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(guó)Scansonic公司與弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（Fraunhofer ILT，以下簡(jiǎn)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(jí)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(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。
◆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，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(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，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(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。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(cè)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(duì)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(cè)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(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)。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(duì)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(cè)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(cè)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(zhǎng)期保存的數(shù)據(jù)量。
2.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。
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(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)。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，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Pl以及填充焊絲的速度Vw需要根據(jù)測(cè)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(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(cè)量。
下一步，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(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。
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