机器人焊接智能化技术（二）

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　　5.焊接熔池动态过程的视觉传感、建模与智能控制技术

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　　机器人焊接的高质量关键在于实现对于焊接动态过程的有效精确的控制。由于焊接过程的复杂性，实践表明经典的控制方法有效性受到较大的限制。受熟练焊工操作技艺的启发，近年来，模拟焊工操作的智能控制方法已被引入焊接动态过程，主要涉及熔池动态视过程的视觉传感、建模与智能控制。

　　5.1焊接过程的传感技术

　　焊接过程的传感，是实现焊接过程质量控制的关键环节。未来焊接发展的趋势是焊接自动化、机器人化及智能化，而传感技术是这一发展中最重要的部分。焊接传感器按其使用目的可分为测量和检测操作环境、检测和监控焊接过程两大类。在传感原理方面，主要分为声学、力学、电弧、光学传感等。

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　　声学传感器主要用于GMAW过程熔滴过渡的检测、等离子穿孔焊等。力学传感主要指近年来发展起来的熔池振荡法。电弧传感器由于直接检测电弧自身的特性(电流，弧压)，不需要外加传感器以及外加传感器所需的保护和去噪装置，使应用变得简单。目前的应用领域主要是焊缝跟踪和熔敷控制。与其它传感方法相比，光学传感器不与焊接回路接触，信号的检测不影响正常焊接过程，是将来最有发展前景的传感技术之一。利用焊接区的红外热辐射传感焊接过程信息是光学传感中一种自成体系的方法，这方面的研究成果也较多[16]。

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　　5.2焊接熔池的视觉传感

　　对于焊接过程，直接视觉是一种最好的非接触式传感形式。直接视觉传感技术的主要优点是不接触工件，不干扰正常的焊接过程，获取的信息量大，通用性强。并且由于它可以得到焊接过程动态熔池的二维或三维信息，与其它焊接过程信息检测方法相比，这种方法检测到的熔池信息直接反映焊接过程熔化金属的动态行为，更适合焊接过程的质量控制。

　　直接视觉传感在焊接中的应用包括离线确定被焊工件的位置；在线补偿由于固定精度、机器人各部分的容差、焊接过程中的焊件变形引起的焊接路径偏差；焊接过程控制中的焊接接头和熔池几何形状的实时传感；熔滴过渡形式的监测等。

　　近年来，随着计算机视觉技术的发展，利用机器视觉正面直接观察焊接熔池，通过图象处理获取熔池的几何形状信息对焊接质量进行闭环控制，已成为重要的研究方向[17-21]。根据视觉检测系统中成像光源是辅助光源还是焊接区自身产生的光源，直接视觉检测系统可分为主动式和被动式两大类。

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　　(1)主动式直接视觉传感

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　　为了减小弧光对图象质量的影响，主动式直接视觉检测方法采用激光等辅助光源对焊接区进行人工照明，以提高图象的质量。由于激光具有单波长，方向性好，相干性好等特点，所以采用激光作为辅助光源可以获得较清晰的图象。主动视觉由于其所需设备较为昂贵，系统较为复杂，常常限制了其应用推广。这里不作详细介绍。可见文[14，15]的参考文献。

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　　(2)被动式直接视觉传感

　　目前作为焊接过程视觉图象传感的一种实用技术，研究较多的是不另加辅助光源，而是利用弧光本身照明焊接区，即被动式直接视觉检测方法。

　　对被动式直接视觉传感较为深入的研究起步于八十年代中期，国内外研究工作者曾直接利用电弧光照射熔池前方的工件间隙获取焊接区焊缝信息，根据熔池前方不同远近处电弧光强度的闪烁来实现焊接过程中的焊缝跟踪；利用带有CCD摄像机的微型计算机控制系统对脉冲MIG/MAG焊熔池行为进行了观察和控制的研究；美国Ohio大学开发了一套放置在焊炬内部与电极同轴观测焊接熔池的集成化视觉传感系统，在TIG焊熔池观察和MIG焊焊缝跟踪等方面进行了初步的研究。

　　文献[19]设计了熔池正反两面视觉图象同时同幅传感系统图3，获得了脉冲GTAW熔池正反两面的清晰图象图4，并对图象二维特征尺寸提取进行了较深入的研究。

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　　文献[21]在上述系统的基础上，获取了脉冲GTAW填丝熔池图象图5。并对图象进行了三维形状特征恢复的处理算法研究。文献[19-21]的结果可以认为是近期计算机视觉传感技术在焊接熔池动态过程中的较为系统和成功应用研究工作。

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