（河海大學機電工程學院，江蘇常州213022）

0 前言

球罐作為一種用于貯存液態(tài)或氣態(tài)物料的設備，廣泛應用于石油、化工、制藥等行業(yè)。球罐的制造過程中需要進行環(huán)縫焊接操作，傳統(tǒng)手工焊接工作強度大、對工人操作水平要求較高，嚴重影響其生產(chǎn)效率。此外，目前使用的環(huán)縫自動焊機大多采用開環(huán)控制的模式，對軌道的鋪設精度要求較高，施焊前需要大量準備時間[1]。因此，有必要研制一款通過焊縫跟蹤技術實現(xiàn)高精度焊接的環(huán)縫自動焊機。

焊縫跟蹤技術一般由傳感器構成的閉環(huán)控制實現(xiàn)，根據(jù)傳感器工作原理的不同，可分為接觸式和非接觸式兩類。接觸式傳感器一般通過機械結構將偏差轉(zhuǎn)換為電信號，以供控制系統(tǒng)進行判斷和糾偏[2]。非接觸式傳感器以電弧傳感器和視覺傳感器為主，其中電弧傳感器依靠電弧的電壓和電流變化作為判斷依據(jù)[3]，進行焊縫跟蹤，但其對坡口形狀依賴度較大，只適用對稱坡口焊縫。視覺傳感器則是利用采集到的焊接圖片來提取熔池與焊縫偏差。根據(jù)視覺傳感器成像時利用光源的不同，視覺傳感器可分為主動視覺傳感器和被動視覺傳感器。與主動視覺傳感技術相比，被動視覺使用電弧光照亮焊縫和熔池區(qū)域，通過復合濾光處理采集到清晰圖像。此外，被動視覺傳感器不會出現(xiàn)類似主動視覺因錯過視場而產(chǎn)生的超前檢測誤差問題[4]。且其結構簡單，性價比較高，更加適用于解決精密焊接過程的焊縫跟蹤問題。

1 機械機構

自動焊機分為焊接小車和行走軌道兩部分，其總體結構如圖1所示。焊接小車由底板和設在底板上的滾珠絲杠副、行走電機、控制盒組成。滾珠絲杠副用于左右、高度方向上的糾偏；行走電機配有抱閘裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)掉電自鎖，保證環(huán)縫焊接的安全性。行走軌道由柔性軌道和開關磁座組成，柔性軌道上設有齒槽，并通過開關磁座吸附在管道表面。焊接小車通過一對齒輪實現(xiàn)沿軌道方向的運動。

圖1 焊機總體結構

柔性軌道的結構如圖2所示，采用彈簧鋼或304不銹鋼制作。與傳統(tǒng)的柔性底板加小齒條的方案相比，齒輪嚙合槽的設計更加合理，小車運行更加平穩(wěn)。此外，柔性軌道可進行多段拼接，已適應不同直徑環(huán)縫的焊接。

2 控制系統(tǒng)

圖2 柔性軌道結構示意

控制系統(tǒng)的主要功能是根據(jù)焊縫跟蹤系統(tǒng)檢測到的焊槍位置偏差，控制電機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)糾偏，其總體結構如圖3所示。該系統(tǒng)以STM32為控制核心，通過CH340芯片實現(xiàn)單片機與電腦的串口通訊。此外，為了方便進行參數(shù)設置和功能選擇，控制系統(tǒng)還設有用于人機交互的串口屏。

圖3 控制系統(tǒng)總體結構

3 焊縫跟蹤系統(tǒng)

若自動焊機采用開環(huán)控制的模式，環(huán)縫的焊接精度依賴于焊接軌道的鋪設精度以及坡口的加工精度。為了實現(xiàn)焊接過程的實時糾偏，焊縫跟蹤系統(tǒng)分為三大工作模塊：首先采集焊接區(qū)域的圖像，清晰拍攝到熔池輪廓和焊縫坡口；其次是對采集到的圖像進行處理，提取出熔池中心和坡口中心線的表達式；最后將計算出的熔池與焊縫的偏差傳輸給控制系統(tǒng)，進而實現(xiàn)焊縫糾偏。

3.1 焊接圖像的采集

被動視覺傳感器利用電弧光作為光源，照亮熔池和焊縫區(qū)域，但強烈的弧光同時嚴重影響焊接區(qū)域的清晰成像，因此必須設計圖像采集裝置。

圖像采集裝置總體結構如圖4所示，它由相機、復合濾光系統(tǒng)、外殼三部分組成。其中，外殼用于遮擋焊接飛濺，保護相機和復合濾光系統(tǒng)的正常工作。相機為130萬像素的CMOS工業(yè)相機，采用滾動快門。

圖4 圖像采集裝置結構示意

復合濾光系統(tǒng)由窄帶濾光片、焊接黑玻璃和透明玻璃組成。在分析CO2焊接的光譜后，選擇中心波長650 nm、半寬30 nm的窄帶濾光片[5]。為了確保采集到的圖像清晰，在設計復合濾光系統(tǒng)時需進行相關焊接試驗，試驗參數(shù)如表1所示。

不同復合濾光系統(tǒng)采集的圖像如圖5所示，圖5a為僅使用窄帶濾光片時采集的圖像，此時濾光效果不足，熔池和焊縫完全被弧光掩蓋，無法進行特征提取等后續(xù)處理。圖5b為窄帶濾光片+8#焊接黑玻璃時采集的圖像，此時復合濾光系統(tǒng)過濾過多的細節(jié)內(nèi)容，無法觀察到焊縫信息。圖5c為窄帶濾光片+7#焊接黑玻璃時采集的圖像，此時圖像清晰且辨識度較高，可觀察到焊絲、熔池、熔池前方坡口等重要信息，能夠用于后續(xù)的特征提取操作。

表1 焊接試驗參數(shù)

圖5 不同復合濾光系統(tǒng)采集的焊接照片

3.2 焊接圖像處理

采集完焊接圖像后，需對其進行處理，提取出焊接偏差。首先進行圖像分割，提取出熔池和熔池前方坡口區(qū)域的圖像，如圖6所示。

完成圖像分割后，分別對圖像進行處理，提取出相應特征。其中熔池圖像需要提取熔池中心的坐標，而坡口圖像則要提取出中心線的表達式。

熔池圖像的處理分為邊緣檢測和特征提取。采用Canny邊緣檢測算子，檢測出熔池的邊緣輪廓，再利用橢圓來擬合熔池輪廓，將該橢圓的最小外接矩陣的中心作為檢測到的熔池中心，其結果如圖7所示。此時，所提取的熔池中心坐標為（56.224 4，31.566 76）。

熔池前方坡口圖像的處理主要為邊緣檢測和霍夫變換。首先通過邊緣檢測得到坡口左右兩側(cè)的輪廓，再利用霍夫變換檢測出左右兩側(cè)輪廓的直線表達式，最后取兩條線的平均值作為焊縫中心線的表達式，其結果如圖8所示。此時，坡口左側(cè)邊緣的表達式為

圖6 提取的感興趣區(qū)域

圖7 熔池中心坐標提取效果

圖8 坡口中心線提取效果

在完成特征提取后，利用相應公式[6]計算出偏差，最后通過串口將偏差信息發(fā)送給控制系統(tǒng)進行處理，可控制糾偏機構運動實現(xiàn)焊縫跟蹤。

4 結論

（1）設計了適用于球罐大直徑環(huán)縫焊接的自動焊機，通過柔性軌道解決了傳統(tǒng)剛性軌道在焊接球罐環(huán)縫時應用場景單一、適應性差的問題。

（2）研發(fā)了基于STM32的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對電機的運動控制，滿足了焊縫糾偏的要求。

（3）設計了基于被動視覺的焊縫跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過復合濾光裝置采集到清晰的焊接圖像，并通過圖像處理算法提取出熔池的中心坐標與坡口中心線的表達式。