焊接切割联盟【金属加工杂志】焊缝跟踪技术的发展与应用现状

1 序言
在现在的焊接生产过程中，不同的产品通常需要特定的焊接设备及工装夹具，需要设计不同类型的生产线及生产流程，即便是同类的产品，由于型号不同，通常也需要更换工装夹具。同时由于工件在组对过程中存在组对误差，加工过程存在加工误差，所以会导致实际焊接的工件与设计图样存在差异，工件一致性较差，对于机器人焊接来说简单的示教通常存在较大的误差。在焊接过程中的热形变也会引起误差，造成焊接缺陷。以上问题在一般工业生产中普遍存在，这就需要焊接自动化生产线具有精确定位工件和纠正偏差的能力，同时在焊接过程中能够对焊缝实时检测，调整焊接的路径，纠正焊接的偏差，保证焊接的质量，这样也可以大幅降低操作人员的工作量，提高焊接效率，降低制造成本，实现智能的柔性制造。
2 焊缝跟踪技术的发展历程
智能焊接的一个关键技术就是实现工件及焊缝的自动定位及实时跟踪。早期，由于检测及计算机相关基础技术落后，焊缝定位及跟踪技术难以实现，工厂通常只能设计生产精密的夹具，同时对装配环节提高要求，但是对于小批量生产，这种方式通常难以实现。
自20世纪70年代开始，焊缝定位及检测技术有了一定的发展。主要有两个方面的进展，一方面是发展了机械式的接触式仿形跟踪。机械仿形跟踪使用时间久后存在磨损问题，同时精度较低，在应用上存在较大的限制，通常应用于对焊接精度要求较低的场景。另一方面研究人员基于电弧传感的原理，实现了电弧实时跟踪及焊丝碰触寻位，但是电弧跟踪通常要求焊接工件为角焊缝，而且需要使用摆动焊接，这些问题也限制了电弧跟踪的使用范围。由于早期受到计算机技术的制约，数据处理能力达不到要求，非接触的焊缝跟踪技术发展比较缓慢，无法达到实时检测及实时跟踪的需求。 2000年后，随着信息技术与嵌入式处理技术的发展，传感器技术与图像处理技术的进步，国外研究人员在非接触实时跟踪领域取得了很大的进展，并形成了产品化的能力。 2010年后我国的企业、学校及科研机构对于非接触的焊缝跟踪技术逐渐开展了深入的研究和开发，同时随着机器人应用的成熟与普及，焊缝跟踪技术取得了突破性的发展，并逐渐走向成熟。
3 焊缝跟踪技术的应用现状
在实际焊接行业中，由于机械式接触传感技术存在精度差易、磨损的问题，应用已经较为少见。目前在实际使用中最为广泛的是非接触式的电弧跟踪及基于视觉传感器的跟踪方法。
（1）电弧跟踪电弧跟踪的基本原理是检测焊接电流和电弧电压的变化，来表达电弧长度的变化，从而推算焊枪与焊缝的相对高度及与焊接坡口的相对位置关系，通过焊接执行机构的实时调节，实现焊接过程中的实时电弧跟踪。但是在实际中电弧长度与焊接电流、电弧电压之间的精准数学模型难以确定，特别是在熔化极电弧焊接过程中，焊接坡口的准确尺寸也难以在线实时检测，以及电弧跟踪需要角接焊缝、摆动焊接等限制条件，因此电弧实时跟踪的应用具有较大的局限性。

本文插图
图1 激光焊缝跟踪器
在实际自动焊接过程中，激光焊缝跟踪器的作用是对焊缝做精确的定位。一个完整的焊缝检测跟踪系统通常由激光结构光传感器、控制器及执行机构组成，它们构成了一个完整的闭环控制系统，实现了检测、计算和执行的功能。在实际使用中执行机构有可能是由伺服电动机、直线导轨滑台组成的焊接专机，也可能是焊接机器人。控制器一般为工控机或FPGA、DSP等嵌入式处理器。除此以外，一般还包括焊接电源、工装夹具及上下料机构等。机器人自动焊接工作站就是一种典型的应用，首先通过视觉传感器寻位确定工件及焊缝的位置，修正真实焊缝的焊接起始位置，在焊接过程中启动实时跟踪，通过实时的控制机器人不断修正机器人的焊接轨迹，达到准确的自动焊接（见图2）。目前常用的跟踪控制方式有无标定的模糊跟踪、标定实时跟踪、寻位及跟踪+寻位方式。无标定的模糊跟踪不需要精确标定实时检测焊枪与焊缝的偏差，并实时地做趋势微调控制。标定实时跟踪检测的是焊缝的实际绝对位置，同时控制焊枪运动到焊缝的实际绝对位置。寻位方式指焊接时不实时跟踪，在焊接前通过两点或多点寻位确定当前焊缝或工件的位置，提前修改执行机构的运动轨迹，从而实现精确的焊接。跟踪+寻位方式则是标定实时跟踪与寻位方式的结合。