（材料加工工程专业论文）COlt2gt焊视觉图像形态学处理及焊缝跟踪的研究.pdf

摘要 摘要 c 0 2 气体保护焊以其低成本、高效等优点获得了广泛的应用，但是，焊接过 程飞溅大。采用机器视觉技术对c o ：气体保护焊焊缝自动跟踪的研究有十分重要 的意义。但是目前还未有效地加以利用，这是因为焊缝区存在大量的弧光、飞溅 等噪声的干扰，不易获得清晰稳定的近缝区图像。鉴于弧光与焊接电流及电弧区 辐射之间的相互关系，我们采用相应的滤光系统将强烈的紫外及部分可见光滤除， 余留的光作为光源，通过c c d 摄像机获得了稳定的近缝区图像。通过图像采集 设备、驱动机构等硬件接口与计算机图像处理单元的互相通信完成图像采集、存 储、处理、特征提取、偏差提取以及过程控制等任务。 根据系统的特点及性能要求，选择设计了无辅助光源的c 0 2 气体保护焊焊缝 自动跟踪系统，主要包括滤光系统、图像采集系统、图像处理系统和偏差调节系 统。该系统具有可靠性、抗干扰性、实时性、系统简单、成本低等特点，适合中 国国情，利于推广应用。 通过对焊缝区原始图像采取平滑滤波等预处理技术，得到了无大噪声干扰的 焊缝区图像。对焊缝图像进行数学形态学滤波时，我们得到了熔池区前方十分清 晰的焊缝边缘，这一点为进一步利用图像处理进行焊缝跟踪提供了有力的依据和 进一步工作的希望。本文首次将数学形态学滤波法应用到焊缝图像预处理中，通 过数学形态学开闭运算对焊缝图像进行滤波，可以消除不规则的干扰噪声，特别 是焊缝边缘的凸凹噪声、图像内部的小孔噪声和图像背景中的碎屑噪声，得到清 晰的焊缝区图像。为提取焊缝特征信息打下良好的基础。 图像处理的最终目的是提取焊缝位置的偏差信息。为了进一步提取到适于跟 踪过程控制的控制量，本文通过对焊缝区图像的像素灰度值的研究，依据图像灰 度直方图的特征对图像进行了二值化、三值化及数学形态学梯度的图像分割，在 充分利用焊缝区灰度特征的基础上，提出了基于灰度值的焊缝特征信息提取方法。 通过边缘特征信息识别算法，可以得到准确的焊缝位置偏差信息，并且由于算法 相对简单，提高了焊缝跟踪过程的处理速度。 对偏差控制量执行调节的时候，本论文选择了基于模糊控制规则的自调整参 数p i d 控制器。固定参数的p i d 控制器不能很好地适应弧焊过程实际工况的需要， 随着焊缝线型的变化，控制器的参数也要随着变化。 为了验证系统的工作性能和研究的价值，通过对不同焊缝形状测量的偏差值 和系统工作的特征的分析，采用了有效的偏差补偿算法。进一步证实了采用机器 视觉及图像处理方法可以满足焊缝自动跟踪的要求。 关键诃：无辅助光源；视觉传感；数学形态学：焊缝跟踪；模糊自调整参数p i d 华南理工大学工学博士学位论文 a b s t r a c t t h ec 0 2a i rp r o t e c t i v ew e l d i n g ，b yt h ea d v a n t a g eo fl o wc o s ta n d h i g he f f i c i e n c y a n ds oo n ，a p p l i e s e x t e n s i v e b u t ，d u r i n gt h ew e l d i n gp r o c e s s ，i th a sb i gw e l d i n g s p a t t e r a d o p tt h et e c h n i q u eo f t h em a c h i n es e n s eo f v i s i o n ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt ot h e c 0 2 a i rp r o t e c t i v ew e l d i n gs e a mt oa u t o m a t i c a l l yf o l l o w h o w e v e r , u pt on o w ，i th a s s t i l ln o te x p l o i t e da v a i l a b l y , w h i c hi sb e c a u s eo f , i nw e l ds e a n la r e a ，l y i n gag r e a tl o t d i s t u r bs u c ha sa r c l i g h t ，s p a t t e r a n do t h e rn o i s e ，s o ，i ta c q u i r ed i f f i c u l t yc l e a ra n d s t a b l e d i a g r a mo ft h en e a rs e a ma r e a b a s e do nt h er e l a t i o no fa r cl i g h t 、w e l d i n g c u r r e n ta n dr a d i a t i o no ft h ea r c a r e a ，t h r o u g ha d o p t i n gc o “e l a t i v ef i g h tf i l t e rs y s t e mt o f i l t e r s t r o n gp u r p l ea n dp a r to fv i s i b l el i g h t ，a n dr e m a i n i n gl i g h tb e i n gu s e da st h e l i g h ts o u r c e ，i tc a na c q u i r et h es t a b i l i z ed i a g r a m o ft h en e a rs e a ma r e ab yc c d p i c k u p c a m e r a b yt h e c o l l e c t a b l e d i a g r a me q u i p m e n t 、t h ed r i v eo r g a n i z a t i o n a n dt h e h a r d w a r ei n t e r f a c ec o r r e s p o n d e n c i n gm u t u a l l yw i t ht h ec o m p u t e ru n i tt od e a lw i t h d i a g r a m ，i tc a nf i n i s hd i a g r a m t oc o l l e c t 、s t o r a g e 、d i s p o s e 、d i s t i l lc h a r a c t e r i s t i ca n d d e v i a t i o na n dt h e p r o c e s s c o n t r o le t c a c c o r d i n gt os y s t e mc h a r a c t e r i s t i ca n dp e r f o r m a n c er e q u e s t ，c h o o s ea n dd e s i g n t h ec 0 2a i rp r o t e c t i v ew e l ds e a mt of o l l o wa u t o m a t i cs y s t e mt oh a v en o a s s i s t a n t l a m p - h o u s e ，w h i c hp r i m a r i l yi n c l u d et h el i g h tf i l t e rs y s t e m ，t h ec o l l e c t a b l ed i a g r a m s y s t e m ，t h eh a n d l i n gd i a g r a ms y s t e ma n d t h e r e g u l a t i n gd e v i a t i o ns y s t e m t h i ss y s t e m h a v et h ed e p e n d a b l e ，a n t i i n t e r f e r e n c e ，r e a lt i m e ，s i m p l e ，l o wc o s te t cc h a r a c t e r i s t i c ， f i tc h i n e s e a c t u a l i t y , b e n e f i t o f a p p l y i n g i nt h e e x p a n s i o n t h r o u g ha d o p t i n gt h es m o o t hf i l t e rw a v ea n do t h e rp r e t r e a t m e n tf o ro r i g i n a l i t y d i a g r a mo fs e a ma r e a , g e tt o t h es e a ma r e ad i a g r a mt oh a v en ob i gn o i s e d u r i n g f i l t e r i n gw a v eb ym a t h e m a t i c sf o r m , g e tv e r yc l e a rw e l ds e a me d g ei nf r o n to fw e l d p o n da r e a , w h i c hp r o v i d es t r o n gp r o o fa n df u r t h e rw o r kf e a s i b i l i t y t om a k eu s eo f h a n d l i n gd i a g r a mt of o l l o ww e l dj o i n t i nt h i st h e s i s a p p l y i n gf i r s t l y m a t h e m a t i c s f o r mt o p r e t r e a t m e n t i ns e a r n d i a g r a m ，p a s s i n g t h e o p e n c l o s e do p e r a t i o n o f m a t h e m a t i c sf o r mt of i l t e rw a v ei ns e a md i a g r a m , i tc a nc l e a ru pa n o m a l yn o i s e ， e s p e c i a l l y , t h ek n a g g yn o i s eo fs e a me d g e ，t h ee y e l e tn o i s ei n s i d ed i a g r a ma n dt h e c r u m bn o i s ei nt h eb a c k g r o u n dw i t hd i a g r a m ，a n dg e tt h ec l e a rd i a g r a mo fs e a ma r e a ， a n da f f o r dt h eb e t t e rf o u n d a t i o no f d i s t i l l i n gc h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o n t h ef i n a la i mo fd i a g r a mt oh a n d l ei st og e tt h es e a md e v i a t i o ni n f o r m a t i o nt o d i s t i l l f o rf u r t h e rd i s t i l l i n gt h em e a s u r et ob es u i tf o r p r o c e s s c o n t r o li ns e a m f o l l o w i n g ，i nt h i sp a p e r , a f t e rt h er e s e a r c ho fd e g r e eo fp i x e la s hi nd i a g r a m o fs e a m a b s t r a c t a r e a ，a c c o r d i n g t ot h eh i s t g r a mc h a r a c t e r i s t i co ft h ea s hd e g r e e ，p r o c e e d i n gt ob i n a r y 、 t h i n ev a l u ea n dd i v i d eu pd i a g r a mb ym a t h e m a t i c sf o r mg r a d s ，0 1 1t h ef o u n d a t i o no f m a k i n gs u f f i c i e n c yu s e o ft h ea s hd e g r e ec h a r a c t e r i s t i ci ns e a ma r e a ，i tb r i n gu pt h e m e t h o do f d i s t i l l i n gs e a m c h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o no nb a s e do f a s hd e g r e ev a l u e b y t h ec a l c u l a t ew a yo ft h ee d g ec h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o nt oi d e n t i f y ，c a l lg e tt h es e a m a c c u r a t ed e v i a t i o ni n f o r m a t i o n ，a n db e c a u s et h ec a l c u l a t ew a yi s o p p o s i t es i m p l e ， i n c r e a s e dt h eh a n d l i n gs p e e di nw e l ds e a mt of o l l o w d u r i n gt h ed e v i a t i o nv a l u et oa d j u s t ，i nt h i sp a p e r , c h o o s ea d a p t i v ep a r a m e t e r p i dc o n t r o l l e rb a s e do nf u z z yc o n t r o lr u l e f i x e dp a r a m e t e rp i dc o n t r o l l e r c a n t n i c e l ya d a p tt ot h ea c t u a lw e l dc i r c u m s t a n c ei nt h ea r cw e l d i n gp r o c e s s ，a l o n gw i t h t h el i n e a r i t yo fw e l ds e a m c h a n g i n g ，c o n t r o l l e ra l s oc h a n g i n g t ov a l i d a t et h es y s t e mp e r f o r m a n c ea n dt h ew o r t ho fr e s e a r c h ，t h r o u g ha n a l y z i n g t h ev a l u eo fd e v i a t i o nt od i f f e r e n tw e l ds e a ms h a p ea n dt h es y s t e mw o r kc h a r a c t e r i s t i c ， a d o p t i n gt h ec a l c u l a t ew a y o fv a l i dd e v i a t i o n ，f u r t h e rc o n f i r mt h ea d o p t i n gs e n s eo f v i s i o na n dt h ed i a g r a mt o h a n d l es a t i s f i e dt h e r e q u e s t t ow e l ds e a mt of o l l o w a u t o m a t i c a l l y k e yw o r d s ：n o - a s s i s t a n tl a m p h o u s e ；c c ds e n s o r ；m o r p h o l o g y ；s e a mt r a c i n g ； a d a p t i v ep a r a m e t e rf u z z y p i d 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名舶绎日期：己哆年舌月多。1 t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：宅易酿穆髯 导师签名：朋“ 日期：护哆年石月乡。e l i i t 期：渺3 年月纱日 第一章绪论 1 1 课题的提出 第一章绪论 视觉是人类获取信息的主要通道，关于人和动物的视觉机理至今还未得到完 全破解，但是在某些领域已经取得一些探索性的结果。结合近几十年来发展的电 子计算机科学、图象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，并在一些领域中加以利用获得了成功。虽然机器视觉没有 像生物视觉那么精密，但是它也具有生物视觉无法比拟的优点，例如它的远距离 观看能力和在黑夜中的透视能力等等“。，。 随着电子计算机科学( 包括大规模集成电路、应用软件和计算方法等) 、图像 处理技术、光电技术和模式识别技术与理论的迅速发展，机器视觉的理论研究与 实际应用日益得到重视与瞩目，并不断在许多领域取得初步性的成果。例如：机 器人视觉、视觉检测与测量、柔性生产线自动化以及焊接自动化等。许多国际性 会议，如自动化会议、工业机器人会议、应用机器人视觉会议以及焊接自动化会 议等都涉及到它的研究和应用成果。自1 9 7 1 年开始，每年召开一次的国际工业机 器人会议曾发表了多篇有关机器视觉的论文。特别是自1 9 8 1 年以来，国际上专门 召开了每年一届的“r o b e r t sv i s i o na n ds e n s o r yc o n t r o l s ”会议，更集中了这 方面的最新成果和进展。因此机器视觉已经在科学研究中、军事上和工业自动化 方面得到了很大程度的开发和利用，并具有广阔的研究前景。焊接自动化就是机 器视觉研究与应用的主要领域之一”，。 本课题在机器人无辅助光源的c 如气体保护焊视觉跟踪及其智能控制等方面 进行了有益的探索研究。本课题提出的依据在于c 0 ：气体保护焊的市场需求、焊 接自动化以及弧焊机器人智能化发展的需求等三个方面。 1 1 1c o , 气体保护焊广泛的市场需求及发展现状 c 0 2 气体保护焊自2 0 世纪5 0 年代问世以来，以其明弧、无渣、低成本、高 效节能、抗锈低氢等特点受到广泛应用，其中尤其以细丝、短弧、低电压、小电 流为主要特征的短路过渡焊，因为其具有适应于中薄板、全位置焊接适应性好、 便于实现自动化等优点而备受关注。在工业发达国家，c 0 2 气体保护焊占6 0 7 0 ，近年来c 0 2 气体保护焊在我国工业中逐渐推广使用。当前我国西部大开发 华南理工大学工学博士学位论文 的许多基础项目如公路、桥梁、铁路、机场建设及西气动输、西油东送等都急需 c 0 2 气体保护焊焊接技术1 1 4 。但是c 0 2 气体保护焊自身的性质使该方法在焊接过 程中飞溅很大。飞溅不仅污染工件，增加劳动强度，降低熔敷率，也会堵塞喷嘴， 使送丝不畅，因此国内外研究者在焊接材料、焊接工艺规范等方面对c 0 2 气体保 护焊的飞溅问题做了大量的研究工作。 尽管理论上可以很大程度地减少c 0 2 气体保护焊短路过渡时的飞溅，但在实 际应用中却并没有做到这一点。原因是多方面的，如焊接材料方面，目前我国生 产实心焊丝的厂家虽有1 0 0 余个，年产1 0 0 0 0 t 以上，但是品种单一，实心焊丝基 本上只有e r 4 9 - - 1 ( h 0 8 m n 2 s i a ) 和e r s 0 - - 1 6 ( h 0 8 m n s i a ) 2 种碳钢焊丝。焊接碳 铜、低合金钢和不锈钢的国产药芯焊丝品种少且质量不稳定。焊接用c 0 2 气体方 面，所使用的一般为工业石灰窑、酒精厂或化工厂的副产品。焊机方面，大型国 有企业使用的c 0 2 焊机大部分是日本松下和大阪的焊机，瑞典的e s a b 及德国的 梅萨焊机，它们占据了国内6 0 7 0 的市场。国产的通用焊机由于焊接参数波 动很大，焊接过程不稳定。近年来虽然逆变焊机的研制风起云涌，但由于急功近 利，产品可靠性差、返修率高。这些因素使得我国c 0 2 焊接方法存在飞溅大，难 于推广的事实l i f t - ”】。 c 0 2 焊以其自身的成本低、操作简便、便于实现自动化等优点特别适合于我 国建设的需要，随着焊接自动化的大力发展，对c 0 2 气体保护焊焊缝跟踪技术的 研究会越来越重要，因此只有切实地在国产化地基础上研究可靠性强的c 0 2 焊缝 跟踪系统，才能推广c 0 2 焊的应用，同时也保护了民族工业。这需要各方面的焊 接研究者作更多的工作。 1 1 2 焊接自动化的需求 自1 8 8 1 年电弧焊发明以来，随着机械、电力、材料等行业的发展，焊接技术 已成为一种最重要的金属热加工技术。从日常用品的生产到尖端技术产品的制造 都离不开焊接技术，现代化生产实践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、机械化程度己达6 0 7 0 ， 雨我国仅为2 0 一3 0 7 6 m ，。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，而弧焊跟踪系统正是焊接自动化的一个重要方面。 在焊接过程中，由于各种干扰的存在，使电弧也变成一个非线性的载体，这 就使得焊接的过程变得复杂而且存在着诸多影响焊接质量和自动化水平的因素， 归纳一下主要有以下几方面的问题【2 l - 2 2 ： 1 ) 自动化水平低下导致工作效率降低； 第一章绪论 2 ) 工件本身定位不精确直接影响了焊接质量： 3 ) 跟踪方法使用约束条件较大： 4 ) 目前我国的焊接自动化水平相对不高。 由于在焊接过程中存在许多干扰，给焊接近弧区采用视觉直接观察带来了很 大的困难。但是采用视觉直接观察焊接近弧区将能获得更多、更有利于焊接过程 分析与控制的信息，并且具有强烈的直观性与真实性；加之目前我国的焊接自动 化水平相对不高，利用视觉技术的优点，结合焊接过程的特殊性研究机器视觉在 焊接过程中的应用具有十分重要的意义。 1 1 3 焊接机器人智能化发展的需求 自从1 9 6 0 年美国的c o n s o h d a t e dc o n t r o l 公司研制出世界上第一台机器人以 来，机器人的研究、生产与应用得到了很大的发展，到2 0 0 2 年底世界上安装的工 业机器人已达约1 2 0 万台，其中用于焊接的机器人占了5 5 以上。在引进国外技 术的基础上，我国上一世纪7 0 年代初开始研究工业机器人。1 9 8 5 年哈尔滨工业 大学研制成功中国第一台h y - 1 型焊接机器人t1 9 8 7 年北京机床研究所和华南理 工大学联合为天津自行车二厂研制出用于焊接自行车前三角架的t j r - g 1 型弧焊 机器人；上海交通大学研制的“上海1 号”、“上海2 号”和广州机床研究所等研 制的示教再现型机器人也都具有可供弧焊和点焊的功能，有的还有自动跟踪、寻 找起始点和保持姿势等功能1 2 3 - 2 6 ，。 目前的机器人大多为可编程的示教再现机器人。这种机器人可以在其工作空 间内精确的完成示教的操作。在弧焊机器人施焊过程中，如果焊接条件基本稳定 则机器人能够保证焊接质量。但是，由于各种因素的影响，实际的焊接条件经常 发生变化。侧如，由于强烈的弧光辐射、高温气氛、烟尘飞溅、坡口状况、加工 误差、夹具装夹精度、表面状态和工件热变形等影响会造成焊矩偏离焊缝，从而 造成焊接质量下降甚至失败。因此，焊接条件的这种变化要求弧焊机器人能够实 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。人 们为了使得机器人在焊接过程中能实时地检测出焊缝的实际位置，提出了弧焊机 器人焊缝跟踪技术的研究2 7 - 3 1 。 基于以上三方面的大力发展和需求可以看出，研究机器视觉在c 0 ：气体保护 焊焊缝自动跟踪中的应用成为迫切需要解决的问题，实现c o 。气体保护焊焊缝智 能化自动跟踪是焊接工业自动化的未来发展趋势，它不仅可以较大程度地提高c 0 2 气体保护焊焊接过程的生产力，而且可以保证更高的焊接质量。 一3 华南理工大学工学博士学位论文 1 2 国内外焊缝跟踪技术的发展概况 众所周知，实施正确的焊缝跟踪是保证焊接质量的基本条件，长期以来，国 内外焊接专家研制了各种各样弧焊跟踪系统。 1 2 1 国外的焊缝跟踪系统及跟踪控制方法 发达国家对弧焊过程的焊缝跟踪已进行了很多年的研究和探索，取得了可观 的成绩。近代由于模糊数学和神经网络的出现，并将其应用到焊接这一复杂的不 确定性的非线性系统，使焊缝跟踪踏入一个崭新的时代智能焊缝跟踪时代。 同时，国外对焊接机器人的焊缝跟踪的研究开展的比较早，研究的也比较广泛。 但是国外主要集中在控制算法方面，对许多新的控制算法进行了研究，而对于焊 缝跟踪用传感器研究较少。 早在1 9 8 5 年，保加利亚的d b k o v 提出用模糊模型描述弧焊过程的不确定 性，借助于配置的非接触式激光传感器，它能按示教内容对焊缝进行跟踪，实验 的结果表明，采用模糊集概念可以进行在线评估、预测和控带l j s 2 。 意大利a n s a l d 0 焊接中心，采用硬件逻辑电路，对焊枪进行横向( z ) 、高 度方向( y ) 和纵向( x ) 的自适应跟踪，保证坡口无论是i 型或u 型都能连续施 焊，是目前最先进的焊缝跟踪系统之一，但其结构庞大，控制逻辑复杂，不利于 使用和维修而且控制模式单一，限制了其功能的开发。 1 9 8 9 年日本的s m u r a l k a m i 等人研制了基于模糊控制的焊缝跟踪系统，该控 制系统根据焊枪的振幅位置同焊丝与工件的距离关系判别焊点的水平和垂直位 移，根据语言规则设计了模糊滤波器和模糊控制器，控制效果很好m 。 1 9 9 0 年日本的n n a y a k 等人采用分级控制方法设计了自适应、实时和智能焊 缝跟踪器( 简称a r t i s t - - a d a p t i v e ，r e a l t i m e ，i n t e l l i g e n ts e a m t r a c k e r ) 该系统 能够对未知的三维焊缝进行识剐和跟踪 3 a 。5 1 ， 1 9 9 4 年日本的y s u g a 等人将神经网络运用到焊缝跟踪中，在该系统中采用 了视觉传感器并用神经网络进行图象处理以获得焊缝的形状数据，实验结果表明 此系统具有较强的鲁棒性，能有效地进行焊缝跟踪。 同期j 。k a r e l 和s r 撤。进行了一种神经网络型跟踪控制，设计了机器人关节 空间和笛卡尔空间两种神经网络控制器，通过在一个2 关节的s c a r a 机器人上 的实验表明，神经网络型控制器的路径跟踪精度比传统的机器人计算力矩控制法 高得多，并用李亚普诺夫原理证明了神经网络控制器的稳定性1 3 7 ，。 第一章绪论 1 9 9 5 年h b s m a r t t 将人工神经网络和模糊控制技术同时应用于焊缝跟踪的控 制，通过测量焊炬和焊缝的位置与方向偏差，应用模糊控制概念，实现焊炬的位 置控制。但该模糊控制器不具有学习功能，控制规则是根据经验预先总结而确定， 因而在较复杂的不确定的焊接过程中进行控制时往往精度较低w 。 不可否认，日本焊接工作者在焊缝跟踪方面作出了很大贡献，使焊缝跟踪控 制达到了很高的自动化水平，同时也证明了将模糊控制理论应用到焊接这一不确 定性系统是可行的。 总之，国外焊接界的研究者们对焊接过程中焊缝的自动跟踪技术进行了大量 而且富有成效的研究，特别是在控制算法上进行了许多尝试，从传统的控制算法 到现代控制算法，以及目前比较受人们关注的模糊控制和神经网络算法都进行细 致的研究，并获得了许多宝贵的应用成果。但是，在传感器的应用上，主要集中 在接触式传感器、电弧传感器等上面，而对于目前比较流行的视觉传感器应用较 少，即使有的研究者使用了视觉传感器，也是带有复杂激光系统的视觉传感器系 统。这些传感器存在着结构复杂、成本较高、不利于推广应用等缺点，所以本文 提出在焊缝跟踪过程中，采用无辅助光源的视觉传感器系统。目的在于降低成本， 研究适合中国国情的视觉传感器焊缝跟踪系统。 1 2 2 国内的焊缝跟踪系统及跟踪控制方法 国内对焊缝跟踪的研究比较晚，尤其对焊接机器人的研究，研究手段和研究 方法还处于探索时期。但是这些焊缝跟踪都是针对我国焊接行业的国情进行的， 是我国进行焊缝跟踪研究工作的基础，对进一步研究焊缝跟踪提出很多有益的启 示。 清华大学潘际銮院士、陈强和何方殿等教授对弧焊跟踪系统中的传感器和其 中的控制系统分别进行了研究，详尽论述了用于焊缝跟踪系统的各种传感器，并 提出了一种基于焊缝c c d 图象模式特征的焊缝轨迹识别的新算法，该算法将焊 缝分戍段，每段的灰度分布用特征向量来描述，利用前一段的特征向量来识别下 一段的特征向量，从而实现焊缝识别，具有对各种坡口快速，准确地识别并能自 适应调整局部和整体噪声等特点m - 4 1 1 。但是该方法必须以获得清晰的焊缝图像为 前提。 天津大学赵家瑞、张绍彬和侯文考等人利用声电匹配和聚焦声透镜技术开发 的科技新成果，为这种高灵敏度、高分辨率空气超声传感器研究设计的单片机信 号采集、处理、控制软件硬件系统和纠偏执行机构，首次实现t i g 焊、c o z 气体保 护焊和埋弧焊焊缝的扫描式、固定式超声传感二维自动跟踪，跟踪精度在横纵向 均达到0 5 m m 。但是这种方法存在结构复杂、成本较高等缺点n 2 4 3 1 。 5 一 华南理工大学工学博士学位论文 华东船舶工业学院蒋鹏飞和美国里海大学的j o h n 及d w o o d 利用缝隙对声发 射波传播有影响的现象，基于缝隙对声发射波传播有影响的现象，研制成种利 用声发射一微处理器控制的焊缝跟踪系统。设计了缝隙对声发射波传播的影响和 焊缝跟踪控制装置。试验表明这种焊缝跟踪控制装置是灵敏的，它能克服偏差， 正确跟踪直焊缝和曲线焊缝。但是传感器对噪声反应灵敏，在高噪声工况下，工 作困难，同时结构比较复杂，用于飞溅严重的c 0 2 焊有一定的困难w 。 华南理工大学自1 9 9 3 年开始，在国家和省自然科学基金的立项支持下，在焊 缝跟踪方面主要侧重于应用视觉传感器来检测焊缝，利用视觉传感器所获信息量 大，接近人的视觉等突出优点，并将神经网络和模糊控制应用到焊缝跟踪系统中， 提出一种基于自适应共振理论( a d a p t i v er e s o n a n c et h e o r y ) 神经网络的焊缝跟踪 算法，即把焊缝横截面方向上的灰度分布归为若干种空间模式，并使之记忆在 a r t 神经网络中，在实际焊接中获取的图象空间模式与之进行匹配程度检测，根 据模式分布情况确定出焊炬与焊缝中心的偏差，以此偏差为模糊变量设计了自调 整p i d 模糊控制器。该算法能够在强噪声环境中保持很高的跟踪精度，在对t i g 焊进行焊缝跟踪控制实验中取得了良好的效果”一，。 重庆大学孙孝纯等人进行了m z - 1 0 0 0 埋弧焊机自动跟踪系统性能的研究，该 研究是在m z - 1 0 0 0 埋弧焊机上配以自动跟踪装置，跟踪传感器采用c d - t s 型双 向接触式焊缝跟踪传感器，可进行水平横向调节和高度垂直方向调节，传感器与 埋弧焊小车上的机头联成刚性一体，传感器的探头与焊丝在同一焊缝内。如果焊 丝偏离焊道或者焊丝干伸长变化过大，传感器则发出相应的电信号，通过控制箱 驱动对应的步进电机，使焊丝的偏离减少或者消除。该方法系统惯性小，能瞬时 响应，静态误差小，能充分满足跟踪的要求。这种接触式焊缝跟踪方法的优点是 可以直接探测到焊缝的位置，方法比较简单，适合于平板埋弧焊的焊缝跟踪。而 在进行常用的厚板锅炉压力容器的焊接时则暴露出其无法避免的缺点，因为在焊 接圆筒状压力容器时事先要将工件通过点焊将其位置固定，这样在焊道中就存在 点固焊焊点，当触头运行到焊点时，就会发生阻塞，需要外界干预，才能继续施 焊j 。 宝鸡市油钢管厂利用光电传感器，以焊缝附近用专用白漆喷涂的一条带状线 作为导向线，跟踪系统以导向线为基准，自动调整感应器的旋转角度，来实现跟 踪，此种方法解决了顺利通过焊点的问题，但是需要在焊接前喷涂一道自线，当 焊缝两侧高低不平时，白线则不能检测到，不能根据白线所给的信息来实时调整 焊枪的高度，这样就影响了焊接质量m 1 。 江苏扬州石油勘探局通过靠模法解决了埋弧焊环缝自动跟踪问题，此种方法 主要针对每次安装简体会出现程度不等的不平、不齐等现象所设计的，另外由于 筒体或多或少存在着椭圆度，不可避免的存在着筒体环缝的捕焊过程中的筒体轴 第一章绪论 向移动和最高点的变化。利用同步运动原理设计了环缝自动跟踪系统，该系统由 横向跟踪机构、纵向跟踪机构和微调机构三部分调节机构组成，横向跟踪机构通 过靠轮、滑轨带动机头向右同步运动，弹簧始终使靠轮紧靠简体：当简体向左移 动时，在弹簧作用下向左同步运动。纵向跟踪机构的万向轮始终接触简体，机头 通过滑轨靠机头与滑轨的自重随筒体做上、下同步运动，保持导电嘴与焊缝之间 距离不变，实现了环缝焊接自动化。该方法仅解决了特殊场合的应用问题，不能 得到广泛的应用m 。 天津大学胡绳荪等人研制了一种非接触超声传感焊缝跟踪系统，采用了新型 的超声波传感器，用一套扫描装置使传感器在焊道上方左右扫描，超声传感器发 射超声波遇到焊件金属表面时超声波信号被反射回来，并由超声传感器接收，通 过计算传感器发射到接收的声程时间可以得到传感器与焊件之间的垂直距离。控 制系统则根据检测到的偏差大小及方向在高度方向进行纠偏调整。同时设计了焊 缝跟踪f u z z y p 控制器的硬件及软件，提高了系统的响应速度和跟踪精度m ，。 华北石油管理局为了提高厚壁管的焊接效率、完成自动跟踪纠偏，利用c c d 面阵摄像机作为前面焊缝检测传感器，s t d 工控机作图像数字处理、识别、确定 焊缝位置，并抑制焊头移动机构来实现焊缝在线自动跟踪实时纠偏。c c d 的优点 和s t d 工控机的优良性能使此跟踪系统工作可靠、操作简单。但由于管材较厚， 只采用c c d 摄像头不能得到清晰的焊缝坡口形貌，难以对准焊缝中心影响了焊 缝的跟踪精度删。 清华大学潘际銮院士对电弧传感器进行了详细的研究。同时摩宝剑等应用高 速圆周扫描的m i g g a g 电弧作为传感器，避免了传感器超前安装及易受电弧光热 干扰的缺点，特别有利于弯曲或大角度转折焊缝的自动跟踪焊接。研制出仅需电 弧本身作为传感器的低成本、高性能自动转弯跟踪焊接小车。其控制器采用1 6 位单片机和数字化的脉冲宽度p i i ) 调节原理与模糊控制原理。成功实现对转折角 度达4 3 。的折线焊缝的自动跟踪焊接w n 。 华东船舶工业学院王加友、陈刚和刘启东等采用m c s 一5 l 单片机控制的接触 式弧焊跟踪系统，该系统具有焊缝双向自动跟踪和自寻起焊点的双重触觉功能。 文中详述了传感器结构、系统构成及控制软件设计，并就保护弹簧对传感器精度 的影响进行了分析。但是接触传感器精度较低m - 。 哈尔滨工业大学吴威、刘丹军、尤波和蔡鹤皋等人对机器人在焊缝自动跟踪 方面进行研究，介绍了机器人触觉的力传感器结构和使用方法。对力信号进行解 耦及信号解算，有效地消除了机器人在工作过程中振动、抖动对力信号的污染， 使机器人有能力自动识别、跟踪焊缝及焊枪位置修正，从而保证焊接质量。但是 解耦算法复杂费时，系统滞后严重，精度低，实时性较差m 1 。 哈尔滨焊接研究所董德祥、亢稚禄根据光电传感原理设计了一种新型的机械 华南理工大学工学博士学位论文 探头接触式焊缝跟踪系统。该系统由传感器、控制电路、执行机构等部分组成， 具有两维跟踪功能【柚】。已成功地在国内一些厂家获得了广泛的推广应用，效果良 好。 河北工业大学机器人研究所岳新宏、孙立新、李慨等人采用结构光视觉的方 法对焊缝进行检测和跟踪，研制了一套焊缝自动跟踪系统。在图象处理方面采用 l o g 滤波和图象分割滤波等有效的方法，经实验证明，实际焊接时的跟踪误差小 于0 5 叫，能够满足一般焊接的要求【6 1 ，。 总之，国内在焊缝跟踪的研究方面起步较晚，但是有国外的先进成果可以借 鉴，所以发展较快。主要集中在各种传感器的研究与设计上，但在无辅助光源的 c c d 视觉传感器方面研究较少。所以，本课题提出了基于无辅助光源的c c d 视 觉传感器方法，来实时获取焊接过程中的焊缝信息，以实现自动跟踪。 1 2 3 传感器技术的发展 在焊接自动化技术中，焊缝跟踪技术是实现焊接自动化的前提，也是本领域 的传统课题。在焊缝跟踪系统中，传感器占有非常重要的地位，一个合适的传感 器是保证正确跟踪的重要基础，焊接工作者已开发出了许多弧焊跟踪用传感器。 弧焊用传感器可分为直接电弧式、接触式和非接触式三大类。按工作原理可 分为机械、机电、电磁、电容、射流、超声、红外、光电、激光、视觉、电弧、 光谱及光纤式等。按用途有用于焊缝跟踪、焊接条件控制( 熔宽、熔深、熔透、 成型面积、焊速、冷却速度和干伸长) 及其他如温度分布、等离子体粒子密度、 熔池行为等。据日本焊接技术学会近期所做的调查显示，在日本、欧洲及其他发 达国家，用于焊接过程的传感器有8 0 是用于焊缝跟踪的m “。目前我们国家用 的较多的是电弧式、机械式和光电式。 1 2 3 1 电弧式焊缝跟踪传露器 电弧传感器是近年来国内外焊接自动化学者比较关注的一项研究内容。国内 以潘际銮院士为代表研究较多。 电弧传感器是从焊接电弧自身直接提取焊缝位置偏差信号，实时性好，不需 要在焊枪上附加任何装置，焊枪运动的灵活性和可达性最好，尤其符合焊接过程 低成本自动化的要求。它是利用了焊接电弧本身的电特性实现焊缝位置检测的。 即在焊接时，焊接电弧可作为传感器在焊接过程中来检测焊缝形状和位置。该跟 踪系统利用电弧和电压的变化，获得焊炬与焊缝横向与高低偏差信息。当焊炬与 工件距离变化时，电弧摆动扫描焊缝的坡口，电流相应改变，因此电弧电流的变 8 第一章绪论 化反映了焊炬高度的变化。在焊接过程中焊枪沿垂直于焊接的方向做往复式摆动。 由于在船形焊的条件下，这种摆动将引起焊丝干伸长的变化，这种变化又导致焊 接电流的变化，根据电流的实际变化可以实现焊缝跟踪。 电弧传感器的基本工作原理是：当电弧位置变化时，电弧自身电参数相应发 生变化，从中反映出焊枪导电嘴至工件坡口表面距离的变化量，进而根据电弧的 摆动形式及焊枪与工件间相对位置关系，推导出焊枪与焊缝间的相对位置偏差量。 电参数的静态变化和动态变化都可以作为特征信号被提取出来，实现高低及水平 两个方向的跟踪控制。目前国外发达国家广泛采用的方法是：通过测量焊接电流 ( i ) 、电弧电压( v ) 和送丝速度( v ) 来计算工件与焊丝之间的距离h = f f i ，v ， v ) ，并应用模糊控制技术实现焊缝跟踪。电弧传感结构简单，响应速度快，目前 得到了广泛的应用n ”，。 因此，以电弧为传感器的优点是不需要在焊接区附加其它传感装置便可实现 对坡口状态、焊炬高度等实时传感，其跟踪信号是由电弧本身取出，检测点即为 焊接点，没有传感器的位置前导误差。系统的结构相当简单，而且，在工作过程 中可以不考虑弧光的干扰，工作的可靠性相对较高，这类传感器在弧焊机器人焊 接路径的控制应用较多。但是由于电弧被埋住，只能获得焊接区局部的信息，不 能获得焊炬高度匹配度、焊根间隙、焊缝形式等重要的信息，因而限制了使用范 围。它一般只能用在具有坡口的焊缝位置检测中，所以在厚板的焊接中应用较多。 在薄板对接中这种检测方式不适用。它主要适用于对称侧壁的坡口( 如v 型坡口) ， 而对于那些无对称侧壁或根本就无侧壁的接头形式，如搭接接头、不开坡口的对 接接头等形式，现有的电弧传感器则不能识别。 1 2 3 2 接触式焊缝跟踪传摩器 最初对焊接进行焊缝跟踪实验时采用的传感器就是一种接触式传感器，其中， 探头式接触传感器以导杆或导轮在焊炬前方探测焊缝位置。这种方法结构简单、 操作直接、维修方便且不怕电弧的磁、光、烟尘、飞溅等干扰，是人们很容易想 到的方法。 探头式跟踪系统中，传感器的探头直接与焊缝坡口接触，直接对偏差进行检 测，可进行水平横向调节和高度垂直方向调节。如果偏离焊道，传感器则发出相 应的电信号，通过控制箱驱动对应的步进电机，使偏离减少或者消除。探头式焊 缝位置检测传感器的最大优点是高可靠性。由于变换器远离电弧区，因此，电弧 区的弧光、高温、强