Christoph Franz與Michael Ungers 

激光束釬焊和焊接在汽車工業(yè)中是成熟的焊接技術(shù)，特別對(duì)于白車身的生產(chǎn)。這些工藝主要用于兩件式行李箱蓋的焊接，以及具有可見接縫的車頂與側(cè)圍之間的焊接，或用于焊接鋼或鋁車門。因此，對(duì)釬焊接縫的光學(xué)外觀的要求非常高，質(zhì)量監(jiān)控至關(guān)重要。Scansonic MI GmbH與德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（Fraunhofer ILT）合作開發(fā)出首個(gè)完整集成的在線過程控制系統(tǒng)的原型 – SCeye。

該系統(tǒng)是汽車白車身生產(chǎn)的激光焊接和釬焊工藝的附加件。它包括一個(gè)無(wú)與倫比的創(chuàng)新和強(qiáng)大的照明模塊，并與高速攝像頭相結(jié)合；所有這些都完全集成到ALO3釬焊和焊接機(jī)頭內(nèi)，如圖1所示。照明和攝像頭模塊同軸對(duì)準(zhǔn)，這是集成過程監(jiān)控的關(guān)鍵技術(shù)，并在多年前由德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所發(fā)明。

在不影響釬焊光學(xué)元件的可達(dá)性的情況下，該系統(tǒng)能夠在大規(guī)模生產(chǎn)過程中獲取高分辨率圖像，可用于工藝和質(zhì)量控制目的。該系統(tǒng)還允許對(duì)過程行為和產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行全面的記錄。

本文介紹了SCeye產(chǎn)品的特點(diǎn)，該產(chǎn)品于2015年1月在EALA大會(huì)上發(fā)布，并展示了受控激光釬焊和氣孔檢測(cè)的最新科學(xué)成果。經(jīng)研究的控制算法基于速度測(cè)量和實(shí)時(shí)的送絲速度的直接控制。質(zhì)量檢驗(yàn)算法被證明為一種在線氣孔檢測(cè)解決方案。

圖1技術(shù)轉(zhuǎn)讓 – 左圖：ILT的科學(xué)配置；右圖：Scansonic的SCeye產(chǎn)品開發(fā)。兩種配置都包括高動(dòng)態(tài)攝像頭和創(chuàng)新的照明模塊。

SCeye系統(tǒng)

SCeye是激光焊接和釬焊工藝的附加件，并將首先用于Scansonic ALO3焊接機(jī)頭，在全球范圍內(nèi)，有超過1000個(gè)焊接機(jī)頭投入使用。雖然其他檢驗(yàn)系統(tǒng)通常需要額外的控制柜，但SCeye完全集成到Scansonic加工頭內(nèi)。

該系統(tǒng)由具有高動(dòng)態(tài)范圍的CMOS成像攝像頭、用于工件激光照明的照明模塊以及在加工頭處直接附著于攝像頭的高級(jí)圖像和數(shù)據(jù)處理裝置組成。該數(shù)據(jù)處理裝置以實(shí)時(shí)方式處理所獲取的圖像，壓縮數(shù)據(jù)，通過播放將圖像發(fā)送到基于Web的界面（圖2），并將原始數(shù)據(jù)另外存儲(chǔ)在其內(nèi)置存儲(chǔ)器內(nèi)。

ALO3 SCeye在三種情形下幫助ALO3焊接機(jī)頭的使用：

情形1：在線示教過程

在示教模式下，過程現(xiàn)場(chǎng)由對(duì)眼睛安全的LED照亮。該攝像頭系統(tǒng)向任何網(wǎng)絡(luò)連接的客戶端播放實(shí)時(shí)視頻。在對(duì)機(jī)器人軌跡進(jìn)行編程時(shí)，用戶可以使用實(shí)時(shí)送絲，以便相對(duì)于工件對(duì)加工頭進(jìn)行非常準(zhǔn)確的定位。同時(shí)，該系統(tǒng)連續(xù)提供ALO3系統(tǒng)的實(shí)際值，例如旋轉(zhuǎn)軸位置和測(cè)量的施加于送入焊絲的力。此外，該系統(tǒng)記錄來自機(jī)器人的所有現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)，從而便于機(jī)器人的編程過程。

圖2：基于瀏覽器的SCeye用戶界面

情形2：焊接/釬焊過程

在焊接或釬焊過程中，SCeye系統(tǒng)可將其照明模塊從LED照明切換到激光VCSEL照明。 然后，可提供高達(dá)40W的光功率，以均勻地照亮過程區(qū)域，并且即使在明亮過程中也可確保清晰的圖像。在將壓縮的實(shí)時(shí)視頻播放到網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，SCeye通過現(xiàn)場(chǎng)總線命令記錄原始圖像數(shù)據(jù)。每個(gè)視頻將會(huì)保存在實(shí)施的文件系統(tǒng)內(nèi)（持續(xù)“先進(jìn)先出”），而通過現(xiàn)場(chǎng)總線接口提供的零件號(hào)可用于將視頻分配到實(shí)際生成的零件。該系統(tǒng)會(huì)將同步的現(xiàn)場(chǎng)總線接口的信號(hào)和ALO3焊接機(jī)頭的附加模擬值記錄到采集的過程視頻。

情形3：檢驗(yàn)過程

在生產(chǎn)和記錄的同時(shí)，用戶有權(quán)查看過去過程的記錄視頻和現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)。SCeye最多可記錄八小時(shí)的視頻和數(shù)據(jù)。因此，當(dāng)在進(jìn)一步處理步驟中檢測(cè)到故障過程之后，可以執(zhí)行過程狀態(tài)的檢驗(yàn)。用戶還可以決定將所有獲取的數(shù)據(jù)（例如在每個(gè)零件之后或每次換班之后）復(fù)制和記錄到其自己網(wǎng)絡(luò)所附帶的存儲(chǔ)器或其網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器內(nèi)。

科學(xué)的配置，以進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)

雖然SCeye系統(tǒng)尚不能進(jìn)行過程控制，但I(xiàn)LT的科學(xué)研究表明，該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)引擎通過與強(qiáng)大的FPGA相結(jié)合，允許將先進(jìn)的算法應(yīng)用于未來進(jìn)一步的監(jiān)控和控制。

為了開發(fā)、測(cè)試和評(píng)估用于監(jiān)控和控制目的的圖像處理算法，ILT打造了一個(gè)科學(xué)的配置，見圖1左圖所示。該配置采用與SCeye系統(tǒng)相同的攝像頭芯片和相同的照明原理。作為照明源，VCSEL技術(shù)已經(jīng)被證明是合適的，可理想確保均勻和定向獨(dú)立的照明圖像[1]。 所獲得的圖像如圖3所示。整個(gè)過程區(qū)域是可視化的；輸入的釬焊絲、液體熔池和固化焊縫是可見的。

與SCeye系統(tǒng)不同，在該科學(xué)配置中，原始圖像通過Cameralink標(biāo)準(zhǔn)傳輸?shù)焦I(yè)PC裝置。這些圖像采用FPGA技術(shù)采集和處理，使得算法適合于制造過程中的實(shí)時(shí)應(yīng)用，例如控制目的和質(zhì)量檢驗(yàn)。完整的釬焊過程記錄在一個(gè)在線配置內(nèi)；通過對(duì)捕獲的圖像應(yīng)用專用的圖像處理算法，可監(jiān)測(cè)機(jī)器參數(shù)以及產(chǎn)品質(zhì)量。在以下兩個(gè)這樣的圖像分析的示例中，可以得到證明。

< 焊縫缺陷（例如氣孔）的監(jiān)測(cè)以及產(chǎn)品質(zhì)量文件化

< 在工具中心點(diǎn)對(duì)處理系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)的測(cè)量

圖3 過程區(qū)域可視化

產(chǎn)品質(zhì)量文件化
激光釬焊縫在白車身生產(chǎn)中經(jīng)常用作風(fēng)格元素。在上漆之后，它們對(duì)于最終用戶是直接可見的，使得焊縫表面的氣孔是不可接受的焊縫缺陷。因此，檢測(cè)這些焊縫缺陷是非常重要的。由于大部分氣孔在表面上是開口的，它們會(huì)在明亮的照明焊縫上成為黑點(diǎn)。例如通過斑點(diǎn)檢測(cè)，這樣的黑點(diǎn)似乎是顯而易見的。但這種方法并不能令人滿意，因?yàn)槠淙Q于閾值和實(shí)際照明情況。更理想的一種方法是使用基于分類的氣孔檢測(cè)，如[2]所示。專門的圖像特征被用于將固化焊縫分類為有缺陷或無(wú)缺陷的部分。強(qiáng)度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差以及梯度圖像用于分類。通過FPGA技術(shù)，對(duì)有缺陷和無(wú)缺陷的部分的修整值進(jìn)行比較，從而可以在實(shí)時(shí)配置中判斷焊縫質(zhì)量?？梢允褂眠@種方法檢測(cè)直徑從幾百微米到幾毫米的氣孔。結(jié)果在全景圖像中是可見的，如圖4所示；氣孔被標(biāo)記為紅色，而焊縫的無(wú)缺陷部分被標(biāo)記為綠色。

該分類算法受益于為SCeye系統(tǒng)開發(fā)的均勻的全功率VCSEL照明。 此外，高圖像質(zhì)量允許使用從已經(jīng)凝固的焊縫的圖像部分中獲取的小圖像塊，拼合出整條焊縫。這為大規(guī)模生產(chǎn)過程中保存各個(gè)焊縫的圖像提供了可能性，并且將會(huì)顯著減少出于質(zhì)量保證目的需要長(zhǎng)期保存的數(shù)據(jù)量。

應(yīng)用于過程控制 – 受控激光釬焊

不僅可用于外形質(zhì)量檢驗(yàn)，基于成像的過程控制也被成功證明可用于測(cè)量機(jī)器參數(shù)。除了焊縫跟蹤和過程測(cè)量中相對(duì)于焊縫的激光點(diǎn)位置的檢測(cè)，速度是基于所獲取的圖像可以被測(cè)量的一個(gè)主要參數(shù)[3]。由于均勻和定向獨(dú)立的照明圖像處理算法可應(yīng)用于所獲取的圖像，以跟蹤兩個(gè)排序圖像中的特定模式。可以確定位移矢量并結(jié)合采集速率，以計(jì)算速度。在這種情況下，可以使用塊匹配算法[4]，因?yàn)樗梢院苋菀椎卦贔PGA技術(shù)上實(shí)現(xiàn)。該方法不僅具有實(shí)時(shí)功能，而且適合作為基于速度的控制策略的單輸入，例如，用于確保每個(gè)單位長(zhǎng)度的恒定能量。

在激光釬焊的情況下，激光功率P_L以及填充焊絲的速度v_W需要根據(jù)測(cè)量的速度按比例調(diào)整[5]。受控激光釬焊的結(jié)果如圖5所示。該系統(tǒng)在工藝條件下通過對(duì)法蘭接頭結(jié)構(gòu)的釬焊進(jìn)行了測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)中，速度在3至0.72米/分鐘的范圍內(nèi)變化。盡管該變化范圍很大，受控釬焊過程仍然保持穩(wěn)定，并且引導(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng)的速度波動(dòng)得到補(bǔ)償。此外，焊縫表面實(shí)現(xiàn)了平滑而且?guī)缀蹙鶆虻墓鈱W(xué)外觀。

人們可以想到的一個(gè)相關(guān)應(yīng)用是行李箱蓋的焊接，其中由于工件的幾何形狀，釬焊過程中激光頭需要重新對(duì)準(zhǔn)，在光學(xué)器件繞著銘牌的突出部分的邊緣轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，釬焊速度會(huì)下降到較低值。

結(jié)論與展望

在線質(zhì)量檢驗(yàn)以及閉環(huán)控制激光釬焊已得到成功證明。焊縫質(zhì)量的在線檢驗(yàn)將會(huì)開辟省去后期檢驗(yàn)和減少質(zhì)量保證工作的可能性。而受控的激光工藝將會(huì)提高工藝穩(wěn)定性，并有利于產(chǎn)品質(zhì)量，尤其當(dāng)工藝窗口很小時(shí)。特別是，在線示教程序?qū)?huì)受益于機(jī)器參數(shù)的測(cè)量。

未來的工作將不僅集中于進(jìn)一步增強(qiáng)速度測(cè)量算法，而且還會(huì)考慮新的監(jiān)控和控制任務(wù)，例如釬焊絲尖端的檢測(cè)或激光點(diǎn)相對(duì)于接頭形狀的位置的檢測(cè)。實(shí)際的SCeye系統(tǒng)還沒有能力進(jìn)行自動(dòng)化過程檢驗(yàn)，但德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所提供的該科學(xué)配置所顯示的一些功能可能會(huì)在未來的生產(chǎn)增強(qiáng)中得到應(yīng)用。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，目標(biāo)是整合完整的過程控制（即控制和監(jiān)控算法），連接更多的數(shù)據(jù)源并提供自動(dòng)化參數(shù)設(shè)置，以減少用戶使用焊接和釬焊機(jī)頭的復(fù)雜性。由于算法適用于FPGA技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，不再需要額外的控制柜或任何外部處理單元來監(jiān)控和控制傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)中的激光焊接過程。

< 公司

Scansonic MI GmbH

德國(guó)柏林

Scansonic開發(fā)和制造在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中用于自動(dòng)化焊接的系統(tǒng)。通過新的方法和產(chǎn)品，Scansonic擴(kuò)展了技術(shù)可行性范圍。對(duì)于其客戶，Scansonic開辟了激光和電弧技術(shù)的優(yōu)勢(shì) – 在生產(chǎn)中創(chuàng)造了更高的效率、精度和質(zhì)量。在焊縫跟蹤的釬焊和焊接領(lǐng)域，Scansonic擁有可靠有效的解決方案。 Scansonic還具有激光應(yīng)用中心，可以輕松地測(cè)試各種機(jī)器人、激光源以及不同的焊接和釬焊機(jī)頭，并開發(fā)新的應(yīng)用。自2000年成立以來，Scansonic已經(jīng)獲得了穩(wěn)固的行業(yè)地位，在國(guó)際汽車行業(yè)擁有眾多的銷售和服務(wù)合作伙伴。大部分原始設(shè)備制造商的多種白車身零部件都采用Scansonic設(shè)備進(jìn)行焊接。www.scansonic.de
 

< 研究所

德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所

德國(guó)亞琛

弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所擁有250多名員工和10000多平方米建筑面積，在其特定領(lǐng)域是世界上最重要的開發(fā)和合同研究機(jī)構(gòu)之一。其活動(dòng)涵蓋了廣泛的領(lǐng)域，例如新的激光束源和組件的開發(fā)，現(xiàn)代激光測(cè)量和測(cè)試技術(shù)的使用以及激光支持的制造。這包括例如激光切割、雕刻、鉆孔、焊接、軟焊和釬焊以及表面處理、微加工和快速成形。此外，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所從事激光設(shè)備技術(shù)和過程控制以及整個(gè)系統(tǒng)技術(shù)。www.ilt.fraunhofer.de
 
作者

Christoph Franz在亞琛學(xué)習(xí)機(jī)械工程，并獲得亞琛應(yīng)用技術(shù)大學(xué)的生產(chǎn)技術(shù)文憑。在亞琛弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所和法國(guó)Evry的Coopération Laser Franco-Allemande共有7年的激光工藝過程監(jiān)控和控制方面的工作經(jīng)驗(yàn)，他曾擔(dān)任科學(xué)和工業(yè)項(xiàng)目以及各種激光工藝的過程記錄、監(jiān)控和控制解決方案的項(xiàng)目經(jīng)理。自2012年起，Christoph Franz在Scansonic MI GmbH擔(dān)任過程監(jiān)控產(chǎn)品以及激光邊緣焊接機(jī)頭的產(chǎn)品經(jīng)理。

Michael Ungers在亞琛工業(yè)大學(xué)和蘇格蘭愛丁堡赫里奧特瓦特大學(xué)學(xué)習(xí)物理學(xué)，并獲得物理學(xué)文憑以及物理碩士學(xué)位。自6年前，他在弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所擔(dān)任過程控制和系統(tǒng)技術(shù)小組的科學(xué)工作人員。作為科學(xué)和工業(yè)項(xiàng)目的項(xiàng)目經(jīng)理，他參與過程觀測(cè)系統(tǒng)、過程監(jiān)控和過程控制的研究與開發(fā)。在過去數(shù)年，他專門從事過程監(jiān)控、在線質(zhì)量控制和激光釬焊應(yīng)用的受控激光工藝領(lǐng)域。

[1] U. Thombansen, M. Ungers: 激光材料加工過程觀察照明，Physics Procedia 56 (2014) 1286; DOI: 10.1016/j.phpro.2014.08.053

[2] M. Ungers et al.: 激光釬焊應(yīng)用中接縫缺陷的FPGA編程檢測(cè)。LAMP2013年報(bào)。第六屆國(guó)際激光先進(jìn)材料加工大會(huì)，(2013) 23–26.07.2013. Toki Messe, Niigata, Japan.

[3] S. Kaierle et al.: 了解激光工藝，Laser Technik Journal 7 (2010) 49; DOI: 10.1002/latj.201090027

[4] D. Liu, W. Sun: 在視頻壓縮中基于塊的快速運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法，斯蒂文斯理工學(xué)院電氣工程與計(jì)算機(jī)工程系，Hoboken, NJ 07030, (1998)

[5] M. Ungers et al.: 用于激光釬焊應(yīng)用的基于硬件的分析和過程控制，Physics Procedia 41 (2013) 517; DOI: 10.1016/j.phpro.2013.03.111.