白秀科 鐘杰

摘 要：將視覺傳感技術(shù)應(yīng)用在焊接機(jī)器人上，不僅能夠提高機(jī)器的焊接效率，也能夠提高焊接質(zhì)量，筆者根據(jù)調(diào)查研究分析了基于視覺傳感的焊縫跟蹤技術(shù)，闡述了焊縫跟蹤的方式和原理并分析了其優(yōu)缺點(diǎn)。著重研討了焊縫圖像處理技術(shù)的發(fā)展，在對焊縫跟著控制技術(shù)的論述中，分析了常見的視覺控制方式的特點(diǎn)以及智能控制技術(shù)在焊縫跟蹤技術(shù)中的運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：視覺傳感;焊縫跟蹤;焊接機(jī)器人;圖像處理

焊接技術(shù)廣泛應(yīng)用于航天領(lǐng)域、建筑工程領(lǐng)域以及汽車行業(yè)。目前，焊接機(jī)器人的工作方式只能按照特定的編程和示范教育來完成，無論是適應(yīng)性還是靈活性都較差，再加上這種工作方式需要有非常穩(wěn)定的焊接作業(yè)環(huán)境，使焊接存在局域性。再者由于焊接過程中工件榮譽(yù)受熱變形、加工裝配存在誤差等干擾因素，使焊縫的實(shí)際與編程之間無法精準(zhǔn)的聯(lián)系，從而導(dǎo)致出現(xiàn)誤差。焊縫跟蹤技術(shù)的應(yīng)用前提是傳感器技術(shù)，基于視覺傳感技術(shù)的焊縫跟蹤系統(tǒng)，要在控制光，電，機(jī)和機(jī)構(gòu)裝備的統(tǒng)一性，也需要圖像處理和控制結(jié)構(gòu)的時(shí)效性。在規(guī)劃焊接機(jī)器人的路徑方面和調(diào)整焊接機(jī)器與視覺傳感器的信息傳輸閉環(huán)控制方面，需要視覺傳感具有較高的精度和時(shí)效性，本文在分析視覺傳感器的現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上闡述了基于視覺傳感的焊縫跟蹤系統(tǒng)的發(fā)展。尤其是焊縫跟蹤系統(tǒng)的圖像處理技術(shù)。

1 視覺傳感技術(shù)的分類

由于視覺傳感器采集的光源不同，可以分為以激光輔助照明的主動(dòng)光視覺和以自然光為光源的被動(dòng)光視覺。

1.1主動(dòng)光視覺

主動(dòng)光視覺采用了特殊的照明光源，根據(jù)不同的傳感器構(gòu)造分為激光掃描和結(jié)構(gòu)光兩種形式：激光掃描是指激光光速照射到反射鏡，在工件表面形成條形光帶，這種激光掃描方式能夠使信噪比較高，也會提高抗電弧光的干擾能力，加快信號處理的速度，結(jié)構(gòu)光法是指激光管在工件上投射激光所形成的特定寬條紋光帶，對收集到的激光條紋光帶利用攝像機(jī)處理圖像，從而確定了焊縫的中心線。

2 視覺傳感焊縫跟蹤處理技術(shù)

2.1 圖像預(yù)處理

在焊接過程中，弧光、飛濺都是不可避免的，再加上很多的噪音留存在圖像中著就要求對焊縫的圖像進(jìn)行預(yù)處理。圖像噪音的去除和增強(qiáng)圖像使常見的預(yù)處理方式。去除圖像噪音是指利用濾波器中所包含的噪音特征不同，在圖像噪音去除中的功能也不一樣。

例如，在去除圖像噪聲方面最常用的是非線性濾波器中的中值濾波器，因?yàn)橹兄禐V波器在去除噪聲的時(shí)候，可以保持圖像邊緣的清晰度，有利于提取特征規(guī)避了線性濾波器的缺點(diǎn)。針對弧光、飛濺噪聲的特點(diǎn)在處理圖像中的弧光發(fā)、飛濺時(shí)可以選取兩幅相鄰采取樣本時(shí)間內(nèi)的圖像，對應(yīng)像素相“與的應(yīng)用”才能夠使其得以去除，爭搶圖像使焊縫去噪后的重要環(huán)節(jié)，有利于使圖像更加明確。在增強(qiáng)圖像方面可以采用匹配直方圖，變換灰度值的策略也可采用均衡梯度圖像直方圖，增強(qiáng)圖像。

2.2 圖像識別

圖像分割和特征提取使圖像識別的重要組成部分，所謂的圖像分割是指從圖像中把目標(biāo)分割出來，特征提取是指利用灰度值的不連續(xù)性，特征進(jìn)行圖像提取，其中，較好的邊緣檢測算子是Canny算子。根據(jù)圖像中不同的灰度值選擇不同的閾值，采用適合的閾值分割法，能夠有效區(qū)分灰度層級。圖像分割算法，是圖像處理中的研究關(guān)鍵。焊接跟蹤系統(tǒng)中如何濾除噪聲、提取目標(biāo)邊緣對焊縫跟蹤的發(fā)展有著重要的價(jià)值，焊縫圖像處理算法的精準(zhǔn)是焊縫跟蹤的保障。

3 焊縫跟蹤技術(shù)

3.1 視覺控制方式

把特征點(diǎn)從焊縫圖像中有效提取，利用攝像機(jī)不同的參數(shù)確定三維坐標(biāo)是基于位置的視覺控制，這種控制方式具有直觀性，也比較容易操控。在把特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)提取并轉(zhuǎn)化成實(shí)際三維坐標(biāo)以后，可以對三維坐標(biāo)點(diǎn)的確定更好的操控焊接機(jī)器人，使其自動(dòng)焊接。再者在焊接起始階段，通過把焊槍對準(zhǔn)焊縫可以得到產(chǎn)考圖像特征，并且在緩解過程中可以隨時(shí)獲得反饋圖像特征，把二者的圖像偏差進(jìn)行分析，從而設(shè)計(jì)跟蹤精度較高的控制器控制器。此外，混合視覺伺候控制技術(shù)對焊縫跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在焊縫糾偏方面能較好的控制圖像的視覺，從而控制焊縫機(jī)器人準(zhǔn)確的按照焊縫方向進(jìn)行操作。這種基于位置的視覺控制技術(shù)能夠消除焊槍與焊縫的偏差。

3.2 只能控制技術(shù)

在寒風(fēng)跟蹤過程中焊接質(zhì)量的高低取決于焊縫偏差的程度。在焊接過程中，由于受到各種各樣復(fù)雜因素的影響，傳統(tǒng)的PID控制無法使焊縫跟蹤實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。所以，隨著人工自能的發(fā)展和自能控制技術(shù)在焊接過程中的技術(shù)也越來越多。自能控制技術(shù)使焊縫跟蹤系統(tǒng)更具有時(shí)效性。被引入到焊縫跟蹤系統(tǒng)的人工智能控制方法有模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。

3.2.1模糊控制。所謂的模糊控制是指在設(shè)計(jì)控制器時(shí)采用啟發(fā)式規(guī)則和分析專家的經(jīng)驗(yàn)而獲得的。在研究者設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)為了滿足實(shí)際焊接需求消除誤差降低偏差，和調(diào)節(jié)系統(tǒng)速度等。模糊控制器能夠通過修改比例因子和量化因子使其適應(yīng)能得以提高。

3.2.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。所謂的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是指有序的連接多個(gè)神經(jīng)元組成網(wǎng)絡(luò)，它的自學(xué)和非線性映射能力較強(qiáng)。因此，在寒風(fēng)跟蹤控制上應(yīng)用較為廣泛，例如，BP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，由于其成熟的理論研究和簡單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，BP網(wǎng)絡(luò)是目前最為唄廣泛應(yīng)用的智能控制網(wǎng)絡(luò)

結(jié)束語

廣大學(xué)者基于視覺傳感系統(tǒng)對焊縫跟中進(jìn)行了大量的探究，從而提高機(jī)器人的焊接質(zhì)量和精度。改革創(chuàng)新了圖像處理方法，改善了焊縫跟蹤系統(tǒng)的控制方式，使焊縫跟蹤系統(tǒng)工具實(shí)時(shí)性，結(jié)合智能化控制技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化了焊縫跟蹤系統(tǒng)的焊接工藝，從而提高焊接精度和質(zhì)量。

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（作者單位：成都理工大學(xué)）