焊管行業(yè)中的激光視覺系統(tǒng)
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基本原理
激光視覺系統(tǒng)普遍應(yīng)用三角結(jié)構(gòu)光測(cè)量法來獲得工件表面的三維信息。三角測(cè)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(cè)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(jiǎn)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(cè)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)
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)閁OE點(diǎn)固通常采用明弧，電流高達(dá)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，該過程必須非常可靠，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)。
評(píng)論