（机械电子工程专业论文）自动焊视觉传感及焊缝识别新方法研究.pdf

摘要 摘要 焊缝跟踪控制是焊接过程需要解决的关键问题，也是现代弧焊过程焊接质量 自动控制的重要组成部分。要实现焊缝跟踪控制，焊缝识别技术是其中的核心技 术之+ 。应用于焊缝识别过程的传感器有许多种，其中利用视觉传感器来进行焊 缝识别是最有发展前途的技术。 传统视觉传感焊缝识别一般都是通过视觉传感器获取熔池前方焊缝图像来 获取焊缝特征信息，并通过图像处理得到焊缝中心位置与电弧的偏差信号。本论 文不同于传统方法仅分析焊缝边缘信息，而是通过分析熔池图像的整个区域并抽 取图像质心作为变量，分析质心位置与图像灰度分布、分割阈值的关系，建立利 用质心位置描述焊缝位置模型新方法。 本课题通过一套焊缝跟踪实验装置，采用视觉传感、步进驱动和工控机控制 系统，来实现焊缝的自动识别控制。论文首先通过多种算子对焊前焊缝图像进行 处理，比较和分析各算子的处理结果，证明c a n n y 边缘检测算子是比较适合于 焊缝图像处理的边缘检测算子。利用c a n n y 算子检测焊前焊缝图像，得到原始 焊缝曲线，得到焊缝中心位置数据。 为分析熔池图像灰度分布和分割闽值对质心位置的影响，本文在不同焊接条 件下进行单拍焊接实验，分析它们之间的关系，得到了理想工艺条件下的最优分 割阈值。在此条件下，又进行连续焊接实验，分析在焊接过程中质心位置变化和 焊缝位置之间的关系，实验结果表明，熔池质心位置的变化能够反映焊缝位置实 际变化趋势。本文最后通过一元线性回归分析方法建立熔池质心位置和焊缝中心 位置的理论模型，并通过相关性和显著性分析验证两者线性密切相关，建立了基 于视觉传感焊缝识别的新方法，该方法具有理论和现实意义。 关键词；焊缝识别：熔池质心；图像处理；焊接自动化 a b s t r a c t s e a mt r a c h n gc o n 廿o li st h ek e yd l 砸n gw e l d i n gp r o c e s s ，w l l i c hp l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei nt 1 1 ea u t o m a d cc o n t r o lo fw d d i n gq u a l 主t ya n ds e a md e t e c t i o ni so n eo ft h e k c m e lt c c h n o l o g i e so fs e 锄仃a c k i n g m a n yt y p e so fs e n s o r sw e r ea p p l i e dt os e a m d e t c c t i o np r o c e s s ，w m c h i n c l u d i n gv i s i o ns e n s o r ，a r cs e n s o r ，i n f t a d e ds e n s o ra n d s oo n i ti sat r e n d t e c h n o l o g yt h 砒i m p l e m e n t i n gs e 锄d e t c c t i o nu s i n gv i s i o ns e n s o l i nt r a d i t i o n a ls e 锄n 讹h n g s y s t e i nb a s e do nv i s i o ns e n s o r s ，m ew e l ds e a ml o c a t e di n m ef r o n to fw d d p o o lw a sc a p m r e d a sc h a 瑚虻t e r i s t i ci n f o n n a t i o no fw e l ds e 眦a n d m ee n 饼sb e t w e e nt h es e 锄c e n t e r 蛐dt l l ea r cw a sg a i n e db yi m a g ep r o c e s s i n g u n k e 妇d i t i o n a lm e t 圭1 0 dw h i c h s i m p l ya n a l y z ed l ee d g eo fw e l ds e a m ，an e w a p p f o a c hf o rs e a m 口a c k i n gi sp u tf o n v a r di n 廿l i sd i s s e r t a t i o n ，w h i c hp m c e s s e sm e w h o l er e 百o no fw e l d p o o l i m a g e a n de x t r a c tt h ec e n 廿o i dc o o r d i n a 协sa st h ev a r i a b l e am o d e lt od e t e i t i l i n es e a m p o s m o na c c 删n g t o 也ec e n t d 0 圭dp o s m o nw a se s t a b l i s h t h 0 u g ha n a l y z i n g t h ec h a r a c t e r i s t i co fc e n 劬i d p o s i t i o n ，d i s 砸b u t i o no fp i x e lg m y a n d t h r e s h o 】d a ne x p e r i m e n t a ld e v i c ew a sd e s i g n e da i l de s t a b l i s h e dt od e t e c ts e a ma u t a m a t i c a l l y e m p l o y i n g v i s i o ns e n s o r s t e p p e rm o t o rd r i v e ra n d 也ei n d l l s 扛i a lp cc o n 廿o ls y s t e m i i l “sd i s s e r t a t i o n ，t i l e e d g cd e t c c t i o no p e r 哟r si n c l u d i n gr o b e r t s ，s o b e l ，瞄r s c h ， p 1 e w i t t ，g u a s s l a p l a c ea n dc 籼y w e r ee m p l o y e dt op r o c e s st h ew e l ds e a m i m a g e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tc a r u l yo p e m t o ri ss u i t a b l ef b rs e a m 拄a c 虹n g p r o c e s s f i n a l ly c 卸n ye d g ed e t e c d o no p e r a t o rw a sa p p u e d t os e a md e t e c t i o n ，a n dn l eo r i 季n a ls e 锄 c u r v ew 嬲o b “e dw m c h p r o v i d e v a l u eo fc e n 仃d i d p o s i 石o n i no r d e rt os t l l d yt h ei n n u c n c eo fd i s m b u t i o no f p i x e lg r a ya n dt h r e s h o l do nc e n t r o i d p o s i t i o n ，s i n g l es n a p 、v e l de x p e r i m e n t s w e r ec o n d u c t e di n d i f l e r e n tt e c h n i c a l p a r a m e t e r s t h e s ee x p 嘶m e n t sm a i n l ya n a 】y z e 也er c l a t i o no fm 唧a n dg o t a t l i i i 广东工业大学硕一l 学位论文 o p t i m u m t h r e s h o l du n d e ra r e l a d v e l yp e e c tc o n d i t i o n a f t e 九v a r d ，ac o n t i n u o u sw e l d e x p 由m e n t sw a sc o n d u c t e d t oa l l a l y z em er e l a t i o nb e t w e e ns h i f to fc e n t r o i dp o s m o n a 壬l ds e 锄c e n t e r p o s i t i o ni nw e l d i n gp m c e s s t h ee x p e r i m e n t ss h o w e d t 1 1 a tt h es h i f to f c e n t r o i dp o s i t i o nc a n r e s p o n s et h er e a lt r e n do fs e 锄p o s m o n a t t h ee n do ft h ea r t i c l e ， a r e g r e s s i o n a l l i n e a re q u a t i o nr e l e a t i v ec e n 廿0 i dp o s i t i o na i l ds e 枷c e n t e rp o s i t i o nw a s b u i l tb y u 堇l i t a r yl i n e a rr e g r e s s i o na p p r o a c h t h er e s u l to fa 1 1 a l y s i so fc o e s p o n d c n c y a n dd i s t i n c t i o ni n d i c a t e d 也a tt l l et w ov a r i a b l ew e r el i n e a ri n t e r r e l a t e dn e a r l y ，a n di t h a sp r a c t i c a la n dt h e o r e d c a l s i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ： s e 锄 d e t e c t i o n ； w e l d p o o l c e n 仃o i d ；i m a g ep r o c e s s i n 昌w e l m n g a u t o m a t i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 背景 在制造业中，焊接是非常重要的工艺技术，是仅次于装配和机械加工的第三 大产业。焊接技术已经渗透到国民经济生产的各个领域，在机械制造、核工业、 航空航天、能源交通、造船、海洋工程、石油化工、建筑和电子等行业中应用越 来越广泛。在工业发达国家，焊接用钢量基本达到其钢材总量的6 0 一7 0 ，而 我国2 0 0 3 年钢产量为2 2 亿吨，焊接结构的钢材量就已接近9 0 0 0 万吨。此外， 2 0 0 2 年我国焊接材料的总产量也已经攀升到了1 4 4 9 万吨，与美、日、欧的总和 相当，是世界第一焊接大国q 随着我国现代化建设的发展，焊接技术将愈来愈显示出它的重要性，人们对 于焊接的质量、应用、操作和经济性的要求越来越高，传统的手工焊接已不能满 足现代高技术产品制造质量和数量上的要求，焊接制造工艺正经历着从手工焊到 自动焊的过渡。据统计，日本在1 9 7 5 年共有焊接工人4 6 0 ，9 3 0 名，而1 9 8 5 年减 少为3 3 5 ，6 0 0 名，1 9 9 0 年则为2 1 0 ，8 0 0 名，焊接工人数量大约每1 0 年减少 2 7 。3 7 【2 1 。我国焊接自动化率也逐步上升，表1 1 为我国焊接自动化率统计表”。 可见，焊接过程自动化、机器人化蚍及智能化己成为焊接行业2 l 世纪发展的必 然趋势跏。 表1 1 我国焊接自动化率统计表 玑出l el 一1 s t a t i s t i c s o f m t i o o f w e l d i n ga u t o m a d o n o f c l l i n a 1年份 1 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 l2 0 0 2 1 i 自动化率( ) 1 9 61 8 42 1 12 4 62 7 22 9 24 0 1i 焊接过程的首要目的就是将两块分离的金属材料形成冶金连接，获得合乎要 求的焊缝，在整条焊缝上都不产生超出焊接对缝允许的偏离。因此焊缝自动跟踪 是实现焊接自动化和智能化的首要关键技术，在焊接过程中通过各种传感器反馈 焊缝位置信息，通过实时控制焊接执行部件，使得焊炬始终对准并跟踪焊缝中心。 广东t 业大学硕士学位论文 早在2 0 世纪4 0 年代，人们就丌始关注焊缝跟踪技术的研究，以减小由于机械制 造安装、装夹精度、坡口状况、烟尘、飞溅、表面状况和热变形等多种因素所造 成的焊接位置偏差。传统的夹具定位由于精度不足，而且通用性不大，不能满足 要求。而根据焊接过程中的电、光、热、力、磁等物理现象和化学现象，基于各 种传感技术的焊缝跟踪技术无论在精度还是在自动化程度上都有了实质性的提 高，已成为一个重要的研究方向【4 j 。 1 2 焊缝跟踪技术的发展和应用 本课题以电弧焊为研究对象，电弧焊在现代工业生产中占有重要的地位，是 焊接制造技术中应用最广、决定焊接产品质量的主要焊接工艺。当前世界上大量 的金属材料通过电弧焊接加工，可以说，现代工业的发展离开电弧焊接是无法完 成的【5 】。随着工业自动化和弧焊机器人技术的发展，对焊缝质量提出了愈来愈高 的要求。以电弧为被控对象实现焊缝自动跟踪则是保证焊接质量的首要关键，因 此，焊缝跟踪技术多年来一直是焊接和自动化领域的研究重点和难点。 应用于弧焊过程焊缝跟踪的传感器有很多种类，有接触式传感器、电弧传感 器、超声波传感器、电磁传感器、红外传感器和视觉传感器等嘲。现在应用于焊 缝跟踪系统的两大主流传感器类型是电弧式传感器和视觉传感器7 8 9 】。 1 2 1 电弧传感器在焊缝跟踪技术中的应用 电弧传感器的基本原理是以电或机械方法使焊接电弧摆动，检测焊接电流、 电压的变化，来判断摆动中心是否偏离坡口中心，并进行修正。使电弧摆动的方 法有机械式、电磁式和射流式。摆动轨迹可分为直线往复运动、圆弧运动和旋转 运动。在使用双丝并列焊接时，也可以不作摆动。 目前电弧传感器主要有以下几种类型1 0 ： i 非扫描双丝并列型。该类型是利用电弧的静态特性参数的变化作为传感 信号，它采用两个彼此独立的并列电弧对工件进行试焊，当焊枪的中心线未对准 坡口中心时，其左右两焊丝具有不同的干伸长度，对于平外特性电源将造成两个 焊接电流不相等，因此根据两个电流差值即可进行左右跟踪，根据两个电流之和 即可进行高低跟踪。 2 摆动式电弧传感器。一般摆动式电弧传感器是以机械式的居多，因受机 构的限制，扫描频率一般在5 h z 以下，使得灵敏度较低，同时熔池中的液态金属 2 第一章绪论 的流动和填充也为焊缝坡口识别带来了障碍。 3 旋转扫描式电弧传感器。旋转电弧传感器的原理是，在直流电动机的驱 动下，利用导电嘴上的偏心孔使得焊丝和电弧旋转，来实现电弧的高速扫描，一 般扫描频率为1 5 3 5 h z 。它扫描频率高，机械振动小，能够改善焊缝成形，具有 良好的动态品质的优点。 电弧传感器具有独特的优势，它的检测点就是焊接点，不存在传感器先行的 问题，是完全实时的传感器；焊接机头周围不需要装备其它特别的装置，焊炬的 可达性好；不受焊丝弯曲和磁偏吹等引起电弧偏移影响，抗光、电磁和热的干扰， 成本较低，得到了广泛的应用。但由于基于电弧传感器的系统只有在电弧点燃后 才能工作，在跟踪过程中要进行摆动或旋转，而且只适用于对称接头的工件，应 用范围有限“。 1 2 2 视觉传感器在焊缝跟踪技术中的应用 随着计算机视觉技术的发展，视觉传感技术也应用到了焊缝跟踪过程中。据 统计，焊工在焊接过程中判断焊接质量做出必要调整，所依据的8 0 信息来源以 上来自视觉。视觉传感器模拟视觉功能来获取焊缝的特征信息，获取的信息量大， 与工件不接触，灵敏度和精度高，抗电磁干扰能力强，适合各种坡口形状，而且 可以同时进行焊缝跟踪和焊接质量的控制，是最有发展前途的焊接传感技术，而 基于视觉传感的焊缝跟踪技术也将是未来发展方向盼1 3 ，。 视觉传感器的功能是把光学图像转换成电信号，即把入射到传感器的光敏面 上按空间分布的光强信息( 可见光、激光、x 射线、红外线、紫外线或电子轰击 等) 转换为按时序串行输出的电信号视频信号，而视频信号能再现入射的光 辐射图像。固体传感器主要有三大类型，第一种是电耦合器件c c d ( c h 哦r e c o u p l e d d e v i c e ) ，第二种是c m o s 图像传感器，又称自扫描光电二极管 阵列，第三种是电荷注入器件“】。 目前在焊接工程中应用较广的是c c d 摄像机，它是由若干个像敏元以一定顺 序排列形成的一条光敏线或光敏面，并同辅助电路组合成大规模集成电路。c c d 的工作原理是通过光学成像系统将景物图像成像在c c d 的像敏面上像敏面将照 在每个像敏单元上的图像照度信号转变为少数载流子数密度信号存储于像敏单 元中。然后在转移脉冲的作用下，再转移到c c d 的移位寄存器中，并在驱动脉冲的 广东工业大学硕上学位论文 作用下顺序地移出器件，成为视频信号。视频信号再由后续处理电路进行处理或 计算。成为电视信号或检测信号。 c c d 分为线阵c c d 和面阵c c d 。线阵c c d 应用线阵集成电路作为传感器， 其处理信息的速度快，后续处理电路简单，易实现实时控制，但它只能获得一维图 像，不能处理复杂的图形。面阵c c d 可以获得二维图像，获取的信息量大，能处 理复杂的图形，但处理信息速度相对慢，成本也比线阵c c d 高。由于焊缝跟踪需 要获取大量的图像信息，且焊缝图像复杂，所以面阵c c d 在焊缝跟踪中应用较广。 1 2 3 基于视觉传感的图像信息采集方法及国内外现状 用视觉传感采集焊缝图像信息的方法有两种，分别是被动光视觉和主动光视 觉法。被动光视觉法不使用辅助光源，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。主动光视觉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。 1 2 3 1 被动光视觉法 被动光视觉法直接摄取焊缝图像，这种方法能获得接头和熔池的大量信息， 设备简单，成本低。但被动光视觉法存在强光干扰的问题，即在焊接过程中，电 弧的辐射光强度远远超过焊接熔池辐射光强，并且也超过了c c d 传感器响应上 限，图像噪声经常会把熔池内部的图像信息淹没掉【l “。 被动光视觉法经常采用一些辅助方法来减少弧光的干扰，以得到清晰的熔池 图像。常用的方法是在视觉传感器前安装窄带滤光片，将使得弧光波段影响减少， 获得清晰的图像。也有研究者通过滤光系统和焊接电流控制相结合的方法来去除 弧光的干扰，使摄像机在一个弧光对熔池辐射比例适当的较窄的光谱范围内获取 熔池图像，同时，控制焊机周期性的减少焊接电流，使得在摄像机在熔池成像期 间弧光的影响最小，以得到清晰的熔池图像1 2 胛】。除此之外，还有一些研究者采 用激光频闪摄像的方法来获取焊接区的图像，频闪激光提供周期激光束来照亮焊 接区，抑制电弧光的辐射强度。同时c c d 快门和激光脉冲信号配合，同步打开， 以获得清晰的焊接区的图像1 8 】。 1 2 3 2 主动光视觉法 主动光视觉法是一种利用辅助光源，并基于三角测量原理的测量方法。根据 使用的辅助光类型，将主动光视觉法分为结构光法和激光扫描法，其中结构光法 4 第一章绪论 采用单激光作为辅助光源，激光扫描法采用扫描激光束作为辅助光源。 1 结构光法 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 个已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。 一般的光路系统有三种方案【l ”。第一种是采用激光束垂直照射，c c d 倾斜 接收的方案；第二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；第三种方案是激光束倾斜照射，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 技术有限公司的m e 协t 0 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 k o m 公司的l 舶e r l h c k 和s e a n l f i n d e r 焊缝检测和跟踪传感器采用了第一种方法。 文摘 1 9 针对这三种方法，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。而采用另外两种方案时，要通过前后若干图像综合分析才能确 定焊缝的垂直截面的形状和尺寸，后续处理十分麻烦。 但结构光法所用的敏感面都是面形的，当结构光照射在经过钢丝刷去除氧化 膜或磨削过的铝板或其它金属板表面时，会产生强烈的二次反射，这些光也成像 在敏感器上，往往使后续的处理失败。另外，投射光纹的光强分布不均匀。由于 获取的图像质量要经过较为复杂的后续处理，精度也会降低。所以要在系统硬件 和软件的后续处理上采取措施，将其负面的影响降低到最小程度。 2 激光扫描法 激光扫描法的传感器由半导体脉冲激光器及光学系统、扫描振动电机及反射 镜、二维位置传感器及光学系统三部分组成。激光扫描法是利用光学三角原理来 获取传感器和激光光点之间的精确距离的，工作时，激光光束投射在扫描振动器 电机的反射镜上，在扫描振动作用下，反射镜将光束反射在工件表面，也形成一 广东工业大学硕士学位论文 个“条形光”。但这个“条形光”的任意处的光强都等于激光束本身的光强，这样加 强了条形光的强度，而又没有增加激光器的功率。这种方法优点是能得到很高信 躁比，因为在敏感器件感光时间内，光强集中于一点而不是散成一条线，能使所 有的光点在敏感器上清晰成像，同时信号处理速度较快m 2 ”。 主动光视觉法有其难以克服的缺陷，它由于传感器固定在焊炬上，其检测点 限于焊炬行走前方5 0 l o o m m 的焊缝处，而非在焊炬正下方受电弧作用而熔化的 焊缝处，因此在曲折形状焊缝的焊接中往往会造成跟踪失败，有一定的局限性。 1 2 3 3 国内外研究现状 基于视觉传感焊缝跟踪技术的研究是随着视觉传感器、计算机技术、图像处 理方法和智能控制技术的发展而兴起的。在2 0 世纪6 0 年代初到8 0 年代，人们就一 直尝试把视觉传感的技术应用到焊缝跟踪技术中去，但基于当时传感技术和计算 机处理速度的影响，所研制基于视觉传感的焊缝跟踪系统都要进行预先示教，处 理速度很慢，不是真正意义上的实时焊缝跟踪。自8 0 年代以来，由于第二代机器 人的研究，视觉传感技术作为焊接机器人智能部件，得到更迅速的发展，并在焊 接领域的研究与应用方面展现更广阔前景。美国w o n l l i g t o nh l d u s 证e s 公司开发 一种焊缝跟踪设备对激光焊接进行跟踪，据报道其定位精度可达o 0 5 0 m m 。英 国的m e t am a c h i n e sl t d 的l a s e rp i l o tm t r 和l a s c rp i l o tm 1 f 激光光学焊缝跟踪系 统可用于所有的弧焊方法和激光焊接，定位精度小于o 1 m m 【2 ”。瑞典的研究者设 计了一个通用6 维焊缝跟踪系统，具有良好的柔性和自适应性，能够根据中间曲 率方法跟踪空间中任一三维焊缝轨迹，该系统能够沿着焊缝在位置和方向上连续 纠偏，能对半径小于5 0 r 眦的工件进行跟踪f 2 ”。韩国的研究者研制了一个基于视 觉传感的焊缝跟踪系统，该系统主要应用于钢管根部焊道的g m a w ( g a sm e t a l a r cw j l d i n g ) 焊接，焊接过程中能够实时调整焊炬位置和焊接条件来获取良好的 焊件，具有良好的焊缝跟踪能力，系统焊缝跟踪精度达到业舢【i l ，1 4 0 i l l m 【2 4 】。印度 的研究者利用视觉传感器拍摄焊缝图像，借助弧光来识别焊缝轨迹，根据得到偏 差来控制步进系统实现纠偏运动，该实时焊缝跟踪系统跟踪精度可达0 2 i 姗【瑚。 瑞典a s e a 公司的l a s e rt m c k 激光视觉跟踪系统，无须对焊缝路径进行预先示教， 能自动找到焊缝的起点并跟踪，直到完成焊接。它用于对接、搭接、角接头三种 类型的焊接，焊接精度为o 4 n l i i l ，焊接速度为1 2 0 m m ，m i n 【2 6 ，拥。有的激光跟踪 6 第一章绪论 传感器可在7 0 0 a 的电弧电流下进行正常焊缝跟踪，某些产品的跟踪精度达到 0 ，l 舢n 2 8 。 我国从2 0 世纪6 0 7 0 年代后期就开始发展基于视觉传感的焊缝跟踪技术， 其中哈工大、清华大学、华南理工大学、华中理工大学、上海交大、天津大学等 高等院校在焊缝自动跟踪方面有了长足发展，技术水平不断提高，并取得了许多 应用成果。 清华大学的研究者采用线阵c c d 作为传感元件，并对光路结构进行了改进， 通过对信号的数字滤波和图像处理获得焊缝中心位置，使用“开环自学习，闭环 纠错误”的轨迹控制算法，实现焊缝实时跟踪。该系统的焊接速度有1 0 0 m m ，m i n 焊接过程中9 5 以上的宽度值集中在偏离给定值l o 范围内【2 9 1 。哈尔滨工业大 学的研究者研究了无辅助光源图像法n g 焊缝跟踪系统，该系统用被动视觉方 法采集焊缝图像，采用了图像采集与焊接规范同步控制、闽值与图像协调处理、 传感器可靠密封、冷却等系列有效措施，使得系统即使在3 0 0 0 c 的高温环境下也 稳定可靠工作。该系统的静态检测精度为o 0 7 m m ，动态跟踪跟踪精度o 2 r 岫， 处理周期3 0 0 m s ，检测范围1 3 m m 蚓。华南理工大学研究出一种智能型焊缝跟踪 系统，采用c c d 检测弧焊区，并通过自调整模糊控制器对跟踪偏差进行调节， 实现了焊缝跟踪的精确控制。系统在焊接速度4 咖 1 1 ，s 的情况下，最后可达的跟 踪平均误差0 2 8 m m 【3 “。华中科技大学采用外加辅助光源的结构光传感，经h o u g h 变换提取特征信息，用f u z z y p 双模控制，实现焊缝的跟踪的自动控制3 ”。 1 3 本课题选题的意义和研究内容 视觉是人类获取信息的主要渠道，关于人和动物的视觉机理至今未得到完全 破解，但是已经取得了一些探索性结果。结合近几十年来发展的电子计算机科学， 图像处理及模式识别理论与技术，已经将视觉的生理机制以机器视觉的形式再现 出来，并应用于焊接自动化领域中。研究基于视觉传感的焊缝跟踪技术将会推动 焊接过程质量实时传感与控制的发展和成熟，使得焊接过程通过闭环反馈而实现 完全自动化，保证焊接质量，大大提高焊接生产自动化水平和自动焊接的灵活性， 把握住焊接跟踪技术发展的最前沿，推动我国焊接理论和实践的发展。 从上述关于焊缝跟踪技术的发展和应用情况可以看知，现有国内外的焊缝跟 踪装置基本都是采用直接采集焊缝图像来进行图像处理，提取焊缝的位置信息。 7 广东丁业大学硕十学位论文 由于焊缝图像受到强弧光、烟尘、工件表面状况等因素的影响，原始图像存在着 大量的噪声，后续处理烦琐。本课题提出了一个利用熔池图像质心间接确定焊缝 位置的新方法。与传统方法不同，新方法首先对焊接区图像进行图像分割和动态 范围调整以突出熔池及邻近区域特征，在此基础上提取熔池图像质心坐标，然后 通过分析图像质心( “熔池图像质心”的简称) 与焊缝位置之闻的内在机理，建立 以图像质心计算焊缝位置的理论模型。由于获取熔池图像质心比直接获取焊缝边 缘更易行、更精确，所以该方法有望通过易获取的图像质心信息来间接获取精确 的焊缝位置信息。 本课题为高向东教授主持的国家自然科学基金项目“基于图像质心的焊缝跟 踪新方法研究”( 项目代码：6 0 3 7 5 0 1 2 ) 的子课题。本文根据熔池图像质心的原理， 结合焊缝视觉检测技术当前现状，做了以下几方面的研究： 1 设计并建立基于视觉传感的电弧焊焊缝跟踪实验装置。采用c c d 作为 视觉传感器直接拍摄熔池图像，工控机对熔池图像进行处理，得到焊缝与电弧偏 差最后根据偏差值驱动焊炬和实验平台进行运动，实现焊缝跟踪过程实时控制。 2 焊缝跟踪实验装置的系统定标。确定实验装置步进驱动的精度，计算出 每个脉冲的当量距离。对c c d 进行标定，根据畸变系数对图像的像素分辨率进 行补偿。 3 焊前焊缝图像处理。比较几种常用的边缘处理算子，选择一种适当的方 法对焊前的焊缝进行图像处理，得到焊前焊缝图像的曲线，并根据得到的焊前焊 缝中心位置来建立和熔池质心位置的模型。 4 在不同工艺条件下进行焊接工艺实验，并提取熔池图像质心坐标，分析 在不同工艺条件和分割闽值下的结果，研究质心与焊缝位置之间的内在关系，验 证熔池质心原理的有效性。 1 4 小结 本章叙述了焊接在国民生产中的重要地位，阐述了焊接自动化是焊接技术发 展的趋势，对基于视觉传感的焊缝跟踪技术发展和应用前景进行了综述，对几种 常用焊缝跟踪传感方法的优缺点进行分析比较，并介绍了国内外研究现状。本章 最后说明了本课题的意义和刨新之处，并列举了论文的研究内容。 第二章焊缝跟踪系统的设计 第二章焊缝跟踪系统的设计 为了研究视觉传感在焊缝实时跟踪中的应用，设计和构建了一个实验装置， 采用视觉传感器采集熔池图像信息，控制器对图像信息进行处理，并控制焊炬运 动使电弧始终对准焊缝中心，实现焊缝实时跟踪。 2 1 系统概述 实验系统主要由六部分组成，分别是实验机架平台、步进驱动模块、图像采 集模块、继电器控制模块、焊接系统和工控机，其结构图和实物图分别如图2 一l 和图2 2 所示。 图 图2 一l 实验装置结构图 f i g i l r e2 - lc o i l f i g u r 掘o no fe x p 耐m e n t a ld e 、，i c e 实验机架平台包括龙门架、底座平台、焊板夹具。龙门架是安装焊炬、c c d 及其运动机构的机架，底座平台是一个十字工作台，分别安装了步进电机及驱动 机构，以实现工作台的平面运动。步进驱动模块是由四轴步进电机驱动卡、四套 驱动器和步进电机组成，分别驱动龙门架x 轴、龙门架y 轴、底座x 轴和底座 9 广东工业大学硕士学位论文 y 轴运动。龙门架x 轴采用了较大功率的步进电机，以实现焊炬的快速定位。 图像采集模块包括c c d 和图像采集卡，图像采集卡是对c c d 采集的视频信号进 行解码和刖d 转换，最后将数字化的图像数据送到工控机中。焊接系统包括氩 弧焊机、氨气和焊炬。继电器模块是用来控制电焊机的引弧开关和焊接电流。工 控机则是整个实验装置的“大脑”，对所有采集信号进行处理，并且根据特定算法 控制步进电机和继电器动作。 2 2 系统主要部件 图2 2 实验平台实物图 f i g u r c2 2e x p e 血n e n t a l 切b l e 2 2 1 视觉传感模块 本实验系统采用被动光视觉法，直接利用视觉传感器拍摄熔池图像。视觉传 感器采用面阵c c d ，可获得熔池的二维平面图像信息，为图豫处理提供了丰富 的信息。 图2 3 是基于c c d 和镜头的视觉系统成像原理图。由图2 3 可知被拍摄物 体反射光线经镜头聚焦到c c d 芯片上，c c d 根据光强弱积聚相应的电荷，经周 1 0 第一章焊缝跟踪系统的设计 期性放电，产生表示一幅画面的电信号，经过滤波、放大处理，通过摄像头的输 出端子输出一个标准的复合视频信号。 图2 3 视觉系统成像原理图 f i g u r e2 3p r i n c i p l eo fv i s i o ns y s t e mi m a g i n g 在实验系统中，视觉传感器c c d 选用了三洋v c c 一6 5 7 0 p ，它采用p a l 制式， c c d 芯片规格l ，3 ”，采用隔行传送方式，画面像素总共为7 9 5p i x e l 5 9 6p i x e l 。 c c d 安装在与焊炬位置相对不变的位置上，当c c d 安装调节好之后，它随 着焊炬一起运动，彼此相对位置不变。c c d 倾斜安装，与焊炬夹角大约4 5 。，与 焊炬喷嘴的半径距离大约1 0 0 n 1 i i l 。在微调过程中，可调整c c d 连接杆和c c d 的安装位置来调节c c d 的姿态，获得最佳的图像。 c c d 镜头选用了c o m p u t a r 公司的t 1 0 2 5 1 3 c s 镜头，它的规格为1 3 ”，和 c c d 的规格相匹配。镜头安装标准为c s 标准，其镜头安装基准面到焦点的距离 是1 2 5 m m 。其它的镜头参数如表2 一l 所示。 通过c c d 和镜头的选型参数，可以通过公式估算被拍摄工件的大小和视角。 根据镜头的成像原理，可得公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 。 ，= l ( 2 1 ) 广东工业人学硕士学位论文 f = h l | h 表2 一lt l o z 0 5 1 3 c s 2 镜头主要参数 1 a b k2 一lm a i np a r 锄e t c r so f t l 0 2 0 5 1 3 c s 一2l e n s 参数名参数值 规格 l 3 ” 焦距 5 5 0 m m 光圈( f ) f 1 3 c 视角( 水平) 5 1 8 5 6 。 最近物像距离 o 8m 月u 2 9 5 m m 有效口径 后 8 7 m m 式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 中，为镜头焦距，w 为图像的宽度( 被摄物体在c c d 靶面上 成像宽度) ，为被摄物体至镜头的距离，w 为被摄物体宽度， 为图像的高度 ( 被摄物体在c c d 靶面上成像高度) ，日为被摄物体的高度。 由选型参数和测量已知下列参数值分别为： 户5 5 0m m ；z ；1 0 0 m m ；w = 4 8 n 蚰； = 3 6 n l m 根据上述参数值，可求得被拍摄物体( 即焊接工件) 的宽度和高度l 的 范围。 w ：丝：兰：! 兰! 塑：9 6 。9 6 删( 2 3 ) ，( 5 5 0 ) 日：丝：! ：皇兰婴：7 2 。7 2 舢 f 2 4 ) ，( 5 5 0 ) 则视野范围f i d v 为； 肋y = h 7 日= ( 9 6 9 6 ) ( 7 2 7 2 ) 篇7 0 6 9 0 0 嗍2( 2 5 ) 根据上面的参数和计算结果，可以得出在理想状况下实验系统的图像水平分 辨率p 和垂直分辨率尸日的范围。 第一章焊缝p r 踪系统的设计 只：黑：掣：o 0 1 2 l 地1 2 l m m ( 2 6 )” 7 9 57 9 5 、7 只：兰：掣观0 1 2 1 m 1 2 1 m ( 2 - 7 )” 5 9 65 9 6 。7 系统的跟踪精度要求是o 3 m m ，显然式( 2 6 ) 和( 2 7 ) 计算结果符合系统的精度 要求。 2 2 2 图像采集卡 图像采集卡选用大恒d h c g 4 l o 系列的图像卡，视频图像信号经多路切换 器、解码器、a d 变换器，将数字化的图像数据送到数据缓冲器，经裁剪、比例 压缩及数据格式转换后，由内部控制图形覆盖与数据传输，数据传输目标位置由 软件确定，可以是显存，也可以是计算机内存。 d h c g 4 l o 支持p a l 、n t s c 彩色黑白视频输入，支持方像素p a l 和n t s c 的采集制式，a ，d 转换精度8 位，支持y u v 4 2 2 、r g b 8 8 8 8 、r g b 8 8 8 、r g b 5 6 5 、 r g b 5 5 5 及y 8 模式，支持单场、单帧、连续场、连续帧的采集方式。 2 2 3 运动控制卡及继电器控制卡 系统运动控制卡选用雷赛d m c l 0 0 0 型号的板卡，它是基于p c i 总线的高性 能运动控制卡，可控制多达4 个步进电机，具有即插即用、最高4 0 0 k h z 脉冲频 率、s 曲线减振功能、随时变速等高级功能。 d m c l o o o 卡提供了w 啊w d m o w s2 0 0 0 系统下的动态链接库，为用户 在开发包的基础上进行二次开发，实现对运动卡运动控制和i ，o 输入输出控制功 能。 试验系统还使用了研华p c i _ 1 7 6 0 继电器i ，o 控制卡来控制电焊机的引弧动 作和电流输出波形。p c i - 1 7 6 0 卡也提供了二次开发接口，用户可以通过这些开 发包进行二次开发，实现电焊机的控制。 2 2 1 4 电焊机 本实验系统采用钨极惰性气体保护焊( g ：t u n g s t e ni n 叭g a sw e i d i n g ) 。它 是在惰性气体的保护下，利用钨电极与工件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝 ( 如果使用填充焊丝) 的一种焊接方法。焊接时保护气体从焊枪的喷嘴中连续喷 出，在电弧周围形成气体保护层隔绝空气，以防止其对钨极、熔池及邻近热影响 区的有害影响，从而可获得优质的焊缝。 广东t 业大学硕士学位论文 焊机选用了逆变直流氩弧焊机，它使用了中频逆变电源，采用m o s h 玎作 为主开关元件，不仅适用于。1 般碳钢的焊接，也适用于不锈钢、铜、铝、钛及其 合金等难焊金属的焊接。它采用恒流特性控制，燃弧稳定，无飞溅，焊透能力强； 用2 5 k h z 逆变，噪音低，动态响应快。 2 2 5 执行机构及工作台 实验系统平台由四个轴组成，分别是底座x 轴、底座y 轴、龙门架x 轴和 龙门架y 轴。底座两个轴构成了工作台的二维平面运动，使得固定在工作台上 的工件随着工作台的运动而实现预定平面轨迹运动。龙门架两个轴则构成了与工 作台平面相垂直的平面运动，主要控制焊炬和c c d 的位置，其中龙门架x 轴丝 杆螺距相对较大，可实现焊炬的快速定位；y 轴则和焊炬相连，调整y 轴的位 置可实现焊炬垂直位置的控制。 在四个轴中，底座x 、y 轴是控制工作台焊件的运动，通过调整焊件和焊炬 的相对位嚣，以使得焊炬始终对准焊缝的中心运动。而龙门架x 、y 轴则是控制 焊炬的运动，实现焊炬位置的初定位。因此，底座x 、y 轴滚珠丝杆螺距较小， 以满足焊缝跟踪的精密定位，龙门架x 、y 轴则可采用相对较大的螺距，以便快 速地进行初定位。为了有效保护实验装置，在每一个轴上都安装了限位开关，当 运动机构超出安全范围时，会触发限位开关，强行停止机构的运动，以免机构损 坏。四个轴的参数如表2 2 所示。 表2 2 轴的参数 t a b k2 2p a r 锄e t e r so f s p i n d l e s ( 单位：i i l i l l ) 轴最大行程有效行程丝杆直径丝杆螺距 底座x 、y 轴 1 0 07 59 41 龙门架x 轴 士4 s i o2 7 02 02 5 龙门架y 轴 士2 4 01 4 0l o5 本系统要求焊接速度为5 8 m 瑚，s ，考虑为低速低载系统，运行过程中少冲击， 故实验系统四个轴均采用滚珠丝杆螺母机构传动。每根轴与步进电机之间采用弹 1 4 第二章焊缝跟踪系统的设计 性管联轴器进行联接，它具有高抗疲劳，等速回转特性，可有效减少实验装置加 工和安装所带来的平行、角度和轴向等偏差。 2 3 系统的标定 实验系统搭建好之后，必须要对系统装置进行标定，确定输入输出部件和应 用对象之间的内在关系。系统标定可以分为两部分内容，一部分是步进驱动的标 定，即找出每个控制脉冲对应着每个轴的当量运动距离( 脉冲当量) ；另外一部 分是c c d 的标定，即确定c c d 相面各像素点对应的测量距离与实际距离之间的 映射关系。 2 3 1 步进驱动的标定 步进驱动的标定是要计算出控制卡向每个轴发出一个脉冲，各个轴的当量运 动距离。脉冲当量距离值和步进电机的步距角、驱动器的细分选择及丝杆的螺距 有关，其计算公式如式( 2 8 ) 所示。 拈鸯 犯8 p 式中，l 为丝杆的螺距，为驱动器细分选择倍数，目为步进电机的步距角， d 为对应轴的脉冲当量。 在实验系统中，四个轴的步进电机步距角口均为1 8 。，驱动器细分倍数为 8 ，而各个轴的螺距可由表2 2 得到。根据式( 2 8 ) ，可以分别算出每个轴的脉冲 当量。分别用l j 、l 2 、幻、k 表示底座x 轴、底座y 轴、龙门架x 轴、龙门架 y 轴的螺距，西、如、西、舀表示底座x 轴、底座y 轴、龙门架x 轴、龙门架y 轴的脉冲当量值。其计算如下： 如咖垂b 2 垂蠹一。舢s 渤一o s 2 s 膨 。， 口1 8 如垂彖。垂轰一。肼s 6 z s q s 地s m 仁 p1 8 以2 蠢2 蠢- o 瑚s 一司j 2 耻m 亿 口1 8 由式( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 的计算结果可以看到，底座x 、y 轴的脉冲当量值 非常小，远远小于系统跟踪精度o 3 m m ，能够满足