在大型鋁合金航天器結(jié)構(gòu)中，存在大量復(fù)雜形式的焊縫，如球形、圓柱形、圓臺(tái)殼體與圓形、異形法蘭形成的相貫線等。載人飛船、目標(biāo)飛行器、軍用衛(wèi)星、月球探測(cè)飛行器等艙體結(jié)構(gòu)都不同程度地涉及到這類(lèi)形式焊縫的焊接問(wèn)題。目前大多靠手工鎢極氬弧焊來(lái)完成這類(lèi)曲線焊縫的焊接。存在如下問(wèn)題：
①反復(fù)補(bǔ)焊影響產(chǎn)品研制進(jìn)度。手工焊容易出現(xiàn)缺陷，排除缺陷和補(bǔ)焊的效率往往牽制結(jié)構(gòu)的研制進(jìn)度；
②熱輸入量大，焊接殘余應(yīng)力水平高，容易導(dǎo)致產(chǎn)品尺寸超差；
③新一代長(zhǎng)期在軌航天器密封艙體要求在軌壽命十五年以上。手工鎢極氬弧焊工藝焊接熱輸入量大，焊縫顯微組織粗大，焊縫殘余應(yīng)力較大，應(yīng)力腐蝕傾向嚴(yán)重，該工藝已不適應(yīng)航天器結(jié)構(gòu)長(zhǎng)壽命、高可靠的制造需求。
激光跟蹤傳感器具有信號(hào)處理快速準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，所以提高了檢測(cè)靈敏度，改善了焊縫跟蹤的精度，且可以提高焊接速度，使焊道平滑等。
焊接機(jī)器人研究中的一項(xiàng)難題。其中關(guān)鍵技術(shù)包括：焊縫點(diǎn)圖像采集、結(jié)構(gòu)光數(shù)學(xué)模型建模、機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制算法、視覺(jué)伺服控制、焊接機(jī)器人位姿實(shí)時(shí)調(diào)整、初始焊縫位置識(shí)別與定位。通過(guò)視覺(jué)伺服控制技術(shù)組建一個(gè)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)曲線焊縫的自主識(shí)別定位，并完成焊縫的自動(dòng)跟蹤。
目前對(duì)于焊接機(jī)器人對(duì)曲線焊縫自動(dòng)跟蹤的研究，都是在設(shè)定視覺(jué)傳感器可以獲取穩(wěn)定的信息情況下進(jìn)行的，對(duì)如何保證圖像特征始終存在于攝像機(jī)的有效范圍內(nèi)、如何快速的調(diào)整焊槍姿態(tài)與如何協(xié)調(diào)跟蹤過(guò)程中的三個(gè)任務(wù)考慮較少。線結(jié)構(gòu)光激光測(cè)量技術(shù)以其測(cè)量速度快、精度高、模型簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)量中的三維信息獲取，是目前實(shí)現(xiàn)機(jī)器人路徑識(shí)別與軌跡規(guī)劃較為成熟的一項(xiàng)技術(shù)。
具體的操作流程如下：
(1)初始點(diǎn)定位：粗掃描階段，提高機(jī)器人速度，減少圖像采集點(diǎn)頻率，直到焊縫點(diǎn)掃描消失，然后回到上一點(diǎn)；細(xì)掃描階段，降低機(jī)器人速度，提高圖像采集頻率，直到找到最后一個(gè)點(diǎn)，即為比較精確的焊縫初始點(diǎn)；
(2)初始位姿調(diào)整：根據(jù)位姿調(diào)整策略調(diào)整焊縫初始點(diǎn)位姿，得到焊接機(jī)器人理想姿態(tài)R6；
(3)焊縫點(diǎn)三維信息計(jì)算：計(jì)算確定在當(dāng)前姿態(tài)R6 下達(dá)到焊縫初始點(diǎn)機(jī)器人位置信息P1；
(4)延遲跟蹤：將結(jié)構(gòu)光采集到的數(shù)據(jù)保存到建立的隊(duì)列當(dāng)中，如果要提高系統(tǒng)精度，可以適當(dāng)增加隊(duì)列長(zhǎng)度。讀取當(dāng)前焊槍末端點(diǎn)三維信息Pn ，在P 1~Pn 之間適當(dāng)插值，存于隊(duì)列中；
(5)根據(jù)當(dāng)前焊縫圖像，圖像處理獲取焊縫點(diǎn)，將焊縫點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)變換到機(jī)器人基坐標(biāo)系后入隊(duì)，若焊縫提取失敗則跳到(8)；
(6)伺服控制：將焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分解為旋轉(zhuǎn)部分和平移部分的策略。平移運(yùn)動(dòng)保證焊槍精度，旋轉(zhuǎn)保證焊接機(jī)器人姿態(tài)良好；用視覺(jué)伺服控制反饋視覺(jué)圖像，結(jié)合焊槍坐標(biāo)系建模方法，獲得機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)量，實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)器人位姿。
(7)位姿調(diào)整：根據(jù)結(jié)構(gòu)光數(shù)學(xué)模型把采集到的焊縫點(diǎn)圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為三維信息，然后根據(jù)視覺(jué)伺服控制方法控制焊接機(jī)器人進(jìn)行焊縫跟蹤，在跟蹤過(guò)程中實(shí)時(shí)進(jìn)行機(jī)器人位姿調(diào)整，保證焊槍與工件法線成 15 度；保證在曲線焊縫視覺(jué)跟蹤過(guò)程中焊縫點(diǎn)的圖像坐標(biāo)在期望圖像坐標(biāo)的可接受范圍內(nèi)，確保焊縫方向與激光條所成角度接近 90 度。
(8)判斷保存焊縫點(diǎn)三維信息的隊(duì)列是否為空，如不為空則跳到(4)，反之則跳到(9)；
(9) 焊縫跟蹤任務(wù)結(jié)束。
可創(chuàng)新點(diǎn)：
(1)初始點(diǎn)定位自動(dòng)化程度：對(duì)于焊縫初始點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別定位，應(yīng)當(dāng)提出更加簡(jiǎn)便和快捷的方法，使自動(dòng)識(shí)別效果更好，自動(dòng)化程度更高；
(2)焊縫跟蹤路徑規(guī)劃：獲取焊縫點(diǎn)三維信息后，應(yīng)當(dāng)對(duì)焊縫點(diǎn)進(jìn)行軌跡規(guī)劃來(lái)使跟蹤軌跡更加平滑，提高焊縫質(zhì)量。
