焊接视觉传感及自动跟踪技术的现状与发展

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1、一航李航天工业是新技术，新工艺和新材料研究与应用的领先行业。航空航天焊接技术在飞机发动机及运载火箭制造中始终处于至关重要的地位，并对焊接技术的创新与发展起到重要的推动作用。栏目策划．岩石晓立侧卫焊接视觉传感及自动跟踪技术的现状与发展CurrentStatusandDevelopmentofWeldingVisualSensorandAutomaticTrackingTechnology清华大学机械工程系都东邹怡蓉常保华都东清华大学机械工程系教授和博士生导师，现任清华大学材料加工工程及自动化研究所所长。焊接研究中心主任。还担任教育部高校教指委委员、

2、中国焊接学会熔焊专委主任委员以及中国自动化学会机器人专委委员。焊接在航空航天制造中占据着重要位置，是实现复杂结构设计方案、保证设计选材灵活性的重要技★国家自然科学基金项目(50875145)资助。40航空制造技术·2010年第9期航空航天制造领域的焊接在材料、结构、焊接工艺方法等方面都有其特征，对焊缝自动识别与跟踪的准确性、实时性和适应性也有专门要求。基于结构光法焊缝视觉跟踪技术已经得到实际应用。焊接视觉技术未来的发展应更关注和利用工件焊接区域光学特征。探索多传感信息融合的视觉跟踪方法是航空航天制造焊接自动化的重要研究方向。术。采用先进焊接工艺、

3、实现焊接过程机械化和自动化、扩大计算机技术和机器人在焊接中的应用，是提高航空航天产品质量，保证飞行器的安全、可靠性，改善结构设计和加工工艺性的关键所在【l】。在焊接过程中采用视觉传感方法实时获取焊接区及邻域信息，具有信息量大、灵敏度和精度高、抗电磁干扰能力强、传感器与工件不接触等优点，通过先进合理的图像处理，可在焊缝跟踪、质量控制、焊后无损检测等方面发挥重要作用，在航天航空制造等众多行业领域中有着广阔的应用前景埘。航空航天制造领域焊接特点及其对焊缝自动跟踪的要求在航空航天制造领域，飞行器承力构件、发动机构件、燃料贮箱、机载设备等的制造都离不开焊接

4、。对产品制造精度的高标准要求、待焊工件的安装误差、出于某些力学考虑对被焊工件进行软态约束从而导致焊接过程中产生的变形，这些因素都使得有必要对焊缝进行自动跟踪。与其他应用场合相比，航空航天制造中的WeldIngTechnologyfor№tionandAer08pacelndustry航空航天焊接技术焊接在以下几个方面具有特殊性：(1)焊接路径的复杂性。由于航空航天结构的特殊性，焊接轨迹常为复杂的空间曲线，如运载火箭燃料贮箱结构。此时采用有效的焊缝跟踪和焊炬姿态调节是焊接过程稳定性和焊接质量可靠性的保证。为提高结构性能或实现特殊功能。在航空航天制造

5、中常需要使用焊接手段将小型元部件组合连接成特定的大型复杂结构，如运载火箭尾喷管结构，这同样需实现对复杂空间路径的自动跟踪，同时进行焊枪姿态的相应调整。航空航天制造过程中的多位姿焊接对视觉传感及信息处理的准确性和实时性提出很高要求。(2)被焊工件材料的光学特性。航空航天制造所涉及的被焊工件，既有合金结构钢和不锈钢，也有高温合金、铝合金、钛合金、甚至复合材料等。对于视觉传感而言，这些材料所表现出的光学特性(反射强度、纹理质地、颜色特征等等)都值得关注和研究。某些材料对电弧等外部光源有强烈的反射，就必须在视觉传感的光路设计中采取措施降低其负面影响。而某

6、些材料在焊接中因氧化等原因会具有新的颜色特征【ll，可为焊缝无损检测轨迹视觉自动引导提供基础。另外，不同材料在焊接过程中的熔化现象也各不相同，熔池和邻域信息以及焊缝成形的光学特征也是焊接视觉传感重点关注的对象。(3)焊接工艺方法的特点。航空航天制造涉及了多种电弧焊、电阻焊、激光焊、电子束焊等【州。不同的工艺方法在工件材料、坡口形式、焊缝特征、光学环境和视觉信息等方面有不同特点，在焊缝跟踪精度和速度方面也有不同要求。例如，激光焊热源集中，坡口间隙小，对视觉识别精度要求较高；焊接速度快，对焊缝跟踪实时性要求较高。而各种材料的明弧焊及其他熔化焊，弧光和

7、熔池的光强及光谱特征也各不相同，对焊缝视觉自动跟踪的光学系统和处理算法都提出了挑战【”。另外，在需要进行多层多道焊的场合中，为实现填充焊和盖面焊的跟踪，需要对前道焊缝表面形貌进行识别。航空航天领域制造质量意义重大，经常进行的焊后无损检测也对已完成焊接的焊缝自动跟踪提出需求。以往常常根据是否外加辅助光源而将焊缝跟踪方法分为主动视觉和被动视觉。但从有利于技术创新的角度，应关注基于对象特征(焊接坡口宏观几何特征、工件区域光学特征等)对焊接视觉方法进行分类的思路瞄j。基于焊接坡口宏观几何特征的焊缝视觉跟踪最常见的跟踪方法是结构光法。即采用特定的结构光(点

8、、线、圆弧以及光栅等形式)作为辅助光源照射待识别区域，通过图像中的光斑畸变获取焊接坡口几何结构信息。基于线结构光法的焊缝跟踪视觉系统曾应