摘要：對于空間位置的金屬結構件焊接，焊槍相對于工件(焊接坡口)的位置和姿態直接影響焊縫成形質量。焊槍的最優相對位姿由焊縫(接頭)所在平面的絕對空間姿態、焊接坡口的特征尺寸參數確定。簡要分析了視覺傳感在焊接領域的研究與應用，總結了焊槍空間姿態檢測常用方法。在此基礎上，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系統，該系統可實現對焊縫(接頭)所在平面的絕對空間姿態、焊槍相對于該平面的相對位置和姿態以及焊接坡口特征尺寸參數的檢測，進而實現未知姿態平面內的復雜空間焊縫(接頭)的檢測與跟蹤及焊槍姿態控制。最后展望了基于視覺與重力傳感信息融合的組合式檢測系統在曲面工件復雜空間焊縫(接頭)焊接中的研究和發展應用前景。
關鍵詞：視覺傳感;重力傳感;空間姿態;焊接坡口;特征尺寸;檢測與控制
0 前言
實施自動化和智能化焊接的機器人，按照機器人操作和實施焊接的模式可分為三大類。其一為“示教-再現”型：根據工作臺上所裝夾被焊工件的焊接坡口類型及所在位置和姿態，操作者首先對機器人進行在線編程和人工示教，然后機器人復現規劃的焊槍運動軌跡與姿態，按預設的工藝參數完成焊接任務;其二為“離線編程”型：機器人通常搭載有數控和編程系統，根據被焊工件的設計參數(包括焊接接頭所在位置和坡口類型)及預期的裝夾位置和姿態，操作者預先離線編寫對應的機器人運動和焊槍姿態控制程序，并設定對應的焊接工藝參數，然后，機器人自動控制焊槍完成固定軌跡和姿態的運動，按設定的焊接工藝參數完成預設的焊接任務;其三為“智能”型：機器人搭載多種傳感器(系統)，在對焊接作業環境、焊接接頭位置和坡口類型等進行在線檢測后，根據作業環境與工藝需要，對焊槍的運動軌跡和姿態、焊接工藝參數等進行自動設定、實時反饋調整和控制，進而完成焊接任務，具有較高的適應性[1]。
目前，全球大量應用的焊接機器人絕大部分屬于“示教-再現”或“離線編程”型。在初次設定焊接工藝參數或編寫程序后，它們能夠高效地完成批量性焊接作業任務。然而，對于小規模、甚至單件焊接生產制造，繁復的編程需求使得這2種類型的機器人焊接完全失去效率上的優勢;并且，當被焊工件及其坡口存在加工或裝配誤差、在焊接過程中產生熱變形時，對焊縫成形質量、焊接工藝過程及電弧燃燒穩定性等會產生不利(甚至嚴重)影響，因此，他們在焊接領域的應用存在一定的局限性。
“智能”型焊接機器人通常具備對焊接坡口的類型、空間位置和姿態的在線檢測和跟蹤能力，以及對焊槍的空間位置和姿態的實時檢測和控制功能，與“示教-再現”或“離線編程”配合，既可以滿足批量生產的高效率要求，又能有效保證焊接工藝過程和電弧燃燒的穩定性，確保焊縫成形質量。進一步的發展方向為：摒棄“示教-再現”或“離線編程”，僅依靠各類傳感器(系統)對焊接作業環境的全面在線檢測，即可實現對焊槍運動軌跡和姿態的調整和控制，并據此自動確定相應的焊接工藝參數，從而滿足單件(包括存在各類誤差的批量工件)焊接的質量要求。因此，智能型焊接機器人逐漸成為研究與應用主流。
對于復雜金屬結構件的空間(全)位置焊接，除了焊接電流(送絲速度)與電弧電壓外，焊槍相對于工件(焊接坡口)的空間位置與姿態(位姿)對焊縫的成形質量也有重要影響[2]。焊接實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空間姿態決定。例如，在平焊、立焊與橫焊等工況下，所需的焊槍相對于焊接接頭或坡口的傾斜情況是不同的。因此，為了實現實時調整和控制焊槍相對于工件(焊接坡口)的空間位置與姿態(位姿)，對焊接接頭絕對空間姿態的在線檢測至關重要。另外，對于復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熱變形，導致需要對焊接坡口的特征參數進行在線實時檢測，并對焊槍相對于工件(焊接坡口)的空間位姿進行實時反饋控制。這些都是前2種類型的焊接機器人無法實現的，而傳感器的應用使得“智能”型焊接機器人具備更多的研究價值與發展應用前景。
在“智能”型焊接機器人搭載的多種傳感器中，視覺傳感器占主導地位。根據光源的不同，視覺傳感器可分為被動視覺與主動視覺2大類。被動視覺的光源來自于周圍環境，雖然具有系統構成相對簡單的優勢，但弧光、飛濺等會產生嚴重干擾，影響其檢測精度和可靠性;而主動視覺通常采用激光結構光作為光源，由于激光單色性好，配合相應的濾光片，可使主動視覺具有良好的檢測穩定性和可靠性。根據用于獲取目標信息的相機的數量，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多幅圖像進行處理，實時性受到較大影響，且視覺傳感器體積較大;與之相對，單目視覺的圖像處理量少，具有良好的實時性，但存在檢測信息不完整的問題。為此，引入激光結構光技術，既可以保持良好的傳感實時性，又可以保證關鍵待測信息不丟失。
文中簡要介紹了視覺傳感在焊接領域的研究和應用現狀，對目前的焊槍和工件空間姿態檢測方法進行深入分析，指出其不足和發展空間;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)空間姿態檢測的最新研究進展;展望了視覺傳感器在復雜結構件空間焊接的潛在應用和發展方向。
1 焊接領域的視覺傳感研究與應用
以視覺傳感為基礎，針對已知平面內的簡單直線或規則曲線焊縫的焊接坡口檢測與焊縫跟蹤系統的研究和應用最為成熟，其技術關鍵在于檢測算法、圖像處理及控制策略的精度與效率。
Shen H[3]設計了一種無需“示教-再現”的焊接實時跟蹤系統，利用視覺傳感裝置和雙層濾波系統，通過采集不同焊接電流水平下清晰的焊接圖像，結合焊接圖像的投影處理算法，進而實現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。Kim J S[4]采用2種不同的視覺處理算法，對焊接接頭的輪廓數據進行提取，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檢測，耗時約0.3 s，實現了對接、搭接、圓角和V形4種不同類型焊縫的檢測與自動焊接。Luo H[5]以建立正確的焊接坡口(焊縫)輪廓為基礎，研制出具有焊接起始點自動定位、焊接接頭位置和坡口尺寸自動標定和檢測以及跟蹤控制等功能的自動化焊接系統，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構光視覺引導的焊縫跟蹤系統試驗平臺(見圖1)，引入線結構光視覺測量模型與Eye-in-hand式手眼系統模型，并通過設定弓高誤差，進而控制過渡圓弧相對于焊縫的跟蹤精度，保證了平面曲線焊縫軌跡的跟蹤精度，其跟蹤精度可達0.05 mm。
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