激光視覺技術(shù)起始于20世紀(jì)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(shí)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(gè)古老的技術(shù)，在第二次世界大戰(zhàn)中曾用來控制轟炸機(jī)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(jī)(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(shí)，激光器京柱面鏡投射激光條紋到工件/接頭的表面，攝像機(jī)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(jìn)行識(shí)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(duì)于焊槍位置的偏差數(shù)據(jù)，然后調(diào)節(jié)控制機(jī)器人或者焊接專機(jī)焊槍的運(yùn)動(dòng)。

在焊管行業(yè)的應(yīng)用

采用激光視覺系統(tǒng)對(duì)焊縫進(jìn)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(dòng)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(jī)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(dāng)前焊槍位置同其基準(zhǔn)位置之間的偏差，并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)(十字滑架)移動(dòng)焊槍到當(dāng)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(dá)到5～10m/min。通過激光傳感器每秒50次的運(yùn)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(dòng)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(huì)相對(duì)焊槍產(chǎn)生連續(xù)波動(dòng)。如果不采用焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，就需要操作者監(jiān)視焊槍相對(duì)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(gè)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(duì)于焊縫的位置，提高了焊接質(zhì)量，降低了廢品率，同時(shí)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(shí)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(duì)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(diǎn)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(gè)過程，即點(diǎn)固焊、內(nèi)焊和外焊。因?yàn)?span lang="EN-US">UOE點(diǎn)固通常采用明弧，電流高達(dá)#p#分頁標(biāo)題#e#2000A，焊接速度高達(dá)10m/min，明弧大電流會(huì)產(chǎn)生的強(qiáng)烈弧光、煙塵和飛濺，其工作環(huán)境非常惡劣，UOE點(diǎn)固系統(tǒng)上采用激光跟蹤系統(tǒng)是一個(gè)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(duì)于焊接飛濺非常敏感，需要經(jīng)常維護(hù)，而激光跟蹤傳感器維護(hù)工作量很小，只需要定期清理和更換保護(hù)塑料片。激光焊縫跟蹤系統(tǒng)目前已經(jīng)成功地取代了點(diǎn)固焊機(jī)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(duì)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?？煽?，盡可能降低廢品率。圖2展示了UOE直縫的焊接(OD)激光自動(dòng)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(shí)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(dòng)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(cuò)邊監(jiān)測、螺旋焊管中成形角自動(dòng)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(cuò)邊檢測

電阻焊管(ERW)不需要焊縫跟蹤系統(tǒng)，因?yàn)楹附訜嵩床皇莻鹘y(tǒng)弧焊那樣的點(diǎn)熱源。但激光視覺系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)測量焊接接頭的錯(cuò)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(jìn)行機(jī)械刨削，如果焊縫在被焊之前的遞送邊沒有對(duì)齊(有錯(cuò)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(shí)發(fā)現(xiàn)，最終用戶將會(huì)拒絕收貨或者會(huì)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(jī)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(cuò)邊量，并將焊縫的位置和角度考慮進(jìn)去。如果錯(cuò)邊量超差，則會(huì)給出警告信號(hào)。

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(jì)一個(gè)安裝高度較高(至少100mm)的傳感器。

2. 螺旋焊管的成型角自動(dòng)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(jìn)行高級(jí)控制。#p#分頁標(biāo)題#e#

通常螺旋焊管焊接過程中需要控制成型角，成型角對(duì)管道的直徑以及管材成形非常重要。操作者在手動(dòng)調(diào)整過程中，需要觀察間隙(附近有埋弧焊焊劑)進(jìn)行調(diào)整，而控制成型角的液壓機(jī)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(dòng)控制的關(guān)鍵在于能夠準(zhǔn)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(diǎn)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(dòng)導(dǎo)引

激光焊縫跟蹤系統(tǒng)同樣也應(yīng)用在超聲自動(dòng)探傷探頭的自動(dòng)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(duì)超聲探傷進(jìn)行自動(dòng)跟蹤的難點(diǎn)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(duì)跟蹤系統(tǒng)的性能要求較高。我們?cè)O(shè)計(jì)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。