時(shí)間:2010-04-30 17:36:37來(lái)源:yangliu
摘要:簡(jiǎn)要介紹了激光視覺(jué)傳感的發(fā)展及其工作原理,綜述了近幾年激光視覺(jué)傳感技術(shù)在數(shù)字化、抗反光、焊縫檢測(cè)、雙傳感、集成化、小型化和網(wǎng)絡(luò)化等方面的最新進(jìn)展及應(yīng)用。這些新技術(shù)將為自動(dòng)化焊接制造過(guò)程提供一些新的解決方案或思路。
簡(jiǎn)單地說(shuō),焊接的操作過(guò)程就是控制能量或熱源作用在兩塊或多塊材料上,使之形成一個(gè)完整的接頭。例如,對(duì)電弧焊來(lái)說(shuō),其操作過(guò)程是由人、機(jī)器人或?qū)S脵C(jī)器把持焊槍?zhuān)砸欢ǖ乃俣妊刂缚p運(yùn)動(dòng),同時(shí)以一定的工藝參數(shù)施加能量。除了正確的工藝參數(shù)外,焊槍是否準(zhǔn)確地跟蹤焊縫是保證焊接質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。
手工或半自動(dòng)焊接是依靠操作者肉眼的觀察和手工的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫的跟蹤。對(duì)于機(jī)器人或自動(dòng)焊接專(zhuān)機(jī)等全自動(dòng)化的焊接應(yīng)用,主要靠機(jī)器的編程和記憶能力、工件及其裝配的精度和一致性來(lái)保證焊槍能在工藝許可的精度范圍內(nèi)對(duì)準(zhǔn)焊縫。通常,機(jī)器的重復(fù)定位精度、編程和記憶能力等已能滿足焊接的要求。然而,在很多情況下,工件及其裝配的精度和一致性不易滿足大型工件或大批量自動(dòng)焊接生產(chǎn)的要求,其中還存在因過(guò)熱而導(dǎo)致的應(yīng)力和變形的影響。因此,一旦遇到這些情況,就需要有自動(dòng)跟蹤裝置,用來(lái)執(zhí)行類(lèi)似于手工焊中人眼與手的協(xié)調(diào)跟蹤與調(diào)節(jié)的功能。
在諸多焊接過(guò)程信息傳感方法中,視覺(jué)方法是當(dāng)前公認(rèn)的信息量最大、效果最好的傳感方法。早在20 世紀(jì)80 年代初,國(guó)內(nèi)外的很多研究人員就已開(kāi)始研究視覺(jué)傳感方法,包括以電弧光為光源的被動(dòng)視覺(jué)傳感和采用激光輔助照明的主動(dòng)視覺(jué)傳感。被動(dòng)視覺(jué)方法中,電弧本身就是監(jiān)測(cè)位置,沒(méi)有因熱變形等因素所引起的超前檢測(cè)誤差,能夠直接獲取焊縫接頭和熔池的信息,有利于焊接質(zhì)量的自適應(yīng)控制。然而,直接觀測(cè)易受到電弧的嚴(yán)重干擾,至今還沒(méi)有成熟的工業(yè)應(yīng)用的報(bào)道。因而,主動(dòng)光視覺(jué)特別是基于激光三角測(cè)量原理的結(jié)構(gòu)光或掃描方法已成為目前焊接工業(yè)應(yīng)用中主要的視覺(jué)傳感方法。激光視覺(jué)傳感的最大特點(diǎn)是能夠獲取焊縫截面的精確幾何形狀和空間位置的信息,適合實(shí)時(shí)焊縫跟蹤和自適應(yīng)工藝參數(shù)控制。
二、激光視覺(jué)傳感的新進(jìn)展及其應(yīng)用
目前,已在焊接中應(yīng)用的激光視覺(jué)傳感器主要有掃描和結(jié)構(gòu)光兩種形式。掃描方式主要有線形掃描和圓形掃描,其中圓形掃描的圖像處理方式要復(fù)雜一些。相對(duì)而言,對(duì)于反光的處理,掃描方式比結(jié)構(gòu)光方式要容易。此外,掃描方式傳感器的視場(chǎng)深度大,可達(dá)280mm或更大。但受到掃描激光斑點(diǎn)的影響,掃描激光傳感器的精度,尤其是橫向分辨率相對(duì)較低,通常>0.3mm。同時(shí),受機(jī)械掃描的影響,掃描速度不高。掃描式激光傳感器大多只用于大厚度工件的焊縫跟蹤和自適應(yīng)控制。在高精度和高速度跟蹤或檢測(cè)中應(yīng)用的激光視覺(jué)傳感器大多為結(jié)構(gòu)光方式的傳感器。因此,以下主要以ServoRobot Inc . ( 賽融公司) 的新技術(shù)為例介紹激光視覺(jué)傳感器的新近進(jìn)展及應(yīng)用情況,其主要進(jìn)展體現(xiàn)在數(shù)字化、抗反光、焊縫檢測(cè)、雙傳感、多層焊、集成化、小型化和網(wǎng)絡(luò)化等方面。
1. 數(shù)字化
本文的數(shù)字化主要指圖像的獲取和處理方面。最初的激光傳感器中采用的圖像獲取器件為模擬的CCD,通常其圖像獲取的最高幀率為60 幀/s 或30 幀/ s ,因而圖像處理或輸出控制等算法也隨之受到限制。隨著電子與信息技術(shù)的發(fā)展,如圖3 所示,激光傳感器中的圖像獲取器件逐漸采用了更為先進(jìn)的數(shù)字CMOS 器件,圖像獲取的幀率最高可達(dá)3000 幀/ s 或10000 幀/ s ,為高速和高精度的傳感創(chuàng)造了條件。同時(shí),采用了數(shù)字化技術(shù)可以很方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字圖像目標(biāo)區(qū)域的裁剪,消除臨近焊縫夾具的其他特征對(duì)焊縫識(shí)別的干擾。所以,在工件表面光亮、接頭旁邊有夾具影響或激光焊、焊縫成形與缺陷檢測(cè)等高速傳感要求的場(chǎng)合,采用數(shù)字CMOS 圖像探測(cè)器件的激光視覺(jué)傳感器具備了采用模擬CCD 的傳感器所無(wú)法達(dá)到的性能。
2. 抗反光技術(shù)
由于采用了數(shù)字化技術(shù),除了成像質(zhì)量大幅提高外,在圖像處理上也可以采用一些更好的算法,從而能很好地消除鋁合金、不銹鋼、鍍鋅板等光亮表面反光的干擾,清晰地識(shí)別角焊縫、V 形坡口等接頭的細(xì)節(jié),如圖4 所示。在實(shí)現(xiàn)精確跟蹤的同時(shí),準(zhǔn)確測(cè)量接頭的間隙、錯(cuò)邊和坡口截面積等幾何參數(shù)。圖4a 中激光條紋照射到不銹鋼角焊縫表面,圖4b為未采用抗反光技術(shù)獲得的圖像,圖4c 為采用抗反光技術(shù)獲得的圖像。
3. 焊縫檢測(cè)
利用高速和高精度的激光視覺(jué)傳感器掃描焊縫表面,可以得到焊縫表面的3D 圖像,通過(guò)一定的算法可以測(cè)量焊縫成形的幾何參數(shù)如焊縫寬度、余高、焊趾角度等,還可探測(cè)咬邊、焊瘤和表面氣孔等缺陷,如圖6和圖7 所示。ARC—SCAN 和LAS—SCAN 傳感系統(tǒng)分別用于弧焊和激光焊等焊縫或密封縫的檢測(cè),符合6σ質(zhì)量控制的需求。
圖9 是采用雙傳感技術(shù)的PX—10/ 25 激光視覺(jué)傳感器進(jìn)行轎車(chē)車(chē)身激光釬焊焊縫自動(dòng)檢測(cè)的照片。
. 小型化
在很多自動(dòng)化焊接應(yīng)用中,工件的形狀或者工裝夾具很復(fù)雜,這就降低了焊槍的可達(dá)性。因此,希望傳感器的體積越小越好。隨著集成度的提高,出現(xiàn)了很多小體積的傳感器,當(dāng)前體積最小的激光視覺(jué)傳感器,包括防飛濺保護(hù)裝置在內(nèi),其大小尺寸僅為35mm×34mm×125mm。
三、結(jié)語(yǔ)
在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的驅(qū)動(dòng)下,自動(dòng)化的焊接生產(chǎn)制造過(guò)程對(duì)傳感技術(shù)、質(zhì)量監(jiān)控與保證技術(shù)的需求越來(lái)越迫切。在很多自動(dòng)化焊接制造場(chǎng)合,沒(méi)有傳感器和自動(dòng)檢測(cè)手段,生產(chǎn)質(zhì)量和成本將是難以接受的。以上所述的激光視覺(jué)傳感新技術(shù)正是為滿足自動(dòng)焊接過(guò)程的需求而在近幾年內(nèi)發(fā)展起來(lái)的。在電弧焊、激光焊及火焰切割或等離子切割等領(lǐng)域,它們已為焊接工業(yè)提供了焊縫搜索定位、焊縫跟蹤、焊接參數(shù)自適應(yīng)控制、焊縫成形及缺陷的檢測(cè)等許多可靠的工業(yè)應(yīng)用。這些新技術(shù)將為自動(dòng)化焊接制造過(guò)程提供一些新的解決方案或思路。但是,由于焊接過(guò)程傳感與控制的復(fù)雜性,即使是這些最新發(fā)展的激光視覺(jué)傳感技術(shù),仍難以完全滿足各種各樣的焊接過(guò)程的需求。因此,目前還有很多的公司或科研機(jī)構(gòu)正為新的、更為可靠的或者成本更低的傳感技術(shù)和手段而努力。
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