2024（第十一届）高工机器人年会
暨高工金球奖颁奖典礼
万物向新 蓄力笃行
主办单位：高工机器人 高工机器人产业研究所（GGII）
大会时间：2024年12月19日-21日
大会地点：深圳机场凯悦酒店
大会规模：1200人
当前，焊接机器人在面对复杂工件和高精度焊接任务时，时常面临焊缝识别难、焊接一致性差、实时适应性不足等痛点。
而将3D相机引入机器人焊接领域，就如同给机器人装上了“眼睛”。
焊接机器人搭载激光传感器和3D相机来识别焊缝，利用摄像头和图像处理及算法技术，系统能够识别焊缝的位置、尺寸和形状，达到自动规划焊接路径，实现“免示教”焊接。
图片来源于知象光电微信公众号
焊接行业，国产3D相机新的“掘金地”
在焊接机器人的应用中，3D相机通过高精度的三维感知、智能算法优化和实时数据处理，不仅提高了焊缝的识别精度，还通过自适应算法对焊接路径进行实时调整，确保焊接机器人在不同工件和环境下都能稳定发挥。
另外，3D相机还具备自主学习能力，通过大数据分析和深度学习技术，不断优化焊接过程中的参数设置和路径规划，进一步提升了焊接效率和质量。
微视传感总经理徐乃涛表示，随着3D相机在体积、重量、成像精度、成像速度以及成像适应性等方面得到显著提升，焊接机器人将实现更加智能化地焊接。
得益于以上优势，当前焊接专用3D相机已广泛应用于钢结构、船舶建造、汽车制造、航空航天等高精度场景中。未来，随着成本的逐步下降，焊接专用3D相机还将向更多行业渗透，比如建筑机械、家电制造以及轻工制造等。
图片来源于梅卡曼德微信公众号
为了紧抓行业机遇，越来越多的国内机器视觉产业链企业开始涌入焊接领域布局。据高工机器人不完全统计，知象光电、中集飞秒、梅卡曼德、视比特机器人、伟景智能、敏越科技、知芯传感、亚博汉、全视智能、微视传感、昇视唯盛、明图智能、英莱科技、创想智控、深视智能、超准视觉、埃尔森智能、知微传感、如本科技、海康机器人等企业均已涉足，部分厂商的相关产品已与多个焊接机器人品牌成功配套。
值得注意的是，虽然国产3D相机在许多方面已经取得显著进步，但在一些关键技术领域仍需追赶国际领先品牌，例如极端焊接环境中的稳定性、长时间运行的可靠性，以及在高动态范围测量中的精度控制等。
为了缩小与国际品牌的差距，近年来国产品牌也纷纷在材料科学、精密制造、算法优化和系统集成等方面加大研发投入，同时加强产品的市场验证和客户反馈竞争力。据亚博汉总经理王槐透露，目前国产焊接专用3D相机在精度上已达到0.5mm以下，速度达到3~5fps，不过在相机的稳定性方面，还需继续努力。
视比特机器人焊接机器人事业部技术总监孙博士也表示，早期的国产3D相机在精度、稳定性、抗干扰能力等方面确实与国际品牌存在一定差距，但近年来，随着国内厂商研发水平的提升和技术积累，以上差距正在逐渐缩小。就国产焊接专用3D相机来说，其实在技术水平、市场应用和成本效益方面都已达到了较高的水平。
当然，也有业内人士在接受高工机器人调研时表示，目前国产焊接专用3D相机还处于初期发展阶段。在他们看来，3D相机在焊接行业的应用范围还是相对较窄。
线激光VS结构光，谁更具优势？
在焊接作业中，通过传感器实时采集工件图像，根据焊缝类型采用相关算法对图像进行处理，找到跟踪点，随后将实时位置偏差信号反馈给焊接机器人控制器，机器人根据反馈信号即时调整自身姿态使焊枪的中心点始终与焊缝对齐，以实现焊缝的实时跟踪。
焊缝跟踪技术是焊接过程纠偏的重要途径，机器人进行焊缝识别跟踪的基础是传感技术，目前主要通过线激光和结构光两种技术路线来实现。
线激光适用于精度要求高的场景，比如汽车制造和航空航天等。一方面是，其通过激光线扫描物体表面，能够获取非常精确的三维数据；另一方面，线激光对环境光线的变化不敏感，在强光或低光环境下依然能够获得清晰的测量结果；最后，线激光能够适应复杂的工件表面，特别是在处理具有反光、暗色或不规则表面时表现良好。
不过，线激光在焊接场景应用中也存在一些缺陷，比如由于是逐点扫描，其扫描速度相对于3D结构光会稍微慢一些，影响焊接效率。另外，精密的激光系统成本较高，增加了设备和维护费用。
全视智能于2019年正式发布第一代激光传感器并投入市场，经过5年的持续升级，如今其已推出第六代产品，涵盖H、G、P、Z、X等多个产品系列，可满足不同行业的不同客户需求。全视智能技术服务经理李永成直言，全视智能已经有效解决了客户面临的来料偏差、组装偏差、焊接热变形、重复编程等问题。
面向工业焊接场景，视比特机器人打造了智能柔性焊接工作站，采用自研3D视觉焊缝识别技术和激光视觉焊缝跟踪技术，实现焊缝的在线识别、粗定位、精定位以及机器人焊接轨迹的自动规划。同时，该产品免示教、免编程，适用于多品种、小批量工件的柔性焊接生产，可用于MIG/MAG/TIG/激光焊/激光电弧复合焊/埋弧焊等工艺场景。
当实际焊道偏离机器人示教轨迹时，英莱科技的激光视觉焊缝跟踪系统可以通过激光寻位、激光跟踪等方式，引导机器人自主纠正焊接路线，保障焊接质量。根据英莱科技官网显示，其激光视觉焊缝跟踪系统已适配40余款通讯协议，并取得KUKA技术研发中心测试认证。
明图智能的3D激光视觉传感器已实现全面的场景覆盖，例如针对各种材质的焊缝，从反光性很差的材料到光亮的铝合金、不锈钢，甚至近似镜面状态的工件，都有产品能实现识别；针对各种类型的焊缝，从细小间隙乃至无间隙，到超深、超宽坡口的焊缝，都能找到对应使用的产品；针对客户遇到的特殊生产场景，其也有能力做到快速响应与定制化开发。
据明图智能联合创始人郭振杰介绍，一般的线激光传感器抗反光效果可能较差，而“明图”视觉传感器中的抗高反光系列产品采用了独创的点激光扫描技术，可以定点扫描、点线结合，保证工件轮廓的完整不变形，从而提高传感器对超深坡口、反光工件等复杂场景的适应能力。
再看3D结构光，其更适合大范围工件的快速扫描，比如在船舶建造中的大型结构件焊接。因为其是通过投射光栅并分析其变形来获取三维信息，扫描速度更快，有助于提高焊接效率；另外，其可以在更大范围内获取物体的三维信息，适合应用于大尺寸工件的焊接场景；在成本方面，其制造和维护成本相比线激光较低。
而存在的不足之处是，由于结构光采用的是光栅投影技术，精度通常不如线激光相机，在高精度焊接场景中存在不足；结构光还容易受到环境光线变化的影响，在强光或阴影环境中测量精度会有所下降；另外，对于反光或透明表面，结构光的测量结果也可能会受到影响。
知象光电联合创始人杨涛博士也指出，线激光在焊接里面做的事情是寻位、焊缝跟踪，由于跟踪是实时拍摄，3D结构光较难实现。但在寻位方面，线激光需要依靠大量的先验信息（焊缝长短、拓扑、垂直、相交等），然后进行焊缝“找正”，并不能根据工件识别实际的焊缝起末点和焊接姿态信息。3D结构光在焊接里面做的事情是焊缝识别、免示教编程，相比线激光，越是复杂的工件、越是误差大的工件3D结构光相机优势越明显，一拍就可以成像获取焊缝信息，生成轨迹。通俗点来说，线激光是“我知道有条10cm的角焊缝，我来找找它在哪”，3D结构光是“让我看看这里有啥”。两者都有自己适用的场景。
图片来源于知象光电微信公众号
知芯传感董事长陈巧在接受高工机器人调研时表示：“我们早在2022年就已开始关注3D机器视觉在焊接场景中的应用，并开发了焊接专用的MEMS结构光投射模组，客户基于该模组开发的3D相机已经成功用于焊接机器人。”
王槐也表示，亚博汉已推出双目结构光传感器，体积小、重量轻于500g，大幅降低对机械臂负载的要求，提升了小空间焊接的通过性。
也正是由于以上两种技术路线在焊接场景的应用中各有利弊，所以究竟哪种技术路线在焊接行业应用中更具优势，目前行业内人士也是各执一词，存在较大争议。
为此，高工机器人也对多家机器视觉相关企业进行了调研，大家普遍认为，焊接本身场景比较多，不同场景对于技术的需求也有所区别，而从实际应用来看，两种技术路线都已经得到应用。
当然，如果一定要做比较的话，有部分业内人士认为，更看好线激光，因为在速度、精度、抗干扰能力等方面，线激光都还可以进一步提升。但也有部分业内人士认为，两种技术路线会处于长期共存状态。
此外，高工机器人还听到一种声音，那就是两种技术会逐渐融合。根据如本科技CEO李辉预测，未来在焊缝精准定位环节，市场仍会由线激光占据，少部分是结构光，线面一体的市场空间会更小。
线激光+结构光，融合可行吗？
为了解决线激光和结构光两种技术路线分别存在的缺陷，已有多家机器视觉产业链企业开始探索将两种技术路线相融合，旨在结合两者的优势，既保证高精度，又提高扫描速度。
据高工机器人了解，目前如本科技、伟景智能、微视传感、中集飞秒等多家企业已经有所动作。
伟景智能创始人&CEO董霄剑博士表示，伟景智能线激光和结构光的结合，从产品、技术、算法以及应用平台等方面来看，均已成熟。另外，从客户的应用反馈来看，目前没有出现任何短板和缺点，真正实现了抗强光、抗反光，快速3D建模、焊缝提取、焊缝跟踪等功能。
图片来源于伟景智能微信公众号
微视传感将线激光和结构光两种技术路线的优势相融合推出了线面一体相机产品，目前已经在小范围适配应用。据徐乃涛介绍，微视传感的线面一体相机在体积、重量、性能、可靠性以及价格等方面均实现优化和提升，目前该产品在公司内部已经解决了全部工程化问题，正在夯实产品批量供应能力。
在今年的埃森展上，中集飞秒推出了新一代、全自主、高性能、AI 3D视觉传感器，既可以打出结构光拍摄面点云，也可以打出线激光。其中，线激光包含2个量程：小的线激光工作距离为500-900mm，大的线激光工作距离达到1200mm以上。
“线激光传感器精度高、抗干扰强、视场角大，但是拍摄焊缝需要驱动机器人把焊缝都扫到才能做后续处理，面对大型复杂焊缝扫描时间长，结构光一次成像点云效率高，但视场角有限，面对坡口工件、打磨反光工件等容易出现杂点等情况，造成点云质量不高，而两者结合则可以实现优势互补。”中集飞秒事业部总经理张兆彪告诉高工机器人。
当然，对于两种技术路线相融合也有业内人士提出了一些质疑，比如会出现性能不稳定问题；除了体积变小，其它并无变化；在同一套控制系统内，面临兼容面和线的算法、标定到一个坐标系等问题；甚至产品出来，由谁来买单的问题等等。
除此之外，还有业内人士认为，未来会有新的技术出现，替代当前的线激光和结构光两大主流技术路线，比如基于AI深度学习的视觉技术、光场技术或其他的光学感知技术等等，有望在提高焊接精度、速度和系统稳定性等方面带来革命性的变化。
总体来说，焊接专用3D相机市场正在迎来新的机遇，随着技术的不断进步和市场需求的增长，国产品牌将继续在这一领域发力，提升产品性能，缩小与国际品牌的差距，推动焊接行业向更高自动化、更高精度的方向发展。
特别鸣谢以下业内人士接受高工机器人的本次调研：微视传感总经理徐乃涛、亚博汉总经理王槐、视比特机器人焊接机器人事业部技术总监孙博士、全视智能技术服务经理李永成、明图智能联合创始人郭振杰、知象光电联合创始人杨涛博士、知芯传感董事长陈巧、伟景智能创始人&CEO董霄剑博士、中集飞秒事业部总经理张兆彪、如本科技CEO李辉等。
注：本篇文章涉及较多技术和工艺问题，如有问题或表述不严谨之处，欢迎更多业内人士前来“拍砖”，共同探讨，以专业的视角提出指正，丰富我们的认知，共同推动整个行业不断向前迈进。
*封面图来源：知象光电