（机械电子工程专业论文）直缝焊管连续预焊焊缝跟踪系统关键技术研究.pdf

摘要 摘要 直缝焊管作为长输高压油气管线主干线的主要选择材料之一，具有巨大的优 势和市场潜力。其中预焊工序是直缝焊管生产的重要工序之一。因此，迅速准确 地检测出焊缝中心偏差，并控制焊炬进行纠偏，确保预焊连续进行，对于直缝焊 管的生产质量和生产效率有着重要的现实意义。随着我国工业控制和信息化领域 的巨大进步，引进机器视觉方法取代目前的人工检测，提高预焊可靠性和速度， 可以提高直缝焊管生产的质量和经济效益。 本文对直缝焊管连续预焊跟踪关键技术进行深入研究，设计了基于线结构光 视觉传感技术的焊缝跟踪系统。跟踪系统通过使用高精度面阵c c d 传感器实时 采集照射在焊管焊缝处的线结构光轮廓图像，传输到工控机进行图像处理，提取 出焊缝偏差信息，并控制电机对焊炬进行相应的纠偏，从而实现自动跟踪。 本文阐述了系统的软硬件组成，主要讨论了焊缝图像处理的各种算法。通过 对焊缝线结构光原始图像进行图像处理，提取出焊缝中心的偏差信息。通过各方 面综合比较，系统选用的图像处理算法有：均值滤波、阈值分割、c a n n y 边缘检 测算子，从而可以很方便的获取焊缝中心位置，保证了提取的焊缝中心偏差信息 的精度要求和实时性要求。考虑到工程实际的需要，在实验使用的标定方法基础 上改进设计了一种工程使用的系统标定方法。 在此背景下，对线结构光焊缝图像处理算法进行了环境适应能力的深入探讨， 引进小波变换边缘检测方法，提出一种基于方向小波变换的边缘检测算法。 关键词：焊缝跟踪系统；图像处理；线结构光；小波变换 广东t 业大学硕十学位论文 a b s t r a c t l o n g i t u d i n a ls e a mw e l d e dp i p ei so n eo ft h em a i nm a t e r i a l so ft h el o n g - d i s t a n c e h i g h - p r e s s u r eo i la n dg a sp i p e l i n e i th a sl a r g ea d v a n t a g e sa n dm a r k e tp o t e n t i a l t a c k w e l d i n gp r o c e s si s o n eo fi m p o r t a n tp r o c e s s e s ，p r o v i d e st h ei n i t i a lp o s i t i o n i n g m o d e l i n gf o rf o l l o w u pp r o c e s s e s t h e r e f o r e ，t h ef a s ta n da c c u r a t ed e t e c t i o no fs e a m a b e r r a t i o na n dc o r r e c t i o n , t oe n s u r ec o n t i n u o u sr u n n i n go ft h et a c kw e l d i n g ，h a s p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et op r o d u c t i o nq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h el o n g i t u d i n a ls e a m w e l d e dp i p e t h i st h e s i sh a sm a d eat h o r o u g hr e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g yo ft h ec o n t i n u o u s t a c kw e l d i n gs e a mt r a c k i n gf o rl o n g i t u d i n a lw e l d e dp i p e ，a n dd e s i g n st h ep r o t o t y p eo f t h es e a mt r a c k i n g s y s t e mb a s e do nt h em a c h i n ev i s i o nt e c h n o l o g yw i t hl i n e a r s t r u c t u r e dl i g h t t h et r a c k i n gs y s t e ma c q u i r e st h ep r o f i l ei m a g eo fl i n es t r u c t u r e dl i g h t a tt h es e a mo fp i p ew i t hh i g h - p r e c i s i o nm a t r i xc c d ，t h e nt r a n s m i t st oi n d u s t r i a l c o m p u t e rf o ri m a g ep r o c e s s i n g ，e x t r a c t st h ei n f o r m a t i o no fs e a ma b e r r a t i o n , a n d c o n t r o l st h em o t o rt oc o r r e c tt h ea b e r r a t i o no fs e a m t h i st h e s i sh a sd e s c r i b e dt h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h ew h o l es y s t e m , m a i n l y d i s c u s s e sv a r i o u sa l g o r i t h m sf o ri m a g ep r o c e s s i n go f s e a mi m a g e t h ei n f o r m a t i o no f s e a ma b e r r a t i o nh a sb e e ne x t r a c t e db yi m a g ep r o c e s s i n go ft h eo r i g i n a ls e a ml i n e a r s t r u c t u r e dl i g h ti m a g e a f t e rc a r e f u l l yc o m p a r i n gw i t ho t h e rm e t h o d s ，m e a nf i l t e r , t h r e s h o l ds e g m e n t a t i o na n dc a n n y o p e r a t o re d g ed e t e c t i o na r ea p p l i e df o ro b t a i n i n g t h ec e n t e r l i n eo ft h ew e l ds e a m t h e r e f o r e ，t h ea c c u r a c ya n dt h ea b i l i t yo fr e a l t i m e d e v i a t i o ni n f o r m a t i o ne x t r a c t i o nc a nb e g u a r a n t e e d c o n s i d e r i n gt h ee n g i n e e r i n g r e q u i r e m e n t ，o n eo fs y s t e mc a l i b r a t i o nm e t h o d sf o re n g i n e e r i n gh a sb e e nd e s i g n e d b a s e do nt h ec a l i b r a t i o nm e t h o df o re x p e r i m e n t o nt h i sb a c k g r o u n d ，t h i st h e s i sh a sm a d eat h o r o u g hr e s e a r c ho ne n v i r o n m e n t a l a d a p t a b i l i t yo ft h ei m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m s ，i n t r o d u c e dt h ee d g ed e t e c t i o nm e t h o d o fw a v e l e tt r a n s f o r m , a n dp r e s e n t e da ne d g ed e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h e d i r e c t i o n a lw a v e l e tt r a n s f o r m k e y w o r d s ：s e a mt r a c k i n gs y s t e m ；i m a g ep r o c e s s i n g ；l i n e a rs t r u c t u r e dl i g h t ；w a v e l e t i i a b s t r a c t i i i 广东工业大学硕十学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签字： 指导教师签字： 伽9 年6 勇气i t 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 1 1 1 直缝焊管简介及其焊接工艺难点 焊接钢管是指用钢带或钢板弯曲变形为圆形、方形等形状后再焊接成的、表 面有接缝的钢管。按焊缝形状可分为直缝焊管和螺旋焊管。 钢管业界对长输高压油气管线主干线是选用直缝焊管还是螺旋焊管一直存在 争议：一种观点认为螺旋焊管不能用于主干线；另一种观点则相反。国内研究机 构认为，直缝焊管和螺旋焊管都可用于主干线，并不存在哪种钢管占绝对优势地 位的情况【l 】。但经济技术发达的国家，如美国、日本、德国等基本上采用直缝焊 管，加拿大虽然也选用螺旋焊管作为主干线钢管，但其原材料和焊接工艺与国内 有很大不刚引。 根据国家整体及六大区域输油输气管网规划，我国2 0 0 2 年至2 0 1 2 年的输油 输气管道工程建设施工总长度将超过3 0 ，0 0 0 k m 。巨大的市场为制管企业开拓了广 阔的市场发展空间【3 】。西气东输工程在一类地区选用螺旋焊管，其他地区选用直 缝焊管，两者分别占工程总长度的6 9 和3 1 ；全国六大区域管网由于大部分在 经济发达或人口稠密的大中城市，大部分将选用直缝焊管【4 j ，所以直缝焊管存在 特别的优势和巨大的潜力。 一般来说，直缝焊管的工艺流程为：卷曲成型_ 后弯一预焊- 内焊_ 清跟_ 外焊_ 超声波检验_ 机械扩径一各类检验1 5 】。 很明显，各步焊接工序，包括预焊、内焊和外焊，是直缝钢管生产中最重要 的工序。所谓预焊即是在钢管成形之后，采用连续的金属焊条氩气保护焊方法进 行的成形钢管的定位焊。预焊之后，分别在钢管内、外进行多丝埋弧焊接。作为 焊接的第一道工序的预焊，一定要确保质量。预焊的质量，不单单是其本身质量 的问题，还影响到后续内、外焊的质量【6 】。对它的质量要求，有针对性的主要是 如下几点j ： 1 焊道要连续，并且外观成形要避免凸凹不平，以利于最后的外焊质量保证； 广东丁业大学硕十学位论文 2 要保证适宜的熔透深度和熔敷量，既要保证焊后不开裂，又要使内焊时不 产生烧穿现象； 3 要有较高的焊接速度，以提高生产效率。 由于焊管本身直径、长度尺寸都很大( 直径最大可达1 8 2 9 m m ，长度最大 可达1 2 2 m ) ，焊缝不可能在一条直线上，偏差很大，要满足上述质量要求，特别 是要保证连续焊道和焊接速度这两点是非常困难的。 目前，预焊工序基本上还是靠人工完成，劳动强度大，存在许多不稳定因素， 而且焊接速度无法提高。如何提高焊接速度和焊接质量就成为了直缝焊管生产效 率的技术关键【8 j 。焊接自动化无疑是解决这个关键问题和改善劳动条件的最佳选 择【9 】o 1 1 2 焊接自动化现状及视觉传感技术在焊接自动化领域的应用 现代化生产对焊接技术提出了进一步提高效率，优化质量改善劳动条件等要 求，焊接自动化就是焊接工作者顺应这种要求的具体体现。工业发达国家，如美 国日本、德国的焊接自动化、机械化程度已达6 0 - - 7 0 ，而我国仅为2 0 - - - 3 0 1 0 , l l 】。因此，发展和应用新型焊接自动化技术对我国国民经济将起到巨大的 作用，而焊缝自动跟踪系统正是焊接自动化研究的一个重要方面。由于各种因素 的影响，实际的焊接条件经常发生变化。例如，由于强烈的弧光辐射高温、烟尘、 飞溅、坡口状况、加工误差、装夹精度、表面状态和工件热变形等影响会使焊炬 偏离焊缝，从而造成焊接质量下降甚至失败1 2 1 。焊接条件的这种变化要求焊接系 统能够实时检测出焊缝的偏差，并调整焊接路径和焊接参数，保证焊接质量的可 靠性13 1 。因此，焊缝跟踪是焊接自动化领域的重要研究课题和组成部分【1 4 】。 焊缝跟踪系统因为传感器的不同分为电弧传感、接触传感、非接触传感( 包 括超声波传感、视觉传感) 1 5 , 1 6 1 ，如图1 1 。 其中电弧传感直接利用电弧本身参数的变化作为跟踪信号，不需外加传感器， 其实时性、灵活性和可达性最好，尤其适合焊接过程低成本自动化的要求，但是 电流变化和电弧长度之间的精确模型较难建立，且焊缝小于2 0 - 3 o m m 时，焊 缝信号检测比较困难【1 7 】。 2 第一章绪论 图1 1 传感器的分类 f i g u r e1 - 1c l a s s i f i c a t i o no fs e n s o r 接触式传感是依靠在坡口中滚动或滑动的触指将焊枪与焊缝之间的位置偏差 反映到检测器内，并利用检测器内装的微动开关判断偏差的极性，其结构简单、 操作方便，不受电弧烟尘和飞溅的影响，但是对不同形式的坡口需不同探头，磨 损大，易变形，点障碍难以克j i l t l 8 】。 超声波传感是利用发射出的超声波在金属内传播时在界面产生发射原理制成 的，是一种比较先进的焊缝跟踪传感器，应用在跟踪系统中，跟踪的实时性好， 但是由于传感器要贴近工件，不可避免地会受到焊接方法和工件尺寸等的严格限 制。另外需要考虑外界震动、传播时间等因素，对金属表面状况要求高，其应用 范围也就受到限制【1 9 j 。 与其他传感器相比，视觉传感具有提供信息量丰富，灵敏度和测量精度高， 抗电磁场干扰能力强，与工件无接触的优点【2 0 2 1 1 ，适合于各种坡口形状，可以同 时进行焊缝跟踪控制和焊接质量控制【2 2 1 。 据统计，焊工在焊接过程中所依据的信息有8 0 以上来自视觉。利用视觉传 感技术来获取焊缝特征具有信息量大、与工件不接触、灵敏度和精度高、抗电磁 干扰能力强等优点，适用于各种坡口形状，而且可以同时进行焊缝跟踪控制和焊 接质量的控制，是最有发展前途的传感技术1 2 引。 但是由于视觉传感器摄取的原始图像在摄取过程中，受各种条件的限制和随 机因素的干扰，往往要对其进行图像变换、增强或恢复等预处理，从而过滤噪声、 校正灰度和畸变等【l 引。经过预处理的数字图像，可借助快速傅立叶变换、小波变 换、概率统计等数学工具进行图像的分析及理解、特征提取和模式识别，再根据 广东t 业大学硕十学位论文 一定的控制算法如p i d 控制、神经网络等方法产生相应的控制量，发送到执行机 构，从而实现对焊缝的跟踪控制2 4 ，2 5 1 。 而计算机技术和图像处理技术的不断发展，又使得其实时性容易满足，因而 机器视觉是一种很有前途的传感方法i 2 6 l ，具体优点有2 7 】： 1 非接触性。机器视觉系统实现对检测物体完全非接触式检测，既不会对被 检测物体产生损伤，又在减少检测系统碰撞的同时提高了检测的可靠性，并且能 提高系统设备的使用寿命。 2 实时性。机器视觉系统能实时显示被测物体的状态和抓拍物体的图像信 息，而且随着计算机的处理速度不断加快，机器视觉检测系统能在短时间内完成 图像的处理和分析，能满足各种工业检测的实时性要求。 3 灵活性。机器视觉系统构建简单、安装方便，适用于各种现场环境；同时 视觉设备调节简捷、方便，可以采集被测对象的各个表面轮廓。机器视觉能代替 人类完成一些人工检测无法达到要求的工作和不适合人工检测的危险环境中的工 作。另外，机器视觉检测系统的核心在于图像处理程序，能适应各种检测目标， 有效地达到不同用户的要求。同时机器视觉系统可以通过串口通信、并口通信和 网络通讯等与其它设备进行通讯，实现检测的远程操作、监控和输出，提高了检 测的灵活性。 4 精确性。通常产品的检测是由人眼来完成，但这种检测手段精度和效率较 低。机器视觉检测技术通过视觉传感器采集待测物体的图像，经数字图像处理和 分析，完成检测功能，其自动化程度和精度较高。 5 抗干扰能力强。机器视觉系统采用各种成熟的传感器，提高了系统的可靠 性；机器视觉系统设备与被测对象完全无接触，减少了环境振动干扰；机器视觉 系统以光信息作为系统的前端传播介质，减少了环境的磁干扰。采用光信息，完 全非接触的安装方式，能显著提高机器视觉系统的抗干扰能力和使用寿命。 1 2 基于视觉传感的焊缝跟踪系统 基于视觉技术的焊缝跟踪系统如图1 2 所示，主要有三个组成部分，分别是 视觉传感、图像处理和跟踪控制。在焊缝跟踪过程中，视觉传感器获得焊缝的图 像信息，并将信息传输到计算机，计算机对图像进行图像处理，减少图像中的噪 声污染，并加强焊缝特征信息信号，通过一定的算法提取焊缝特征点，得到焊缝 4 第一章绪论 与电弧偏差。此偏差作为跟踪控制系统的输入条件，依据控制算法进行处理，最 后获得驱动信号控制焊炬运动，实现焊缝跟踪过程实时控制。 图1 2 基于视觉的焊缝跟踪系统 f i g u r e1 - 2w e l d i n gs e a mt r a c k i n gs y s t e mb a s e do fv i s i o n d 1 2 1 被动式视觉和主动式视觉 用视觉传感采集焊缝图像信息的方法有两种，分别是被动式视觉和主动式视 觉法。被动式不使用辅助光源，直接用c c d 拍摄在弧光或普通光源背景下的焊 接区图像。主动式使用特定的辅助光源，向工件投射特种光束、光面或编码图形， 然后c c d 拍摄焊接区图像，获取焊缝的图像信息2 引。 被动式大都采用周围环境的光作为光源，对于焊缝跟踪系统而言，主要是采 用电弧光作为光源。其优点是检测对象( 焊缝中心线) 与被控对象( 焊炬) 在同 一位置，不存在检测对象与被控对象的位置差，即时间差的问题，因而更容易实 现较为精确的跟踪控制【2 9 1 。但其缺陷也是显而易见，由于是在极为强烈的弧光下 摄取焊接熔池的图像，焊接熔池的弧光对所摄取的图像有很大的影响，图像噪声 很大【3 0 】。 主动式根据使用的辅助光类型，可以分为结构光法和激光扫描法，其中结构 5 广东t 业大学硕士学位论文 光法采用单激光作为辅助光源，是目前应用较为广泛、性价比较高的主动式视觉 方法【3 1 1 。结构光法是一种直接获取深度图像的方法，它可以获取焊缝的二维和三 维信息。其光路系统主要由c c d 、带通滤光片、激光源和圆柱透镜组成，c c d 和光源成一个己知角度刚性安装在机架上。在进行焊缝跟踪时，激光源发出的光 经过圆柱透镜形成一个平面光照射在工件表面上，这时在焊缝上形成一条宽度很 窄的光带。光带经过反射或漫反射，通过带通滤光片，把不需要的波长光过滤掉， 最后进入c c d 摄像机成像。由于辅助光源是可控的【3 2 1 ，所获取的图像受环境的 干扰可去掉，真实性好，不仅能检测出焊缝的中心位置，而且还能获得焊缝截面 形状和尺寸等特征参数，并且适合于不同的焊缝和各种焊接方法 3 3 , 3 4 】。 1 2 2 图像处理 图像处理技术是焊缝跟踪系统的软件核心，它将视觉传感器所采集的图像信 息进行加工处理，提取焊缝的特征信息，通过一定的算法得到焊炬与焊缝的偏差 信号。图像处理过程一般包括图像预处理、图像分割和图像边缘提取等步骤。 图像预处理技术主要包括图像增强、图像平滑、图像灰度分割和边缘细化等 技术，具体有直方图均衡化、模糊滤波增强、中值滤波、卷积滤波、平滑滤波、 l o g 滤波和小波滤波等。 图像分割是通过选择适当的阈值，把图像分成各具特性的区域并提取某些特 征。对焊缝图像进行分割的常用方法有二值化分割3 5 1 和三值化分割【3 6 1 。选择合适 的分区阈值是处理的关键。 焊缝的边缘检测是检测焊缝位置的关键。常用的边缘检测方法是对原始图像 按像素的某领域构造边缘检测算子，如梯度算子、l a p l a c e 算子等。梯度算子( 包 括r o b e r t s 算子、s o b e l 算子、p r e w i t t 算子和k i r s c h 算子等) 和l a p l a c e 算子分别 对图像进行一阶和二阶的运算在焊缝图像处理应用中比较成熟【3 7 1 。近年来，还出 现各种新型的边缘检测算法，如基于小波的边缘检澳1 j 3 8 , 3 9 1 、基于形态学的边缘检 钡l j l 3 5 , 3 6 】、基于模糊梯度的边缘检测、基于神经网络的边缘检测等。 1 3 课题来源与研究内容 1 3 1 课题来源 本课题为高向东教授主持的广东省科技计划项目“j c o e 直缝双面埋弧焊管 6 第一乖绪论 焊缝跟踪机的研制”( 项目编导为：2 0 0 7 8 0 1 0 4 0 0 0 6 9 ) 的子课题，并受广东省自 然科学基金项目“自动焊图像质心识别及焊缝跟踪预测控制”( 项i ：t 编号： 6 0 2 1 4 4 4 ) 的资助。主要研究v 型坡口直缝焊管的自动跟踪检测技术。 1 32 研究内容 由于直缝焊管本身直径、长度尺寸都很大，焊缝不可能在一条直线上，偏差 很大，如图1 3 所示。 图1 3 直缝焊管 f i g u r e1 3l o n g i t u d i n a ls e a mw e l d e dp i p e 采用视觉焊缝跟踪系统要保证直缝焊管的焊道连续和高速焊接速度这两点是 非常困难的，其困难之处在十： l 焊接弧光对采集到的图像的干扰； 2 焊缝扭曲相对r 普通焊缝的程度大，使得图像算法的实时性更加重要： 3 直缝焊管v 型坡口焊缝的焊缝中心很难精确检测； 4 由于焊管很长，不可能一直保证其表面一致，对图像处理算法的环境适应 性提出了更高的要求。 广东t 业大学硕士学位论文 因此，本文研究基于线结构光视觉传感技术的焊缝跟踪系统，通过标定和系 列图像处理方法进行焊缝中心纠偏，实现直缝焊管焊缝的自动跟踪。主要有以下 几方面的研究： 1 设计焊缝自动跟踪系统，包括光路方案选择、系统样机硬件平台搭建、软 件系统设计。其中，焊缝跟踪系统样机硬件平台是在实验室氩弧焊接自动控制装 置的基础上改装设计的：软件系统则包括初始化与标定模块、图像采集模块、图 像处理模块和跟踪控制模块四大模块。 2 检测系统的标定。标定是图像信息与焊缝纠偏参数的转换依据，也是检测 系统精度的保证和关键。这里主要是对c c d 镜头进行标定，提出一种图像像素 与纠偏脉冲之间直接关系映射的工程标定方法。 3 系统图像处理。根据图像特点，研究有效的图像预处理方案，在保证实时 性的前提下提高精度。焊缝跟踪系统采用的图像处理方法主要是图像裁减、滤波 去噪、阈值分割、边缘检测和焊缝中心提取。其中，在综合考虑算法实时性和效 果的前提下通过多组实验的比较，滤波去噪采用均值滤波算法，边缘检测采用 c a n n y 算子边缘检测。 4 以直缝焊管线结构光图像作为背景，探讨线结构光焊缝图像处理算法的环 境适应性问题，引进小波变换边缘检测方法，提出一种基于方向小波变换的边缘 检测算法。 1 4 小结 本章介绍了直缝焊管及其焊接难点、焊接自动化的现状，阐述了视觉传感技 术在焊接自动化领域的应用和视觉方法分类，对相关的图像处理进行了概述。对 比各种自动检测技术，论述了基于机器视觉的直缝焊管焊缝跟踪系统设计的可行 性。本章最后介绍了本课题的来源和论文的研究内容。 第二章亢缝焊管焊缝跟踪系统设计 第二章直缝焊管焊缝跟踪系统设计 2 1 线结构光光路方案选择 线结构光法是一种直接获取深度图像的方法，它可以获取焊缝的二维和三维 信息。其光路系统主要由c c d 、带通滤光片、激光源和圆柱透镜组成，c c d 和 光源成一个己知角度刚性安装在机架上。在进行焊缝跟踪时，激光源发出的光经 过圆柱透镜形成一个平面光照射在工件表面上，这时在焊缝上形成一条宽度很窄 的光带。光带经过反射或漫反射，通过带通滤光片，把不需要的波长光过滤掉， 最后进入c c d 摄像机成像。由于辅助光源是可控的，所获取的图像受环境的干 扰可去掉，真实性好，不仅能检测出焊缝的中心位置，而且还能获得焊缝截面形 状和尺寸等特征参数，并且适合于不同的焊缝和各种焊接方法。检测原理如图2 1 所示。 图2 1 线结构光视觉检测原理 f i g u r e2 1v i s i o nd e t e c t i n gp r i n c i p l eo fl i n e a rs t r u c t u r a ll i g h t 一般的光路系统有三种方案。第一种是采用激光束垂直照射，c c d 倾斜接收 9 广东i 。业大学顶十学位论文 的方案：第一种是激光束从前方倾斜入射，c c d 在垂直方向上接受散射光，收集 来自工件表面的散射光；第三种方案足激光束倾斜照射，c c d 倾斜接收散射光。 这三种方案都在实际中得到应用。如英国m e t a 技术午限公司的m e t at o r c h 系列 焊缝跟踪传感器采用的是第二种方式，而瑞典s e c o m 公司的l a s e r t r a c k 和s e a m f i n d e r 焊缝检测和跟踪传感器采用了第种方法。 通过数学推导得出采用第一种方案的布置方式可以简化后续处理。而聚用另 外两种方案时，要通过酊后若干图像综合分析才能够确定焊缝的垂直截面的形状 和尺寸后续处理十分麻烦。因此，奉课题选用第一种方法。 2 2 系统硬件结构设计 焊缝跟踪系统样机是在实验审基于c c d 视觉传感系统的脉冲g t a w ( g a s t u n g s t e na t 8 w e l d i n g ) 氩弧焊接自动控制装置的基础上改装设计的，包括龙门架与 工作台机械部分、线结构光发射器、c c d 传感器、镜头发滤光片、大恒c g 4 0 0 图像采集卡、研华丁控机、需赛d m c l 0 0 0 运动控制卡、步进电机驱动器和步进 电机等，样机系统的结构图和实物圈如图2 - 2 和2 - 3 所示。 $ 进电机 图2 - 2 样机系统结构图 f i g u r e2 - 2s t r u c t u r eo f p r o t o t y p em a c h i n es y s t e m 1 0 第二章直缝焊管埠缝跟踪系统设计 图2 - 3 样机实物图 f i g u r e2 - 3p r o t o t y p em a c h i n e 221 龙门架与工作台机械部分 样机系统工作台由i 个轴组成，分别是工作台x 轴、工作台y 轴、龙门架z 轴，三个轴分别由三个步进电机连接滚珠丝杆驱动。焊炬安装在龙门架上，线结 构光发生器与c c d 传感器安装于焊炬的正前方，与焊炬一起运动。于是龙门架z 轴可用来调整焊炬与工件的距离，实现焊接位置的初定位。工作台x 轴负责焊缝 对中( 或纠偏) ，y 轴负责焊接进给，两个轴构成了工作台的二维平面运动，使得 吲定在工作台上的工件随着工作台的运动实现平面轨迹运动。因此，相对于初定 位用途的龙门架，工作台上x 、y 轴采用的滚珠丝杠螺距较小，以满足焊接蹦踪 的精确定位；而龙门架则采用相对较大螺距的滚珠丝杠。 此外，在龙门架与工作台的各轴上都安装有行程开关，当运动机构超出安全 范围时，会触动限位开关，强行停止机构的运动，以免损坏机构。 222 图像采集模块 圈像采集模块由线结构光发射器、c c d 传感器、镜头和图像采集昔组成。原 理是：线结构光发射器发出的结构光照射在工件表面上，这时在焊缝上形成条 宽度很窄的光带。光带经过反射或漫反射，通过带通滤光片，把不需要的波长光 过滤掉，最后进入c c d 传感器成像；c c d 传感器获取焊缝及其周围的斟像，经 _ 尘：兰垒兰至圭兰! ! 篁兰 过图像采集卡进行解码与a d 转换，并将数字化的图像信息传送到 。控机中 1 线结构光发射器 线结构光发射器选用激光作为光源，这主要是因为激光具有单色性、相干性 好、光束准直和精度高等优点，利于去除噪声和杂散光，提高信噪比。系统选用 的线型激光器，如图2 - 4 所示，输入为d c 3 v ，输出为波长6 3 5 n m 的可视结构光， 功率为5 r o w 。 图2 - 4 线型激光器 f i g u r e2 - 4l i n e a rl a s e r 2c c d 传感器 c c d 电荷耦合器件，是种能够把光学影像转化为数字信号的半导体装置， 它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换嚣 芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由像机内部的闽存或内置硬盘卡保 存，因而可以把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要来修 改图像。c c d 由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当c c d 表面受到 光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信 号加在一起，就构成了一幅完整的而而。c c d 具有白扣描、线性好、敏感、分辨 高等优点。c c d 主要有线阵c c d 和面阵c c d 两种，线阵c c d 应用线阵集成电 路作为传感器，获取的是一维图像，而面阵c c d 可摄取二维平面图像，能够提 供较大的信息量。系统采用的是二洋v c c 一6 5 7 0 p 面阵c c d 摄像机，如图2 5 所 示。它采用p a l 制式，c c d 芯片规格1 胆”，采用隔行传送方式，最大画面可达 7 9 5 p i x e l 5 9 6 p i x e l 。 第= 章直缝焊管焊缝跟踪系统设计 爹 图2 - 5 面阵c c d 摄像机 f i g u r e2 - 5a r r a yc c dc a m e r a 3 镜头 选用镜头主要根据镜头的几个主要参数来确定。一般情况下，主要考虑镜头 的成像面、焦距、视场、工作距离、视野和景深等参数。一般来讲，焦距越小， 视角越大；工作距离越短，分辨率越高，但视野也越小。对于镜头的选用，工作 距离越近越好，镜头的畸变越小越好，视野越人越好。在视觉测量应用中，应尽 量选择镜头畸变小的镜头。 根据系统的安装位置和性价比较，c c d 镜头选用了c o m p u t a r 公司生产的 t 1 0 2 0 5 1 3 c s 镜头，它的规格为1 3 ”，和c c d 的规格相匹配。 4 图像采集卡h o 】 焊缝采集系统采用双线程设计，个线程负责采集图像至内存，第二个线程 负责对第一个线程采集的图像进行处理，将处理完的数据保存在内存，实现图像 的实时处理。系统采用了大恒图像公司生产的p c i 接口图像采集卡d h c g 4 0 0 ， 如图2 - 6 所示。d h c g 4 0 0 图像采集卡支持标准p a l 、n t s c 彩色黑白视频输入。 含六路c v b s 输入二路y c 输入，六选一模拟视频输出。d h c g 4 0 0 基于高性 能的p c i 总线，使其能实时传送数字视频信号到显示存储器或系统存储器。输入 的彩色视频信号经数字解码器、模数转换器、比例缩放、裁剪、色空变换等处理， 通过p c i 总线传到v g a 卡实时显示或传到计算机内存实时存储。数据的传送过 程是由图像卡控制的，无需c p u 参与，瞬间传输速度可达1 3 2 m b s 。通过填写 屏蔽( m a s k ) 模板，可实时显示和存储任意形状的输入图像。硬件完成输入图 广东t 业大学硕士学位论文 像的比例缩放( s c a l e ) 、裁剪( c l i p ) 和色度卒问变换( c o l o rs p a c e c o n v e r t i o n ) ，故输入图像的大小、位置可灵活设置，并可支持y u v 4 2 2 ， r g b 3 2 ，r g b 2 4 ，r g b l5 ，r g b l 6 ，y 8 等多种图像格式的显示和存储。在计算 机上显示采集的图像，实现图像和图形同屏显示的工作方式。支持同一主机内插 入多块d h c g 4 0 0 图像采集 同时工作。 图2 - 6 图像采集卡 f i g u r e2 - 6i m a g ea c q u i s i t i o nc a r d 223 工控机 工q k 控制计算机( 简称i 。控机) 作为系统的核心部分，其任务是处理、存储 数据，实现对运动部分高精度、准确的控制，实现图像的采集以及有关的打印、 显示。系统采用研华工控机，如图2 - 7 所示。工控机采用i n t e l p e n t i u m4 c p u ，主 频为24 g h z ：5 1 2 md d r 内存，频率为2 3 3 m h z ：7 2 0 0 转8 0 g 高速硬盘。软件 系统采用w i n 2 0 0 0 操作系统下的m i c r o s o f tv i s u a lc 抖6 0 编程。良好的计算机配 置加上先进的编程工具为整个检测系统的优良性能奠定了基础。 2 2 4 运动控制模块 在一个运动控制系统中“上位控制”和“执行机构”是举足轻重的两个组成 部分。“执行机构”部分一般为：步进电机、伺服电机和直流电机等。它们作为执 行机构，带动工件动作h “。而上位控制一般采用3 种方法：工控p c 机、具有运 动控制功能的p l c 及自开发单片机系统删。“上位控制”是“指挥”执行机构动 1 4 第= 章直缝焊管焊缝跟踪系统设计 图2 7 工业控制计算机 f i g u r e2 - 7i n d u s t r i a lc o m p u t e r 作的。考虑到整个系统要求高精度准确地定位，动作平稳、无冲击，系统设计中 采用基于运动控制卡( m o t i o nc o m m l l i n gb o a r d ) 技术的步进电机驱动运动控制系 统，在w i n d o w s 2 0 0 0 下用v i s u a lc + + 编程实现。 1 步进电机及细分步进驱动器 步进屯机是一种将电脉冲转化为角位移( 或直线位移) 的执行机构。当步进 驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个同定的角 度( 或直线距离) 。町以通过控制脉冲个数柬控制角位移量( 或直线位移量) ，从 而达到准确定位的目的：同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加 速度，从而达到稠速的目的1 4 ”。步进电机具有较好的控制性能，其启动、停车、 反转及其它任何运行方式的改变都可在少数脉冲内完成，且可获得较高的控制精 度，因而得到了j l 泛的j 虹用h ”。 系统选用1 3 0 h s 4 5 步进电机和m 5 3 5 细分步进驱动器。运动控制部分接线图 如图2 _ 8 所示。 广东： 业大学硕士学位论文 图2 - 8 运动控制部分接线图 f i g u r e2 - 8c o n n e c t i o no fm o t i o nc o n t r o l 2 运动控制卡 采用p c + 运动控制卡作为上位控制可充分利用计算机资源，适用于运动过程、 运动轨迹比较复杂且柔性比较强的机器和设备。运动控制卡是基于p c 机各种总 线的步进电机或数字式伺服电机的上位控制单元。总线形式是多种多样的，p c i 总线的运动控制卡是目前的主流。卡上专用c p u 与p c 机c p u 构成主从式双c p u 控制模式。p c 机c p u 可以专注于人机界面、实时监控和发送指令等系统管理工 作。卡上专用c p u 用来处理所有运动控制的细节：升降速计算、行程控制、多轴 插补等，无需占用p c 机的c p u 资源。同时随卡还提供功能强大的运动控制软件 库：c 语言运动库、w i n d o w sd l l 动态链接库等，让用户更快、更有效地解决复 杂的运动控制问题。 运动控制卡采用了开放式结构，使用简便，功能丰富，可靠性高。若采用p c 机的p c i 总线方式，卡上无需进行任何跳线设置，所有资源自动配置，并且所有 的输入、输出信号均用光电隔离，提高了控制卡的可靠性和抗干扰能力；在软件 方面提供了丰富的运动控制函数库，以满足不同的应用要求。用户只需根据控制 系统的要求编制人机界面，并调用控制卡运动函数库中的指令函数，就可以开发 1 6 第= 章雠焊管埠缝跟踪系统设计 出既满足要求又成本低廉的多轴运动控制系统。运动函数库为草轴及多轴的步进 或伺服控制提供了许多运动函数如单轴运动、多轴独立运动、多轴插补运动等 等。另外，为了配合运动控制系统的丌发，还提供了一些辅助函数，如中断处理、 编码器反馈、间隙补偿，运动中变速等。正是由于运动控制卡的开放式结构，强 大而丰富的软件功能，对于使用者来说进行二次开发的设计周期缩短了，丌发手 段增多了，针对不同的数控设备，其柔性化、模块化、高性能的优势得以被充分 利用。本系统选用了d m c l 0 0 0p c i 总线4 轴运动控制卡，如图2 - 9 所示。 1 图2 - 9 运动控制卡 f i g u r e2 - 9m o t i o nc o n t r o lc a r d 2 3 系统软件编程设计 软件编程是使用v i s u a lc h 编程软件来实现的。采用c + + 语言进行图像编程 的主要原因足：与j a v a 和例等现代编程语言相比，c h 在程序运行的效率、内存 使片j 的可控性和编程的灵活性上具有优势。图像处理需要处理大量的图像数据， 经常使用复杂费时的算法因此图像处理程序的效率非常重要。c _ + 代码被编译 成汇编语言可以直接在处理器上运行，效率很高。而j a v a 被编译成字节码，c # 被编译成中间语言，必须经过n e t 通用语言运行时的j i t 编译之后爿能执行，两 者都下能直接在处理器e 执行，效率低下。另外各种图像采集卡都对c _ + 有着良 好的支持。因此选用v i s u a lc + + 进行图像处理编程虽合适m 。 软件由初始化弓标定模块、图像采集模块、图像处理模块和跟踪控制模块组 成。初始化模块负责定义图像内存块、初始化图像采集卡和运动控制卡。图像采 广东i 业大学硕士学位论文 集模块负责控制图像采集 采集焊缝图像。图像处理模块主要负责对采集的网像 进行分析处理，并计算出焊缝偏差信息。跟踪控制模块则负责根据计算得到的焊 缝偏差信息控制运动控制卡进行跟踪纠偏。软件系统的界面如图2 1 0 所不。 _ 匪圈型i 采时间( = ) 。8f i 3 图2 一1 0 软件系统界面 f i g u r e2 - 1 0p r o g r a mi n t e r f a c e 2 3 1 初始化与标定模块 在安装图像采集# 的时候，w i n d o w s 系统会分配并锁定一段内存空叫；当粟 集卡采集图像到内存时，会把图像数据存放在这段内存中。但是对于软件系统来 说，并不能直接使用这段内存。所以，系统首先需要在初始化模块中自己分配一 段内存空间来存放、处理图像数据。同时，j = i ；必须预定义部分与内存空间有关的 参数，其中还包括对图像文件头的填充。 此外，初始化与标定模块还负责对系统进行标定，这部分将在第三章洋细进 行探讨。 2 32 图像采集模块 图像采集模块负责通过v c 与图像采集悟的联合编程来控制采集卡采集焊缝图 像。在t 程应用方面，图像采集模块考虑到循环实现的设计。 第二章直缝焊管焊缝跟踪系统设计 焊缝跟踪系统是一个循环运作的程序软件，它在一个循环内完成图像采集一 图像处理一提取焊缝偏差一纠偏。m f c ( m i c r o s o f tf u n c t i o nc l a s s e s ) 程序实现循 环过程有两种方法，一种是o n t i m e r 消息响应方法，另一种是多线程方法；其中， o n t i m e r 消息响应方法需要指明确定的循环时间，多线程方法则需要显式的发送系 统消息。 然而，由于w i n d o w s 并非一个实时操作系统【4 7 1 ，虽然可以由实验和统计来估计 出整个循环运行的时间，但是假如系统资源被其它程序占用或者是图像大小、处 理算法改变，这些因素都会影响循环运行时间。 因此，如果指定给o n t i m e r 消息响应的时间间隔太大，会影响整个系统的运作 时间，这样会影响自动跟踪的效果：但如果指定的时间间隔太小，一旦上述因素 是某个过程超出预定值，将发生不可预料的内存覆盖等错误，可能直接造成系统 崩溃。这样的话，需要明确指定循环时间的o n t i m e r 消息响应方法在焊缝跟踪就无 法使用。 综合上述分析，软件系统采用的是双线程方法来实现循环运作，图像采集模 块运行于子线程，其他模块运行于主线程；当主线程中所有功能全部完成时，将 发送一个全局消息给系统，使位于子线程的图像采集模块运行，采集图像至指定 内存中以供使用。 2 3 3 图像处理模块 由于v i s u a