(南昌大學(xué) 江西省機(jī)器人與焊接自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330031)

基于雙線結(jié)構(gòu)光傳感器的埋弧焊縫跟蹤系統(tǒng)研究

周依霖張華肖勇郭亮

(南昌大學(xué) 江西省機(jī)器人與焊接自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330031)

針對船舶制造中長板對接焊縫的埋弧焊生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，且使用單線結(jié)構(gòu)光傳感器易受小車行走軌道安放的影響而產(chǎn)生導(dǎo)前誤差，研制了一種基于雙線結(jié)構(gòu)光傳感器的埋弧焊縫跟蹤系統(tǒng)?；诮Y(jié)構(gòu)光成像原理，建立了雙線結(jié)構(gòu)光傳感器的數(shù)學(xué)模型，從中得到了焊縫軌跡空間位姿和焊縫偏差。設(shè)計(jì)了雙線結(jié)構(gòu)光傳感器，并結(jié)合埋弧焊的焊接特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了針對V形坡口焊縫的圖像處理算法。介紹了焊縫跟蹤系統(tǒng)的組成和工作原理，并對傳感器和焊縫跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，傳感器數(shù)學(xué)模型正確且檢測精度較高，能夠?qū)崿F(xiàn)對焊縫軌跡空間位姿的檢測，焊縫跟蹤系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足實(shí)際焊接要求。

雙線結(jié)構(gòu)光傳感器埋弧焊焊縫跟蹤圖像處理

0 序 言

埋弧焊作為一種高效、優(yōu)質(zhì)的焊接方法，在船舶自動(dòng)化焊接中占有重要地位。由于具有焊接熔深大、生產(chǎn)效率高、焊接質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于船體中厚板和長焊縫的焊接。在船體零部件、船體分段和船臺(tái)船體總段合攏的長板對接焊縫的焊接中，由于焊接區(qū)被焊劑覆蓋，焊絲與焊縫中心的相對位置難以觀察，為了保證焊接質(zhì)量，使焊絲能夠?qū)?zhǔn)焊縫中心，每次焊前都需要對小車行走軌道進(jìn)行調(diào)整，在批量生產(chǎn)的情況下，對生產(chǎn)效率造成很大的影響[1-2]。此外，焊接工件加工偏差、裝配間隙不一致以及工件受熱變形等因素容易導(dǎo)致焊接過程中焊絲與焊縫中心偏離，工人需要根據(jù)實(shí)際焊接效果判斷焊絲偏移方向并做出相應(yīng)調(diào)整，這不僅要求工人具有豐富的焊接經(jīng)驗(yàn)，而且勞動(dòng)強(qiáng)度很大[3]。因此，實(shí)現(xiàn)埋弧焊的長板對接焊縫自動(dòng)跟蹤對于保證焊接質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度具有重要意義。

結(jié)構(gòu)光視覺傳感器由于具有信息量大、精度高、與工件無接觸、抗電磁和煙塵能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為焊縫跟蹤領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并被廣泛應(yīng)用于各種焊接工藝中[4-6]。然而現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)光視覺傳感器大多采用單線結(jié)構(gòu)光傳感方式，其檢測位置與實(shí)際焊接位置存在一定距離。使用該種傳感器對埋弧焊的長板對接焊縫跟蹤時(shí)，由于焊接位置周圍存在大量的焊劑，為了避免焊劑的干擾，傳感器檢測位置與焊接位置之間的距離需加大，當(dāng)小車行走軌道與焊縫軌跡之間存在偏角或軌道安放面不平整時(shí)，容易造成焊炬的導(dǎo)前誤差，僅通過簡單的記憶和延遲難以消除。與單線結(jié)構(gòu)光傳感方式相比，雙線結(jié)構(gòu)光傳感方式能夠獲得更為豐富的焊縫信息，通過對焊縫的兩個(gè)不同位置進(jìn)行檢測，獲得焊縫軌跡走向繼而求得焊接位置處的焊縫偏差，從而避免了因軌道安放而引起的導(dǎo)前誤差[7]。為此，文中采用雙線結(jié)構(gòu)光傳感方式構(gòu)建了埋弧焊的長板對接焊縫跟蹤系統(tǒng)，建立了雙線結(jié)構(gòu)光傳感器的數(shù)學(xué)模型，從中得到了焊縫軌跡空間位姿和焊縫偏差，設(shè)計(jì)了雙線結(jié)構(gòu)光傳感器及V形坡口焊縫圖像處理算法，并對傳感器和焊縫跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 雙線結(jié)構(gòu)光傳感器數(shù)學(xué)模型

雙線結(jié)構(gòu)光傳感器采用光學(xué)三角法原理，主要由兩個(gè)線狀結(jié)構(gòu)光發(fā)生器和成像裝置組成。傳感器安裝于焊炬前方，如圖1所示，CCD攝像機(jī)平行于焊炬軸線豎直安放，兩個(gè)結(jié)構(gòu)光發(fā)生器成一定夾角對稱安置于CCD攝像機(jī)兩側(cè)。工作時(shí)，發(fā)生器將線狀結(jié)構(gòu)光投射至焊接工件表面，形成兩條具有焊縫特征的結(jié)構(gòu)光條紋，通過工件表面的反射和漫反射途徑衰減片、濾光片，最后在攝像機(jī)上成像。通過圖像處理，分別獲得兩結(jié)構(gòu)光條紋坡口處的形狀、位置等信息，從而求得當(dāng)前焊縫軌跡相對焊炬的空間位姿信息。

圖1 雙線結(jié)構(gòu)光傳感器工作示意圖

雙線結(jié)構(gòu)光傳感器投影成像模型如圖2所示，以焊炬底部中心ow為原點(diǎn)，建立焊炬坐標(biāo)系ow-xwywzw，其坐標(biāo)軸zw與焊炬軸線重合，坐標(biāo)軸xw沿焊接小車移動(dòng)方向。點(diǎn)oi為CCD攝像機(jī)成像平面中心，其在坐標(biāo)系ow-xwywzw下的坐標(biāo)為(L,0,H)，以該點(diǎn)為原點(diǎn)建立圖像坐標(biāo)系oi-xiyizi，坐標(biāo)軸zi與攝像機(jī)光軸重合，并與zw軸反向，坐標(biāo)軸xi與xw軸平行且同向。兩個(gè)線狀結(jié)構(gòu)光分別從射出點(diǎn)ol1，ol2發(fā)出，光平面垂直于平面xwowzw并與zi軸成θ角進(jìn)行投射，與焊接工件表面相交形成兩條條紋。坐標(biāo)系ow-xwywzw下點(diǎn)ol1，ol2坐標(biāo)分別為(L-l/2,0,h)，(L+l/2,0,h)，對應(yīng)的光平面方程分別為

(1)

圖2 雙線結(jié)構(gòu)光傳感器投影成像模型

設(shè)工件表面任意一點(diǎn)在焊炬坐標(biāo)系ow-xwywzw下的坐標(biāo)為(xw,yw,zw)，其投影至成像平面上的像點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系oi-xiyizi下的坐標(biāo)為(xi,yi,0)，通過坐標(biāo)變換和透視變換[8]，可推導(dǎo)出

(2)

聯(lián)立式(1)和(2)，根據(jù)工件表面結(jié)構(gòu)光條紋上各點(diǎn)在成像平面上對應(yīng)像點(diǎn)的圖像坐標(biāo)可求得其在焊炬坐標(biāo)系ow-xwywzw下的坐標(biāo)為

(3)

式中：點(diǎn)ol1對應(yīng)的條紋取“+”號(hào)，點(diǎn)ol2對應(yīng)的條紋取“-”號(hào)；H為CCD攝像機(jī)成像平面至焊炬底部的距離；L為攝像機(jī)光軸至焊炬軸線的距離；f為攝像機(jī)焦距；h為結(jié)構(gòu)光發(fā)生器射出點(diǎn)至焊炬底部的距離；l為兩結(jié)構(gòu)光發(fā)生器射出點(diǎn)之間距離。

設(shè)由式(3)求得焊炬坐標(biāo)系ow-xwywzw下兩條紋在焊縫中心p1，p2兩點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(xw1,yw1,zw1) (xw2,yw2,zw2)，則焊縫中心軌跡直線方程可表示為

(4)

由式(4)可求得當(dāng)前焊點(diǎn)p的坐標(biāo)為

(5)

式中：y和z即為焊炬與焊縫中心在水平和垂直方向上的位置偏差。

2 雙線結(jié)構(gòu)光傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 傳感器設(shè)計(jì)

為了使傳感器具有良好的測量精度和抗干擾能力，拍攝到清晰的結(jié)構(gòu)光條紋，需對傳感器元器件和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行合理的選取。通過對電弧焊的弧光光譜進(jìn)行分析可知，在500～600 nm波長區(qū)間，弧光強(qiáng)度相對較高，波長600 nm以上強(qiáng)度相對較低[9]，為此選用波長為650 nm的一字激光器作為線狀結(jié)構(gòu)光發(fā)生器。CCD攝像機(jī)采用WAT-704R黑白攝像機(jī)，其有效像素(V×H)為786×540。激光器和CCD攝像機(jī)外形尺寸分別為φ12 mm×36 mm和φ18 mm×50 mm，便于安裝且利于傳感器的密封和小型化。為了盡可能消除弧光和自然光的干擾，獲得高質(zhì)量的激光條紋圖像，在CCD攝像機(jī)前端放置裝有濾光片和衰減片的光學(xué)鏡頭。濾光片的中心波長為650 nm，能夠最大限度濾除弧光和自然光并讓激光透過；衰減片透過率為10%，能夠有效限制激光強(qiáng)度，便于后期圖像處理。傳感器底部裝有由高透玻璃制成的防飛濺擋板，能夠防止焊接飛濺進(jìn)入傳感器。為了避免傳感器內(nèi)部光線的反射和散射，在激光器和CCD攝像機(jī)之間設(shè)置隔板，并將傳感器殼體內(nèi)部及光學(xué)鏡頭殼體涂黑。圖3為設(shè)計(jì)的雙線結(jié)構(gòu)光傳感器。

圖3 雙線結(jié)構(gòu)光傳感器結(jié)構(gòu)圖

為了使傳感器能夠獲得較為明顯的焊縫坡口特征并且具有較小的體積，將激光器軸線與CCD攝像機(jī)軸線之間的夾角設(shè)置為20°，兩側(cè)激光器透鏡之間的距離約為54 mm。傳感器通過安裝支架與焊炬固定連接，CCD攝像機(jī)軸線與焊炬軸線之間的距離為94 mm，能夠確保激光正常投射至焊接工件表面，避開焊劑對激光條紋的干擾。傳感器相對焊炬底部的安裝高度為120 mm，安裝后CCD攝像機(jī)鏡頭至焊炬底部的距離約為140 mm，激光器透鏡至焊炬底部的距離約為132 mm，激光投射至工件表面的條紋寬度約為1 mm。傳感器拍攝到的激光條紋原始圖像如圖4所示。

圖4 激光條紋圖像

2.2 激光條紋圖像處理

對傳感器拍攝的激光條紋圖像進(jìn)行處理是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)光傳感焊縫跟蹤的基本前提，其主要技術(shù)問題是從圖像中提取激光條紋中心線并檢測出焊縫特征點(diǎn)。結(jié)合雙線結(jié)構(gòu)光傳感器的工作特點(diǎn)以及埋弧焊焊接環(huán)境，系統(tǒng)針對V形坡口焊縫所采用的圖像處理流程為圖像加窗、圖像增強(qiáng)、閾值分割、中心線取樣和特征點(diǎn)提取。為了提高圖像處理速度，對采集的原始圖像進(jìn)行加窗處理。經(jīng)試驗(yàn)測試，取出原始圖像200像素×300像素進(jìn)行處理較為合適。埋弧焊焊接過程中，電弧在焊劑層下燃燒，弧光對激光條紋圖像影響較小，圖像干擾主要源于焊劑、焊接工件表面反光以及圖像生成、傳輸過程中的噪聲干擾。為此采用中值濾波進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理，去除干擾后的圖像如圖5a所示。為了將左、右兩激光條紋從圖像中分割出來，采用KSW熵算法自動(dòng)求取閾值，并根據(jù)閾值對圖像進(jìn)行分割消隱，結(jié)果如圖5b所示。采用Kirsch邊緣檢測算子對激光條紋的邊緣進(jìn)行提取，分別得到左、右兩條紋的邊緣曲線，如圖5c所示。在此基礎(chǔ)上，對圖像進(jìn)行逐行搜索，分別在左、右條紋邊緣曲線上提取同一行的兩個(gè)像素點(diǎn)并對其坐標(biāo)求平均值，圖像各行平均值處像素點(diǎn)的連線即為激光條紋中心線，如圖5d所示。采用斜率分析法分別對左、右條紋中心線進(jìn)行特征點(diǎn)檢測，找出中心線上V形坡口的3個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，并對坐標(biāo)值進(jìn)行比較。左條紋中心線上最左側(cè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)和右條紋中心線上最右側(cè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)即為激光條紋在焊縫坡口中心處對應(yīng)的像點(diǎn)。將兩像點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分別代入式(3)～(5)，即可計(jì)算出焊縫軌跡空間位姿和焊縫偏差。

圖5 激光條紋圖像處理結(jié)果

3 埋弧焊縫跟蹤系統(tǒng)及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 系統(tǒng)組成

埋弧焊縫跟蹤系統(tǒng)由雙線結(jié)構(gòu)光傳感器、圖像采集與處理模塊、糾偏控制模塊和埋弧自動(dòng)焊接模塊(包括焊接小車、焊接電源等)等組成。系統(tǒng)工作原理如圖6a所示，傳感器CCD攝像機(jī)對工件表面激光條紋進(jìn)行拍攝，經(jīng)圖像采集卡采集并傳送至工控計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理，提取焊縫特征點(diǎn)信息，計(jì)算出當(dāng)前焊縫軌跡空間位姿以及焊縫偏差。焊接小車攜帶焊炬在行走軌道上沿x軸方向移動(dòng)，利用光電編碼器對其移動(dòng)速度進(jìn)行檢測，通過數(shù)據(jù)采集卡采集并反饋至工控計(jì)算機(jī)。工控計(jì)算機(jī)結(jié)合當(dāng)前小車移動(dòng)速度對焊縫偏差進(jìn)行控制解算，并向運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)出控制信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)焊炬在y軸和z軸方向上位置的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)焊接過程焊縫的實(shí)時(shí)跟蹤。

系統(tǒng)采用船舶制造中廣泛使用的HC-4型埋弧焊平焊小車，并對其機(jī)械傳動(dòng)和電控部分進(jìn)行改進(jìn)，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)取代y軸和z軸滑臺(tái)原有的手輪調(diào)節(jié)，并在滑臺(tái)移動(dòng)方向上安裝光電傳感器。系統(tǒng)中采用阿爾泰ART1010運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn)對滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制，通過數(shù)據(jù)采集卡阿爾泰ART2512實(shí)現(xiàn)對滑臺(tái)位置信號(hào)和小車速度信號(hào)的采集，工控計(jì)算機(jī)采用研華PCM3362工控主板，圖像采集卡采用大恒VT121。工控主板、運(yùn)動(dòng)控制卡、數(shù)據(jù)采集卡以及圖像采集卡均安裝在小車控制箱中，并通過PC104總線進(jìn)行通信。小車控制箱上方安裝有工業(yè)顯示屏，用于實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤過程的監(jiān)測和調(diào)試。圖6b為埋弧焊縫跟蹤系統(tǒng)實(shí)物圖。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

焊縫跟蹤系統(tǒng)在完成安裝后需對傳感器數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)θ，H，L，f，h和l進(jìn)行標(biāo)定，在靶標(biāo)的兩條激光條紋上各選取10個(gè)點(diǎn)，分別將這20個(gè)點(diǎn)在焊炬坐標(biāo)系下的坐標(biāo)和對應(yīng)像點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)代入式(3)中，并通過最小二乘法求解出上述參數(shù)。

為了驗(yàn)證雙線結(jié)構(gòu)光傳感器數(shù)學(xué)模型的正確性并檢測其測量精度，進(jìn)行V形坡口焊縫軌跡空間姿態(tài)測量試驗(yàn)，如圖7所示。

圖6 雙線結(jié)構(gòu)光傳感埋弧焊縫跟蹤系統(tǒng)

圖7 焊縫軌跡空間姿態(tài)測量試驗(yàn)

焊縫軌跡與軌道安放平面之間的夾角為α=5°，其在安放平面上的投影與小車軌道之間夾角為β=10°，焊接小車帶動(dòng)傳感器以80 cm/min的速度沿軌道方向移動(dòng)，系統(tǒng)每隔500 ms采集一幅激光條紋圖像并保存，共采集20次。提取圖像中特征點(diǎn)并結(jié)合式(3)～(4)，計(jì)算焊縫軌跡與軌道安放平面、小車軌道之間夾角α，β的測量值，所得結(jié)果如圖8所示。由圖8試驗(yàn)結(jié)果可以看出，焊縫軌跡與安放平面夾角的計(jì)算值誤差小于0.4°，焊縫軌跡投影與小車軌道夾角的計(jì)算值誤差小于0.6°。結(jié)果表明，傳感器數(shù)學(xué)模型正確且工作可靠，能夠滿足檢測要求。

圖8 焊縫軌跡空間姿態(tài)測量結(jié)果

為了檢驗(yàn)雙線結(jié)構(gòu)光傳感器埋弧焊縫跟蹤系統(tǒng)焊接過程跟蹤效果，進(jìn)行焊縫跟蹤焊接試驗(yàn)。試驗(yàn)中焊接試板厚度為10 mm，V形坡口焊縫軌跡與軌道安放平面之間的夾角約為5°，其在安放平面上的投影與小車軌道之間夾角約為10°，焊接電壓為30 V，焊接電流為400 A，焊接速度為50 cm/min，焊接效果如圖9所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，焊縫成形效果良好，焊道與焊縫基本吻合，未發(fā)生偏移現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了V形坡口埋弧焊長板對接焊縫的自動(dòng)跟蹤。

圖9 焊縫跟蹤焊接效果

4 結(jié) 論

(1)基于結(jié)構(gòu)光成像原理，建立了雙線結(jié)構(gòu)光傳感器的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用該模型獲得了焊縫軌跡空間位姿和焊縫偏差。

(2)設(shè)計(jì)了雙線結(jié)構(gòu)光傳感器，并結(jié)合埋弧焊焊接特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了針對V形坡口焊縫的圖像處理算法。與傳感器數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對V形坡口焊縫軌跡空間姿態(tài)的檢測。結(jié)果表明，傳感器工作可靠，檢測精度滿足要求。

(3)設(shè)計(jì)了基于雙線結(jié)構(gòu)光傳感器的埋弧焊縫跟蹤系統(tǒng)，跟蹤試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)埋弧焊的長板對接焊縫自動(dòng)跟蹤，跟蹤精度和焊接質(zhì)量滿足要求。

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2017-05-01

國家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013AA041003)；江西省重大創(chuàng)新項(xiàng)目(20143ACE50002)；江西省研究生創(chuàng)新專項(xiàng)資金項(xiàng)目(YC2015-B001)。

TG409

周依霖，1991年出生，博士研究生。主要從事焊接自動(dòng)化及移動(dòng)焊接機(jī)器人技術(shù)方面的研究工作，已發(fā)表論文4篇。