激光視覺技術(shù)起始于20世紀80年代，隨著該技術(shù)的逐漸成熟，已開發(fā)出許多附加功能，如基于接頭幾何形狀的自適應(yīng)控制等。同時該技術(shù)應(yīng)用廣泛，尤其在焊管行業(yè)，如TIG焊管、直縫埋弧焊管和螺旋焊管等。

基本原理

激光視覺系統(tǒng)普遍應(yīng)用三角結(jié)構(gòu)光測量法來獲得工件表面的三維信息。三角測量法本身是一個古老的技術(shù)，在第二次世界大戰(zhàn)中曾用來控制轟炸機投彈精度。激光視覺技術(shù)采用激光作為結(jié)構(gòu)光源，激光器同攝像機(CCD或者CMOS)成特定的角度，兩者置于緊湊的傳感器內(nèi)部。使用時，激光器京柱面鏡投射激光條紋到工件/接頭的表面，攝像機獲取到激光條紋的圖像，通過三角測量的矩陣換算以及圖像處理和特征進行識別，從而獲取到焊接接頭的三維信息。該信息隨后可以被用于焊接過程的控制。如果用于焊縫跟蹤，系統(tǒng)提取出接頭相對于焊槍位置的偏差數(shù)據(jù)，然后調(diào)節(jié)控制機器人或者焊接專機焊槍的運動。

在焊管行業(yè)的應(yīng)用

采用激光視覺系統(tǒng)對焊縫進行跟蹤和過程控制的技術(shù)已經(jīng)在焊管行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。在過去的15年間，數(shù)百套系統(tǒng)已安裝在簡單的TIG焊管焊槍導(dǎo)引、螺旋焊管過程控制以及海面厚壁管道的多焊槍多層多道全自動焊接生產(chǎn)中。

1. TIG焊管

圖1展示了TIG焊管焊接過程中的焊接機頭部分。激光視覺傳感器安裝在距離焊槍前面很短的距離處，注意觀察管材合攏的邊緣處形成的間隙，間隙中間位置應(yīng)是焊槍的理想位置，傳感器探測到當前焊槍位置同其基準位置之間的偏差，并控制執(zhí)行機構(gòu)(十字滑架)移動焊槍到當前的焊縫位置處，從而保證焊槍始終處于焊縫的中心位置。TIG焊管的焊接速度可以達到5～10m/min。通過激光傳感器每秒50次的運算和處理，激光視覺系統(tǒng)可以很容易適應(yīng)這樣高的焊接速度。

圖1 TIG焊管激光自動跟蹤系統(tǒng)

在TIG焊管中應(yīng)用激光視覺系統(tǒng)能夠提高生產(chǎn)率和焊縫質(zhì)量。管子成形前形成焊縫之處的間隙經(jīng)常會相對焊槍產(chǎn)生連續(xù)波動。如果不采用焊縫自動跟蹤系統(tǒng)，就需要操作者監(jiān)視焊槍相對于焊縫的位置，如果產(chǎn)生偏差，操作者必須加以調(diào)整。采用激光視覺系統(tǒng)，操作者就不需再監(jiān)視該過程。另一個好處在于激光跟蹤系統(tǒng)以50Hz的頻率和0.1mm的精度檢測并控制焊槍相對于焊縫的位置，提高了焊接質(zhì)量，降低了廢品率，同時也提高了生產(chǎn)率。在國內(nèi)大連近江不銹鋼有限公司已經(jīng)得到應(yīng)用，同時在浙江久立的等離子焊管中也得到應(yīng)用。目前國內(nèi)的激光焊管中也應(yīng)用了類似的系統(tǒng)。

2. 直縫和螺旋埋弧焊管

對于大直徑的管道，通常采用兩種方法生產(chǎn)：直縫焊管以及螺旋焊管。

直縫焊管通過板材卷制成形，在最后成形之前，通過點固焊之后，采用雙絲埋弧焊接內(nèi)縫(ID)和外縫(OD)，產(chǎn)品用作油氣管道。

激光焊縫跟蹤系統(tǒng)可以用于上述三個過程，即點固焊、內(nèi)焊和外焊。因為UOE點固通常采用明弧，電流高達#p#分頁標題#e#2000A，焊接速度高達10m/min，明弧大電流會產(chǎn)生的強烈弧光、煙塵和飛濺，其工作環(huán)境非常惡劣，UOE點固系統(tǒng)上采用激光跟蹤系統(tǒng)是一個挑戰(zhàn)。通過采用激光視覺傳感器就可以濾除所有的電弧光和飛濺輻射。

接觸式焊縫跟蹤設(shè)備對于焊接飛濺非常敏感，需要經(jīng)常維護，而激光跟蹤傳感器維護工作量很小，只需要定期清理和更換保護塑料片。激光焊縫跟蹤系統(tǒng)目前已經(jīng)成功地取代了點固焊機上的接觸式焊縫跟蹤設(shè)備

ID和OD焊接系統(tǒng)焊接環(huán)境相對整潔，該焊接過程是產(chǎn)品生產(chǎn)的最后階段，該過程必須非常可靠，盡可能降低廢品率。圖2展示了UOE直縫的焊接(OD)激光自動跟蹤系統(tǒng)。

圖2 直縫埋弧焊管的激光焊縫跟蹤

螺旋焊管主要用于油氣管道、水管以及樁管。與直縫焊管不同，螺旋焊管為連續(xù)生產(chǎn)，這就意味著激光跟蹤系統(tǒng)能夠連續(xù)長時間穩(wěn)定可靠的工作。圖3給出了寶雞石油鋼管有限公司的螺旋焊管激光焊縫自動跟蹤系統(tǒng)。迄今為止，國內(nèi)的寶雞鋼管廠、中原焊管、中石油管道局鋼管廠、金州管道、寶世威鋼管廠都應(yīng)用了類似的激光焊縫跟蹤系統(tǒng)。

焊管行業(yè)激光視覺系統(tǒng)的新應(yīng)用

在焊管行業(yè)，激光視覺技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用新的生產(chǎn)領(lǐng)域，包括ERW焊管的在線錯邊監(jiān)測、螺旋焊管中成形角自動控制、螺旋焊管和直縫焊管離線及在線超聲探傷焊道跟蹤系統(tǒng)。

1. ERW焊管在線錯邊檢測

電阻焊管(ERW)不需要焊縫跟蹤系統(tǒng)，因為焊接熱源不是傳統(tǒng)弧焊那樣的點熱源。但激光視覺系統(tǒng)可以實時測量焊接接頭的錯邊量，在ERW焊接過程中仍然起到重要的作用。由于ERW方法本身的原因，需要在焊后在線進行機械刨削，如果焊縫在被焊之前的遞送邊沒有對齊(有錯邊)，隨著焊后的刨削過程，管子的壁厚將被減薄。該問題如未被及時發(fā)現(xiàn)，最終用戶將會拒絕收貨或者會在使用過程中失效。

一種解決方案是將激光視覺系統(tǒng)安裝在焊接機頭和刨刀之間，視覺傳感器投射一條激光條紋到焊接接頭上，來測量接頭兩側(cè)管子的錯邊量，并將焊縫的位置和角度考慮進去。如果錯邊量超差，則會給出警告信號。

該系統(tǒng)在ERW應(yīng)用的挑戰(zhàn)之一是其惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，例如傳感器附近存在高溫、冷卻液、煙塵、以及刨削的飛屑等。解決該問題的最好辦法是設(shè)計一個安裝高度較高(至少100mm)的傳感器。

2. 螺旋焊管的成型角自動控制

激光焊縫跟蹤系統(tǒng)在螺旋焊管的內(nèi)外焊中已經(jīng)得到成功應(yīng)用。目前開發(fā)的系統(tǒng)不但能夠執(zhí)行焊縫跟蹤功能，而且能夠在焊接過程中進行高級控制。#p#分頁標題#e#

通常螺旋焊管焊接過程中需要控制成型角，成型角對管道的直徑以及管材成形非常重要。操作者在手動調(diào)整過程中，需要觀察間隙(附近有埋弧焊焊劑)進行調(diào)整，而控制成型角的液壓機構(gòu)反應(yīng)較慢，使得成型角控制難度較大，很大程度上依賴于人的主觀判斷。

成型角自動控制的關(guān)鍵在于能夠準確穩(wěn)定的測量接頭處的間隙，新一代激光視覺傳感器能夠投射三條激光條紋，并具有很高的精度。由于螺旋焊管采用埋弧焊接方法，傳感器安裝在焊接接頭處焊劑之前，通過測量接頭處的幾點間隙，來獲得成型角度。目前該系統(tǒng)已經(jīng)在印度管道行業(yè)得到成功應(yīng)用。

3. 超聲探傷(UT)的激光自動導(dǎo)引

激光焊縫跟蹤系統(tǒng)同樣也應(yīng)用在超聲自動探傷探頭的自動導(dǎo)引中。通過螺旋焊管和直縫焊管生產(chǎn)的焊縫，通常需要100%的超聲探傷。在螺旋焊管中，超聲探傷可以集成到螺旋焊管生產(chǎn)線中在線探傷，或者在管道切割后離線探傷。

對超聲探傷進行自動跟蹤的難點在于埋弧焊接所形成焊縫幾何特征的精確定義和測量。通常在離線探傷中，要求探傷速度較快，因此對跟蹤系統(tǒng)的性能要求較高。我們設(shè)計的新一代三條紋激光傳感器和相應(yīng)的軟件，能夠可靠的跟蹤這些焊縫，并且已經(jīng)在印度和歐洲得到成功應(yīng)用。