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硕士论文铝合金高速焊激光跟踪技术的研究开发 摘要 本文针对焊接过程中存在较大干扰、对任意曲率的焊缝跟踪时存在较大误差以及系 统无法满足高速焊接要求的难题，开展了图像处理和智能控制的深入研究，突破图像处 理在焊缝跟踪系统中精确性与实时性的矛盾，使焊缝跟踪系统能够对一定曲率范围内的 曲线实时跟踪，在此基础上实现高速化焊接。 采用激光视觉传感方法，对视觉传感装置进行改进，选用9 8 0 n m 波长的半导体激光 二极管、配套的9 8 0 h m 窄带滤光片以及1 的减光片等组成的激光视觉传感装置，获得 了清晰的铝合金接缝坡口图像，很好的解决了铝合金对激光的二次反射与焊接过程中的 飞溅与弧光强干扰等问题，提高了系统的适用性，同时为后续坡口图像的处理打下了良 好的基础。 对铝、钢在多种熔化极气保焊接时采集的图像进行研究并分类整理，按照噪声信号 的分布特征把图像分为两类，在此基础上对两类坡口图像进行分析并选择合适的图像处 理流程。制定焊缝跟踪初始化界面，并对界面传递的关键信息进行整合，从而制定出最 优的系统处理与控制流程。 为了达到兼具实时性与精确性的图像处理效果，本文对处理算法如中值滤波、均值 滤波、二维o t s u 阈值分割等算法进行优化设计，并采用多线程的处理思想，把原来的一 个线程分为一个主线程与两个子线程，使用关键代码段把图像采集处理与偏差纠正并发 运行，最终整个流程的耗时控制在4 0 m s 以内，完全满足实时控制的要求。 文中建立了步进电机的传递函数模型，利用s i m u l i n k 分别对f u z z y - p l d 分段控制与 p 模糊监督p i d ( p f p i d ) 分段控制进行仿真分析，仿真结果表明后者的控制精度与响 应速度均优于前者，因此把f u z z y 控制做为p i d 参数的控制器，较f u z z y 控制直接控制 系统输出效果好。 最后为了验证本文所提出的图像处理系统与控制系统的性能，进行铝合金斜线接缝 与曲线接缝的实时跟踪试验。研究表明，对于焊接速度在0 9 m m i m 1 2 m r a i n 范围内， 斜率在1 0 4 2 0 。之间的斜线接缝，焊接实时跟踪的最大误差在l m m 范围内。在 0 6 m r a i n 焊接速度下对曲线焊缝跟踪时，焊接实时跟踪的最大误差在0 7 r a m 范围内。 关键词：焊缝跟踪，视觉传感，实时控制，铝合金高速焊，曲线跟踪 硕士论文 a b s t r a c t w i t hr e g a r dt op r o b l e m st h a tt h eh e a v yi n t e r f e r e n c e si nw e l d i n gp r o c e s s ，a n dd e v i a t i o ni n t r a c k i n go fc u r v a t u r e s ，s y s t e m 咖m e e tt h er e q u i r e m e n t so fh i 咖s p c e dw e l d i n g , i m a g e p r o c e s s i n ga n di n t e l l i g e n tc o n t r o lw o r es t u d i e d t h ec o n f l i c t sb e t w e e nt h ea c c u r a c ya n d r e a l - t i m eo fi m a g ep r o c e s s i n gw a sw o r k e do u t ，a n dt h es y s t e mc o u l da c h i e v er e a l t i m ew i t h i n a l lc u r v e so fac e r t a i nc u r v a t u r e ，i nw h i c hf o u n d a t i o nt h eh i l g hs p e e dw e l d i n gw i l lb er e a l i z e d t oi m p r o v et h ev i s u a l s e n s i n gd e v i c e s w h i c hb a s e do ns t r u c t u r e d l i g h t , 9 8 0 h m w a v e l e n g t h s e m i c o n d u c t o rl a s e r d i o d e ， 9 8 0 n mn a r r o wb a n d p a s s i n g - f i l t e r a n dl c u t t i n g - f i l t e rw e r ec h o o s e dt om a k eu pt h el a s e rv i s i o ns e n s o r , t h e nc l e a ri m a g e so ft h ej o i n t w e r eo b t a i n e da n dt h er e f l e c t i o no fl i g h to nt h ea l u m i n u ma l l o y s ，s p a t t e r sa n da r e i n t e r f e r e n c e si nt h ep r o c e s so f w e l d i n gw e r ee l i m i n a t e d t h en e ws y s t e mh a dg o o df l e x i b i l i t y a n do p e n e dt h ew a yt ot h es u b s e q u e n ti m a g ep r o c e s s i n g 砀口i m a g e so fc o m m o nm a t e r i a li nd i f f e r e n tw e l d i n gp r o c e s sw e r es t u d i e da n dc l a s s i f i e d , a n dt h ei m a g e sw i t ht w ok i n do fn o i s ew h i c hm a t c h e dd i f f e r e n ti m a g ep r o c e s sw e r ea n a l y z e d t h e nt h ei n i t i a l i z a t i o ni n t e r f a c eo fs e a mt r a c k i n gw a sf i g u r e do u t ，f r o mw h i c ht h es y s t e m i n t e g r a t e dt h ec r i t i c a li n f o r m a t i o na n dd 嘶v e dt h eo p t i m a ls y s t e mp r o c e s s i n ga n dc o n t r o lf l o w i no r d e rt om a k et h ei m a g ep r o c e s s i n gb o t hr e a l - t i m ea n da c c u r a c y , s e v e r a li m p o r t a n t p r o c e s s i n g 。a l g o r i t h m s w e r e o p t i m i z e d ，f o r 。e x a m p l e , m e d i a nf i l t e r i n g , m e a nf i l t e r , t w o d i m e n s i o n a lo t s ut h r e s h o l ds e g m e n t a t i o n t h e nb a s e do nm u l t i t h r e a d e dp r o c e s s i n g , t h e t r a d i t i o n a lp r o c e s sw a ss e p e r a t e di n t oo n em a i nt h r e a da n dt w os u b o r d i n a t et h r e a d , w h i c h i m p r o v e dt h eu s i n go fc p ua n da tt h es a m et i m em a d et h ee n t i r ep r o c e s sf a s t e r , a tl a s tt h e e n t i r ep r o c e s sc o s t e dl e s st h a n4 0 m sw h i c hm e tt h er e q u i r e m e n t so fr e a l t i m ec o n t r 0 1 t h et r a n s f e rf u n c t i o no ft h es y s t e mw a se s t a b l i s h e d , a n ds i m u l a t i o nb a s e do n f u z z y - p i d 、pa n df u z z yc o n t r o lt os u p e r v i s ep a r a m e t e r so fp i d ( p f p i d ) s u b s e c t i o n c o n t r o lw e r ec o n d u c t e dw i ms i m u l i n ks o f t w a r e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea c c u r a c ya n d r e s p o n s es p e e do ft h el a t t e rc o n t r o lw e r eb e t t e r , s of u z z yc o n t r o lt os u p e r v i s ep a r a m e t e r so f p i dc o n t r o lw a sm o r ee f f e c t i v et h a nt h ef u z z yc o n t r o la l o n e f i n a l l y , t ov e r i f yt h ep e r f o r m a n c eo fi m a g ep r o c e s s i n ga n dc o n t r o ls y s t e mh a db e e n i m p r o v e d ，r e a l t i m et r a c k i n gt e s to fa l u m i n u ma l l o y so fd i a g o n a la n dc u r v e dj o i n t sw a s c a r r i e do u t a sar e s u l t ，t h em a x i m u md e v i a t i o ne x i s t e di nl m mw h e nt h ew e l d i n gs p e e dw a s i n0 9 m m i n 1 2 m m i na n dt h es l o p eo fj o i n t sw e r ei nt h e10 0 2 0 0 , a n dt h ed e v i a t i o n e x i s t e di n0 7m mw h e nt h ew e l d i n gs p e e dw a s0 6 r n m i ni nt r a c k i n gt h ec u r v es e a m k e y w o r d s ：s e a mt r a c k i n g , v i s i o ns e n s o r ，r e a l t i m ec o n t r o l ，a l u m i n u ma l l o yh i g h - s p e e d w e l d i n g ，c u f v et r a c k i n g t t 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 乃知年钥哆日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 】堑刍篷车 劲拜钥胡 硕士论文铝合金高速焊激光跟踪技术的研究开发 1 绪论 近年来，随着工业制造技术的不断发展，高品质的产品对焊接的质量要求越来越高， 某些焊接产品，如船舶、桥梁、大型压力容器、航天器材等对焊接质量要求更加苛刻。 过去往往依赖焊工的焊接经验和熟练程度进行焊接产品的过程控制，这种方法劳动强度 大、生产周期长、精确控制难、返修率高、资源浪费严重，因此，焊接质量的在线控制 就显得尤为重要。为了稳定和提高焊接产品的质量，把工人从恶劣的焊接环境特别是在 核能设备、空间站建设、深水焊接等人工难以操作的焊接环境中解放出来【l 】，尽量减低 人为因素的影响，缩短生产周期，势必要实现焊接的自动化和智能化，这也是未来焊接 的主要发展方向。信息技术、计算机技术、自动控制技术的发展和应用，也为焊接焊接 自动化的实现提供了动力。 焊接自动化和智能化包括焊接参数的自适应控制、焊缝轨迹的自动对中、焊接质量 自动控制等。经过国内外近几十年的研究，焊接自动化和智能化已进入较高的层次。其 中焊接过程中焊枪轨迹自动控制发展很快，西方国家、日本等发展处于领先水平，国内 关于焊缝跟踪的理论也已较成熟，只是实践上尚有待发展。焊缝跟踪可以完全自动化， 也可以示教与自适应控制相结合【2 。3 1 。研究和发展焊接过程智能化是保证焊接质量、提 高生产效率和改善劳动条件的重要手段，是未来焊接技术的发展方向。 1 1 选题意义 铝合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀、易于成形、成本低等一系列优点，广泛应 用于军用和民用的多个行业，如航空航天、船舶、核工业、兵器工业和建筑、包装、交 通运输、家用电器等。随着铝合金在制造领域越来越广泛的应用，而焊接作为一种很重 要的铝合金连接方法，工程技术人员必将面临大量的铝合金焊接任务。因此，开发和应 用生产效率高、焊接质量好、改善工人劳动环境的焊接设备和焊接技术等问题已刻不容 缓，具有极其重要的经济和国防意义。 焊缝跟踪系统中对铝合金的研究较少，这是因为虽然铝及铝合金具有比重小、高屈 强比、耐蚀性强、散热性能及加工性能好等优点，但是铝合金在焊接过程中会产生大的 热变形，更重要的是铝合金表面的二次反射现象较为严重，这是铝合金高速化激光视觉 传感跟踪所面临的一个难题。 本课题来源于总装备部“十一五”预研课题，应用于装甲铝合金构件产品的弧焊机器 人智能化焊接。本项目将计算机技术、视觉传感技术和智能控制技术应用于铝合金熔化 极气体保护焊过程控制中，提取接缝坡口信息与焊枪的偏差信息，以此对焊接过程进行 控制，防止出现焊偏、焊穿、熔敷量不足等焊接缺陷，以提高铝合金构件焊接的质量， 同时减少焊接过程中人的干预，让机器人能够在更多的场合代替人的劳动，以进一步提 1 绪论硕士论文 高重要焊接部件的自动化制造水平，实现对重要焊接产品的“精确制造”。 1 2 焊缝跟踪发展现状 目前焊缝跟踪系统一般包括传感探测单元、图像处理单元、控制机构、执行机构四 个部分。下面分别从跟踪设备、图像处理、智能控制三个方面对焊缝跟踪系统进行介绍 1 2 1 焊接自动化中的传感装置 目前焊接机器人已经出现的传感探测方法有：直接电弧式跟踪、接触式探测跟踪、 超声波传感式跟踪、电磁式传感器跟踪、视觉传感系统跟踪等，每种传感方法各有优缺 点。 1 2 1 1 直接电弧传感式 直接电弧式是早期出现的一种低成本的焊缝跟踪传感方式，它不需要外界附加的装 置，而是对电弧形态与焊接参数( 电压电流) 之间的关系进行分析，在一定程度上电压 或者电流的波形变化反映了焊枪的高低，也反映了电弧的偏差信息。文献【4 h 6 】分别建立 了电弧传感式的电弧长度与焊接电流的传递函数模型，并在窄间隙焊和多层焊过程中得 以应用，其中电弧传感式系统中电流与电弧位置的关系如图1 2 1 所示。直接电弧传感 式的缺点为：在复杂的焊接过程中，噪声等的存在对信号产生随动的干扰，使得信号的 处理变得非常复杂导致电弧传感式跟踪的精度大大降低【| 7 1 。 q 量 c i 图1 2 1 电流与电弧位置的关系图 1 2 1 2 机械接触传感式 接触传感式也是发展较早的一种低成本焊缝跟踪传感方式之一，它采用机械接触的 传感方式，利用接触头在坡口中滚动同时利用传感器检测焊枪与坡口中心位置偏差信号 的大小和方向。这种传感方式较第一种受焊接过程中的的干扰影响小很多，但是接触过 程中接触头会有磨损，同时触头和检测装置的精度对跟踪效果的影响很大，跟踪精度不 是很高，而且不同的坡1 ：3 形式也需要接触头有所变化，适应性不是很强。文献【8 h 1 0 l 对接 触式传感装置进行了不同程度的改进，然而精度仍不是很高。接触传感式跟踪系统装置 如图1 2 2 所示。 2 硕士论文铝合金高速焊激光跟踪技术的研究开发 图1 2 2 接触传感是跟踪系统 1 2 1 3 电磁传感式 电磁传感式跟踪原理是结合焊接材料的磁性特征在焊接过程中的变化进行传感，其 装置一般呈对称分布，当坡口存在偏差时，磁场分布不再对称，偏差越明显则磁场的不 对称性越大。所以可以用磁场来驱动焊接电弧左右摆动以纠正电弧的偏差。文献【i i 】中的 电磁式传感器利用永磁体对焊缝偏差信息进行提取，可以对直线或小曲率的焊缝轨迹进 行跟踪。文献 1 2 】设计了一种三维焊缝信息检测传感器，利用两个高度传感器和一个焊缝 中心传感器来检测高度方向上和左右方向上的偏差，实现焊接过程的自动跟踪【1 3 1 。对更 复杂的空间焊缝的跟踪检测有很好的参考价值。装置图见图1 2 3 。 信号处理电路 个个t i 高度传 左右偏高度传 l 感器l 差传感感器2 i 啊工i 吃 峄一焊缝中心 图1 2 3 集成传感器的结构框图 洪波，潘际型1 4 】等利用电弧磁感式传感系统，对采集到的信号采用r c 7 【型滤波和巴 特沃思双级滤波处理，利用有限区间去极值并结合离散积分比较法来提取坡口的偏差信 息。文献 1 5 - 1 6 1 利用电弧磁感式装置，建立磁控式传感系统的数学模型，并分析了各个参 数在焊接工程中对电磁场的影响规律。 1 2 1 4 超声传感式 超声传感式在实际应用中使用较少，它是利用超声波测距原理，发射器发射信号到 坡口表面，经过反射的信号再次被接收器所接收，比较两次信号在示波器上的位置并结 合超声波在空气中的传播速度，可以计算出到坡口的距离，然后与坡口中心距离比较可 以得出焊枪的偏差信号。 3 i 绪论 硕士论文 文献【1 7 砌】建立了一套机器人自动检测和识别系统，利用超声传感器发射超声波信 号，把获取到的反射波信号转化成数字信号并进行分析，通过查找反射波数值中的最大 值和到达时间，得到反射波的幅值和到焊接接头的距离，从而得到焊缝的位置和偏离方 向以及焊接接头的几何特征。装置图见下图1 2 4 。 图1 2 4 超声传感装置系统 1 2 1 5 视觉传感式 视觉传感系统是目前焊缝跟踪的热点也是先进焊缝跟踪系统中使用率最高的传感 方式。这是因为视觉传感器具有灵敏度和精度高，抗电磁干扰能力强，适合各种坡口形 状等优点。 视觉传感顾名思义即是在机器人上装置视觉系统，利用光学原理，使其能够看到焊 接过程中的大量信息，并根据实际需要从这些大量的信息中挑选出有用的信息。对于焊 缝跟踪系统而言，需要提取坡口的特征点并分析坡口中心进而求出偏差信号；对于焊接 质量控制而言，则需要提取焊接熔池或电弧形态，进而分析这些形态对焊接结果的影响， 从而实现焊接过程的控制。 视觉传感系跟踪根据采用的光源又分为主动光视觉和被动光视觉，被动视觉是指利 用弧光和摄像机组成的系统，利用摄像机直接获取接缝区的图像，比如目前的焊接质量 控制常采用的就是被动视觉。而主动视觉一般用具有特定结构的光源( 常见的为特定波 长的激光) 与摄像机组成的系统，主要采用特殊的照明光投射到工件表面，c c d 摄像 机摄取工件表面的图像并进行处理f 1 9 1 。目前的焊缝跟踪系统被动视觉也有使用【2 0 】，而使 用最多的仍是主动视觉【2 1 1 - - 2 引。 在实际的焊接过程中，常用结构光源为激光二极管，其中波长为6 5 0 n m 2 9 1 、 7 8 0 r i m 3 0 1 、9 8 0 r i m 3 1 】的几种激光器比较常用。 另外黄军芬，蒋力培 3 2 - 3 4 1 开发出了具有自主知识产权的一种新颖光纤式激光焊缝跟 踪传感系统，该系统在线结构光测量原理的基础上，利用光纤所具有的自由度大、能弯 曲及易实现长光路等特点，构成灵巧的全光纤传感探头，比直接传输的激光图像具有对 4 硕士论文铝合金高速焊激光跟踪技术的研究开发 背景光空间滤波的独特优势。 文献【3 5 】把c c d 放置在工件的背部来得到焊接时的温度场图像，对焊接温度场图像 进行分析，用改进的梯度算法获得焊缝偏差信号。但是这种方法只能对平面的或者比较 简单的筒状的平直焊缝进行跟踪，在生产过程中受到了一定的限制。但同正面传感相比， 具有更高的识别精度，有利于焊接过程中的成形控制。 1 2 2 图像处理在焊接自动化中的应用 在主动视觉传感系统中采用c c d 摄取焊缝图像，经空间采样和a d 转换后以像素 矩阵的形式存入计算机内存中。然而焊接过程总是伴随有声、光、电、热、磁及烟尘杂 物等干扰，采集到的图像虽经过一特定波长的滤光片的滤光，仍存在大量的噪声，无法 直接获取有用的、精确的焊缝位置信息，所以必须对采集的接缝坡口图像进行一系列图 像处理技术。随着计算机性能的提高和模块集成化的开发，越来越多的先进图像处理算 法被应用到焊缝跟踪系统中。 经分析焊接过程中的干扰有 3 6 - 3 7 】： ( 1 ) 焊接飞溅。飞溅噪声的宽度与激光条纹相差不大，甚至超过激光条纹的宽度， 但是其方向基本与激光线垂直，因此可以利用位置信息给予滤除。 ( 2 ) 焊接弧光。焊接过程中电弧光很亮，对后续的图像处理带来困难，而主动视觉 中c c d 超前焊枪一段距离，可以加挡光板减弱。 ( 3 ) 焊接烟尘。在铝合金的m i g 焊接过程中，烟尘的干扰特别大，会大大的减弱采 集到的激光条纹的亮度。 ( 4 ) 传输畸变。焊缝图像经玻璃挡板滤光片( 甚至减光片) 摄像机一数据传输线等 到达计算机内存同时在屏幕上显示，整个过程中原始图像都会或多或少的发生畸变。 经过对以上四种干扰因素的分析，前三种干扰可以通过加挡光板和减光片进行减 弱，其中飞溅和弧光的干扰最大，必须要经过一定的图像处理才能完全滤除。而传输过 程中的畸变可以通过改善装置减小，但是无法消除。 焊缝跟踪中一般的图像处理流程为： 厂 厂 厂 广1 i 翌竺登f 刊竺竺坌型 = = 爿兰竺竺型f = 爿竺竺皇望坚l 图1 2 5 图像处理流程图 图像处理可以完全用软件实现，如c + + 、v c + + 、m a t l a b 编程、d e l p h i 3 8 】，或者采 用软硬件相结合，如利用数字信号处理芯片( d s p 芯片x 3 9 h 4 2 1 结合汇编语言，也可以使用 现有的模块化开发工具包( m d k ) 【4 3 - 4 4 来实现。 阈值分割可分为手动阈值和自适应阈值两种，为了适应多变的焊接环境一般采用自 动阈值分割。常见的自适应阈值的确定主要有以下几种方法：最小误差法、迭代阈值法 5 1 绪论硕士论文 【4 5 1 、o t s u 阈值分割闱、最佳直方图熵值法( k s 、聊【4 7 4 8 】等，针对不同特点的图像，这些分 割方法各有优缺点。 为了精确的提取接缝坡口特征点，文献 4 9 】结合多尺度和亚像素级边缘处理和灰度 直方图技术计算出较好的阈值对图像进行分割，对常用的v 型焊缝进行处理，进而提取 精确的坡口坐标值。 常用的边缘检测算法有：梯度算子( r o b e n s 【5 0 h 5 l 】算子，p r e w i t t 算子，s o b e l 算子 5 2 - 5 3 1 ， k r i s c h 算子等) 检测法、l o g ( l a p l a c i a n - - g a u s s ) 算法、c a n n y 算子检测法【5 4 ) 、h o u g h 变 换法【5 5 】、小波分析法【蚓、形态学方法【5 7 】( 膨胀、腐蚀、开启、闭合、击中、薄化、厚 化) 等边缘检测方法。 文献【5 8 】针对一类具有高干扰噪声的焊缝图像，使用子块r a d o n 变换进行边缘的检测 并利用h o u g h 变换在已检测出的待定边缘上提取出有用的焊缝特征，但是图像处理的时 间为3 0 0 m s ，效率不高。 文献【5 9 】分别尝试两套不同的接缝坡口的处理识别方案。分别采用中值滤波一拉普拉 斯锐化一s o b e l 边缘检测一中线提取图像处理流程和平滑滤波( 平均模板) 自适应阈值分 割一k r i s c h 边缘检测一中线提取的图象处理流程。试验结果表明后者能更好的识别激光 条纹图像。 特征提取的方法有断点法、线段拟合法、差分法、模板匹配法。直线提取算法主要 有：启发式连接、h o u g h 变换法、层次编组法和相位编组法、基于小波变换的焊缝特征 提取方法、基于熔池图像质心的焊缝跟踪方法，或通过分析温度场灰度曲线得到焊缝位 置信息【删。 文献【6 1 】采用主动视觉传方式，利用l o g 滤波和二值化法消除图像中的噪声并把光 带图像从背景中提取出来，然后采用边界取平均值法提取光带的中心线，再使用斜率分 析法检测出特征点。 文献【6 2 】先对焊缝的边缘进行提取，然后沿垂直于焊缝的方向进行扫描，同样采用边 界取平均值法抽取光带的中心线，并推导出四条处理准则，在这几条处理准则的基础上 逐点扫描图像并确定目标点的删除与保留，实现坡口图像的细化。 1 2 3 智能控制在焊缝跟踪中的应用 随着智能控制技术的发展，自动焊和机器人焊接的普及，焊缝跟踪技术已成为当前 国内外机器人技术及焊接工作者研究的重点之一。计算机技术、自动控制理论、微电子 技术和电力电子技术等科学技术的发展，使得焊接技术不断吸收相关学科的先进成果， 控制方法也从传统的p i d 控制发展到现代控制理论，以专家系统、神经网络、模糊控制 为代表的智能控制理论在焊接质量控制和轨迹控制中应用也越来越多，为焊接过程的智 能化和获得更高的焊接质量奠定了基础。 6 硕士论文铝合金高速焊激光跟踪技术的研究开发 在工程中应用最普遍的方法是p i d ( e 例积分微分控制法) 控制法，系统在得到偏差 值后直接控制执行机构实施纠正偏差的动作。然而焊接过程非常复杂，非线性因素和干 扰因素很多，所建立的数学模型在实际焊接中也会存在随动干扰，传统的p i d 控制具有 参数不可调或者调整不灵活的缺点，因此只使用单一的传统p i d 控制不能很好的满足要 求。然而p i d 控制具有控制较为快速的优点，一些文献 6 3 1 对传统的p i d 控制进行了改 进，利用免疫控制器对三个参数有针对性地进行调整，相对于传统的p i d 控制效果有所 改善。 模糊控制方法打破了以往“精确 的理念，结合模糊数学的基本思想，利用模糊数 学中的隶属函数、模糊关系、模糊推理，在线或者离线的生成控制决策表。复杂的控制 情况被划分为n 个模糊情况，通过对控制决策表的直接查询，可得到每种情况下的控制 信号。模糊控制的最大特征是将专家的控制经验知识表示成计算机能够识别的语言，计 算机的推理思想在很大程度上依赖于焊接工作者的知识体系，对于正确的焊接经验，计 算机能够计算出合理的控制，而对于偏差较大的先验知识体系，得出来的控制信号偏差 较大，因而模糊控制也有一定的局限性。目前常使用f u z z y - p i d 相结合的控制方法，它 集合了模糊控制的非线性映射和p i d 控制的线性特征。文献畔侧分别使用模糊控制和模 糊控制结合p i 的多模控制，对直线和曲线分别进行了跟踪控制。文献【67 j 先对计算出的 偏差信息进行过滤，只对一定范围之内的偏差进行控制，采用参数自整定模糊控制，改 变了传统模糊控制量化因子和比例因子不可调的弱点。 人工神经网络控制也是针对像焊接动态过程这样的高维数、非线性、强干扰、不确 定性、难建模的复杂过程的控制问题而提出的，在焊缝跟踪中也有一定的应用。它模仿 人脑的结构和功能并建立相应的控制模型，制定相应的控制和推理规则，计算机根据这 些规则在线或者离线学习，在焊接过程中得出实时控制信号。文酬硎建立了所研制的焊 接移动机器人的运动学模型并设计了基于高斯基模糊神经网络的焊缝跟踪控制器，其跟 踪精度可始终控制在：t o 5 m m 以内。文献【6 9 】论述了焊缝识别的一般方法和脉冲祸合神经 网络( p c n n ) 的工作原理及工作方式。文献 7 0 - 7 2 】介绍了一种面向过程数据的焊缝跟踪控 制方法，直接从焊接过程中获取相关参数，然后进行人工神经网络的自学习，只需知道 预先设定的电压或电流就可以进行过程控制，使焊接过程控制得以简化。 与模糊控制和人工神经网络相似，专家系统也需要结合人的先验知识和制定一定的 自学习规则，然后专家系统会针对具体的情况根据经验和学习规则进行逻辑推理，找出 较好的解决方法。专家系统的优点是善于逻辑性推理，但是学习比较慢，难以满足快速 时变系统的控制要求。 综上所述，每种智能控制方法都有自己的优缺点，将专家系统作为自适应单元，将 模糊计算作为决策单元而把神经网络作为补偿单元是目前智能控制发展最有潜力的方 法【7 3 1 。目前在弧焊过程控制中，专家系统主要用于熔深和熔宽控制、电弧稳定性控制、 7 1 绪论 硕士论文 焊缝跟踪和规范参数的专家知识优化等方面；模糊及其复合控制多用于电弧稳定性控 制；模糊控制和神经网络结合多用于熔宽【7 4 】、熔深和焊缝跟踪控制系统中；神经网络利 用其“学习”功能主要应用于熔深和熔宽的检测，再与模糊控制器相结合，完成焊接质量 和焊缝的跟踪 7 5 1 的实时控制。 1 2 4 高速化激光焊缝跟踪发展现状 在现有的焊缝跟踪传感装置类型中，机械接触式作为最直接的传感方式却具有易磨 损这一致命弱点，而且跟踪比较粗糙，不能保证精度。光电传感式和电弧传感式跟踪灵 敏度较低，在高速焊接时势必会积累产生大的误差。激光视觉传感式具有灵敏度高、不 与工件接触、适用范围广，是最有潜力的实现高速化焊缝跟踪的传感方式。 目前把焊缝跟踪系统应用于铝合金的高速焊接的研究较少，因为铝合金图像处理较 为复杂，精确性很难达到要求，而高速焊接不仅要求具有较高的图像处理的精度，而且 对图像处理的速度也提出了要求。因此寻找兼具实时性与精确性的图像处理算法是实现 高速化的重点与难点。 文献【7 6 1 提出了一种基于b e a m l e t 变换的图像边缘提取方法，采集到的焊缝图像不需 要进行任何预处理，直接提取边缘信息。基于直线检测的b e a m l e t 变换的基本思想为： 先把图像分为2 j 2 j 的二阶正方形，其中j 为尺度系数。沿着每一个二阶方形的边界对 每一根线进行线型变换，然后用一个阈值，决定那些给予保留，那些应该去掉。并引入 方向阈值和二维扫描方法，方向阈值的使用减少了计算量，也提高了抗噪声的能力，二 维扫描法可用于解决信噪比较低的图像【7 7 1 。b e a m l e t 变换虽然省去了一些图像与处理过 程，然而处理一幅图像的时间要大于l o o m s 并没有达到实时处理的要求，而且采集到的 图像中噪声越多，所需要的处理时间也会增多。 文献【3 8 】采用目前较为热门的多线程的编程思想，把焊缝跟踪中的三个环节：图像采 集、图像处理、偏差纠正的串行运行转变为3 个独立的子线程并发运行，较程序的串行 运行提高了c p u 的使用率，运行速度有所提升。 除了以上两种思想可以借鉴外，目前随着软件功能的日益丰富，软件性能的优化也 日益受到人们的重视，在不改变计算机硬件的前提下，通过有效调整算法和数据结构， 使用优化编译选项和并行等优化技术，可以使软件的运行速度提高几十倍甚至几千倍。 软件优化技术涉及到计算机的各个方面，如程序设计语言、数据结构、算法设计与分析、 编译技术、操作系统、体系结构、微处理器技术、并发运行等，本文将在第三章展开叙 述。 1 3 本课题研究内容 本文针对焊接过程中干扰较多、对任意曲率的焊缝跟踪存在较大误差以及焊接速度 8 硕士论文铝合金高速焊激光跟踪技术的研究开发 不满足高速焊接要求等问题，预展开图像处理和智能控制的研究，解决图像处理在焊缝 跟踪中不能同时满足精确性与实时性的难题，使改进后的焊缝跟踪系统可以对一定曲率 范围内的任意曲线进行跟踪，在此基础上实现铝合金的高速化焊接。 1 铝合金焊接高速m i g 焊接工艺试验研究 对焊接速度为0 9 1 2 m r a i n 、板厚为6 m m 的铝合金m i g 焊接参数进行研究，选择 合理的焊接电流与匹配的电压，使焊接结果成型美观，然后进行铝合金高速化实时跟踪 实验，以对改进后的系统进行测试。 2 主动视觉传感系统硬件的研制 对主动视觉传感系统的硬件进行研制，在实现小型化的基础上提高系统的稳定性， 为后续的图像采集和图像处理提供良好的环境。 3 图像处理算法及跟踪控制软件系统的设计研究 对焊接过程中采集到的图像进行分析，找出精确性和实时性都满足要求的图像处理 方法，根据焊缝跟踪系统装置建立数学模型并确立适应性强的控制算法。 4 曲线焊缝跟踪试验研究 对前馈控制系统中的曲线跟踪理论进行研究分析，并展开典型曲线焊缝的跟踪试 验，以进一步验证、优化与完善激光视觉传感的软硬件。 9 硕士论文铝合金高速焊激光跟踪技术的研究开发 2 焊缝跟踪系统硬件与优化 2 1 视觉传感系统及硬件组成 本课题中主要的硬件设备有：一台型号为z p 7 5 0 0 的时代逆变焊机，一个四自由度 的焊接执行机构，一个近红外c c d 摄像机m t v - 1 8 8 1 e x ，一个焦距为1 6 m m 的a v e n i r 日本精工镜头，一个功率为2 0 0 r o w 、波长为9 8 0 r i m 的激光器及配套的窄带滤光片、减 光片各一片，一套c c d 安装夹具，d h c g 4 0 0 图像采集卡。 2 1 1 视觉传感系统光路图 本课题采用主动视觉传感方法，以激光二极管作为主动光源，当激光器发出的条形 光投射到接头坡口表面上时，在接缝表面上会发生漫反射，然后经过滤光片的滤除，只 剩下激光器波长一定范围内的信号，其它波长的光线均被滤除，再经过减光片的减光使 焊接弧光和飞溅大大的减弱，最后进入近红外c c d 保存在计算机内存和并在屏幕显示。 本课题中采用的光路系统如图2 1 1 所示： 铲龇 挡板 图2 1 1 光路系统结构图 在主动视觉系统中，最主要的目的是采集到清晰的包含焊缝特征的图像，这是能够 从图像中获取接缝特征值的基本条件。通过调节激光器和c c d 高度、角度及相对的位 置，找出最佳参数范围，即可采集到高质量的接缝坡口图像，图像采集卡把传感采集到 的图像经a d 转换，以数字图像的形式存储在p c 机中。 2 1 2c c d 摄像机和镜头的选择 摄像机实际上是一个光电转换装置，即将图像传感器所接收到的光学图像，转化为 计算机所能处理的电信号，光电转换器件是构成相机的核心器件。目前，典型的光电转 换器件为真空摄像管、c c d 、c m o s 图像传感器等。c c d 是目前机器视觉最为常用的 2 焊缝跟踪系统硬件与优化硕士论文 图像传感器，它集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成 像器件。c c d 的突出特点是以电荷作为信号，通过光电转换形成电荷包，而后在驱动 脉冲的作用下转移、放大输出图像信号，不同于其它以电流或者电压为信号的器件。典 型的c c d 相机由光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟数字信号处理 电路组成。c c d 作为一种功能器件，与真空管相比，具有无灼伤、无滞后、低电压工 作、低功耗等优点。 由于采用了9 8 0 n m 的激光作为辅助光源，这就相应的要求选择能响应近红外的c c d 摄像机，所以根据摄像机的光谱响应曲线选用台湾敏通公司的近红外c c d 摄像机 m t v - 1 8 8 1 e x ，同时这种摄像机具有较高的分辨率，能够满足视觉系统的要求。其具体 参数如下表所示： 表2 1 1c c d 摄像机的主要性能参数 参数名称指标内容 影像传感器 c c d 总像素 扫描系统 同步系统 最低照度 水平清晰度 增益控制模式 信噪比 电子快门 自动光圈 视频输出 工作环境温度 工作环境湿度 电源 l 2 英寸 7 9 5 ( 水平) x5 9 6 ( 垂直) ( c c i r 制式) 8 1l ( 水平) x5 0 8 ( 垂直) ( e i a 制式) 6 2 5 线，5 0 场秒( c c i r 制式) 5 2 5 线，6 0 场秒( e i a 制式) 内同步复合外同步 0 0 2l u x ( f 1 2 ，5 6 0 0 0 k ) 6 0 0 线 自动增益控s 0 ( o n o f f 可切换) 优于4 8 d b 1 5 0 ( c c i r 制式) 6 0 ( e i a 制式) ，1 1 1 2 5 1 2 5 0 ，1 5 0 0 ，1 1 1 0 0 0 ，1 2 0 0 0 ，1 4 0 0 0 ；| ，| 0 0 0 0 秒 视频驱动 复合式影像信号输出，1 0 v p - pa t7 5 0 l u n 2 0 到+ 5 0 8 5 r h 以下 直流1 2 伏4 - 1 伏 镜头相当于摄像机的“晶状体”，如果没有镜头，那么摄像头所输出的图像就是白 茫茫的一片，没有清晰的图像输出。摄像机的镜头规格应视摄像头的c c d 尺寸而定， 两者应相对应。因所选c c d 的靶面尺寸为1 2 英寸，因此配套使用的镜头尺寸必须不 小于1 2 英寸。结合实际的使用场景，需选用短焦、大视角的镜头，在本文中选择使用 a v e n i rs e l 6 1 6 日本精工镜头，其具体参数如下表所示： 表2 i 2 镜头参数表 2 1 3 激光器和滤光减光系统 激光具有高方向性、高亮度、高单色性与高相干性，它的这些特性非常适合作为主 1 2 顾论文铝台金高速捍擞光跟踪技术的研究发 动式视觉系统的辅助光源。在本试验中采用9 8 0 r i m 的半导体激光器，它具有体积小、效 率高、结构简单、价格便宜等一系列优点，满足试验要求。在视觉系统中选择的半导体 激光器的光源形式为点状而在工件上看到的激光条纹是点状激光经柱棱镜转化而来 的。本课题的研究对象为铝，若采用6 5 0 n m 波长的半导体激光器，一部分可见光也可以 透过，就会多了自然光的干扰，所以采用9 8 0 r i m 波长的激光器，具体性能指标如表2 13 所示： 表21 3 激光器性能指标 性能波长输出功率 水平发散角垂直发敷角外形 c c d 前面所采用的滤光片应该以激光束的波长作为它的带通，也就是说只有激光 波长左右一定范围的光才能通过滤光片反射到c c d 的靶面上。这样可以最大限度地滤 掉噪声，从而简化了图像预处理的算法。滤光片的性能指标如表21 4 。 表2 14 窄带滤光片的性能参鼓： 在铝合金焊接过程中，飞溅和弧光的干扰以及激光条纹的二次反射问题很严重为 了克服以上干扰、简化后续的图像处理，还需要在滤光片与镜头之间装置一个减光片， 结合激光条纹和弧光、飞溅的强度对比，本文选用1 的中性减光片，这样既可以大大 的减弱飞溅和二次反射的干扰，又不至于过多的减弱激光条纹的亮度。系统使用减光片 前后采集到的图像对比如下： c ) 焊接时朱加减光片 m 佯前加 i 减光系统时 ( d ) 焊接时加入1 减光系统 图2 12 铝台金加减光片前后对比圈 一 一一 一 2 焊缝跟踪系统硬件与优化 硕士论文 2 2 图像采集与控制系统硬件 2 2 1 图像采集卡 图像采集卡的主要功能是把模拟视频信号转化为数字信号。视频信号首先经低通滤 波器滤波，转换为在时间上连续的模拟信号，并按照应用系统对图像分辨率的要求，采 用采样保持电路对视频信号进行间隔采样，把视频信号转换为离散的模拟信号；然后 再由m d 转换器转变为数字信号输出，以灰度矩阵的形式存入计算机存储器。本系统采 用的是北京大恒公司的d h c g 4 0 0 图像采集卡，此采集卡具有以下功能： 1 ) c g 4 0 0 图像采集卡有六路复合视频输入可供选择； 2 ) 支持p a l 、n t s c ，彩色黑白视频输入，p a l ：7 6 8 x 5 7 6 x 2 4 b i t ，n t s c ： 6 4 0 x 4 8 0 x 2 4 b i t ： 3 ) 采用双缓存图像采集功能，即采集到的图像被保存在内存中以便实时处理，同 时可以显示在屏幕上实时显示。 4 ) 支持图像的水平、垂直镜像； 5 ) 可对图像的亮度、对比度、色度灵活调整； 2 2 2 运动控制卡 运动控制卡是以中央逻辑控制单元为核心，以传感器为信号敏感元件，以电机为控 制对象的控制单元，其根据传感器的信号进行必要的逻辑数学运算，把计算出的