圖1. SCeye系統(tǒng)的兩種配置都包括高動(dòng)態(tài)攝像頭和創(chuàng)新的照明模塊，左圖為ITL的科學(xué)配置，右圖為Scansonic的SCeye產(chǎn)品開發(fā)。
在汽車加工領(lǐng)域，激光束釬焊已經(jīng)是比較成熟的焊接技術(shù)，特別是白車身的加工，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，還可用于焊接鋼或鋁車門。而在質(zhì)量監(jiān)控過程中存在的諸多問題嚴(yán)重阻礙了激光材料加工技術(shù)的發(fā)展，如何解決這一問題迫在眉睫。
首個(gè)完整集成的在線過程控制系統(tǒng)
為了解決激光材料加工在線質(zhì)量監(jiān)控過程中的諸多問題，德國Scansonic公司與弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（Fraunhofer ILT，以下簡稱“ILT”）合作開發(fā)了首個(gè)完整集成的在線過程控制系統(tǒng)的原型——SCeye。經(jīng)過兩年的不斷修改和完善，SCeye系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。
在汽車白車身生產(chǎn)過程中，SCeye是激光焊接和釬焊工藝的附加件，可被用于Scansonic ALO3焊接機(jī)頭。目前來說，在全球范圍內(nèi)，已有超過1,000個(gè)裝載SCeye系統(tǒng)的焊接機(jī)頭投入使用。通常情況下，檢驗(yàn)系統(tǒng)需要額外的控制柜，但SCeye是完全集成到Scansonic加工頭內(nèi)的。
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模塊以及在加工頭處直接附著于攝像頭的高級圖像和數(shù)據(jù)處理裝置組成（見圖1）。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，并將原始數(shù)據(jù)另外存儲(chǔ)在其內(nèi)置存儲(chǔ)器內(nèi)。通常，ALO3 SCeye可在三種情形下幫助ALO3焊接機(jī)頭的使用，具體如下：
◆情形1：在線示教過程
在線示教模式下，過程現(xiàn)場由對眼睛安全的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，以便相對于工件對加工頭進(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)場總線信號(hào)，從而便于機(jī)器人的編程。
◆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，便于進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)
雖然目前SCeye系統(tǒng)尚不能進(jìn)行實(shí)時(shí)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)、測試和評估用于監(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，如圖1（左）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。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清晰可見。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)，通過對捕獲的圖像應(yīng)用專用的圖像處理算法，可監(jiān)測機(jī)器參數(shù)以及產(chǎn)品質(zhì)量。此次，通過兩個(gè)圖像分析的實(shí)際案例來具體說明。
1.焊縫缺陷（例如氣孔）的監(jiān)測以及產(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，它們對于最終用戶是直接可見的，這使得焊縫表面的氣孔成為不可接受的焊縫缺陷。因此，檢測這些焊縫缺陷非常重要。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，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。專門的圖像特征被用于將固化焊縫分類為有缺陷或無缺陷的部分。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)，對有缺陷和無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@種方法檢測直徑從幾百微米到幾毫米的氣孔。
圖2. 受控激光釬焊——激光功率PL以及送絲速度VW根據(jù)實(shí)際速度測量進(jìn)行控制。
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)量保證目的需要長期保存的數(shù)據(jù)量。
2.在工具中心點(diǎn)對處理系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)的測量。
SCeye系統(tǒng)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量機(jī)器參數(shù)。除了焊縫跟蹤和過程測量中相對于焊縫的激光點(diǎn)位置的檢測，速度是基于所獲取的圖像可以被測量的一個(gè)主要參數(shù)。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?？梢源_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，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)單位長度的恒定能量。
在激光釬焊的情況下，激光功率Pl以及填充焊絲的速度Vw需要根據(jù)測量的速度按比例調(diào)整，受控激光釬焊的結(jié)果如圖2所示。在工藝條件下，該系統(tǒng)通過對法蘭接頭結(jié)構(gòu)的釬焊進(jìn)行了測試。在實(shí)驗(yàn)中，速度在0.72～3m/min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)了平滑且?guī)缀蹙鶆虻墓鈱W(xué)外觀。
結(jié)論與展望
如上所述，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)的測量。
下一步，將不僅集中于進(jìn)一步增強(qiáng)速度測量算法，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或激光點(diǎn)相對于接頭形狀的位置的檢測。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I(xiàn)LT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。
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