Christoph Franz與Michael Ungers 

激光束釺焊和焊接在汽車工業(ye) 中是成熟的焊接技術，特別對於(yu) 白車身的生產(chan) 。這些工藝主要用於(yu) 兩(liang) 件式行李箱蓋的焊接，以及具有可見接縫的車頂與(yu) 側(ce) 圍之間的焊接，或用於(yu) 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(guan) 重要。Scansonic MI GmbH與(yu) 德國弗勞恩霍夫激光技術研究所（Fraunhofer ILT）合作開發出首個(ge) 完整集成的在線過程控製係統的原型 – SCeye。

該係統是汽車白車身生產(chan) 的激光焊接和釺焊工藝的附加件。它包括一個(ge) 無與(yu) 倫(lun) 比的創新和強大的照明模塊，並與(yu) 高速攝像頭相結合；所有這些都完全集成到ALO3釺焊和焊接機頭內(nei) ，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(guan) 鍵技術，並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，該係統能夠在大規模生產(chan) 過程中獲取高分辨率圖像，可用於(yu) 工藝和質量控製目的。該係統還允許對過程行為(wei) 和產(chan) 品質量進行全麵的記錄。

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

圖1技術轉讓 – 左圖：ILT的科學配置；右圖：Scansonic的SCeye產品開發。兩種配置都包括高動態攝像頭和創新的照明模塊。

SCeye係統

SCeye是激光焊接和釺焊工藝的附加件，並將首先用於(yu) Scansonic ALO3焊接機頭，在全球範圍內(nei) ，有超過1000個(ge) 焊接機頭投入使用。雖然其他檢驗係統通常需要額外的控製櫃，但SCeye完全集成到Scansonic加工頭內(nei) 。

該係統由具有高動態範圍的CMOS成像攝像頭、用於工件激光照明的照明模塊以及在加工頭處直接附著於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，通過播放將圖像發送到基於Web的界麵（圖2），並將原始數據另外存儲在其內置存儲器內。

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。該攝像頭係統向任何網絡連接的客戶端播放實時視頻。在對機器人軌跡進行編程時，用戶可以使用實時送絲，以便相對於工件對加工頭進行非常準確的定位。同時，該係統連續提供ALO3係統的實際值，例如旋轉軸位置和測量的施加於送入焊絲的力。此外，該係統記錄來自機器人的所有現場總線信號，從而便於機器人的編程過程。

圖2：基於(yu) 瀏覽器的SCeye用戶界麵

情形2：焊接/釺焊過程

在焊接或釺焊過程中，SCeye係統可將其照明模塊從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，並且即使在明亮過程中也可確保清晰的圖像。在將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。每個視頻將會保存在實施的文件係統內（持續“先進先出”），而通過現場總線接口提供的零件號可用於將視頻分配到實際生成的零件。該係統會將同步的現場總線接口的信號和ALO3焊接機頭的附加模擬值記錄到采集的過程視頻。

情形3：檢驗過程

在生產(chan) 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，可以執行過程狀態的檢驗。用戶還可以決(jue) 定將所有獲取的數據（例如在每個(ge) 零件之後或每次換班之後）複製和記錄到其自己網絡所附帶的存儲(chu) 器或其網絡的服務器內(nei) 。

科學的配置，以進行係統開發

雖然SCeye係統尚不能進行過程控製，但ILT的科學研究表明，該係統的實時引擎通過與(yu) 強大的FPGA相結合，允許將先進的算法應用於(yu) 未來進一步的監控和控製。

為了開發、測試和評估用於監控和控製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係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適的，可理想確保均勻和定向獨立的照明圖像[1]。 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(yu) SCeye係統不同，在該科學配置中，原始圖像通過Cameralink標準傳(chuan) 輸到工業(ye) PC裝置。這些圖像采用FPGA技術采集和處理，使得算法適合於(yu) 製造過程中的實時應用，例如控製目的和質量檢驗。完整的釺焊過程記錄在一個(ge) 在線配置內(nei) ；通過對捕獲的圖像應用專(zhuan) 用的圖像處理算法，可監測機器參數以及產(chan) 品質量。在以下兩(liang) 個(ge) 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）的監測以及產(chan) 品質量文件化

< 在工具中心點對處理係統的實際運動的測量

圖3 過程區域可視化

產品質量文件化
激光釺焊縫在白車身生產中經常用作風格元素。在上漆之後，它們對於最終用戶是直接可見的，使得焊縫表麵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。由於大部分氣孔在表麵上是開口的，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。但這種方法並不能令人滿意，因為其取決於閾值和實際照明情況。更理想的一種方法是使用基於分類的氣孔檢測，如[2]所示。專門的圖像特征被用於將固化焊縫分類為有缺陷或無缺陷的部分。強度的平均值和標準偏差以及梯度圖像用於分類。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；氣孔被標記為紅色，而焊縫的無缺陷部分被標記為綠色。

該分類算法受益於為SCeye係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，拚合出整條焊縫。這為大規模生產過程中保存各個焊縫的圖像提供了可能性，並且將會顯著減少出於質量保證目的需要長期保存的數據量。

應用於(yu) 過程控製 – 受控激光釺焊

不僅(jin) 可用於(yu) 外形質量檢驗，基於(yu) 成像的過程控製也被成功證明可用於(yu) 測量機器參數。除了焊縫跟蹤和過程測量中相對於(yu) 焊縫的激光點位置的檢測，速度是基於(yu) 所獲取的圖像可以被測量的一個(ge) 主要參數[3]。由於(yu) 均勻和定向獨立的照明圖像處理算法可應用於(yu) 所獲取的圖像，以跟蹤兩(liang) 個(ge) 排序圖像中的特定模式。可以確定位移矢量並結合采集速率，以計算速度。在這種情況下，可以使用塊匹配算法[4]，因為(wei) 它可以很容易地在FPGA技術上實現。該方法不僅(jin) 具有實時功能，而且適合作為(wei) 基於(yu) 速度的控製策略的單輸入，例如，用於(yu) 確保每個(ge) 單位長度的恒定能量。

在激光釺焊的情況下，激光功率P_L以及填充焊絲的速度v_W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。該係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/分鍾的範圍內變化。盡管該變化範圍很大，受控釺焊過程仍然保持穩定，並且引導機器人係統的速度波動得到補償。此外，焊縫表麵實現了平滑而且幾乎均勻的光學外觀。

人們(men) 可以想到的一個(ge) 相關(guan) 應用是行李箱蓋的焊接，其中由於(yu) 工件的幾何形狀，釺焊過程中激光頭需要重新對準，在光學器件繞著銘牌的突出部分的邊緣轉動時，釺焊速度會(hui) 下降到較低值。

結論與(yu) 展望

在線質量檢驗以及閉環控製激光釺焊已得到成功證明。焊縫質量的在線檢驗將會開辟省去後期檢驗和減少質量保證工作的可能性。而受控的激光工藝將會提高工藝穩定性，並有利於產品質量，尤其當工藝窗口很小時。特別是，在線示教程序將會受益於機器參數的測量。

未來的工作將不僅(jin) 集中於(yu) 進一步增強速度測量算法，而且還會(hui) 考慮新的監控和控製任務，例如釺焊絲(si) 尖端的檢測或激光點相對於(yu) 接頭形狀的位置的檢測。實際的SCeye係統還沒有能力進行自動化過程檢驗，但德國弗勞恩霍夫激光技術研究所提供的該科學配置所顯示的一些功能可能會(hui) 在未來的生產(chan) 增強中得到應用。

從長遠來看，目標是整合完整的過程控製（即控製和監控算法），連接更多的數據源並提供自動化參數設置，以減少用戶使用焊接和釺焊機頭的複雜性。由於算法適用於FPGA技術的實現，不再需要額外的控製櫃或任何外部處理單元來監控和控製傳感器和執行器網絡中的激光焊接過程。

< 公司

Scansonic MI GmbH

德國柏林

Scansonic開發和製造在現代生產(chan) 過程中用於(yu) 自動化焊接的係統。通過新的方法和產(chan) 品，Scansonic擴展了技術可行性範圍。對於(yu) 其客戶，Scansonic開辟了激光和電弧技術的優(you) 勢 – 在生產(chan) 中創造了更高的效率、精度和質量。在焊縫跟蹤的釺焊和焊接領域，Scansonic擁有可靠有效的解決(jue) 方案。 Scansonic還具有激光應用中心，可以輕鬆地測試各種機器人、激光源以及不同的焊接和釺焊機頭，並開發新的應用。自2000年成立以來，Scansonic已經獲得了穩固的行業(ye) 地位，在國際汽車行業(ye) 擁有眾(zhong) 多的銷售和服務合作夥(huo) 伴。大部分原始設備製造商的多種白車身零部件都采用Scansonic設備進行焊接。www.scansonic.de
 

< 研究所

德國弗勞恩霍夫激光技術研究所

德國亞(ya) 琛

弗勞恩霍夫激光技術研究所擁有250多名員工和10000多平方米建築麵積，在其特定領域是世界上最重要的開發和合同研究機構之一。其活動涵蓋了廣泛的領域，例如新的激光束源和組件的開發，現代激光測量和測試技術的使用以及激光支持的製造。這包括例如激光切割、雕刻、鑽孔、焊接、軟焊和釺焊以及表麵處理、微加工和快速成形。此外，弗勞恩霍夫激光技術研究所從(cong) 事激光設備技術和過程控製以及整個(ge) 係統技術。www.ilt.fraunhofer.de
 
作者

Christoph Franz在亞(ya) 琛學習(xi) 機械工程，並獲得亞(ya) 琛應用技術大學的生產(chan) 技術文憑。在亞(ya) 琛弗勞恩霍夫激光技術研究所和法國Evry的Coopération Laser Franco-Allemande共有7年的激光工藝過程監控和控製方麵的工作經驗，他曾擔任科學和工業(ye) 項目以及各種激光工藝的過程記錄、監控和控製解決(jue) 方案的項目經理。自2012年起，Christoph Franz在Scansonic MI GmbH擔任過程監控產(chan) 品以及激光邊緣焊接機頭的產(chan) 品經理。

Michael Ungers在亞(ya) 琛工業(ye) 大學和蘇格蘭(lan) 愛丁堡赫裏奧特瓦特大學學習(xi) 物理學，並獲得物理學文憑以及物理碩士學位。自6年前，他在弗勞恩霍夫激光技術研究所擔任過程控製和係統技術小組的科學工作人員。作為(wei) 科學和工業(ye) 項目的項目經理，他參與(yu) 過程觀測係統、過程監控和過程控製的研究與(yu) 開發。在過去數年，他專(zhuan) 門從(cong) 事過程監控、在線質量控製和激光釺焊應用的受控激光工藝領域。

[1] U. Thombansen, M. Ungers: 激光材料加工過程觀察照明，Physics Procedia 56 (2014) 1286; DOI: 10.1016/j.phpro.2014.08.053

[2] M. Ungers et al.: 激光釺焊應用中接縫缺陷的FPGA編程檢測。LAMP2013年報。第六屆國際激光先進材料加工大會(hui) ，(2013) 23–26.07.2013. Toki Messe, Niigata, Japan.

[3] S. Kaierle et al.: 了解激光工藝，Laser Technik Journal 7 (2010) 49; DOI: 10.1002/latj.201090027

[4] D. Liu, W. Sun: 在視頻壓縮中基於(yu) 塊的快速運動估計算法，斯蒂文斯理工學院電氣工程與(yu) 計算機工程係，Hoboken, NJ 07030, (1998)

[5] M. Ungers et al.: 用於激光釺焊應用的基於硬件的分析和過程控製，Physics Procedia 41 (2013) 517; DOI: 10.1016/j.phpro.2013.03.111.