu)光技術(shù)，既可以保持良好的傳感實(shí)時(shí)性，又可以保證關(guān)鍵待測(cè)信息不丟失。

文中簡(jiǎn)要介紹了視覺傳感在焊接領(lǐng)域的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)目前的焊槍和工件空間姿態(tài)檢測(cè)方法進(jìn)行深入分析，指出其不足和發(fā)展空間;介紹了基于視覺與重力傳感器的焊槍和被焊工件（焊接坡口）空間姿態(tài)檢測(cè)的最新研究進(jìn)展;展望了視覺傳感器在復(fù)雜結(jié)構(gòu)件空間焊接的潛在應(yīng)用和發(fā)展方向。

1 焊接領(lǐng)域的視覺傳感研究與應(yīng)用

以視覺傳感為基礎(chǔ)，針對(duì)已知平面內(nèi)的簡(jiǎn)單直線或規(guī)則曲線焊縫的焊接坡口檢測(cè)與焊縫跟蹤系統(tǒng)的研究和應(yīng)用最為成熟，其技術(shù)關(guān)鍵在于檢測(cè)算法、圖像處理及控制策略的精度與效率。

Shen H[3]設(shè)計(jì)了一種無需“示教-再現(xiàn)”的焊接實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，利用視覺傳感裝置和雙層濾波系統(tǒng)，通過采集不同焊接電流水平下清晰的焊接圖像，結(jié)合焊接圖像的投影處理算法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精確的直線和曲線焊縫跟蹤，直線焊縫跟蹤的最大誤差為±0.3 mm，曲線焊縫的跟蹤誤差在±0.5 mm范圍內(nèi)。Kim J S[4]采用2種不同的視覺處理算法，對(duì)焊接接頭的輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，一種算法用于焊接開始前的接頭建模，另一種算法用于焊接過程中的接頭特征參數(shù)檢測(cè)，耗時(shí)約0.3 s，實(shí)現(xiàn)了對(duì)接、搭接、圓角和V形4種不同類型焊縫的檢測(cè)與自動(dòng)焊接。Luo H[5]以建立正確的焊接坡口（焊縫）輪廓為基礎(chǔ)，研制出具有焊接起始點(diǎn)自動(dòng)定位、焊接接頭位置和坡口尺寸自動(dòng)標(biāo)定和檢測(cè)以及跟蹤控制等功能的自動(dòng)化焊接系統(tǒng)，跟蹤精度高，誤差小于0.4 mm。王作山等[6]搭建了一種基于單線激光結(jié)構(gòu)光視覺引導(dǎo)的焊縫跟蹤系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)（見圖1），引入線結(jié)構(gòu)光視覺測(cè)量模型與Eye-in-hand式手眼系統(tǒng)模型，并通過設(shè)定弓高誤差，進(jìn)而控制過渡圓弧相對(duì)于焊縫的跟蹤精度，保證了平面曲線焊縫軌跡的跟蹤精度，其跟蹤精度可達(dá)0.05 mm。

對(duì)空間（全）位置焊接接頭實(shí)施高品質(zhì)焊接的技術(shù)關(guān)鍵，在于對(duì)焊縫（焊接接頭）空間姿態(tài)的檢測(cè)與相應(yīng)的工藝控制策略。劉永[7]提出了焊縫特征坐標(biāo)系的概念，并將空間焊縫的姿態(tài)分解為所定義的“橫坡焊”和“立坡焊”2種位置的組合，實(shí)現(xiàn)了馬鞍型焊縫的自主規(guī)劃與焊接。戚玉涵[8]針對(duì)空間焊縫，提出了一種定距插值算法，在通過結(jié)構(gòu)光視覺傳感獲取焊縫插補(bǔ)點(diǎn)位置坐標(biāo)后，以更高的精度求取了機(jī)器人基坐標(biāo)系下焊縫路徑點(diǎn)的三維坐標(biāo)，進(jìn)而規(guī)劃出焊接機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)全位置焊接。然而，該研究并未結(jié)合地球參考系，因此未實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫絕對(duì)空間姿態(tài)的檢測(cè)，焊接工藝仍存在優(yōu)化空間。

2 焊接領(lǐng)域的空間姿態(tài)檢測(cè)傳感器

在線獲取焊槍與焊接接頭（坡口）的空間姿態(tài)信息，有助于控制焊槍以更合理的傾角完成焊接任務(wù)，提升焊接工藝效果和焊縫成形質(zhì)量。目前，焊接領(lǐng)域有關(guān)空間姿態(tài)檢測(cè)的研究較少，除前文已介紹的視覺傳感器外，常用的方法還有旋轉(zhuǎn)電弧傳感器、傾角傳感器以及多種不同傳感器相結(jié)合的方法。

2.1 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器

旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的相關(guān)研究較為成熟，在空間姿態(tài)檢測(cè)的應(yīng)用相對(duì)較多。文獻(xiàn)[9-11]研究了焊槍傾角和偏差與電弧長(zhǎng)度變化的關(guān)系，并建立了相關(guān)數(shù)學(xué)模型。Le J[12]將旋轉(zhuǎn)電弧傳感器應(yīng)用于船廠矩形角焊縫的跟蹤，并建立了焊槍空間姿態(tài)的數(shù)學(xué)模型，較好地實(shí)現(xiàn)了焊槍單一角度的檢測(cè)與控制。汪鎏[13]采用電弧傳感器實(shí)時(shí)采集電流數(shù)據(jù)，并通過已構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型獲取焊槍的相對(duì)位姿以及空間焊縫下一個(gè)控制點(diǎn)的位置信息，實(shí)現(xiàn)了空間全位置焊的自動(dòng)檢測(cè)與焊縫跟蹤。

旋轉(zhuǎn)電弧傳感器通過提前構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型，實(shí)時(shí)獲取焊槍相對(duì)于焊縫（焊接坡口）的位置與姿態(tài)信息，進(jìn)而保證焊縫跟蹤過程的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)空間全位置焊接的準(zhǔn)確定位與跟蹤。然而，相關(guān)檢測(cè)結(jié)果僅包含焊槍與焊縫（焊接坡口）間的相對(duì)位姿關(guān)系，并未結(jié)合地球參考系給出焊縫（焊接坡口）的絕對(duì)空間姿態(tài)，因此，焊縫跟蹤過程中的焊槍傾角并未得到優(yōu)化，焊縫的成形質(zhì)量仍有進(jìn)一步提升空間。

2.2 傾角傳感器

在焊槍上固連傾角傳感器，可實(shí)時(shí)獲取焊槍相對(duì)于重力加速度方向的傾角，這種傳感方式也稱為重力傳感。如果已知焊縫（焊接坡口）所在平面的姿態(tài)，例如焊縫（焊接坡口）所在平面為水平放置，則可采用傾角（重力）傳感器獲取焊槍與焊縫（焊接坡口）間的相對(duì)姿態(tài)。張剛[15]提出了使用重力加速度及各軸分量測(cè)量焊槍空間姿態(tài)的方案，建立了基于傾角傳感器的焊槍空間姿態(tài)數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換模型，并給出GTAW焊的驗(yàn)證結(jié)果，精度可達(dá)0.1°，最大誤差不超過1.2°，滿足GTAW焊的工藝需求。石玗[16]采用動(dòng)態(tài)傾角傳感器來實(shí)時(shí)傳感焊槍三維姿態(tài)，將其分解為橫滾角、俯仰角與航向角（見圖3），用于研究3種角度的控制與焊工經(jīng)驗(yàn)之間的關(guān)系。

2.3 多傳感器信息融合

單一傳感器往往不足以獲取所需的所有待測(cè)數(shù)據(jù)，因此，衍生出多種傳感器相結(jié)合的方法。Xu Y[17]開發(fā)了基于視覺與電弧傳感相結(jié)合的焊縫跟蹤系統(tǒng)，利用被動(dòng)視覺傳感來檢測(cè)焊縫左右偏差，依靠電弧傳感來檢測(cè)電弧弧長(zhǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)空間復(fù)雜曲線焊縫的自動(dòng)化焊接，其圖像處理精度在±0.169 mm以內(nèi)。然而，因其采用被動(dòng)視覺，難以應(yīng)用在弧光強(qiáng)烈的電弧焊接;另外，該研究并未實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫空間姿態(tài)的檢測(cè)，僅能控制電弧的長(zhǎng)度而不能檢測(cè)并控制焊槍相對(duì)于焊縫的姿態(tài)，因此仍有較大研究空間。

陳仲盛[18]設(shè)計(jì)了基于光纖傳感、慣性導(dǎo)航與電磁感應(yīng)的焊槍定位系統(tǒng)（見圖4）。電磁感應(yīng)線圈獲取焊絲與工件的交點(diǎn)（待焊點(diǎn)）位置;光纖傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)焊槍與工件間的距離;傾角傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)焊槍的絕對(duì)空間姿態(tài)。

3 視覺與重力融合的多功能傳感器

如前文所述，當(dāng)焊縫為空間復(fù)雜焊縫時(shí)，為了獲得良好的焊接工藝效果和較高的焊縫成形質(zhì)量，需要對(duì)焊縫的絕對(duì)空間姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)焊接工藝的制定和規(guī)劃，控制焊槍以預(yù)期的相對(duì)于焊縫的位姿完成焊接任務(wù)。傳統(tǒng)方法如文獻(xiàn)[7-8，17]是在軌跡規(guī)劃的同時(shí)，預(yù)先設(shè)置與控制焊槍的姿態(tài)。這種方法并未結(jié)合焊縫的絕對(duì)空間姿態(tài)，因此，焊縫的成形質(zhì)量仍有進(jìn)一步提升的空間。為此，文中提出了一種基于視覺與重力傳感相結(jié)合的焊接接頭空間姿態(tài)檢測(cè)方法，通過重力傳感器實(shí)時(shí)獲取焊槍相對(duì)于地球參考系的姿態(tài)，通過視覺傳感器獲取焊槍相對(duì)于焊接接頭的位姿，再將兩者結(jié)合，解算出焊接接頭所在平面法線與重力加速度的夾角，即獲取焊接接頭所在平面的絕對(duì)空間姿態(tài)。

3.1 基于激光結(jié)構(gòu)光的視覺傳感器

所設(shè)計(jì)的視覺傳感器主要由工業(yè)CCD相機(jī)、一字線激光器、濾光片等構(gòu)成，如圖5所示。CCD相機(jī)的光學(xué)中軸線、焊槍的中軸線以及3個(gè)一字線激光器的中軸線共面安裝（簡(jiǎn)稱為平面A），且CCD相機(jī)的光學(xué)中軸線與焊槍的中軸線平行，與一字線激光器的中軸線成固定夾角（安裝固定后需標(biāo)定）。視覺傳感器與焊槍固連，并位于焊槍的前進(jìn)（焊接）方向。3個(gè)一字線激光器之一的激光投射平面位于平面A內(nèi)，在工件表面產(chǎn)生沿焊接方向的縱向激光線，另外2個(gè)與平面A垂直，在工件表面產(chǎn)生2條橫向激光線，它們?cè)诠ぜ砻嫘纬?個(gè)十字交叉。

激光投射在焊接坡口處會(huì)發(fā)生變形（圖5為V型坡口示例），CCD相機(jī)采集焊接坡口處的圖像信息并經(jīng)過圖像處理后，可獲取激光線方程與特征點(diǎn)坐標(biāo)，據(jù)此可計(jì)算出焊接坡口的尺寸參數(shù)，包括坡口深度、寬度、角度以及安裝誤差。對(duì)焊縫坡口尺寸參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，是焊接領(lǐng)域視覺傳感器的基本功能。在文中構(gòu)建的系統(tǒng)中，視覺傳感更進(jìn)一步的作用是獲取焊槍相對(duì)于焊接接頭所在平面的位置與角度信息，包括焊槍高度、前后傾角α與左右擺角β，如圖6所示。

在焊槍左右擺動(dòng)β角時(shí)，固連在焊槍上的視覺傳感器的平面A將整體傾斜β角，不會(huì)影響投射在工件表面的縱向激光線的整體成像。然而，縱向激光線與2條橫向激光線的2個(gè)十字交點(diǎn)之間的距離及其物距與焊槍高度和前后傾角α有關(guān)，進(jìn)而影響2個(gè)交點(diǎn)在CCD像平面上所成像之間的距離，據(jù)此，基于三角成像原理，可首先解算出焊槍高度與前后傾角α的值;左右擺角β使投射在工件表面的2條橫向激光線上各點(diǎn)物距不同，像平面上的成像將產(chǎn)生一定角度，將前述解算出的焊槍高度與前后傾角α作為已知量，可進(jìn)一步計(jì)算出焊槍左右擺角β的值。

3.2 基于重力感知的雙軸傾角傳感器

在實(shí)施平焊、立焊、橫焊及仰焊時(shí)，對(duì)焊槍的前后傾角和左右擺角的要求不同。在采用機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化焊接時(shí)，如果能夠檢測(cè)出待焊接頭的絕對(duì)空間姿態(tài)，就能根據(jù)重力作用下的熔池動(dòng)態(tài)行為特征，使焊槍以更合適的相對(duì)于被焊工件的傾角或擺角完成焊接任務(wù)，保證焊縫的成形質(zhì)量。然而，視覺傳感器僅能檢測(cè)出自身（包括焊槍）與焊接接頭所在平面間的相對(duì)位姿，并不能與地球參考系產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，無法檢測(cè)出焊接接頭所在平面在地球參考系下的絕對(duì)姿態(tài)。

針對(duì)上述問題，引入了雙軸傾角傳感器，也將其固連在焊槍上，如圖7所示。

雙軸傾角傳感器的型號(hào)為L(zhǎng)IS326H-180，是一種運(yùn)用慣性原理的加速度傳感器，當(dāng)其用于測(cè)量與重力加速度方向的夾角時(shí)，自身必須處于靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)?？紤]到焊接過程的焊槍運(yùn)動(dòng)速度足夠慢，軌跡變換時(shí)產(chǎn)生的加速度也較小，可視為準(zhǔn)靜態(tài)，測(cè)量誤差可控制在±1°以內(nèi)，測(cè)量結(jié)果及焊槍調(diào)控不會(huì)對(duì)焊縫成形質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。

雙軸傾角傳感器采集重力加速度在傳感器敏感軸上的分量大小，通過控制單元對(duì)芯片的輸出信號(hào)進(jìn)行處理，可計(jì)算出傾角大小，再經(jīng)過通訊單元輸出到網(wǎng)絡(luò)總線接口或顯示屏上。若以焊槍豎直向下為標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)，則雙軸傾角傳感器可分別測(cè)得焊槍繞X軸及繞Y軸所偏轉(zhuǎn)角度。如果測(cè)得X、Y兩方向偏角均為0°，則表明焊槍當(dāng)前姿態(tài)為豎直向下;如果測(cè)得兩偏角中的任一個(gè)為90°，則代表焊槍為水平姿態(tài)，分別對(duì)應(yīng)立焊或橫焊，如表1所示。

3.3 焊接接頭絕對(duì)空間姿態(tài)檢測(cè)

根據(jù)視覺傳感器獲取的焊槍與接頭所在平面的相對(duì)姿態(tài)，以及雙軸傾角傳感器獲取的焊槍絕對(duì)空間姿態(tài)，可求得焊接接頭所在平面的絕對(duì)空間姿態(tài)，再結(jié)合焊接坡口檢測(cè)所獲取的坡口尺寸信息及焊縫走向，即可判斷出焊縫所需要的焊接工藝。例如，在T型接頭平焊工藝中，焊槍需前傾10°～25°，左右擺角需根據(jù)兩側(cè)板厚比進(jìn)行調(diào)節(jié);在橫焊工藝中，焊槍需前傾10°～15°，左右擺角需朝向重力方向擺動(dòng)10°～15°。這一切都建立在焊縫的絕對(duì)空間姿態(tài)可檢測(cè)的基礎(chǔ)上。當(dāng)“智能型”焊接機(jī)器人能夠獲取焊接接頭所在平面的絕對(duì)空間姿態(tài)時(shí)，自動(dòng)化焊接工藝將更加智能化，進(jìn)一步提高焊縫成形質(zhì)量。

在實(shí)際焊接生產(chǎn)中，不僅存在未知空間姿態(tài)的平面內(nèi)接頭的自動(dòng)化焊接，也存在曲面工件復(fù)雜空間接頭需要自動(dòng)化焊接，此時(shí)，焊接工藝變化更加復(fù)雜，在沿接頭持續(xù)運(yùn)動(dòng)的過程中，焊槍的絕對(duì)空間姿態(tài)需要實(shí)時(shí)調(diào)整，以適應(yīng)接頭的絕對(duì)空間姿態(tài)變化，保證焊縫成形質(zhì)量，這對(duì)視覺傳感器的檢測(cè)功能及實(shí)時(shí)性提出了更高要求。

事實(shí)上，位于曲面中的空間焊縫（接頭）的絕對(duì)空間姿態(tài)也可以分為兩部分：一是檢測(cè)焊槍的絕對(duì)空間姿態(tài)，可由傾角傳感器完成，正如文中所提出的檢測(cè)方法;二是檢測(cè)焊槍相對(duì)于曲面的相對(duì)空間姿態(tài)，可由視覺傳感器完成。

文中所提出的視覺檢測(cè)方法目前僅適用于平面類未知空間焊縫（接頭），對(duì)于曲面內(nèi)未知的復(fù)雜空間焊縫（接頭）的檢測(cè)，還需進(jìn)一步優(yōu)化視覺檢測(cè)系統(tǒng)及其算法，以實(shí)現(xiàn)其全位置檢測(cè)、控制與焊接過程的自動(dòng)化。

4 結(jié)論

在焊縫或接頭處于三維空間的姿態(tài)未知平面內(nèi)時(shí)，該平面相對(duì)于地球參考系的姿態(tài)及其實(shí)時(shí)檢測(cè)，對(duì)于焊接過程的焊槍姿態(tài)設(shè)置、在線調(diào)整和控制以及焊縫成形質(zhì)量有著重要影響。目前，針對(duì)空間位置或全位置焊的相關(guān)研究，僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊縫（接頭）軌跡的檢測(cè)與跟蹤，難以獲知和控制焊接過程的焊槍前后傾角與左右擺角，因此焊縫的成形質(zhì)量仍有進(jìn)一步提升的空間。

基于視覺與重力傳感信息融合的復(fù)合檢測(cè)方法，可以將檢測(cè)和控制系統(tǒng)與地球參考系有效關(guān)聯(lián)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫（接頭）所在平面絕對(duì)空間姿態(tài)的檢測(cè)，結(jié)合對(duì)焊槍相對(duì)于工件表面（焊接坡口）相對(duì)位姿的檢測(cè)與控制，可以高質(zhì)量地完成平面內(nèi)空間接頭（焊縫）的自動(dòng)化焊接工作。

展望未來，空間（全）位置智能化焊接的研究關(guān)鍵在于曲面內(nèi)復(fù)雜空間焊縫（接頭）的絕對(duì)姿態(tài)檢測(cè)，難點(diǎn)在于檢測(cè)的高精度及高實(shí)時(shí)性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張華，熊震宇，賈劍平，等. 基于旋轉(zhuǎn)電弧傳感的示教再現(xiàn)弧焊機(jī)器人智能化研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2002，38（z1）：113-116.

[2] 郭吉昌，朱志明，孫博文. 基于視覺的焊槍空間位姿實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)[J]. 電焊機(jī)，2018，48（9）：1-7.

[3] Shen H，Lin T，Chen S，et al. Real-Time Seam Tracking Technology of Welding Robot with Visual Sensing[J]. Jou-rnal of Intelligent and Robotic Systems，2010，59（3-4）：83-298.

[4] Kim J S，Son Y T，Cho H S，et al. A robust visual seamtracking system for robotic arc welding[J]. Mechatronics，1996，6（2）：141-163.

[5] Luo H，Chen X. Laser visual sensing for seam tracking in robotic arc welding of titanium alloys[J]. International Jou-rnal of Advanced Manufacturing Technology，2005，26（9-10）：1012-1017.

[6] 王作山. 基于激光結(jié)構(gòu)光視覺引導(dǎo)的焊縫跟蹤技術(shù)研究[D]. 山東：山東大學(xué)， 2019.

[7] 劉永，王克鴻，杜姍姍. 弧焊機(jī)器人空間焊縫焊接參數(shù)與姿態(tài)規(guī)劃研究[J]. 南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003（2）：36-39.

[8] 戚玉涵. 空間焊縫視覺測(cè)量與跟蹤控制[D]. 北京：中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所，2013.

[9] 李湘文，洪波，尹力，等. 基于擺動(dòng)旋轉(zhuǎn)電弧的焊槍空間姿態(tài)識(shí)別[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2013，34（4）：35-37，52，114-115.

[10] 高延峰，張華，肖建華. 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器焊槍空間姿態(tài)識(shí)別[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2009，30（3）：81-84，117.

[11] 李月華. 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器焊槍位姿識(shí)別方法研究[D]. 南昌：南昌大學(xué)，2007.

[12] Le J，Zhang H，Chen X Q，et al. Rectangular fillet weld tracking by robots based on rotating arc sensors in gas metal arc welding[J]. International Journal of Advanced Manufa-cturing Technology，2017，93（4）：1-14.

[13] 汪鎏，張華，馬國紅. 基于旋轉(zhuǎn)電弧傳感方式的焊接機(jī)器人路徑生成方法[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（S1）：46-49.

[14] 陳偉榮，張華，鄭敏，等. 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及散熱分析[J]. 熱加工工藝，2018，47（17）：233-235，240.

[15] 張剛，樊丁，石玗，等. 鎢極惰性氣體保護(hù)焊焊槍運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的傳感與驗(yàn)證[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，50（10）：1559-1563.

[16] 石玗，王雪宙，周海，等. 焊工焊槍運(yùn)動(dòng)特征的三維傳感與分析[R]. 蘭州：中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)第二十次全國焊接學(xué)術(shù)會(huì)議，2015.

[17] Xu Y，Lv N，F(xiàn)ang G，et al. Sensing technology for intellig-entized robotic welding in arc welding processes[C]. RWIA 2004：Robotic Welding Intelligence and Automation：411-423.

[18] 陳仲盛，周強(qiáng)，謝本凱. 基于多傳感器的焊槍定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2015，36（8）：105-108，118.