曹 翀，陳 陽，劉振國(guó)，郭 瑞，李曉會(huì)

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著科學(xué)與技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)于產(chǎn)品焊后檢測(cè)的要求更加細(xì)致及規(guī)范，要求也不斷提高，設(shè)計(jì)人員及項(xiàng)目調(diào)試人員都希望能提供更加及時(shí)快捷方便的焊后檢測(cè)產(chǎn)品。但傳統(tǒng)的拍照視覺焊后檢測(cè)往往在以下幾方面困擾著工程師們：1）焊接時(shí)不可避免的會(huì)產(chǎn)生焊渣，細(xì)小的焊渣會(huì)影響產(chǎn)品的安全性和穩(wěn)定性，但對(duì)于平面拍照檢測(cè)來說，很難將焊渣與產(chǎn)品表面的污漬、劃痕進(jìn)行有效區(qū)分。2）很多焊接由于工藝要求，需在焊接過程中加入保護(hù)氣，而焊接過程中使用保護(hù)氣會(huì)在產(chǎn)品表面留下黑色痕跡，導(dǎo)致傳統(tǒng)的平面拍照檢測(cè)相片背景不干凈，結(jié)果不穩(wěn)定。3）平面拍照檢測(cè)不能檢測(cè)焊接高度，所以也不能通過焊縫的體積來對(duì)焊接效果進(jìn)行評(píng)估，得到焊接效果的評(píng)價(jià)。

采用新的焊后檢測(cè)系統(tǒng)，能夠及時(shí)、快速、準(zhǔn)確地完成焊后檢測(cè)工作，對(duì)工業(yè)自動(dòng)化焊接勢(shì)在必行。為應(yīng)對(duì)系統(tǒng)使用方新的要求，開發(fā)一個(gè)新的焊后檢測(cè)系統(tǒng)成為必要。該系統(tǒng)的開發(fā)，汲取國(guó)內(nèi)外先進(jìn)焊后檢測(cè)系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)與精華，以3D視覺為基礎(chǔ)，把焊接高度、焊接寬度、焊接長(zhǎng)度、漏焊、缺焊等工作通過軟件快捷的實(shí)現(xiàn)，使焊后檢測(cè)變得精準(zhǔn)直觀。

通過3D焊后檢測(cè)系統(tǒng)，工廠使用方可以直觀的在上位機(jī)界面看到焊接產(chǎn)品的3D模型結(jié)果，當(dāng)有焊接不合格產(chǎn)品時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)紅燈報(bào)警，界面直接顯示不合格焊接點(diǎn)的位置，可單獨(dú)查看不合格焊接點(diǎn)的3D/2D檢測(cè)結(jié)果圖并紅色標(biāo)注不合格原因及不合格區(qū)域，焊接信息上傳MES系統(tǒng)等功能模塊，將傳統(tǒng)的焊后檢測(cè)業(yè)務(wù)流程“一站式”實(shí)現(xiàn)，有效解決了傳統(tǒng)焊后系統(tǒng)檢測(cè)過程復(fù)雜、效率低、安全性差的缺陷，大大提高了檢測(cè)效率。

1 系統(tǒng)工作原理

三維視覺技術(shù)主要包括雙目立體視覺和結(jié)構(gòu)光三維視覺等。同時(shí)三維視覺技術(shù)依據(jù)使用場(chǎng)景的光照條件可以分為被動(dòng)和主動(dòng)兩類[1]。被動(dòng)三維視覺技術(shù)是使用場(chǎng)景已有的光源設(shè)備對(duì)被拍物進(jìn)行照明，而主動(dòng)三維視覺技術(shù)是使用特殊的光源設(shè)備對(duì)被拍物進(jìn)行照明。顯而易見的是被動(dòng)三維視覺技術(shù)受外界光影響較大，適用于高度差較大的檢測(cè)工件。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)檢測(cè)的焊點(diǎn)高度較小，約為0.5mm，故本系統(tǒng)采用主動(dòng)三維視覺技術(shù)。主動(dòng)三維視覺技術(shù)的基本思想是利用特定的、人工控制的光源和聲源照射目標(biāo)，并根據(jù)目標(biāo)表面的反射特性、光學(xué)特性和聲學(xué)特性獲得目標(biāo)的三維信息[2]。

結(jié)構(gòu)光三維視覺的原理是光學(xué)三角測(cè)量。如圖1所示，投影機(jī)將結(jié)構(gòu)光投射到被檢測(cè)物體表面上，從而形成由被檢測(cè)物體的表面形狀調(diào)制的三維圖像。投射器在另一個(gè)位置檢測(cè)三維圖像，從而獲得燈條的二維失真圖像。當(dāng)投影機(jī)和投射器之間的相對(duì)位置固定時(shí)，扭曲的二維失真圖像坐標(biāo)可以再現(xiàn)物體表面的三維輪廓。結(jié)構(gòu)光三維視覺系統(tǒng)由光學(xué)投影儀、攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成[3]。

攝像機(jī)坐標(biāo)系與模塊坐標(biāo)系的空間位置關(guān)系可用下式表示：

其中（r1，r4，r7）、（r2，r5，r8）和（r3，r6，r9）分別表示坐標(biāo)系OL-xLyLzL的xL軸，yL軸和zL軸的方向向量。

然而，上述公式不能從照相機(jī)的二維圖像點(diǎn)坐標(biāo)（X，Y）中獲得唯一對(duì)應(yīng)的三維物體點(diǎn)坐標(biāo)（xL，yL，zL），并且需要方程的附加約束來消除這種模糊性。因此，模塊坐標(biāo)系下的結(jié)構(gòu)光平面方程(注意:其建立是任意的)設(shè)置如下：

通過以上推理，可以看出工件上任意點(diǎn)的不同高度在點(diǎn)結(jié)構(gòu)光模式下形成許多相似的三角形幾何約束，并代表獨(dú)特的姿態(tài)。此外，該點(diǎn)可用于通過使二維光條圖像與高度扭曲的掃描工件相協(xié)調(diào)來重建物體表面的三維輪廓。

2 焊后檢測(cè)系統(tǒng)硬件平臺(tái)

3D視覺焊后檢測(cè)系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：固高三軸機(jī)器人本體與控制器，康耐視公司3D視覺DS1050R及控制器1套，西門子PLC S7-1200以及顯示器。本系統(tǒng)視覺采用移動(dòng)式安裝，固定在三軸機(jī)器人手爪上跟隨手爪移動(dòng)。系統(tǒng)通過PLC進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，不同設(shè)備支持的通信協(xié)議（工業(yè)以太網(wǎng)、CC24等）不同，具體的通信方式需要根據(jù)實(shí)際情況選擇。硬件平臺(tái)如圖2所示。

圖2 焊后檢測(cè)系統(tǒng)硬件平臺(tái)

2.1 固高三軸機(jī)器人本體及控制器

固高三軸機(jī)器人作為負(fù)載3D掃描槍的機(jī)構(gòu)，除了在工作時(shí)負(fù)載3D視覺采集器運(yùn)動(dòng)，采集圖像數(shù)據(jù)以外，還需要控制器的伺服驅(qū)動(dòng)器能夠?qū)崟r(shí)向視覺控制器傳送ABZ的相位差信號(hào)，來確定視覺控制器運(yùn)動(dòng)距離。視覺控制器通過接收Y軸伺服控制器的信號(hào)來處理掃描圖像組成。

2.2 視覺DS1050及控制器

Cognex公司的DS1050傳感器負(fù)責(zé)對(duì)焊接后的電池模組進(jìn)行掃描圖像，通過紅外掃描后的反光，得到工件表面的高度差信息，通過每條線的高度差信息組成了整個(gè)工件焊接表面的圖像信息。同時(shí)該傳感器可處理對(duì)分辨率要求高且需要擴(kuò)大測(cè)量范圍的各種多樣化三維應(yīng)用。DS1050在包含2D視覺工具的基礎(chǔ)上又提供了檢測(cè)三維高度、體積等三維工具。通過上述工具將復(fù)雜的機(jī)器視覺需求轉(zhuǎn)化為易于維護(hù)的解決方案。客戶在沒有熟練程序員的幫助下能夠以目前最快的速度為最具挑戰(zhàn)性的三維應(yīng)用創(chuàng)建和部署完整的解決方案。

三維傳感器上的三維位移傳感器采用激光三角技術(shù)來獲取掃描部件的三維信息。無論對(duì)比度或照明條件如何，位移傳感器都可以對(duì)部件進(jìn)行精確檢測(cè)。從而保證了整個(gè)焊后系統(tǒng)照片采樣的穩(wěn)定性。

配套的檢測(cè)系統(tǒng)控制器選用Cognex VC5視覺控制器，最多可控制四個(gè)三維傳感器并且能夠在車間內(nèi)實(shí)現(xiàn)通信?？刂破黝A(yù)裝易于配置的全新軟件架構(gòu)Cognex Designer?，能簡(jiǎn)化三維應(yīng)用開發(fā)又可以創(chuàng)建專業(yè)化外觀的圖形用戶界面。

2.3 西門子PLC S7-1200

西門子PLC負(fù)責(zé)向三軸機(jī)器人和視覺控制器傳遞工件到位信號(hào)，接收采集圖片完成信號(hào)以及將最后采集的結(jié)果上傳至MES系統(tǒng)中。通訊方式方面：西門子PLC通過PROFINET協(xié)議與固高控制器進(jìn)行通訊，西門子PLC通過CC24通訊與相機(jī)DS1050控制器進(jìn)行通訊。

3 焊后檢測(cè)系統(tǒng)軟件模塊構(gòu)成

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 主要軟件模塊功能詳述

3.2.1 PLC交互數(shù)據(jù)功能模塊

該模塊在每天開機(jī)后先接收觸摸屏發(fā)出的初始化位指令，調(diào)動(dòng)三軸機(jī)器人回原點(diǎn)，對(duì)程序中的標(biāo)志位統(tǒng)一進(jìn)行清除。初始化完成后，向觸摸屏傳遞初始化完成信息。當(dāng)PLC傳輸過來工件到位信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)控制三軸機(jī)器人按照程序運(yùn)動(dòng)，采集工件焊接信息，當(dāng)工件上所有的焊接點(diǎn)信息采集完畢后，交互數(shù)據(jù)功能模塊將采集到的焊接檢測(cè)信息通過PLC上傳MES，同時(shí)發(fā)送檢測(cè)完畢信號(hào)。

3.2.2 圖像處理模塊

圖像處理模塊可以對(duì)采集到的圖像進(jìn)行保存，并能對(duì)圖像進(jìn)行平滑性處理。由于實(shí)際焊接中焊點(diǎn)圖像由于保護(hù)氣及產(chǎn)品材質(zhì)原因，常有黑色痕跡產(chǎn)生，導(dǎo)致拍照?qǐng)D像灰度值不一。通過cogtoolFix算法對(duì)圖像上每個(gè)3×3矩陣像素進(jìn)行均值處理，工件采集照片中差異不大的灰度值會(huì)被過濾掉。使得圖像背景更為干凈，測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。

3.2.3 焊接點(diǎn)圖像檢測(cè)模塊

首先對(duì)圖像處理模塊處理好的工件圖像進(jìn)行分割，查找到工件上12個(gè)銅排焊接區(qū)域。將查找到的12個(gè)焊接區(qū)域每個(gè)區(qū)域分割成單獨(dú)待檢測(cè)的模塊，并按照Y軸坐標(biāo)從小到大依次排列。然后對(duì)每一個(gè)單獨(dú)的焊接點(diǎn)圖像通過特征圖形進(jìn)行查找是否有漏焊，缺焊現(xiàn)象。如果有漏焊，缺焊現(xiàn)象，相機(jī)直接將區(qū)域缺焊信息上傳MES，進(jìn)行錯(cuò)誤信息記錄并報(bào)警。如果沒有檢測(cè)到漏焊缺焊現(xiàn)象，則開始記錄焊接高度，測(cè)量焊縫寬度是否符合系統(tǒng)界面設(shè)定的焊接寬度輸入?yún)^(qū)間。如果寬度不符合，作為錯(cuò)誤信息，報(bào)警且上傳MES。高度，寬度信息檢測(cè)后，系統(tǒng)通過焊縫與焊接標(biāo)志位的距離測(cè)量來比對(duì)是否有焊偏，通過對(duì)高度和陰影的檢測(cè)，確認(rèn)焊縫中是否有毛刺現(xiàn)象。如果有焊偏，毛刺現(xiàn)象，相機(jī)直接將錯(cuò)誤信息上傳MES，進(jìn)行錯(cuò)誤信息記錄并報(bào)警，同時(shí)將問題圖片上傳至界面供工人查看。圖4為焊縫的高度檢測(cè)，通過高度檢測(cè)結(jié)果可以直觀的得出，此焊縫的最大高度為0.269mm，最小高度為0.267mm。圖5為焊縫的寬度檢測(cè)，通過寬度檢測(cè)結(jié)果可以直觀的得出，圖示取樣的位置寬度為2.51mm。

4 焊后檢測(cè)信息界面

4.1 用戶界面軟件編程

3D視覺焊后檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)界面開發(fā)是在Linux環(huán)境中進(jìn)行，主要由于Linux操作系統(tǒng)占內(nèi)存少、精簡(jiǎn)、穩(wěn)定、適合開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。界面運(yùn)用Qt使用C++語言進(jìn)行編程。

圖4 焊縫高度檢測(cè)

圖5 焊縫寬度檢測(cè)

4.2 用戶界面設(shè)置

界面分為主頁面、詳細(xì)結(jié)果頁面、工具頁面和結(jié)果頁面。用戶可通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)頁面的按鈕直達(dá)想要查看的頁面。

4.2.1 主頁面

開機(jī)后顯示的第一個(gè)界面即為主界面。點(diǎn)擊主頁面下按鈕可進(jìn)入功能界面。按鈕上方兩組藍(lán)色方框，當(dāng)有工件掃描之后，掃描出來的3D照片會(huì)顯示在藍(lán)色方框中。鼠標(biāo)指針停留在照片上的位置，會(huì)以藍(lán)色方框下的XYZ坐標(biāo)值的方式顯示。綠色小圓點(diǎn)0～11代表工件上的12個(gè)焊接點(diǎn)，當(dāng)檢測(cè)出焊接點(diǎn)問題時(shí)，綠色圓點(diǎn)會(huì)變紅。右側(cè)上方是檢測(cè)參數(shù)調(diào)整框，當(dāng)有參數(shù)調(diào)整需求時(shí)，可以直接在方框內(nèi)輸入要更改的數(shù)值。右側(cè)下方的結(jié)果框，當(dāng)檢測(cè)一個(gè)工件整體，發(fā)現(xiàn)有問題時(shí)，對(duì)應(yīng)的焊接問題右邊的綠色指示燈會(huì)變紅。點(diǎn)擊詳細(xì)結(jié)果按鈕會(huì)查看到24個(gè)焊接點(diǎn)中，每個(gè)焊接點(diǎn)的詳細(xì)信息。

4.2.2 詳細(xì)結(jié)果頁面

在此頁面中，用戶可在左側(cè)看到24個(gè)焊接點(diǎn)的焊接錯(cuò)誤信息，每當(dāng)有焊接問題檢測(cè)到時(shí)，對(duì)應(yīng)的焊接問題指示燈變紅。3D焊后檢測(cè)系統(tǒng)能檢測(cè)到漏焊、焊穿、焊偏、焊接寬度和高度，共五種問題。用戶可以清楚直觀地看到，當(dāng)有焊點(diǎn)錯(cuò)誤出現(xiàn)時(shí)，問題焊點(diǎn)位置，焊點(diǎn)具體問題。并可以通過工具頁面對(duì)有問題的工件直接查看焊點(diǎn)圖片。

4.2.3 工具頁面

在圖像保存設(shè)置欄中，勾選保存圖像框或保存結(jié)果數(shù)據(jù)框，則系統(tǒng)可以自動(dòng)將采集到的照片或最后結(jié)果數(shù)據(jù)信息保存到指定的文件夾中。如果想更改保存路徑，則點(diǎn)擊右側(cè)的瀏覽按鈕，重新選擇照片保存的文件夾。點(diǎn)擊清空結(jié)果，則保存路徑文件框中當(dāng)前顯示的文件夾里，所有照片和數(shù)據(jù)都會(huì)被刪除。如果想將數(shù)據(jù)輸出到其他存儲(chǔ)設(shè)備，則選擇輸出CSV按鈕，選擇存儲(chǔ)設(shè)備路徑，進(jìn)行文件轉(zhuǎn)移。離線仿真設(shè)置框主要用于查看以前工件的信息。勾選仿真器后，每次運(yùn)行都會(huì)讀取圖像文件名欄顯示的文件。勾選測(cè)試全部極柱，則將12個(gè)焊接點(diǎn)都檢測(cè)一遍。如果不勾選，則檢測(cè)測(cè)試極柱號(hào)欄中的極柱號(hào)焊接點(diǎn)。參數(shù)設(shè)置欄中黑斑閾值是用來檢測(cè)焊穿孔信息。白斑閾值是用來檢測(cè)缺焊信息。

4.2.4 結(jié)果頁面

當(dāng)檢測(cè)完成時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將檢測(cè)到的焊接點(diǎn)信息按照編號(hào)，將焊接問題、測(cè)量的焊接長(zhǎng)度和寬度通過PLC進(jìn)行上傳。在結(jié)果頁面中，通過工件上二維碼的信息查詢可以直接調(diào)出該工件進(jìn)行焊后檢測(cè)時(shí)上傳的測(cè)量信息，問題信息，方便用戶回溯問題工件信息記錄。同時(shí)根據(jù)工件二維碼可以在照片記錄文件夾中通過查詢功能找到保存的工件焊后檢測(cè)圖片。通過圖片仿真功能，用戶可以調(diào)出工件采集的照片進(jìn)行重新分析，修改參數(shù)。

5 結(jié)語

三軸機(jī)器人攜帶3D視覺采集頭對(duì)工件表面掃描，從而得到工件焊接點(diǎn)所在表面圖像，將整體圖像按照焊接點(diǎn)分割為24個(gè)小圖像，對(duì)小圖像進(jìn)行圖像處理，去除干擾因素，直接對(duì)焊接點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到漏焊、焊穿、焊偏、焊接寬度和高度五種問題，直接界面標(biāo)注，檢測(cè)結(jié)果上傳MES。經(jīng)過工件反復(fù)檢驗(yàn)與算法的反復(fù)驗(yàn)證，焊后檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果可靠有效，靈敏程度和穩(wěn)定性可以保證。