刘猛军

摘 要：近些年我国汽车工业快速发展，在为人们的出行提供了更大的方便的基础上，也推动了我国经济的发展。而且随着技术水平的提升，汽车生产过程中使用的焊接技术也越来越先进。本文针对机器视觉在自动化激光焊接系统的应用进行分析，希望对相关人员有所帮助。

关键词：机器视觉;自动化激光焊接系统;集成;应用

引言

激光焊接是20世纪最重要的发明之一，和传统的焊接技术相比，不仅效率更高，而且焊接的质量更好，在很多领域中都得到了广泛的应用，比如通信工程、医疗等。虽然爱因斯坦早在1917年就提出了受激发射的理论，可是直到50年后的1960年，第一台使用激光切割的红宝石激光器出现，才算真正意义上将激光用于生产。时至今日，结合机器视觉的激光焊接在众多领域中的应用极大地推动了产业的发展，非常深远地改变了人们的生活。

1激光焊接简介

激光焊接是利用高功率的激光作为焊接热源，能够将非常强大的能量集中在很小的区域内，温度在短时间内快速提升，能够快速熔化焊接板材，尤其对于一些熔点较高的金属进行焊接时尤其有效。在汽车制造工业中，激光焊接能够更好的提升板材之间连接的质量，和传统的焊接模式相比，车身的强度更高。尤其在一些中高档汽车产品中，激光焊接已经成为产品宣传的卖点之一。

和其他类型的焊接技术比，激光焊接的优势非常明显。首先，由于能量相对来说比较集中，使得焊接速度快，而且受热供电的形变相对较小，不仅能够提高焊接的强度，还能够提升板材尖焊接的美观性，免人工焊接可能出现的各种质量波动。其次，激光焊接对环境的要求更低，不像一些其他类型的焊接需要在真空和无尘环境中进行。激光焊接在真空、空气中都可以操作，而且激光在进入电子厂之后也不会受到干扰，稳定性更强。再次，激光焊接可以实现远距离焊接，这种远距离指的是非接触式焊接，因为光具有较好的传统性，可以通过玻璃或者特定的材料进行焊接，甚至可以通过光纤的镜面反射来触及到一些难以接触的焊接位置，在提升焊接了工作效率的同时，非接触性焊接也在一定程度上降低了对其他部件造成损耗的风险。最后，对一些熔点较高的金属，激光焊接能够更加快速地让其熔化，完成焊接任务，具备其他焊接技术不具备的优势。

2机器视觉简介

机器视觉这种技术近些年在很多领域都得到了广泛的应用，它指的是将视觉图像作为信息进行输入，然后在系统中对这些数据进行处理，提取出有用的信息，将信息传递给其他设备。通常来说，机器视觉系统都是由图像采集设备、图像处理器、机器人控制器等组成。在汽车工业中进行应用时，机器视觉系统还包括柔性线缆、辅助照明以及外壳保护等，这样才能够让整个系统在汽车是生产这个相对复杂的环境中得到更加充分、稳定的应用。

机器视觉是人工智能技术的一个分支，就是通过模拟人眼来对事物进行判断。在汽车生产的很多环节都能得到应用。因为相对于人的肉眼识别来说，机器视觉对事物的判断更加精确，误差更小，尤其在对汽车材料的颜色进行识别、对零部件的尺寸进行测量时，有着传统人工难以取代的优势。不仅如此，使用机器视觉还能够在一些具有危险性的生产环节替代人工，提升生产的安全性。而且，机器视觉的灵敏性和自动化程度都较高，在批量生产的过程中，能够进一步提升生产效率。

3基于机器视觉的自动化激光焊接系统

但汽车工业生产的过程中，基于机器视觉的自动化，激光焊接系统应用越来越充分，对于提升产品质量以及生产效率都有非常积极的作用。就机器视觉自动化激光焊接系统的构成来说，有大功率水冷系统、机运线和工位PLC、激光发生器、视觉机器人、激光焊缝跟踪系统、末端执行器激光焊枪等构成。在这些零部件集成到整个系统中之后，系统在焊接的过程中能够发挥一个相对完整的作用。下面就其中的一些构成进行分析。

3.1激光发生器

在铭铝石榴石单晶里掺入一定量的三价钦离子，便构成了掺钦忆铝石榴石晶体，表示为Nd：3+：YAG。Nd：3+：YAG的主要优点是较为容易实现粒子数反转，所需的激励光强很小。使用掺钦铭铝石榴石晶体作为固态激光发生物质，具有良好的导热性，能够在脉冲、连续和高重复率的状态下工作。激光发生器虽然性能强大，但是对于汽车工业来说，在室温环境下能够持续输出稳定的工作是非常重要的。激光发生器的缺点比较明显，那就是电光转化效率只有3%左右，虽然经过近些年的研发，这一比例逐渐提升，但是和理想状态还有较大差距。再比如，德国TruInPf公司的HL4406D型Nd：YAG固體激光焊机所发射的激光波长为1064nm，在光谱中处于近红外线区域。此激光发生器最大输出功率为6000w，加入光纤传输和祸合端子等功率损失累加，实际达到工件表面最大焊接功率为4400W。输出功率波动性小于2%，可连续高功率工作。具备脉冲输出和连续恒定输出等模式。光束质量为25mm·mrad。延伸光缆长度达到20米，光纤最小弯折半径为200IIlln，光纤直径0.6mm[u]。通过适当的水循环冷却系统可以保证每周24小时连续7天的长时间高负荷工作，在此情况下弧光灯管使用的寿命平均约为3000工作小时，大约为四个月。

3.2工业机器人

使用机器人进行操作，能够提升生产过程的安全性，尤其对于焊接操作来说，使用视觉机器人能够将人工操作的安全风险控制在最低限度内。而且机器人在操作的过程中更加稳定，误差更小。用于汽车工业生产的机器人的安全防护等级在ip67，能够非常有效的防护激光焊接过程中产生的粉尘，同时降低高压冷却水泄漏的风险。无论是从安全还是从生产效率的角度来考量，使用机器人进行操作都有无可取代的优势。视觉机器人能够在焊接的过程中对焊接部位进行识别，然后和系统内的其他设备进行协调，共同完成焊接工作。

3.3激光焊缝跟踪系统

对于汽车生产来说，对焊缝的质量进行监测是必不可少的。激光焊缝监控系统就承担这样的责任，在焊接个工作进行的过程中，需要对焊接的板材进行固定，这样才能够保证焊接的稳定性。然而在批量焊接的过程中，不同尺寸、不同材质的板材对焊接的要求也有所差异，完整的焊接控制模式相对来说弹性较差，而且定位时间较长不利于提升单车制造的效率。在固定板材的过程中，些许的偏移都有可能造成误差，严重的甚至会让机器人产生重复误差，让整个批次的产品质量都难以得到保障。使用激光焊缝跟踪系统就能够比较好地解决这一问题。技术人员可以通过系统对焊接板材的位置进行测量，确保板材的位置的准确性。同时，使用激光焊缝跟踪系统还能够对机器人的操作轨迹进行补偿，将机器人操作的误差控制在可以接受的范围内。除此之外，因为这一系统利用的是光学原理，当肉眼可见的红色激光经过光学原件之后，会产生变化，以直线条纹的形式投射到焊缝搭接的表面，进行焊接。激光在通过偏振镜的过程中，其他波长的光被过滤掉，能够更加精确地显示焊接对象的截面特征。比较常用的是Precitec焊缝监控系统，这种系统由激光视觉传感器、视觉采集和处理控制单元构成，在马达的驱动之下，系统能够通过摄像头来对激光投射到板牌表面的情况进行监控，并借助计算机形成图像，然后更为精确地确定焊缝的位置。

3.4视觉机器人测量系统

焊缝监控系统在确定焊接板材对象位置方面有非常显著的作用，能够在进行焊接的过程中，通过反复补正机器人的轨迹来提高精度，但是不能否认的是，焊缝监控系统的可控范围较小，尤其在对机器人的操作进行修正时，范围有限。为了进一步提升焊接的质量和精度，在整个系统的末端安装机器人视觉测量系统就是非常必要的。既然视觉测量系统能够对物体进行识别，而且以模拟人类视觉的方式进行处理，不仅效率更高，而且有肉眼不具备的精确测量的能力。机器人的视觉处理也能够通过多种方式完成，比如可以根据实际需求进行独立开发，或者借助于现有的机器人视觉处理软件，或是使用机器视觉算法库进行配套。这些方式各有特点，企业可以根据自身的实际情况，选择合适的视觉机器人测量系统的建设方法。相对来说，根据企业生产的实际需要进行独立开发，能够更加充分、更加具有针对性的让机器视觉发挥作用，提升生产效率。但是前期的成本较大，需要投入足够的资金和研发人员。测量系统对使用环境的要求较高，尤其在进行现场安装的过程中，需要根据实际情况对方案进行灵活调整。比如，有些机器视觉系统在识别白色车身车顶时，就会难以捕获准确的特征。所以为了解决这一问题，可以将照相机安装在末端执行器上，然后在焊接开始之前，通过机器人手臂将照相机移动到特定位置，完成拍摄任务。在实际进行焊接的过程中，末端执行器会处于相对恶劣的环境中。焊接会造成基础融化，产生飞溅。而且，高温的金属蒸气、飘散在空中的金属粉尘也会对系统的使用效果产生影响。所以在安装时，一定要做好對视觉单元的保护，在必要的情况下，需要在外部加装不透明的保护壳，并在镜头前方加装保护盖。在需要进行测量时，可以将镜头前的保护盖打开，测量完成之后，需要确保保护盖处于关闭状态，这样才能够避免焊接过程中的各种因素影响。除此之外，在保护壳的那必须要根据实际情况安装密封圈，以此来阻挡金属粉尘进入内部。

结束语

近些年我国汽车工业快速发展，为了提升产能、提升产品质量，使用的技术也越来越先进。基于机器视觉的自动化激光焊接系统就在产业发展的过程中得到了非常广泛的应用。这一系统相较于传统的焊接模式来说，稳定性更高、焊接质量更好，尤其适用于批量生产。企业在进行生产的过程中应当积极应用这一系统，为系统功能的发挥创造良好条件。本文针对基于机器视觉的自动化激光焊接系统的集成和应用进行分析，希望对相关人员有所帮助。

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（上海首坤智能科技有限公司，上海201906）