基于視覺系統(tǒng)的激光熔焊糾偏工藝改進(jìn)研究

胡崇興 付隴德 孟彥冠

浙江吉利汽車有限公司張家口分公司 河北省張家口 075000

某工廠白車身頂蓋激光焊工位采用的焊接工藝為激光熔焊，使用Seamtracker焊縫跟蹤系統(tǒng)對(duì)焊接過程中的激光光斑位置進(jìn)行實(shí)時(shí)糾正來保證焊縫的成型質(zhì)量。該系統(tǒng)由二極管線型激光發(fā)生器與CCD相機(jī)組成其視覺系統(tǒng)。通過視覺系統(tǒng)測(cè)量得到的偏差量反饋給伺服電機(jī)進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié)，焊接激光的準(zhǔn)直、聚焦鏡組由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)使得激光焦點(diǎn)始終跟隨焊縫。

該系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理如下：

如圖1所示，二極管激光器發(fā)射一束線型激光以45度角投射在焊縫所在平面，搭接焊縫兩側(cè)由于存在板件落差，這束線型激光會(huì)有位錯(cuò)的投影在上下兩層板件上，利用與準(zhǔn)直鏡組同軸的CCD相機(jī)從板件法線方向觀察焊縫時(shí)就會(huì)觀察到如圖2所示的兩條有位錯(cuò)的激光線，產(chǎn)生位錯(cuò)的地方即為焊縫所在位置。

在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，CCD相機(jī)以100FPS的幀率采集線型激光束在焊縫平面上的投影線段形成的圖像。圖3為相機(jī)采集到的一幀圖像，該圖像中綠色 對(duì)應(yīng)相機(jī)的視野中心，也就是實(shí)際的激光焦點(diǎn)的位置。系統(tǒng)以此點(diǎn)為原點(diǎn)，橫向?yàn)閄軸，縱向?yàn)閅軸建立了一個(gè)坐標(biāo)系（圖中相互垂直的細(xì)白線為輔助線）?；ュe(cuò)線段端部的位置在該坐標(biāo)系中Y向的坐標(biāo)值即可代表當(dāng)前焊縫與實(shí)際光斑的偏差量。

系統(tǒng)以此偏差量負(fù)反饋給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏡組傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，將光斑糾正到實(shí)際焊縫所在位置，并在整個(gè)焊接過程中實(shí)時(shí)糾正使光斑始終跟隨焊縫。

圖1 線型激光成像原理

圖2 焊接時(shí)相機(jī)采集到的圖像

圖3 線型激光成像原理

1 問題描述

由于車間生產(chǎn)的車型的頂蓋在搭接位置有一折邊，故線型激光在焊縫處形成的兩條位錯(cuò)線段并不是相互平行的，投射在頂蓋的一段線激光與縱向存在一定的傾斜。該傾斜會(huì)導(dǎo)致在焊縫偏差較大的時(shí)候，圖像處理在定位傾斜的激光線時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，使系統(tǒng)停機(jī)。無偏差和偏差較大時(shí)捕捉到的圖像見圖4、圖5所示。

因此在機(jī)器人定位至其焊接起始位置前，要將焊縫的偏差量先輸入給機(jī)器人對(duì)其硬軌跡點(diǎn)進(jìn)行糾偏。保證在視覺系統(tǒng)介入之前焊縫與激光焦點(diǎn)位置的偏差在1mm范圍內(nèi)。原有系統(tǒng)使用一個(gè)距離傳感器作為測(cè)量工具測(cè)量頂蓋偏差，在實(shí)際使用過程中經(jīng)常會(huì)出錯(cuò)，主要有兩個(gè)問題：一是在起始點(diǎn)時(shí)找不到焊縫，需要設(shè)備操作人員進(jìn)行二次測(cè)量后才能焊接，該問題對(duì)激光焊設(shè)備開動(dòng)率造成較大影響；二是焊接過程中出現(xiàn)斷焊，斷焊車輛需要下線后待生產(chǎn)結(jié)束后再上線從斷焊處重新編輯焊接軌跡后才能進(jìn)行焊接，且兩次焊縫中間留下的一段焊縫需要人工補(bǔ)焊，該問題對(duì)車間FTT及DPU指標(biāo)造成了一定的影響。

2 原因分析

原有測(cè)量系統(tǒng)偏差量的采集使用的是一個(gè)距離傳感器，當(dāng)其檢測(cè)到距離達(dá)到一定值時(shí)便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)開關(guān)量，機(jī)器人通過中斷來監(jiān)控該開關(guān)量的變化，當(dāng)其由0→1時(shí)機(jī)器人進(jìn)入中斷程序，停在開關(guān)量發(fā)生變化的位置，并記錄該位置時(shí)機(jī)器人的坐標(biāo)，比較得出與標(biāo)定車坐標(biāo)的偏差量，機(jī)器人利用該偏差量對(duì)硬軌跡進(jìn)行糾偏。

使用該原理進(jìn)行硬軌跡糾偏時(shí)，需要選取一存在較明顯高差的位置用于觸發(fā)傳感器的變化信號(hào)。在該車型的應(yīng)用中，僅有頂蓋R角處存在一定的高差，因此選取了圖六中R角上的A點(diǎn)作為特征點(diǎn)。但由與該點(diǎn)處的高差變化不是特別明顯，從而導(dǎo)致使用該原理測(cè)量出的偏差量與實(shí)際偏差量不符。硬軌跡利用該偏差量調(diào)整后與實(shí)際焊縫依然存在較大偏差，在視覺系統(tǒng)進(jìn)行糾偏時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤，見圖6。

圖6 偏差量測(cè)量點(diǎn)示意圖

3 改進(jìn)措施

由于現(xiàn)場(chǎng)使用的視覺系統(tǒng)具備將其檢測(cè)到的偏差量通過總線傳輸給機(jī)器人的功能，因此將焊前糾偏測(cè)量原理更改為直接使用視覺系統(tǒng)對(duì)圖六中頂蓋切邊處的B點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，將偏差量傳輸給機(jī)器人作為糾偏的偏差量輸入。該點(diǎn)在視覺成像時(shí)特征非常明顯，所以檢測(cè)該點(diǎn)的準(zhǔn)確度很高，不會(huì)出現(xiàn)測(cè)量值錯(cuò)誤的問題?？梢杂行У谋苊馐褂镁嚯x傳感器測(cè)量偏差量時(shí)帶來的問題。

3.1 圖像處理過程的優(yōu)化

焊縫跟蹤時(shí)使用的圖像處理過程為：分別從左右兩側(cè)尋找位錯(cuò)線段的左右邊界，然后以此邊界一定距離劃定一條形區(qū)域后分別向上或向下尋找位錯(cuò)線段的端部。該處理方法在糾偏過程中由于存在問題描述部分提出的問題，在偏差較大的情況下無法正常測(cè)量，導(dǎo)致測(cè)量失敗。因此筆者參考該圖像處理過程重新建立了用于糾偏使用的圖像處理過程。

如圖x所示，將原有從兩側(cè)分別尋找頂蓋和側(cè)圍上投影線段的過程改為只從左側(cè)尋找側(cè)圍上在圖像中豎直的線段。具體過程為先從紅框左側(cè)開始向右尋找明暗交界位置即線型激光在側(cè)圍上的投影線段，然后以找到的線段左側(cè)向右一定距離設(shè)置一個(gè)向上尋找線段端部的條形區(qū)域，而后在此區(qū)域內(nèi)尋找明暗交界位置即焊縫實(shí)際位置所對(duì)應(yīng)的投影線段的端部，該位置在圖像坐標(biāo)系中的Y值即為實(shí)際焊縫與示較焊縫的偏差量。

圖7 糾偏測(cè)量時(shí)的圖像處理過程

3.2 視覺系統(tǒng)與機(jī)器人數(shù)據(jù)通訊的建立

視覺系統(tǒng)可以將圖像處理結(jié)果通過總線傳輸給機(jī)器人，在機(jī)器人IO配置中將視覺系統(tǒng)測(cè)量偏差量的輸出端口與機(jī)器人的端口進(jìn)行配置，如圖8所示。

圖8 端口配置及信號(hào)定義

3.3 程序應(yīng)用流程

本次改進(jìn)只針對(duì)偏差量的測(cè)量方式進(jìn)行了優(yōu)化，原有測(cè)量程序未做大的改動(dòng)，其程序應(yīng)用流程簡(jiǎn)介如下：

（1）在焊縫前后端選取兩點(diǎn)作為糾偏測(cè)量的測(cè)量點(diǎn)；

（2）示教糾偏測(cè)量軌跡使得視覺系統(tǒng)在測(cè)量點(diǎn)處的偏差量在0.1mm以內(nèi)；

（3）示教焊接軌跡，保證在每一軌跡點(diǎn)處視覺系統(tǒng)偏差值在0.1mm以內(nèi)；

（4）示教完成后開始焊接時(shí)首先測(cè)量前后兩端的偏差量，使用該偏差量對(duì)焊接軌跡的坐標(biāo)系進(jìn)行運(yùn)算，以實(shí)現(xiàn)硬軌跡的糾偏。

3.4 實(shí)施效果

如圖9所示在實(shí)施改進(jìn)方案后，有效的避免了造車過程中由于測(cè)量失敗或焊接中途斷焊導(dǎo)致的故障停線，提高了激光焊設(shè)備的開動(dòng)率。焊縫可以一次焊接完成，減少了該問題導(dǎo)致的問題車的返修工作量。在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

圖9 激光焊工位停線時(shí)間統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)語

本次工藝優(yōu)化通過對(duì)原有糾偏算法原理進(jìn)行剖析后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工況改進(jìn)了新的頂蓋糾偏的運(yùn)行原理。使得頂蓋糾偏的準(zhǔn)確性顯著增加，減少了頂蓋糾偏錯(cuò)誤對(duì)制造過程帶來的不利影響。