張 弓， 脫帥華， 曹學(xué)鵬， 侯至丞， 楊文林， 徐 征， 包翔宇

(1.長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院， 西安 710064； 2.廣州中國科學(xué)院先進(jìn)技術(shù)研究所， 廣州 511458)

焊接技術(shù)被譽(yù)為“工業(yè)的裁縫”，是現(xiàn)代制造工藝中重要的組成部分之一，在汽車、船舶、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化和智能化也已成為必然，高效性的焊接機(jī)器人將在先進(jìn)制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[2]。

對(duì)焊接機(jī)器人的研究主要包括焊接傳感、焊縫跟蹤、焊接路徑規(guī)劃與焊縫質(zhì)量控制等[3]。焊縫跟蹤的精度和實(shí)時(shí)性是評(píng)價(jià)焊接質(zhì)量的重要指標(biāo)。焊縫跟蹤以傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，通過傳感器實(shí)時(shí)檢測焊縫位置并引導(dǎo)焊槍按照實(shí)際軌跡進(jìn)行焊接，能確保焊接軌跡的準(zhǔn)確與焊接質(zhì)量的穩(wěn)定[4]。由此可見，傳感器在機(jī)器人焊接過程中作用重大。

為此，針對(duì)焊接機(jī)器人的焊縫跟蹤技術(shù)，系統(tǒng)地總結(jié)近年來機(jī)器人焊接過程中用于焊縫跟蹤的各類傳感技術(shù)的研究進(jìn)展，并對(duì)焊縫跟蹤技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行分析和展望，指出其未來的研究方向。

1 焊縫跟蹤傳感技術(shù)

傳感技術(shù)是焊接機(jī)器人焊縫跟蹤的基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式可分為電弧傳感、視覺傳感、激光傳感和超聲、紅外等其他傳感技術(shù)。焊縫跟蹤的主要傳感器分類如圖1所示。

圖1 焊縫跟蹤傳感器分類

電弧傳感[5]利用電弧自身參數(shù)作為跟蹤信號(hào)，無需附加設(shè)備且抗干擾能力強(qiáng)。視覺傳感[6]以自然光為照明光源，主要通過電感耦合器件(charge coupled device，CCD)相機(jī)獲取焊縫信息，方式簡單直觀，信息獲取量大；因激光單色性好、方向性強(qiáng)且亮度高，以其作為照明光源的激光傳感[7]具有很好的抗干擾能力。超聲傳感[8]主要基于聲學(xué)反射原理，通過接收端采集的反射聲波判斷焊縫位置與熔池深度信息；紅外傳感[9]通過感應(yīng)焊接區(qū)域輻射的紅外線，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫特征信息的獲取。此外，復(fù)合傳感技術(shù)[10]也為焊縫跟蹤的研究提供了新的方向。

2 電弧傳感技術(shù)

電弧傳感器利用焊接過程中電弧電流和電壓隨焊槍與工件間的距離變化而變化這一特性來檢測焊縫坡口的中心[11]。其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，抗弧光、高溫和磁場的能力強(qiáng)，在焊縫跟蹤中應(yīng)用廣泛，目前在弧焊機(jī)器人中使用最多[12]。電弧傳感器實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤的基本過程如圖2所示。

圖2 電弧傳感器跟蹤焊縫的過程

Fabry等[13]將電弧傳感與槽形光學(xué)測量相結(jié)合，以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為建模工具，開發(fā)出一種用于自動(dòng)窄間隙熔化極氣體保護(hù)焊(NG-GMAW)間隙寬度估計(jì)的電弧傳感器模型，評(píng)估表明該模型對(duì)各項(xiàng)焊接參數(shù)都具有良好的估計(jì)能力，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

Wang等[14]針對(duì)等離子焊(PAW)提出一種基于小孔監(jiān)測的焊縫自動(dòng)跟蹤法，實(shí)驗(yàn)表明該方法在提高工作效率的同時(shí)，也能有效保證焊接質(zhì)量，系統(tǒng)實(shí)物如圖4所示。

圖3 NG-GMAW焊接實(shí)驗(yàn)裝置[13]

Le等[15]采用旋轉(zhuǎn)電弧傳感器分別對(duì)圓形、直角和矩形角焊縫的跟蹤算法進(jìn)行研究并進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，機(jī)器人能夠?qū)Σ煌目臻g角焊縫進(jìn)行高精度、高可靠性的跟蹤。

文獻(xiàn)[16]針對(duì)窄間隙脈沖熔化極氣體保護(hù)焊(pulse-metal active gas，P-MAG)焊存在的電弧“跳側(cè)”現(xiàn)象，通過分析電弧的形成機(jī)理和條件，研究了窄間隙槽對(duì)改進(jìn)外特性P-MAG電源熔滴過渡和電弧信號(hào)的影響，為P-MAG電弧焊縫跟蹤技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

Du等[17]采用旋轉(zhuǎn)電弧傳感器設(shè)計(jì)了一套氣體保護(hù)鎢極電弧焊(gas tungsten arc welding,GTAW)焊中用于焊縫高度跟蹤的系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖5所示，實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)能滿足高度控制的要求。

圖5 GTAW焊縫跟蹤系統(tǒng)[17]

來鑫等[18]提出將磁場控制電弧的技術(shù)應(yīng)用于焊縫跟蹤，設(shè)計(jì)了一種圖6所示的磁控電弧傳感器，并驗(yàn)證了其可行性，為目前對(duì)焊縫跟蹤技術(shù)的研究提供了新方向。

圖6 磁控電弧傳感器組成[18]

在此基礎(chǔ)上，李毅等[19]采用一種基于雙周期積分差值的方法實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤；沈言錦等[20]針對(duì)窄間隙焊接設(shè)計(jì)了一套磁控-激光復(fù)合式焊縫跟蹤系統(tǒng)，使提取到的焊縫偏差信息更為精確；李振凱等[21]對(duì)磁控電弧傳感器進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，提高了焊縫跟蹤系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定性。

3 視覺傳感技術(shù)

視覺傳感器以自然光為光源，通過CCD相機(jī)獲取直觀的焊縫信息，結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，但獲取的圖像信息僅限于二維[22]。視覺傳感器實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤的基本過程如圖7所示。

圖7 視覺傳感器跟蹤焊縫的過程

Ye等[23]通過分析機(jī)器人熔化極活性氣體保護(hù)電弧焊(metal active gas arc welding，MAG)的特點(diǎn)，開發(fā)了一套基于視覺傳感的焊縫跟蹤系統(tǒng)，對(duì)不同類型典型焊接件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，焊接質(zhì)量與跟蹤精度均顯著提高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

Park等[24]基于視覺傳感開發(fā)了一套先進(jìn)海洋管道自動(dòng)焊接系統(tǒng)，提出一種適用于根部焊道、填充焊道和蓋焊道的移動(dòng)平均焊縫跟蹤算法，減小了每道次焊縫中心線與焊槍之間的偏差，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性。

文獻(xiàn)[25]提出了一種利用視覺傳感器準(zhǔn)確預(yù)測焊縫寬度與位置的自動(dòng)交織控制算法，并驗(yàn)證了其有效性，控制算法示意圖如圖9所示。

郭吉昌等[26]提出并設(shè)計(jì)了一款基于組合激光結(jié)構(gòu)光的新型多功能單目視覺傳感器,可實(shí)現(xiàn)焊接坡口截面尺寸、焊槍高度和空間位姿檢測等功能,有效提高了其應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)件焊接時(shí)的適應(yīng)能力。試驗(yàn)結(jié)果表明,該傳感器的最大檢測誤差不超過2.1%，傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖8 MAG焊縫跟蹤系統(tǒng)[23]

圖9 交織寬度控制示意[25]

圖10 視覺傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[26]

文獻(xiàn)[27]基于形態(tài)學(xué)圖像處理方法和連續(xù)卷積算子(continuous convolution operators，C-COT)目標(biāo)跟蹤算法,設(shè)計(jì)了一種由焊接機(jī)器人、線激光傳感器和工控機(jī)組成的焊縫跟蹤系統(tǒng)。焊接實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，跟蹤誤差為±0.2 mm，滿足實(shí)際焊接要求。

Chen等[28]提出了一種基于視覺特征提取的GTAW熔深智能監(jiān)控機(jī)器學(xué)習(xí)法，實(shí)驗(yàn)證明，該方法具有較高的精度和魯棒性，為在線焊接熔透控制奠定了基礎(chǔ)。Xu等[29]基于專用的視覺傳感器開發(fā)了焊縫跟蹤系統(tǒng)，在不同類型典型焊縫上的實(shí)驗(yàn)均獲得了良好的跟蹤精度，傳感器結(jié)構(gòu)如圖11所示。

Fan等[30]提出一種基于結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的窄對(duì)接焊縫精確跟蹤方法，并通過建立的焊接系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，該方法能滿足窄對(duì)接焊縫跟蹤精度的要求,視覺傳感器如圖12所示。

王志江等[31]針對(duì)工業(yè)機(jī)器人多層多道焊縫糾偏問題，提出一種基于視覺傳感的人機(jī)互動(dòng)糾偏方法，并建立相應(yīng)的視覺傳感控制系統(tǒng)。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)反應(yīng)較靈敏，糾偏準(zhǔn)確度較高。

He等[32]提出一種基于視覺注意模型的焊縫特征點(diǎn)檢測法，用于機(jī)器人MAG中的多道次路線規(guī)劃。實(shí)驗(yàn)表明，通過該方法提取出的焊縫輪廓能夠滿足焊縫跟蹤和焊槍導(dǎo)向的要求，焊接工作站如圖13所示。

圖11 文獻(xiàn)[28]中的視覺傳感器結(jié)構(gòu)

圖12 文獻(xiàn)[30]中的視覺傳感器結(jié)構(gòu)

Xiong等[33]設(shè)計(jì)了一種用于鋁合金脈沖MIG懸浮焊熔深監(jiān)測的主動(dòng)視覺傳感系統(tǒng)，可將寬度最大偏差控制在±0.5 mm內(nèi)，滿足焊縫成形控制要求，系統(tǒng)組成如圖14所示。

圖13 MAG焊接工作站[32]

圖14 主動(dòng)視覺傳感系統(tǒng)[33]

4 激光傳感技術(shù)

激光視覺傳感器基于三角測量原理獲取焊縫的三維信息[34]，其圖像處理過程簡單、抗干擾能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，會(huì)產(chǎn)生視覺超前誤差[35]。激光視覺傳感器實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤的基本過程如圖15所示。

圖15 激光視覺傳感器跟蹤焊縫的過程

常規(guī)激光視覺傳感器由激光二極管、CCD攝像機(jī)和聚光鏡組成[36]，其工作原理如圖16所示。在進(jìn)行焊縫跟蹤時(shí)，激光被投射到工件表明形成一個(gè)激光條紋，CCD攝像機(jī)對(duì)其進(jìn)行采集與圖像處理，通過分析得到焊縫中心線的位置[37]。

Borer等[38]提出一種基于激光位移傳感器的焊縫跟蹤算法，有效解決了不規(guī)則工作空間中對(duì)接焊縫的檢測問題。

Olli等[39]研制了一套由視覺傳感器、圖像處理等模塊組成的激光視覺系統(tǒng)，用于焊接過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測與焊后質(zhì)量檢測。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能很好地進(jìn)行焊接接頭幾何特征的測量和焊縫跟蹤，系統(tǒng)實(shí)物如圖17所示。

圖16 激光視覺傳感器工作原理

圖17 激光視覺系統(tǒng)[39]

Zhang等[40]針對(duì)大型拼接焊縫提出一種基于三線結(jié)構(gòu)光的激光視覺識(shí)別方法。實(shí)驗(yàn)表明，該方法抗干擾能力強(qiáng)，獲取信息量豐富，且能準(zhǔn)確計(jì)算焊縫偏差，為實(shí)時(shí)焊縫跟蹤奠定了基礎(chǔ)。Hou等[34]研究了一種基于激光視覺傳感系統(tǒng)的機(jī)器人熔化極氣體保護(hù)焊的焊接方法，對(duì)V形坡口和角焊縫進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究表明，該系統(tǒng)的控制精度適用于大多數(shù)機(jī)器人焊接應(yīng)用，其激光視覺傳感器結(jié)構(gòu)如圖18所示。

Li等[41]針對(duì)復(fù)雜箱梁結(jié)構(gòu)的機(jī)器人焊接，提出了一種基于激光掃描位移傳感的焊縫軌跡識(shí)別方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)4種典型的空間不連續(xù)焊縫的分類準(zhǔn)確率為100%，焊縫軌跡檢測與分類的總處理時(shí)間不超過65 ms，大大提高了焊接效率和質(zhì)量穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)[42]基于激光視覺傳感器開發(fā)了一套用于多道焊的弧焊機(jī)器人自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性，系統(tǒng)的工作原理如圖19所示。

圖18 激光視覺傳感器結(jié)構(gòu)[40]

李東潔等[43]提出了一種基于激光視覺的焊縫實(shí)時(shí)檢測技術(shù)，能有效縮短特征點(diǎn)的檢測時(shí)間，且具有較高的檢測精度。Zhang等[44]針對(duì)畸變網(wǎng)格結(jié)構(gòu)激光特征點(diǎn)提取的特點(diǎn)，提出了一種利用光柵結(jié)構(gòu)激光進(jìn)行視覺傳感的方法，通過檢測和掃描實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法可行有效。

Huang等[45]提出一種基于激光視覺傳感器的雙面焊縫跟蹤與誤差補(bǔ)償控制算法，并建立了基于多軸數(shù)控機(jī)床的雙光束激光焊接平臺(tái)，對(duì)T形接頭的焊接實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可在高速雙面焊接中實(shí)現(xiàn)高精度的動(dòng)態(tài)偏差補(bǔ)償，雙激光束雙面焊接示意如圖20所示。

Zhao等[46]基于結(jié)構(gòu)光視覺傳感提出了一種激光條紋檢測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)計(jì)了一種單線結(jié)構(gòu)光視覺導(dǎo)航傳感器。在車載平臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以消除反射噪聲和霧度噪聲的干擾，在復(fù)雜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)激光條紋區(qū)域的高魯棒性提取。

Zou等[47]開發(fā)了一套基于激光視覺的焊縫跟蹤系統(tǒng)，對(duì)直線或曲線焊縫的平均絕對(duì)跟蹤誤差可控制在0.25 mm內(nèi)，滿足高質(zhì)量的焊接要求，焊接工作站如圖21所示。

Jia等[48]設(shè)計(jì)了一種基于激光視覺傳感器的機(jī)器人相貫焊縫實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)和分析結(jié)果表明，該跟蹤系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好、精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，能夠滿足焊接要求。

圖21 激光焊接工作站[47]

5 其他傳感技術(shù)

近些年，隨著對(duì)傳感技術(shù)研究的不斷深入，以超聲、紅外等為代表的傳感技術(shù)在焊接機(jī)器人中得到越來越多的應(yīng)用[49]，復(fù)合傳感技術(shù)的出現(xiàn)也為焊縫跟蹤的研究提供了新的方向[50]。

Michael等[51]將紅外傳感應(yīng)用于大型SLS(selective laser sintering)零件的焊接工藝中，獲得了較高的焊縫強(qiáng)度。Xue等[52]介紹了超聲波和CCD雙傳感器技術(shù)在水下焊縫跟蹤中的應(yīng)用；Tannous等[53]提出一種基于觸覺傳感的焊縫跟蹤技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)焊縫位置的準(zhǔn)確檢測，機(jī)械臂末端執(zhí)行器與稱重傳感器軸如圖22所示。

Nilsen等[54]介紹了一種用于對(duì)接焊縫間隙寬度測量的雙傳感系統(tǒng)，主要由一臺(tái)CMOS(complementary metal oxide semiconductor)相機(jī)和一臺(tái)集成激光束的微型光譜儀構(gòu)成，焊接實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠給出很好的聯(lián)合間隙寬度估計(jì)，雙傳感測量原理如圖23所示。

Wang等[55]將電磁傳感器應(yīng)用于電弧焊縫跟蹤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了焊接質(zhì)量在線檢測，且焊縫跟蹤精度顯著提高。Zhu等[56]開發(fā)了一種基于紅外視覺傳感的擺動(dòng)電弧窄間隙焊縫偏差檢測系統(tǒng)，提高了偏差檢測的精度。

Yu等[57]研制了一種基于表面溫度分析的紅外傳感系統(tǒng)，用于監(jiān)測熔化極惰性氣體保護(hù)焊(melt inert-gas welding，MIG)中產(chǎn)生的擾動(dòng)并識(shí)別焊接缺陷；同時(shí)，設(shè)置了三種具有代表性的幾何缺陷(咬邊、駝峰與未熔合)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，系統(tǒng)有效可行，其實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖24所示。

圖22 觸覺跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[53]

圖23 雙傳感測量原理[54]

圖24 MIG焊紅外監(jiān)測系統(tǒng)[57]

彭瑤[58]設(shè)計(jì)了新型的復(fù)合式磁控電弧傳感器，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了傳感器實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤的可行性，其實(shí)物如圖25(a)所示。Zhang等[59]針對(duì)機(jī)器人GTAW研制了一種基于視覺和電弧傳感的復(fù)合傳感器，對(duì)三維曲線焊縫的跟蹤效果良好，傳感器實(shí)物如圖25(b)所示。

Lei等[60]對(duì)位移和角度傳感器進(jìn)行了改進(jìn)，研制了一種基于位移和角度復(fù)合傳感方式的檢測補(bǔ)償跟蹤系統(tǒng)，可對(duì)焊縫軌跡的左右和上下偏差進(jìn)行跟蹤檢測，偏差的平均誤差分別為0.181 7 mm和0.144 9 mm，滿足焊接的精度要求，跟蹤系統(tǒng)與復(fù)合傳感器分別如圖26(a)、圖26(b)所示。

圖25 復(fù)合傳感器

圖26 檢測-補(bǔ)償跟蹤單元[60]

6 總結(jié)與展望

焊接機(jī)器人在先進(jìn)制造業(yè)中應(yīng)用廣泛，焊縫跟蹤的精度和實(shí)時(shí)性是評(píng)價(jià)焊接質(zhì)量的重要指標(biāo)。焊縫跟蹤以傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，傳感器在機(jī)器人焊接過程中作用重大，近年來應(yīng)用廣泛。未來焊縫跟蹤技術(shù)可考慮以下幾個(gè)研究方向。

(1)為解決單一傳感器的信號(hào)可靠性和穩(wěn)定性不足的問題，可考慮將多傳感器的信息融合技術(shù)應(yīng)用于焊縫跟蹤研究。

(2)通過傳感器測量熔池的幾何形狀，以用于焊縫跟蹤和焊縫檢測。為提高機(jī)器人焊接技術(shù)的焊接質(zhì)量，在焊接強(qiáng)度、焊縫熔深、焊縫形狀和尺寸、長距離焊縫均勻性、氣孔和裂紋等方面有進(jìn)一步研究的空間。

(3)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)應(yīng)用于焊接過程控制和焊接質(zhì)量檢測，如結(jié)合焊接參數(shù)和熔池形態(tài)特征的多信息融合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測焊縫的幾何特征，融合深度學(xué)習(xí)和計(jì)算機(jī)圖像處理方法來量化焊縫狀態(tài)，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)焊縫狀態(tài)進(jìn)行語義分割等。從而得到最佳的傳感器參數(shù)、焊接參數(shù)以及機(jī)器人參數(shù)等。