（材料加工工程专业论文）焊缝激光跟踪实时图像处理及控制算法的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 = = = 目= = = = = = = = = = = = 自= = = = = = = = = = = 自= ；= 一 摘要 ， f 焊接在金属材料加工过程中占有重要的地位。焊接自动化可以大大提高焊接质量 和生产效率，把焊工从乏味、重复性的焊接工作中解脱出来。焊缝自动跟踪是实现焊 接自动化的必要技术。随着计算机技术、图像处理技术的飞速发展，视觉传感焊缝跟 踪成为近年来国内外研究的热点。扩 本文对焊缝激光跟踪的整个过程进行了研究，以火车车身的c 0 2 焊接为背景设计 了一套焊缝跟踪系统。它包括视觉传感系统、图像采集及预处理系统、特征检测与偏 差识别系统、模糊控制系统和执行系统。 本研究采用主动光视觉法，激光作为辅助光源照射在焊缝前方，c c d 摄像机接 收从工件表面反射的激光带图像，经过量化处理变成数字图像存储在计算机内存中。 在l o g 滤波、二值化且中值滤波等预处理的基础上，接着进行r o b e r t s 边缘检测、 h o u g h 变换特征检测、斜率法偏差识别等图像处理过程，最终识别出偏差量。 把偏差量送入模糊控制系统之前，需要进行偏差过滤，只有在控制范围之内的偏 差才能进行控制。控制算法不是采用传统的模糊控制，而是引入目前在数控领域内广 泛应用的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。对输入的二维偏差量分别进行模糊控制，发送控制量给交流伺服系统，以达到实 时焊缝跟踪的目的。 本系统采用m i c r o s o f t 公司的v i s u a lc + + 6 0 开发，整个系统操作简单，界面友好。 经焊接试验和仿真分析，验证了图像处理算法和控制算法的有效性。整个过程所需时 间少于2 0 0 m s ，这样可以在一秒内采集五幅图像，能满足实时性要求。 关键词：焊缝跟蒹图僚弼理边缘检测自整走稹糊控制 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w e l d i n gp l a y s a 1 1i m p o r t a n tr o l ei nm e t a l l i cm a t e r i a lp r o c e s s i n g w e l d i n ga u t o m a t i o n c a l l i m p r o v ew e l d i n gq u a l i t y a n dp r o d u c t i v i t y g r e a t l y i t w i l la l s or e l i e v et h eh u m a n o p e r a t o r s o ft e d i o u sa n dr e p e t i t i v e w e l d i n g s e a mt r a c k i n gi s a l le s s e n t i a lt e c h n i q u et o f u l f i l l w e l d i n g a u t o m a t i o n w i t hr a p i d d e v e l o p m e n t o fc o m p u t e rs c i e n c ea n d i m a g e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , v i s i o ns e a r nt r a c k i n gb e c o m e sar e s e a r c hh o t s p o ta th o m ea n d a b r o a d r e c e n t l y i nc o n t e x to ft r a i nb o d y sc 0 2 w e l d i n g ，t h ew h o l ep r o c e d u r eo f l a s e rs e a m t r a c k i n gi s i n v e s t i g a t e d a n das e a mt r a c k i n gs y s t e mi sd e v i s e d i ti n c l u d e sv i s i o n s e n s i n gs y s t e m ， i m a g ea c q u i s i t i o na n dp r e p r o c e s s i n gs y s t e m ，c h a r a c t e r i s t i cq u a n t i t yd e t e c t i o na n dd e v i a t i o n r e c o g n i t i o ns y s t e m ，f u z z yc o n t r o ls y s t e ma n de x e c u t i o ns y s t e m a na c t i v ev i s i o nm e t h o di su s e di nt h i s p a p e r a sa l la d d e dl i g h ts o u r c e ，l a s e ri s p r o j e c t e di nf r o n to f s e a l t la n dt h el i g h ts t r i p er e f l e c t i n gf r o mt h e w o r k - p i e c e i sr e c e i v e d b y ac c dc a m e r a a f t e rb e i n gq u a n t i t a t e d ，t h ed i g i t a li m a g ei ss a v e di nt h em a i nc o m p u t e r m e m o r y o nt h eb a s i so fi m a g ep r e p r o c e s s i n gu s i n gl o g f i l t e r i n g ，b i n a r i z a t i o na n dm e d i a n f i l t e r i n g ，r o b e r t se d g ed e t e c t i o n , h o u g ht r a n s f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i cq u a n t i t yd e t e c t i o n ， d e v i a t i o nr e c o g n i t i o nu s i n gs l o p em e t h o da r ei m p l e m e n t e ds e q u e n t i a l l y t h ed e v i a t i o ni s r e c o g n i z e df i n a l l y b e f o r ec o n t r o l ，d e v i a t i o nm u s tb ef i l t e r e d o n l yt h o s eb e t w e e nc o n t r o lr a n g ec a nb e c o n t r o l l e d w i t h o m u s i n gc o n v e n t i o n a lf u z z yc o n t r o l ，t h ep a r a m e t e rs e l f - t u n i n g f u z z y c o n t r o lw h i c hi sw i d e l ya p p l i e di nt h en u m e r i c a lc o n t r o lf i e l di si n t r o d u c e d t h i s c o n q u e r s t h ew e a k n e s so f u n c h a n g e a b l eq u a n t i t a t i v e f a c t o r sa n d p r o p o r t i o n a l i t y f a c t o r si n c o n v e n t i o n a lf u z z yc o n t r 0 1 i no r d e rt of u l f i l l r e a lt i m es e a mt r a c k i n g ，t w od i m e n s i o n a l i n p u td e v i a t i o ni sf u z z yc o n t r o l l e da n dc o n t r o li n s t r u c t i o n sa l es e n tt oa l t e m a t i n gc u l t e n t s e r v os y s t e m t h ew h o l es y s t e mi s d e v e l o p e du n d e rm i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 t h eo 口e r a t i o ni s 一 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = ；= = = # = = = 一一 s i m p l ea n d t h ei n t e r f a c ei s f r i e n d l y a f t e rw e l d i n ge x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h e v a l i d i t yo fi m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h ma n dc o n t r o la l g o r i t h ma r ev e r i f i e d t h ew h 0 1 et i m e i sl e s st h a n2 0 0 m s ，t h u sf i v ei m a g e sc a nb ec a p t u r e dw i t h i n o n em i n u t e t h i sc a nm e e t t 1 1 e d e m a n do f r e a lt i m es e a m t r a c k i n g k e yw o r d s ：s e a m t r a c k i n g i m a g ep r o c e s s i n g e d g ed e t e c t i o n s e l f - t u n i n gf u z z yc o n t r o l 一 i i i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1本课题的学术背景与研究意义 1 1 1 本课题的学术背景 在金属材料加工过程中，焊接是仅次于装配和机械加工的第三大产业。在工业发 达国家，每年钢铁产量的4 0 以上要通过焊接才能转化为最终产品。焊接技术的不断 发展，使它在生产建设中的应用日益广泛，从家用电器、水暖设备的生产，到飞机、 轮船、火箭等科技产品的制造都离不开高效率、现代化的焊接技术。 焊接领域是个跨学科的交叉领域，焊接技术的每一次飞跃发展，无不与新材料 技术、电力电子技术、控制理论、计算机技术、光电子技术等的突破与应用休戚相关。 计算机科学( 包括大规模集成电路、应用软件、计算方法) 、图像处理、光电技术、 模式识别与人工智能理论的飞速发展，为焊接自动化提供了十分有利的技术基础i ”。 焊缝自动跟踪是实现焊接自动化的先决条件。要实现高精度的焊缝自动跟踪，首 先必须设计传感器。科技人员目前正在致力于开发机械、电子、光电、红外、激光、 电弧、视觉、光谱等多种形式的传感器【2 1 。同其它焊接传感器相比，视觉传感器与焊 接回路无关，具有提供的信息丰富、灵敏度和测量精度高、动态响应特性好、抗强电 场和强磁场的干扰能力强、与工件无接触等优点，它适用于各种坡口形状，可以同时 进行焊缝的跟踪和焊接条件的实时控制，因此是最有发展前途的焊接传感技术。目前， 视觉传感器及图像处理技术已经在焊缝跟踪、焊接熔透及熔宽控制、温度场监控、电 弧诊断等领域得到应用f 3 1 。 1 1 2 本课题的研究意义 众所周知，焊接过程是一个电、光、热、力等综合作用下的复杂的物理化学过程， 有许多信息可用于焊缝自动跟踪的研究。然而，据统计，焊工在焊接时判断过程是否 正常和是否需要做出调整，所依据的信息，8 0 以上来自直接观察( 即视觉) 【4 1 。而 视觉传感器及图像处理技术的引入，赋予焊接系统“看”的功能，大大促进了焊接系 l 华中科技大学硕士学位论文 统的智能化，是近二十年来焊接研究领域最重大的进展之一。 由于在焊接过程中存在许多干扰，这给焊接近弧区直接视觉观察带来了很大的困 难。但是通过直接观察焊接近弧区图像将能获得更多、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较低， 利用视觉技术的优点，开发结合焊接过程特殊性的视觉传感焊缝跟踪系统具有十分重 要的意义。 利用视觉传感的焊缝自动跟踪系统是未来焊接自动化的发展趋势，它不仅可以较 大程度地提高焊接过程的生产力，改善工人劳动条件，而且可以保证更高的焊接质量。 但是如何克服焊接过程的干扰得到相对清晰的焊缝图像，如何通过图像处理得到准确 的焊缝边缘形状进而确定焊枪位置与焊缝中心的偏差是实现准确跟踪问题的关键所 在【5 1 。国外在这方面已经做了些研究，并有产品用于实际生产过程。国内在这方面的 研究才刚刚开始，并且多是偏理论性的。本课题就是试图通过对焊缝坡口图像的实时 处理和控制算法的研究，建立可以用于c 0 2 长直焊缝焊接的实时跟踪控制系统，提高 我国焊接生产过程的自动化水平。 1 2 焊缝跟踪关键技术研究现状 1 2 1 焊缝跟踪传感技术 研究和发展智能化的焊接自动控制系统是保证焊接质量、提高生产效率、改善劳 动条件的重要手段，也是目前焊接技术的发展方向 6 1 。世界上许多著名的焊接设备研 究和制造机构都在努力开发这一领域7 4o 】。焊接过程自动控制系统首先要解决的问题 是焊缝跟踪。经过几十年的研究和实践，焊缝跟踪技术已经取得了长足的进步，而新 型跟踪传感器的不断出现正是这一进步的标志。图1 1 是日本焊接协会分别于1 9 8 0 年和1 9 9 0 年进行的有关焊接传感器用途的调查统计，这些统计结果从一个侧面反映 了传感器在焊缝跟踪中占有非常重要的地位】。 华中科技大学硕士学位论文 ( a ) 1 9 8 0 年焊接传感器用途调查( b ) 1 9 9 0 年焊接传感器用途调查 图1 - i 焊接中传感器的主要用途 对于焊接传感器，目前还没有统一的定义。一般认为，一个传感器，如果能够检 测到焊接质量的外部和内部状况( 比如坡口变化、熔池尺寸、温度变化、电弧声光等 特征信息) ，并将检测值作为信号输出，以监测和控制焊接生产过程，就可以称之为 焊接传感器。表1 1 是按原理对传感器进行的分类【l l o 表1 - l 传感器的分类 传感器的类型 传感元件 接触杆接触机械式、机械电子式( 开关式、差动变压器式、光电式) 触电极接触检测接触电极的电压和电流 式 温度热电偶、电热调节器 非电弧焊接电流和电弧电压、送丝速度、短路次数，异常峰值、电流次数 接 电磁电磁式、涡流式 触 视觉点阵传感器( 光学二极管和光学晶体管) 、线阵传感器( c c d 、m o s 及p s d ) 、面阵 式 传感器( c c d 、m o s 、p s d 及i t v ) 声学声压传感器及超声波声压传感嚣 + c c d 一- - c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ； p s d 一- p o s i t i o n - s e n s i t i v ed e t e c t o r ； m o s 一一m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ； i t v 一一i n d u s t r i a lt e l e v i s i o n 1 ) 接触式传感器 接触式传感器可细分为触杆接触、电极接触、温度传感器三类。 触杆接触式传感器是将从触杆输出的距离信号转化为电信号，用于检测坡口形 状，它分为机械式和机械电子式两种。机械式是利用焊缝形状对导杆的强制力来导向， 华中科技大学硕士学位论文 = 釜= = ；= ；= = ；= ；= = = = 目= ；2 5 2 。2 。2 2 。2 。4 一般间隙尺寸必须大于0 s m m ，否则无法实现。机械电子式是通过电子装置发出信号， 进行控制以实现自动跟踪。按机电信号转换方式的差异可分为开关式、微分差动式和 光电式。 电极接触式传感器的结构形状与触杆接触式传感器非常接近，只是把触杆换成了 电极而已，可用于焊接机器人和自动焊接设备中。在焊丝同母材接触时，检测焊接电 流和电压，从而在焊接机器人或自动焊接设备的坐标系中获取接触点位置的坐标。 以上两类接触式传感器具有结构简单、操作方便、价格便宜且不受电弧烟尘及飞 溅干扰等优点。但是对不同的坡1 ：3 需要不同的探头，探头磨损大，易变形，点固点障 碍难以克服，不适于高速焊接1 2 1 【1 3 1 。况且由于母材加工精度及定位的原因，能否保证 探头或者电极与工件正常接触，也是一个需要考虑的问题。这种传感器只在对跟踪精 度要求不高的焊接系统中得到应用。 温度传感器是另一类接触式传感器，但它主要用于控制焊接条件，优化焊道形状 和底层焊道形状( 如熔透层的形状) ，基本不用于焊缝跟踪过程控制。不同温度传感 器的测温范围差别很大，电热调节测温仪的调节范围为0 - - 4 5 0 c ；热电偶的测量范围 为o 一1 8 0 0 。 2 ) 非接触式传感器 非接触式传感器又可分为电弧、电磁、视觉、声学四大类。 电弧传感器用于检测焊接过程中由于焊枪高度变化所引起的电弧自身参数的变 化。在等速送丝、采用水平外特性焊接电源系统中，通过检测电弧电流的变化来获得 信号：在采用陡降外特性的电源系统中，如t i g 焊中，主要是检测电弧电压的变化。 分析可知电弧传感器实时性好，不需要在焊枪上附加任何装置，结构简单紧凑，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。但是，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。 电磁传感器按频率分为普通频率式( 电磁传感器) 和高频式( 涡流传感器) 两种。电磁 传感器的频率低于1 0 k h z ，只适用于铁磁性材料，灵敏度取决于电源频率和电压、铁 心材料及尺寸、传感器的高度等，对错边较为敏感，需采取补偿措施。涡流传感器的 4 华中科技大学硕士学位论文 频率为3 0 - - 1 6 0 k h z ，适用于所有金属材料。由于电磁传感器都是利用交变电场产生 的交变磁场，或者通过工件形成磁场回路，或者在工件表面产生涡流，因此对工件的 表面状况依赖很大。工件表面材料的不同、加工形状的差异、安装时的错边等，都可 能作为偏差信号输出，影响控制的精度。且外加的高频电流等也对周边设备产生影响， 增加了设备的复杂程度和成本，因此不适合运用在商精度焊缝自动跟踪中。 视觉传感器有多种类型，用可视光和激光进行检测，按照接收光的模式，主要分 为点阵、线阵和面阵( 图像) 传感器。点阵传感器利用光学二极管和光学晶体管检测从 母材反射或发射的点光源，可作为开关量，也可作为模拟量。线阵传感器用于检测母 材反射或发射的线性光。面阵( 图像) 传感器主要接收平面图像。与其它传感器相比， 视觉传感器因所获得的信息量大，结合计算机和图像处理的最新技术成果，大大增强 了焊接系统的外部适应能力。特别是c c d 传感器因其可靠的性能、清晰直观的图像 和使用效果而受到了普遍重视。自从8 0 年代以来，c c d 与高性能的微机相结合产生 的焊缝跟踪系统，使焊缝跟踪的研究跨上了一个新的台阶。 声学传感器按麦克风的类别可分为两类，一类是用来检测焊接过程中可听得见的 声音，另一类是超声传感器，用于发射或接收超声波。前者主要监测焊接过程中发出 的特殊声音，以此判断焊接过程是否正常。后者通过发射和接收超声波的时间差，来 判断是否需要调整两者之间的距离。超声波传感器又可分为两类，一种是整体式，具 有独立完成发射和接收超声波的功能，另一种为分离式。 1 , 2 2 视觉传感方法 在视觉传感焊缝跟踪过程中，根据使用照明光的不同，可以把视觉传感方法分为 “被动视觉”和“主动视觉”两种。被动视觉指利用弧光或普通光源和摄像机组成的 系统，而主动视觉一般指使用具有特定结构的光源与摄像机组成的视觉传感系统。主 动光源一般为单光面或多光面的激光或扫描的激光束，为简单起见，分别称之为结构 光法和激光扫描法 1 4 - 1 6 。 1 ) 被动视觉法 被动视觉大都采用电弧光作为光源，c c d 摄像机直接摄取焊接熔池图像，通过图 像处理检测出熔池中心位置，并将焊接熔池中心位置和焊炬位置的偏差送入控制器， 5 华中科技大学硕士学位论文 = = 自= = g = = = = = = = = = = ；= = = = = = ；= = = ；= = # 。 控制执行机构调整偏差，直至偏差消除为止，其原理如图i - 2 所示。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，因而不存在检测对象与被控对象 的位置差，即时间差的问题，相对来说更容易实现较为精确的跟踪控制。但其缺陷也 是显而易见的，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。因此如何在强烈的弧光干扰下，获取包 括焊丝( 或钨极) 端头及熔池在内比较清晰的图像，将成为跟踪系统的关键之一。 图i - 2 被动视觉原理图 一般来说可以采取以下措施获得较为清晰的图像： ( 1 ) 采取特殊的滤光或者是遮光的方法将强光减弱或者遮蔽一部分，利用红外 c c d 摄像头取像，并结合适当的计算机图像处理程序予以处理，则可以获得比较清晰 的熔化极气体保护焊焊接熔池图像，用于焊缝跟踪或质量控制。 ( 2 ) 采取瞬时压低电流取像的方法，来获取比较清晰的焊接区图像。如t i g 焊 ( 弧光强度很高) 时采用同步逻辑控制电路，高电平时进行焊接，电流降到2 0 a 以下 时进行拍摄。 ( 3 ) 采用激光频闪摄像获得比较清晰的焊接区图像，利用脉冲激光束的瞬时高 强度超过电弧光的辐射强度，就在此时同步打开高速摄像头快门摄取焊接区的图像， 所得的图像不再是电弧光反射的结果，而是瞬时强激光反射的结果。 被动视觉传感直接摄取熔池图像的方法存在着强烈的弧光干扰，虽然我们可以采 取一定的措施，但是采用特殊滤光片的方法效果有限；利用瞬时降低电流的办法对电 华中科技大学硕士学位论文 源和控制系统都有很高的要求，因而系统将变得比较复杂，并且图像处理与特征提取 过程实施比较困难；而采用激光频闪摄像的系统价格昂贵，其摄像头与激光照射装置 在焊枪周围占据的空间较大，机动性和灵活性较差，而且抗干扰能力也不是很理想。 因而在视觉传感焊缝跟踪系统中，被动视觉法并不是主流，主动视觉法正在成为当前 研究的热点。 2 ) 主动视觉法 在实际焊接过程中，采用外加辅助光源的视觉传感方法称为主动视觉法。根据所 使用的光源特点不同，分别称为结构光法和激光扫描法。 ( 1 ) 结构光法 如图1 3 所示，激光二极管发出的点光源经柱状镜转换成条形光，投射到工件 表面，光带随坡口形状发生相应的变形，并向工件上方漫反射。c c d 接收从工件表面 漫反射的条形光，通过信号采集和图像处理环节，便可知条形光变形处的中心位置， 即焊缝中心线的位置。若将光源安装到焊接机头上，在开始焊接前让条形光的中心位 置对应焊炬的位置，则可根据c c d 接收到的变形条形光反映的中点位置与焊炬位置 的关系，获得焊炬与焊缝中心线的偏离方向及偏离量大小的信息。当然也有把平面光 改成圆锥光面的，其原理如图1 - 4 所示。 激光光缆 圆锥光 发生器 图1 - 3 结构光法原理图 图i 4 圆锥光面的结构光法原理图 结构光法不仅能检测出焊缝的中心位置，而且还能获得焊缝截面的形状和尺寸 等特征参数，适合于不同的焊接坡口形式及各种焊接方法 1 4 】。并且该方法安装方便， 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ；= ；j = = = = ；= = = = = = = = = = # = = = # = 目= 随着图像处理技术的发展，处理的实时性更易保证，是本课题研究所采用的方法a ( 2 ) 激光扫描法 典型的激光扫描法原理如图1 - 5 所示。它采用转镜进行扫描，扫描速度较高 ( i o h z ) 。通过测量电机的转角，增加了一维信息。它可以测量出接头的轮廓尺寸。 图1 - 5 激光扫描法原理图 基于三角测量原理的激光视觉传感器系统由于其具有的优异性能而获得了高度 重视和发展。同其他类型的传感器相比，这种传感器具有很多优点： a 获取的信息量大，精度高。可以获得接头截面精确的几何形状和空间位置姿态 信息。 b 检测空间范围大，误差容限大，焊接之前可以在较大范围内寻找接头。 c 具有智能化特点，可自动检测和选定焊接的起点和终点，判断定位焊点等接头 特征。 d 通用性好，适用于各种接头类型的自动跟踪和参数适应控制，还可用于多层焊 的焊道自动规划、参数适应控制和焊后的接头外观检查。 e 实时性能好。在焊接自动化领域中。视觉传感器已成为获取信息的重要手段。 而采用激光扫描或结构光视觉方法与现代c c d 技术的结合代表了高性能主动视觉传 感器的发展方向。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 3 图像处理方法及过程 视觉传感焊缝跟踪的关键是图像的计算机处理。焊接图像处理的目的是识别平面 上的焊缝位置、焊接缺陷几何尺寸与位置、熔池几何形状等重要特征，一般的图像处 理大致分为以下几个步骤 1 7 - 2 1 】： i ) 平滑滤波与反差增强 图像滤波与反差增强的作用是去除噪声，同时使图像的边缘得到保护和加强，常 用的方法有：灰度变换法、直方图变换法、邻域变换法、中值滤波法、离散空间差分 法、空间域高低通滤波法等。 2 ) 边缘检测与图像分割 焊接图像中需要检测焊缝、缺陷或熔池的边缘、以及代表熔池、缺陷、坡口截面、 接头形式等的区域边缘。代表性的边缘检测方法有：空间倒数法、模板匹配法、小平 面模型法。边缘提取的算法有边缘模型参考法、h o u g h 变换( 用于直线) 、广义h o u g h 变换( 用于曲线) 和松弛法等。代表性的区域( 图像) 分割的方法有边缘检测法、灰 度直方图阈值法、灰度判别准则法、区域生长法等。 3 ) 特征分析与形状描述 在识别出焊缝、熔池或缺陷之后，还需要进行进一步的特征分析和形状描述。如 熔池的面积、宽度、长度等信息的提取、缺陷面积的计算与类型的识别、接头形式的 识别等等。有时还需要将特征分析和形状描述的结果转换为相应的控制量，为焊缝成 形的闭环控制或焊缝实时跟踪等提供条件。 1 2 4 焊缝跟踪控制理论 在焊缝跟踪过程中得到偏差量后，利用特殊设计的控制器，借助一定的模型或规 则进行运算与处理，获得控制量，然后通过执行机构对焊接过程的有关输入参数进行 调节，使偏差量接近或等于零，这样就可以达到实时控制焊接质量的目的。目前常用 的控制算法分为经典控制算法和智能控制算法。 经典控制算法中应用最普遍的方法是p i d ( 比例、积分、微分) 控制方法，这种 算法的控制精度主要决定于控制过程数学模型的精确程度及控制算法的合理性，其灵 9 华中科技大学硕士学位论文 活性与应变能力较差，常用于单变量常系数线性系统和较简单的控制过程。 智能控制算法又可分为专家系统控制算法、模糊控制算法、人工神经网络控制算 法。其中专家系统控制算法是利用被控对象领域的专业知识和经验，采用人工智能专 家系统的知识表示及推理技术，得到控制动作，从而达到质量控制的目的。模糊控制 是吸收了人的思维具有模糊性的特点，使用数学中的隶属函数、模糊关系、模糊推理 和模糊决策等工具，得到控制动作。人工神经网络是在研究人脑结构和功能的基础上， 通过简化、抽象和模拟，建立神经网络模型，再通过相应的计算机系统，实现能反映 类似人脑结构和功能来处理问题的过程控制。 控制理论在焊缝跟踪中得到了广泛的应用，国内外的专家学者对此也进行了深入 的研究，其中模糊控制受到了研究者的特别青睐。在国外，l a k o vd i m i t e r 2 2 1 于1 9 8 5 年对模糊控制自适应弧焊机器人进行了研究。提出用模糊模型描述弧焊机器人工作状 况的不确定性。该机器人为示教型机器人，借助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。试验结果表明，采用模糊集概念可以进行在线评估、预测 和控制。该控制算法f l j - - 级微机控制器进行了验证，效果良好。 1 9 8 9 年，日本的m u r a k a m is 田】研制了基于模糊控制的弧焊机器人焊缝跟踪控制 系统。该控制系统可以根据焊枪的振幅位置同焊丝与工件距离间的关系判别焊点的水 平和垂直位移，并确定弧焊机器人焊枪的调整方向以及调整量。对于明亮电火花、高 温、有毒烟尘和气体等干扰，根据语言控制规则设计了模糊滤波器和模糊控制器，与 其他控制器相比，该控制器的控制效果更佳。 英国的k o u a t l ii t 2 a 以弧焊机器人焊接不规则焊缝为例，介绍了模糊逻辑理论的基 本原理和模糊控制器的设计技巧及具体规则。1 9 9 1 年，k o u a t l ii 1 2 5 1 又提出了“模糊圆” 的方法进行论域划分及模糊集类型的选取，并采用智能工程技术提取过程信息以辅助 设计模糊控制器，从而使模糊逻辑控制器的设计变得更为简捷有效。该方法也由t i g 焊智能机器人进行裂纹补偿焊的应用实例得到了验证。 1 9 9 2 年日本的横尾尚志1 2 6 1 研究了模糊控制和模糊专家系统。大岛健司1 2 7 1 研究了 模糊控制熔宽及焊缝跟踪控制的应用，通过实验认为，用模糊控制可使焊接熔池宽度 保持恒定，焊缝跟踪效果良好。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 在国内，1 9 9 4 年，陈强介绍了电弧焊中应用模糊控制的一些研究工作与实验 结果，并以m i g 焊接熔透控制为例，说明一个典型的单输入单输出模糊控制系统的 结构和决策运算方法。他还用c 0 2 焊接工艺参数的模糊控制过程，阐述了多输入多输 出系统的设计和使用方法。 1 9 9 5 年，黄石生【2 9 1 研究了t i g 焊熔宽的参数自调整模糊与积分的混合控制，提出 了参数自调整模糊与积分的混合控制模式，以兼顾系统的动静态特性。该模糊控制器 既有模糊控制响应快、超调小的特点；又有积分控制精度高的特点，消除了极限环振 荡现象；同时具有自适应能力，以满足不同控制的要求，系统鲁棒性强，仿真结果表 明具有较好的实用性和有效性。 2 0 0 0 年，天津大学胡绳荪 3 0 1 研究了一种新型的焊缝跟踪模糊控制器。该控制器 采用了自调整模糊控制理论，在焊缝跟踪中可以通过调整修正因子来改变模糊控制规 则，以满足焊缝跟踪过程的需要。埋弧焊焊缝跟踪实验表明，该控制器具有良好的动 态性能和控制精度，完全能够满足实际焊接工程的需要。 然而，模糊控制必须具有较完善的控制规则，但模糊控制综合定量知识的能力较 差，一张较理想的模糊控制表必须通过反复精心整定才能投入使用。对于某些复杂的 工业过程，有时难以总结出完整的经验。另外，量化因子和比例因子的选择也影响整 个系统的品质，并且当对象动态特性发生变化，或者受到随机干扰的影响都会影响模 糊控制的效果，以上问题都将导致模糊控制器存在一些缺陷。一般来说，模糊控制在 焊接应用中存在着精度较低、自适应能力有限、容易产生振荡现象等问题。因此，研 究具有自适应和自学习能力的模糊控制器，成为未来发展的主要方向。 1 3 视觉焊缝跟踪国内外研究现状及发展趋势 1 3 1 国外研究进展 随着焊接自动化的发展，焊接机器人得到了广泛的应用，其中大部分使用的都是 直接利用弧光的被动光传感器。但是其焊接线识别依赖于母材表面的状况，因此工件 表面的划痕、腐蚀、灰尘等就容易产生很高的识别误差。况且实际焊接中，强烈的弧 光反射也会影响精度。ys u g a 3 1 1 等人对铝薄板对接焊进行了研究，研究表明：a 当 1 1 华中科技大学硕士学位论文 对接缝隙大于0 , 5 r a m 时，即使工件表面只进行粗抛光，也能进行跟踪焊接；b 平滑差 分滤波和加窗处理可以有效地防止误识别，此外，多线扫描技术在跟踪打点线方面非 常有效；c 在跟踪一长度5 0 咖，高度方向变化1 0 m m 的正弦曲线时，误差大约为 0 - 3 m m ：d 此方法可用于1 6 r a m 厚铝板的焊接。 利用c c d 摄取焊接区熔池图像，进行图像处理得到电极( 焊丝) 与焊接对缝是 否偏离、偏离方向及偏离量的信息。通过直接观察电弧轴线与焊接对缝的情况来获取 他们之间的相对位置，检测对象与被控对象都在同一位置，不存在检测对象与被控对 象的位置差，亦即时间差。但是如何在强烈的电弧光的干扰下获取特征量是其主要难 点，m i t s u y o s h i 咖锄o t o 口2 】等人研制出在脉冲m i g 焊接中，峰值电流时焊接，基值 电流时摄取熔池图像，并且尽量调低基值电流的方法，结合自适应控制，可以精确控 制熔池的宽度，达到焊接质量的控制。 y o s h i t os a m e d a 3 3 】等人利用激光扫描法，使用二值处理和模板匹配的图像处理方 法，结合模糊神经网络和自组织模糊控制器，可以保证光斑直径在o 2 m m 的激光束偏 差在o 1 m m 之内，可用于搭接、对接、v 型坡口、管接头等各种形式的激光深熔焊接。 ns h i b a t a p 4 等人研究了结构光法。他们设计了一套光学传感器，采用激光束垂 直照射，c c d 倾斜3 7 5 度接收，传感器与焊枪刚性固定并具有一定前导量。该系统 尽量减少了焊接弧光、热、飞溅、烟尘等对图像的干扰，同时采用平滑差分滤波、h o u g h 变换、特征点检控等手段，较好地实现了焊接过程的跟踪控制。其横向精度为o 1 5 r a m ， 高度方向精度为0 1 8 m m ，处理时间为0 1 3 s ，能够满足实时控制的要求。 1 3 2 国内研究进展 目前国内针对视觉传感焊缝跟踪的研究才刚刚开始。清华大学潘际銮院士与何方 殿等人对较早出现的线阵c c d 在焊缝跟踪中的应用进行了研究。并对电弧的光学特 性进行了探讨，通过传感器的结构设计、滤光、模拟滤波及计算机数字滤波等技术， 解决了弧光干扰问题，系统跟踪精度约为0 3 r a m t 3 5 1 。 华南理工大学黄石生等人研究了水下药芯焊丝自动焊接系统。该系统采用卤钨灯 作为辅助光源照射焊接电弧前方一定距离内的待焊焊缝，配合复合滤波片，采用中值 滤波、二值化处理、c a n n y 边缘检测算子等图像处理算法，并结合神经网络焊缝偏差 华中科技大学硕士学位论文 识别方法及模糊控制，可以进行焊缝跟踪的实时控制，满足水下焊接的要求【3 印。 清华大学陈强等人则针对复杂曲面薄壁不锈钢工件精密脉冲t i g 焊的焊缝跟踪 问题，开发出了一套基于视觉传感的高精度、实时性的焊缝跟踪系统。该系统选用特 定波长的滤光片及合理的曝光时刻，采用工业c c d 摄像机获取可直接分辨出焊缝、 熔池和钨极的清晰、放大的焊接区图像。采用v c 语言设计图像处理算法，可以快速 准确地识别出焊缝中心线，提取钨极偏离焊缝中心线的方向和距离，驱动步进电机调 节焊炬位置，实现高精度、实时性的焊缝跟踪。试验结果表明，该技术的单幅图像处 理周期小于1 2 0 m s ，能实现焊炬运动方向与焊缝偏差角小于3 0 度的焊缝跟踪，满足 了复杂曲面薄壁不锈钢工件的精密焊接要求1 8 】【3 7 1 。 另外，河北工业大学的岳宏与哈尔滨工业大学的孙立新等则对焊缝实时图像处理 的去噪问题进行了研究【3 9 】。北京航空航天大学的齐铂金对焊缝图像进行了h a r t 小波 变换，可以进行梯形边缘的检测【3 9 1 。 总的来说，我国的焊接人员对视觉焊缝跟踪的方法进行了研究，并在某些特定的 应用中获得了成功。但是由于种种原因，许多研究还停留在实验室中，在生产中应用 的绝大部分还是针对特定焊接对象和焊接状况的焊缝跟踪系统能够形成商品化的产 品非常少见。这正是我国在视觉焊缝跟踪领域与发达国家的最大差距。 1 3 3 视觉焊缝跟踪的发展趋势及展望 展望未来，随着电子技术、计算机技术、自动控制技术以及信息和软件技术迅速 进入焊接领域，采用计算机视觉理论与图像处理技术的视觉焊缝跟踪必将成为焊接领 域的重要发展趋势。而利用激光作为辅助光源并结合智能控制理论的结构光视觉传感 方法，一定会得到最快的发展。 4 4 本课题的研究内容 本课题是在焊缝激光跟踪信号采集及预处理研究的基础上，假定已经完成焊接坡 口图像信号的采集，图像的滤波、增强、边缘提取等预处理过程，对所得图像进行实 时图像处理，包括提取更为清晰而且细小的坡口中心线；进而与激光中心线进行比较， 堡型横向塑纵向j 高度方向) 的两维偏差量；再经智能控制算法得到控制量；然后经 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = ；= = # = = ；= = j = = 。= = 自= = = ；= ；t = 目l = ； 电机控制程序，通过接口电路向执行电机驱动电源发出相应的控制信号，使焊枪对准 坡口中心，达到实时纠偏的目的。 本课题在吸取国内外现有的焊缝自动跟踪系统成功经验的同时，努力克服其不 足。注意更广泛地搜集和整理各方面的经验和知识，尤其是来自工厂实际的生产经验 和资料，努力改善图像处理的算法，建立了较为完善的图像处理软件。 华中科技大学硕士学位论文 _ = ；= = # t 2 ；= ；= = _ = = = = = = = = = 2 焊缝激光跟踪系统总体方案设计 2 1 焊缝激光跟踪系统构成 2 1 1 焊缝跟踪技术要求 在自动焊接过程中，为了取得可靠的焊缝质量，研究人员采用了许多办法，如控 制坡口两侧必须均等熔化，不允许出现咬边和侧面熔深不够的缺陷；控制钨电极不要 靠近坡口的一侧，以避免产生飘弧甚至短路现象。另外，为了避免在焊接过程中因为 焊接热量导致板材发生变形或焊缝形状和间隙发生改变，采用板材底部加散热较快的 铝板，以增加热传导。这其中一个最重要的解决办法就是保证在焊接过程中焊枪始终 对准焊缝中心，实现焊缝的自动跟踪，这是焊接自动化得以进行的首要条件。 鉴于此，需要对系统提出如下几方面的要求： ( 1 ) 为了满足实时跟踪的目的，系统获取控制量的过程要快，即系统能够在极 短的时间内从图像中得到控制量，同时调整机构的调整速度要快并且具有较好的系统 协调能力。 ( 2 ) 要满足焊缝跟踪的控制精度要求，即系统具有一定的抗干扰能力，同时系 统对图像具有一定的理解力，能够采用快速的算法准确地识别出焊缝偏差。 ( 3 ) 系统应该具有较好的性能价格比。即从经济角度来设计一个系统，而不是 片面强调系统的高价位或高性能。 综合考虑以上要求，我们设计了一套用于c 0 2 自动焊接的焊缝激光跟踪系统。 2 1 2 焊缝跟踪系统构成 c 0 2 焊缝跟踪系统如图2 - 1 所示，包括视觉传感系统、图像预处理与焊缝识别系 统、智能控制系统以及执行系统四个部分。整个硬件系统由4 0 m w 半导体激光器、光 学滤波系统、c c d 摄像机、o k - - c 3 0 图像采集卡、工控机、运动控制卡及执行电机 组成。软件系统由图像采集及预处理子系统、焊缝智能识别子系统、模糊控制子系统 等组成 4 0 - 4 4 】。 华中科技大学硕士学位论文 焊接过程中c c d 摄像机在焊炬的前方，并且与焊炬的相对位置是固定的。系统 工作时由c c d 摄取焊缝图像，经图像采集卡转换成数字图像。数字图像中像素的灰 度值表示该点的亮度。图像卡的规格不同，所转换的像素的灰度级别也不同，般有 “级和2 5 6 级两种。级数越多，所需的图像存储器也越大。本系统的o k c 3 0 图像卡 将数字图像分为2 5 6 个级别。图像大小为7 6 8 像素5 7 6 像素。图像卡采集焊缝图像 的频率为3 0 帧秒。研究表明，使用帧获取速度为1 3 0 s 的c c d 就可以满足焊缝实时 跟踪的需要。 焊缝图像由系统软件中的图像预处理部分进行滤波去噪、图像增强、边缘检测或 二值化处理，之后再送入焊缝智能识别系统进行焊缝偏差识别。识别出的偏差信号由 模糊控制系统给出控制信号，从而控制焊炬向焊缝中心方向运动。 r 一1 hi 业控制计算机 5 ：纵向调整执行电机 2 ：纵向执行电机驱动器6 ：焊炬 3 ：横向执行电机驱动器7 ：面阵c c d 4 ：横向调整执行电机8 ：工件 图2 1 基于c c d 的c 0 2 焊自动跟踪系统结构示意图 华中科技大学硕士学位论文 = = 一= = = = = = ；= ；= = = = = = = = = = = ；= ；= = ；= = ；= = = g = ； 2 2 焊缝激光跟踪系统主要硬件设备的设计与选用 2 2 1c c d 视觉传感器的选用 视觉传感器是整个系统的图像输入部分，它将物体的光信号转换成为电信号，可 将外界景物直接摄入。7 0 年代初诞生的电荷耦合器件( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，c c d ) 是工业上应用较多的传感器器件，目前广泛应用于科技、教育、医学、商业、工业、 军事和消费领域。c c d 直接将光学图像转换为电荷信号，以实现图像的存储、处理和 显示。其特点体现在四个方面：a 体积小，重量轻，能耗少，工作电压低，抗冲击与 振动，寿命长；b 灵敏度高，噪声低，动态范围大；c 响应速度快，刷新时无残留痕 迹，摄像启动快；d 利用