焊接

簡單介紹激光材料加工在線質量檢驗系統

轉載 :  zhongte88183.cn   2018年04月04日

  激光束釺焊和焊接在汽車工業中是成熟的焊接技術,特别對于白車身的生産。這些工藝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圍之間的焊接,或用于焊接鋼或鋁車門。因此,對釺焊接縫的光學外觀的要求非常高,質量監控至關要。Scansonic MI GmbH與德國弗勞恩霍夫激光技術研究所(Fraunhofer ILT)合作開發出首個完整集成的在線過程控制系統的原型– SCeye。

  SCeye系統是汽車白車身生産的激光加工的附加件。它包括一個無與倫比的創新和強大的照明模塊,并與高速攝像頭相結合;所有這些都完全集成到ALO3釺焊和焊接機頭内,如圖1所示。照明和攝像頭模塊同軸對準,這是集成過程監控的關鍵技術,并在多年前由德國弗勞恩霍夫激光技術研究所發明。

  在不影響釺焊光學元件的可達性的情況下,該系統能夠在大規模生産過程中獲取高分辨率圖像,可用于工藝和質量控制目的。SCeye系統還允許對過程行為和産品質量進行全面的記錄。

  本文介紹了SCeye産品的特點,該産品于2015年1月在EALA大會上發布,并展示了受控激光釺焊和氣孔檢測的最新科學成果。經研究的控制算法基于速度測量和實時的送絲速度的直接控制。質量檢驗算法被證明為一種在線氣孔檢測解決方案。

  

  圖1 ILT的科學配置

  

  圖1 Scansonic的SCeye産品開發;兩種配置都包括高動态攝像頭和創新的照明模塊

  SCeye是激光焊接和釺焊工藝的附加件,并将首先用于Scansonic ALO3焊接機頭,在全球範圍内,有超過1000個焊接機頭投入使用。雖然其他檢驗系統通常需要額外的控制櫃,但SCeye完全集成到Scansonic加工頭内。

  該系統由具有高動态範圍的CMOS成像攝像頭、用于工件激光照明的照明模塊以及在加工頭處直接附着于攝像頭的高級圖像和數據處理裝置組成。該數據處理裝置以實時方式處理所獲取的圖像,壓縮數據,通過播放将圖像發送到基于Web的界面(圖2),并将原始數據另外存儲在其内置存儲器内。

  ALO3 SCeye在三種情形下幫助ALO3焊接機頭的使用:

  情形1:在線示教過程

  在示教模式下,過程現場由對眼睛安全的LED照亮。該攝像頭系統向任何網絡連接的客戶端播放實時視頻。在對機器人軌迹進行編程時,用戶可以使用實時送絲,以便相對于工件對加工頭進行非常準确的定位。同時,該系統連續提供ALO3系統的實際值,例如旋轉軸位置和測量的施加于送入焊絲的力。此外,該系統記錄來自機器人的所有現場總線信号,從而便于機器人的編程過程。

  

  圖2:基于浏覽器的SCeye用戶界面

  情形2:焊接/釺焊過程

  在焊接或釺焊過程中,SCeye系統可将其照明模塊從LED照明切換到激光VCSEL照明。然後,可提供高達40W的光功率,以均勻地照亮過程區域,并且即使在明亮過程中也可确保清晰的圖像。在将壓縮的實時視頻播放到網絡的同時,SCeye通過現場總線命令記錄原始圖像數據。每個視頻将會保存在實施的文件系統内(持續“先進先出”),而通過現場總線接口提供的零件号可用于将視頻分配到實際生成的零件。該系統會将同步的現場總線接口的信号和ALO3焊接機頭的附加模拟值記錄到采集的過程視頻。

  情形3:檢驗過程

  在生産和記錄的同時,用戶有權查看過去過程的記錄視頻和現場總線數據。SCeye最多可記錄八小時的視頻和數據。因此,當在進一步處理步驟中檢測到故障過程之後,可以執行過程狀态的檢驗。用戶還可以決定将所有獲取的數據(例如在每個零件之後或每次換班之後)複制和記錄到其自己網絡所附帶的存儲器或其網絡的服務器内。

  科學的配置,以進行系統開發

  雖然SCeye系統尚不能進行過程控制,但ILT的科學研究表明,該系統的實時引擎通過與強大的FPGA相結合,允許将先進的算法應用于未來進一步的監控和控制。

  為了開發、測試和評估用于監控和控制目的的圖像處理算法,ILT打造了一個科學的配置,見圖1左圖所示。該配置采用與SCeye系統相同的攝像頭芯片和相同的照明原理。作為照明源,VCSEL技術已經被證明是合适的,可理想确保均勻和定向獨立的照明圖像。所獲得的圖像如圖3所示。整個過程區域是可視化的;輸入的釺焊絲、液體熔池和固化焊縫是可見的。

  與SCeye系統不同,在該科學配置中,原始圖像通過Cameralink标準傳輸到工業PC裝置。這些圖像采用FPGA技術采集和處理,使得算法适合于制造過程中的實時應用,例如控制目的和質量檢驗。完整的釺焊過程記錄在一個在線配置内;通過對捕獲的圖像應用專用的圖像處理算法,可監測機器參數以及産品質量。在以下兩個這樣的圖像分析的示例中,可以得到證明。

  ※ 焊縫缺陷(例如氣孔)的監測以及産品質量文件化

  ※ 在工具中心點對處理系統的實際運動的測量

  

  圖3 過程區域可視化

  

  圖4 産品質量文件化– 氣孔在整個釺焊縫的全景圖中的标識

  

  圖5 受控激光釺焊 – 激光功率PL以及送絲速度VW根據實際速度測量進行控制

  激光釺焊縫在白車身生産中經常用作風格元素。在上漆之後,它們對于最終用戶是直接可見的,使得焊縫表面的氣孔是不可接受的焊縫缺陷。因此,檢測這些焊縫缺陷是非常重要的。由于大部分氣孔在表面上是開口的,它們會在明亮的照明焊縫上成為黑點。例如通過斑點檢測,這樣的黑點似乎是顯而易見的。但這種方法并不能令人滿意,因為其取決于阈值和實際照明情況。更理想的一種方法是使用基于分類的氣孔檢測,如[2]所示。專門的圖像特征被用于将固化焊縫分類為有缺陷或無缺陷的部分。強度的平均值和标準偏差以及梯度圖像用于分類。通過FPGA技術,對有缺陷和無缺陷的部分的修整值進行比較,從而可以在實時配置中判斷焊縫質量。可以使用這種方法檢測直徑從幾百微米到幾毫米的氣孔。結果在全景圖像中是可見的,如圖4所示;氣孔被标記為紅色,而焊縫的無缺陷部分被标記為綠色。

  該分類算法受益于為SCeye系統開發的均勻的全功率VCSEL照明。 此外,高圖像質量允許使用從已經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。這為大規模生産過程中保存各個焊縫的圖像提供了可能性,并且将會顯著減少出于質量保證目的需要長期保存的數據量。

  應用于過程控制 – 受控激光釺焊

  不僅可用于外形質量檢驗,基于成像的過程控制也被成功證明可用于測量機器參數。除了焊縫跟蹤和過程測量中相對于焊縫的激光點位置的檢測,速度是基于所獲取的圖像可以被測量的一個主要參數[3]。由于均勻和定向獨立的照明圖像處理算法可應用于所獲取的圖像,以跟蹤兩個排序圖像中的特定模式。可以确定位移矢量并結合采集速率,以計算速度。在這種情況下,可以使用塊匹配算法[4],因為它可以很容易地在FPGA技術上實現。該方法不僅具有實時功能,而且适合作為基于速度的控制策略的單輸入,例如,用于确保每個單位長度的恒定能量。

  在激光釺焊的情況下,激光功率PL以及填充焊絲的速度vW需要根據測量的速度按比例調整[5]。受控激光釺焊的結果如圖5所示。該系統在工藝條件下通過對法蘭接頭結構的釺焊進行了測試。在實驗中,速度在3至0.72米/分鐘的範圍内變化。盡管該變化範圍很大,受控釺焊過程仍然保持穩定,并且引導機器人系統的速度波動得到補償。此外,焊縫表面實現了平滑而且幾乎均勻的光學外觀。

  人們可以想到的一個相關應用是行李箱蓋的焊接,其中由于工件的幾何形狀,釺焊過程中激光頭需要重新對準,在光學器件繞着銘牌的突出部分的邊緣轉動時,釺焊速度會下降到較低值。

  總結

  在線檢驗以及閉環控制激光加工已得到成功證明。焊縫質量的在線檢驗将會開辟省去後期檢驗和減少質量保證工作的可能性。而受控的激光工藝将會提高工藝穩定性,并有利于産品質量,尤其當工藝窗口很小時。特别是,在線示教程序将會受益于機器參數的測量。

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