§1-1 课题研究背景和意义
焊接技术作为传统加工技术，在机械制造业中占有重要地位，除装配和机加工外，焊接技术位列第 三。随着先进制造技术的发展，实现焊接产品制造的智能化、自动化与柔性化已经成为必然趋势，采用 机器人焊接技术进行焊接作业已成为焊接自动化的重要标志[1,2]。焊接机器人不仅稳定性好、生产效率 高，而且还能够降低工人的劳动强度和适应各种恶劣的工作环境，广泛应用于船舶、汽车、化工、炼油、
冶金、压力容器、机械、航空航天等民用和军用工程及制造领域。我国是制造业大国，但我国的智能焊 接水平与发达国家相比还有一定差距，大力发展智能焊接技术是提高我国工业水平的关键所在[3]。
在自动化焊接过程中，如何保证焊接质量是移动焊接机器人所面临的问题。由于焊接过程中工件受 热变形和加工、装配误差都会使焊枪偏离焊道，而焊接机器人无法识别这种偏移量，从而导致焊接质量 的下降。通常需要使用传感器将位置偏差传递给机器人，进行实时调整焊枪位置。据统计，焊工在进行 手工焊接时，有80%的信息来自眼睛，其通过观察焊缝、熔池、电弧形状等来调节焊接参数和工艺，
保证了焊接的稳定性[4,5]。所以，机器视觉控制技术已成为焊接机器人的必然发展趋势。
虽然目前在各类生产线中存在大量的视觉焊接机器人，但是随着对焊接质量的要求日益严格，还需 要解决如下三个应用性难题：
(1) 视觉跟踪系统控制的实时性[6]
信息图像的提取和焊缝跟踪都要求计算机视觉传感与控制有很强的实时性和很高的控制精度，但由 于光学传感器科技水平和引入只能控制因素的限制，都会增加计算机处理时间，影响焊接的实时性，因 此为了加快机器人响应速度，不得不以牺牲控制精度为代价。
(2) 视觉跟踪系统的智能性[6]
由于实际焊接过程复杂多变，许多条件的改变会造成焊缝变形，使焊枪偏离焊缝。针对这些问题，
焊接机器人如不能做出相应调整，将导致焊接质量的下降，故需选择高精度传感器，但机器人成本也会 随之上升，如何寻求一个平衡点是个关键问题。
(3) 视觉跟踪系统的导前误差
由于熔池图像的亮度较高，如果将结构光照射在焊枪当前位置时，熔池光强会淹没结构光，很难提 取到焊缝信息。故目前的视觉传感器都会超前焊枪一段距离，这样就不可避免的引入导前误差。在进行 实际焊接作业时，导前误差会影响焊接质量。
针对以上问题，开发一种智能程度高，抗干扰能力强，处理速度快，能够减小导前误差的焊缝信息 视觉检测系统是十分必要的，其对完成水下、核辐射、空间环境等不适于人类参与的，且需要保证质量 的焊接工作具有重大意义。
§1-2 焊接机器人发展现状
由世界工业机器人的应用统计可知，工业机器人的重点应用领域为：搬运、焊接、喷涂、上下料及 装配等；根据行业情况可知，主要应用领域为：机车车辆、工程机械、汽车制造业等，其中汽车制造业 应用最为广泛，图1.1 为美洲各行业对机器人的需求分析[7]。
汽车零部件 24%
金属制品业 8%
橡胶及塑料 行业 7%
电子电器工 业 7%
汽车工业 食品工业 2% 37%
其他工业 15%
图 1.1 美洲各行业对机器人需求分布[7]
Fig. 1.1 The needs to robot distribution of America industries[7]
焊接机器人是由计算机控制的取代焊工完成自动焊接工作的机器，一般由能够进行两维、三维、或 多个自由度运动的焊接机械手，数控焊接变位器和中央控制器等组成。初级的为示教型，常用的为数字 控制型，高级的为智能型。
目前焊接机器人主要有三种形式：焊接机器人生产线、焊接机器人工作站和焊接专机[7]。焊接机 器人生产线主要是用于种类多、数量少的产品；焊接机器人工作站主要用于焊缝较短、数量较多、形状 较复杂的产品；焊接专机主要适用于批量大、改型慢的产品，也适用于焊缝较长、数量较少、形状规则 的产品。
国外工业发达国家焊接机器人已得到广泛应用，我国近十几年应用也越来越多，尤其是在汽车工业 应用电阻焊（点焊）机器人较多。日本和德国是提供焊接机器人商品最多的国家，我国也已研制出多种 型号、性能先进的焊接机器人，并取得自主知识产权[8]。
1 舱体格子构件焊接机器人
韩国的Kam B.O.等人研制了一种轮式移动焊接机器人[9]。此机器人主要用于焊接舱体格子结构的 构件。此机器人的优点是体积小、重量轻，即使在狭小空间也能够进行自主焊接，可自动寻找焊缝的起 始位置。在焊接格子形框架的拐角处时，能够在保持焊接速度不变的情况下，协调控制移动平台和十字 滑块的运动以确保焊炬对准焊缝。如图1.2 所示。
图 1.2 舱体格子形构件焊接机器人[9]
Fig. 1.2 Shipyard welding robot[9]
2 平板对焊自主焊接机器人
日本庆应大学学者Suga 等研制了自主性三轮移动焊接机器人，主要用于平面薄板焊接[10]。通过差 速驱动两驱动轮来实现转弯，CCD 视觉传感器安装在移动平台上焊枪机械手末端，来检测焊缝的位置 与形状，采集到焊缝信号经过处理后输入到控制器以控制机械手运动，来实现对焊缝的精确跟踪。如图 1.3 所示。
图 1.3 平板对焊移动焊接机器人[10]
Fig. 1.3 Slab welding mobile robot[10]
3 管道焊接机器人
河北工业大学岳宏、李慨等学者研发了基于视觉传感的管道焊接机器人[11,12]，如图1.4 所示。该机 器人采用永磁吸附技术将机器人吸附在管道上，无须事先铺设轨道；采用双CCD 视觉传感器避免在焊 接过程中频繁调头；采用一种焊枪侧置形式的结构，与骑跨式结构相比，使焊缝跟踪精度不受管道对口 精度的影响，并可以实现管道弯角对接焊缝的焊接。该机器人焊接精度高，工作范围大。
图 1.4 管道焊接机器人[11-12]
Fig.1.4 Pipeline welding robot[11-12]
4 甲板焊接机器人
上海交通大学研制的轮式移动焊接机器人[13]，此机器人具有自寻迹功能。该机器人主要用于舰船 甲板的焊接。在焊接前，机器人能够自主的寻找焊缝的起始位置，通过一定的轨迹推算后自动调节机器 人移动平台和焊枪到待焊状态。移动平台与焊缝坡口平行，焊枪位于焊缝的坡口中心。该机器人可以实 现甲板的高效自动化焊接，保证焊接质量。如图1.5 所示。
图 1.5 自寻迹舰船甲板焊接移动机器人系统组成[13]
Fig. 1.5 Auto-searching weld line ship deck mobile welding robot[13]
5 无导轨全位置爬行式弧焊机器人
南昌大学研制的履带式爬壁弧焊机器人[14]，能够在垂直的平面上进行焊接作业。该机器人系统由 爬行机构、视觉传感系统、控制电路及PC 处理控制系统组成。视觉传感与 PC 处理控制组成焊缝识别 系统，用于识别焊缝，将检测到的焊缝信息输入到焊缝跟踪系统中，实时控制移动平台和十字滑块运动 以实现焊缝跟踪。如图1.6 所示。
图 1.6 履带式爬壁弧焊机器人[14]
Fig. 1.6 Pedrail mobile welding robot[14]
§1-3 焊接信息视觉传感技术
在焊接过程中，由于坡口的加工误差、装配误差、热变形、焊缝走向等，往往会使焊枪偏离焊缝中 心，降低焊接质量。为了实现焊接自动化并且保证焊接质量，机器人必须检测出焊缝当前的偏差，然后 反馈给控制器，驱动焊枪消除偏差。检测偏差必须需要传感器，焊缝传感器可分为以下几种，如图1.7 所示。
焊缝跟踪传感器
接触式传感器 非接触式传感器
机 械 式
机 械 电 子 式
电 磁 式
超 声 波 式
电 容 式
射 流 式 式
光 学 视 觉 式
电 弧 传 感 式
图 1.7 焊缝跟踪传感器 Fig.1.7 Seam tracking sensors
随着计算机技术的迅猛发展，图像处理技术的不断提高，并且视觉传感器具有高精度、提供丰富信 息量、非接触测量等优点，适合于各种焊接形式，而且在焊接时视觉传感器还可以检测焊缝质量，其越 来越受到重视，在焊缝跟踪过程中得到了大量的应用。焊接中应用视觉的有三个方面：焊缝初始位置检 测与引导、焊缝跟踪及焊接质量检测。与其他传感器相比，视觉传感器非常适合于焊接过程中需要大量 视觉信息检测的场合。焊接机器人在焊前的路径规划，焊接过程中焊接参数和偏差的实时调整[15]，焊 接过程中附近温度场的检测[16-18]，焊后焊缝表面形状和焊接质量的分析，熔透和熔深的信息检测[19]，熔 池信息检测等方面都有成功的案例[20-22]。
目前，在移动焊接机器人上使用的视觉传感器主要是CCD 摄像机和 CMOS 摄像机[23]，由于CCD
的技术成熟，已成为焊接视觉传感器的主流。根据是否加辅助光源可分为以自然光或者弧光为光源的被 动式直接传感器和以激光或其他辅助光源照明的主动式直接传感器。
1-3-1 被动视觉传感器
被动视觉传感器不加辅助光源，直接使用自然光、弧光作为光源，CCD 摄像机直接采集焊接熔池 图像，提取熔池信息，从而进行跟踪控制。其优点是不存在检测对象和被控对象的位置差，即不存在导 前误差，设备简单，成本低[24]。缺点是干扰强烈，在焊接过程中弧光辐射强度高于熔池辐射强度，有 时甚至会超过CCD 上限，而且图像噪声经常会淹没熔池信息。因此，如何获取清晰的熔池几何信息是 被动视觉跟踪的一个关键问题。
由于被动视觉传感器受弧光干扰强烈，其采集信息的准确性有待提高，且较难提取三维信息，因而 在视觉焊缝跟踪系统中，主动视觉是视觉焊缝跟踪的主要方法。
1-3-2 主动视觉传感器
主动视觉传感器采用外加辅助光源，常采用激光为辅助光源。根据辅助光源的类型，可将主动视觉
主动视觉传感器采用外加辅助光源，常采用激光为辅助光源。根据辅助光源的类型，可将主动视觉