何開平, 陳 雷, 梁劍明, 王聰毅, 王立甲, 李華鵬

(中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715)

0 引 言

隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，船舶制造業(yè)中的切割、打磨、焊接和噴涂等傳統(tǒng)人工作業(yè)逐漸向機(jī)器人自動化作業(yè)方向轉(zhuǎn)變。機(jī)器人自動化焊接在汽車制造和航空航天領(lǐng)域內(nèi)均具有較為成熟的應(yīng)用，但在船舶行業(yè)內(nèi)，船體構(gòu)件架構(gòu)復(fù)雜，非標(biāo)件眾多，對智能裝備的檢測、識別和作業(yè)規(guī)劃均具有較高要求。

目前，以基于模型的離線作業(yè)為主、依靠視覺系統(tǒng)的機(jī)器人自動化焊接在線作業(yè)一般僅用于結(jié)構(gòu)類似的流水線作業(yè)；為適應(yīng)船體小組立結(jié)構(gòu)件的自動化焊接要求并達(dá)到在線檢測的智能要求，需要智能焊接設(shè)備的視覺系統(tǒng)可針對主要類型的船體小組立結(jié)構(gòu)件進(jìn)行準(zhǔn)確的焊縫識別與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析，并根據(jù)機(jī)器人焊接要求進(jìn)行焊接作業(yè)規(guī)劃，生成符合機(jī)器人自動化焊接要求的焊接作業(yè)，且整體視覺掃描識別系統(tǒng)需要與傳感器、上位機(jī)和背燒系統(tǒng)聯(lián)動，構(gòu)成整套適用于船體小組立結(jié)構(gòu)件自動化焊接的智能系統(tǒng)。

1 目標(biāo)對象梳理

船體小組立結(jié)構(gòu)件類型多樣，為更好設(shè)計掃描識別算法，實(shí)現(xiàn)三維掃描識別系統(tǒng)功能，需要對常見的船體小組立結(jié)構(gòu)件進(jìn)行梳理。通過現(xiàn)場調(diào)研交流，將需要進(jìn)行機(jī)器人自動化焊接的船體小組立結(jié)構(gòu)件分為3類。

(1)由筋板與底板組成的簡單型結(jié)構(gòu)件如圖1所示，其特點(diǎn)為焊縫特征明顯，均為直線焊縫且方向相同，但需要考慮筋板端部形式。筋板端部形式分為普通端部、過焊孔(R孔)和斜切。

圖1 簡單型結(jié)構(gòu)件

(2)交叉型無立焊縫結(jié)構(gòu)件如圖2所示，其特點(diǎn)為焊縫交叉分布，需要對焊縫的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，且焊縫方向不同、相互垂直，但無須考慮立焊縫問題。

圖2 交叉型無立焊縫結(jié)構(gòu)件

(3)交叉型立焊縫結(jié)構(gòu)件如圖3所示，其特點(diǎn)與交叉型無立焊縫結(jié)構(gòu)件類似，但在進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析后需要識別焊縫交點(diǎn)坐標(biāo)，作為立焊縫信息。

圖3 交叉型立焊縫結(jié)構(gòu)件

2 三維掃描識別系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)內(nèi)部架構(gòu)

三維掃描識別系統(tǒng)主要功能為結(jié)構(gòu)件三維數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、作業(yè)規(guī)劃和可視化操作，根據(jù)功能要求組建3層架構(gòu)，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)層：系統(tǒng)底層架構(gòu)，主要為數(shù)據(jù)采集模塊，完成對結(jié)構(gòu)件的三維掃描，控制三維線激光的啟停、掃描信號的發(fā)送和原始數(shù)據(jù)的采集與存儲。

算法層：系統(tǒng)核心架構(gòu)，主要為點(diǎn)云處理、圖像處理、焊縫識別和作業(yè)規(guī)劃等模塊，完成原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理、點(diǎn)云的二維映射、二維數(shù)據(jù)的算法處理、焊縫識別和機(jī)器人作業(yè)規(guī)劃，生成符合機(jī)器人焊接要求的焊接作業(yè)。

交互層：系統(tǒng)上部架構(gòu)，主要為通信和人機(jī)交互、可視化和參數(shù)設(shè)置等模塊，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的人機(jī)交互和與其他系統(tǒng)的通信。

2.2 系統(tǒng)外部邏輯

三維掃描識別系統(tǒng)需要與智能焊接流水線的其他系統(tǒng)通信，包括三維線激光傳感器、機(jī)器人上位機(jī)系統(tǒng)和背燒系統(tǒng)等。與三維線激光傳感器的通信主要負(fù)責(zé)控制傳感器的啟停和傳感器數(shù)據(jù)的傳輸通信；與機(jī)器人上位機(jī)系統(tǒng)的通信主要負(fù)責(zé)焊接作業(yè)下發(fā)和系統(tǒng)總控信號傳輸；與背燒系統(tǒng)的通信主要負(fù)責(zé)傳輸焊縫坐標(biāo)，進(jìn)行自動背燒。系統(tǒng)外部邏輯框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)外部邏輯框圖

3 系統(tǒng)算法設(shè)計

三維掃描系統(tǒng)算法是系統(tǒng)正常運(yùn)行的核心，主要包括濾波與映射算法、焊縫識別算法、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析算法和焊接作業(yè)規(guī)劃算法等。

3.1 濾波與映射算法

三維線激光掃描獲取的原始數(shù)據(jù)包含整片焊接區(qū)域的三維點(diǎn)云，其中，輥道點(diǎn)云和底板點(diǎn)云等均為干擾點(diǎn)云，需要通過濾波算法將其濾除。由于三維線激光器安裝于輥道正上方，掃描面與輥道垂直，且已完成傳感器調(diào)平與標(biāo)定，因此輥道點(diǎn)云與底板點(diǎn)云可通過直通濾波算法濾除，對于在空間內(nèi)噪聲產(chǎn)生的離群干擾點(diǎn)，則使用K最鄰近(K-Nearest Neighbor，KNN)算法進(jìn)行離群點(diǎn)濾除。

直通濾波算法針在空間分布具有一定空間特征的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，例如使用線線激光掃描的方式采集點(diǎn)云，沿z向分布較廣，但x向和y向的分布處于有限范圍內(nèi)，此時可使用直通濾波器，確定點(diǎn)云在x向或y向上的范圍，可較快剪除離群點(diǎn)，達(dá)到第一步粗處理的目的。對于z向的輥道點(diǎn)云和底板點(diǎn)云，通過在z向上設(shè)置閾值與底板厚度參數(shù)，濾除無關(guān)的點(diǎn)云，留下需要的筋板表面點(diǎn)云。參數(shù)面板內(nèi)的直通濾波參數(shù)設(shè)置如圖6所示。

圖6 參數(shù)面板內(nèi)的直通濾波參數(shù)設(shè)置

離群點(diǎn)處理算法可基于KNN原理實(shí)現(xiàn)，即設(shè)定鄰近點(diǎn)個數(shù)K與標(biāo)準(zhǔn)方差閾值Threshold，求出某一點(diǎn)附近K個鄰近點(diǎn)之間距離的標(biāo)準(zhǔn)方差dev，計算該點(diǎn)至鄰近點(diǎn)的距離d，若d大于dev與dev閾值的乘積，則該點(diǎn)判斷為離群點(diǎn)，并進(jìn)行濾除。無關(guān)點(diǎn)濾除算法基于C++與點(diǎn)云庫(Point Cloud Library，PCL)實(shí)現(xiàn)。

通過直通濾波與離群點(diǎn)濾波處理，得到筋板表面的三維點(diǎn)云。為進(jìn)行下一步焊縫識別與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析，需要將三維點(diǎn)云映射至二維平面。由于三維線激光器本身已進(jìn)行標(biāo)定操作，因此二維映射僅需要保留x向和y向的坐標(biāo)、去除z向坐標(biāo)即可。實(shí)際結(jié)構(gòu)件與二維筋板數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 實(shí)際結(jié)構(gòu)件與二維筋板數(shù)據(jù)

3.2 焊縫識別算法

在對二維筋板數(shù)據(jù)進(jìn)行焊縫識別時，由于焊縫均為直線，因此可采用霍夫變換算法檢測二維圖像中的直線特征。對于平面上的一條直線，在笛卡兒坐標(biāo)系中常見點(diǎn)斜式和兩點(diǎn)式兩種表示方法，但在霍夫變換中采用極坐標(biāo)形式表示直線方程，如式(1)所示，其中，霍夫變換的參數(shù)為(ρ，θ)。極坐標(biāo)下的直線方程表達(dá)式如圖8所示。

圖8 極坐標(biāo)下的直線方程表達(dá)式

ρ=xcosθ+ysinθ

(1)

式中：ρ為原點(diǎn)至直線的距離。

假設(shè)在二維圖像中存在N個像素點(diǎn)，需要檢測其中的直線特征，即需要通過霍夫變換找到具體的(ρi，θi)。二維平面每個點(diǎn)均可通過無數(shù)條直線，設(shè)置通過一個點(diǎn)的直線閾值為n，則可確定Nn個(ρ，θ)。對于Nn個(ρ，θ)，利用統(tǒng)計學(xué)原理，在θ=θi時，多個點(diǎn)的ρ近似等于ρi，說明這些點(diǎn)均在(ρi，θi)所代表的直線上。在實(shí)際檢測中，若超過一定數(shù)量的點(diǎn)均具有相同的(ρi，θi)，則代表在二維平面上檢測到1條由(ρi，θi)代表的直線，該直線由這些像素點(diǎn)構(gòu)成。

通過霍夫變換可將二維筋板數(shù)據(jù)的所有焊縫均以直線特征的方式進(jìn)行檢測識別，如圖9所示。各種類型的結(jié)構(gòu)件均可識別直線焊縫和焊縫的方向向量與起終點(diǎn)坐標(biāo)。

圖9 結(jié)構(gòu)件焊縫識別

3.3 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析算法

在完成焊縫識別后，需要針對結(jié)構(gòu)件類型對焊縫拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括焊縫方向、焊縫起終點(diǎn)坐標(biāo)和焊縫相交類型等，為焊接作業(yè)規(guī)劃提供拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息。

簡單型結(jié)構(gòu)件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對簡單，焊縫均為同一方向，根據(jù)霍夫變換所得到的方向向量即可確定焊縫方向。焊縫起終點(diǎn)坐標(biāo)需要考慮如下特殊情況：在兩端均出現(xiàn)過焊孔的情況下，需要添加過焊孔補(bǔ)償，即在起點(diǎn)坐標(biāo)處沿方向向量方向?qū)向或y向坐標(biāo)進(jìn)行補(bǔ)償，在終點(diǎn)坐標(biāo)處沿方向向量反方向?qū)向或y向坐標(biāo)進(jìn)行補(bǔ)償；對于y向兩端斜切的焊縫，在起終點(diǎn)方向補(bǔ)償y向坐標(biāo)，彌補(bǔ)斜切處的點(diǎn)云丟失。該類型焊縫統(tǒng)一定義為Type0。

交叉型無立焊縫結(jié)構(gòu)件相對復(fù)雜，需要采用緩裝工藝，在完成長筋板焊接后點(diǎn)焊短筋板，再進(jìn)行掃描識別和拓?fù)浞治?。根?jù)焊縫的方向向量，區(qū)分x向焊接過的焊縫和y向上未焊接的焊縫；根據(jù)識別的直線相交情況，區(qū)分兩端均與長筋板相交的“相交-相交(有間隙)”類型(Type5)和一端與筋板相交一端開放的“包角-相交”類型(Type3)。

交叉型立焊縫結(jié)構(gòu)件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與交叉型無立焊縫結(jié)構(gòu)件類似，通過相同的拓?fù)浞治龇椒▍^(qū)分兩端與筋板相交無間隙的“相交-相交(無間隙)”類型(Type4)，并通過直線特征相交的交點(diǎn)坐標(biāo)作為立焊縫的焊縫起點(diǎn)，形成立焊縫類型(Type6)。

3.4 焊接作業(yè)規(guī)劃算法

針對不同類型的結(jié)構(gòu)件對應(yīng)的不同焊接工藝，需要根據(jù)規(guī)定的焊接工藝規(guī)劃焊接作業(yè)。智能焊接流水線配置2臺焊接機(jī)器人進(jìn)行對稱焊接，需要生成其智能焊接作業(yè)。

簡單型結(jié)構(gòu)件需要進(jìn)行包角作業(yè)，根據(jù)霍夫變換直線檢測的結(jié)果，以方向向量作為焊接作業(yè)方向，方向向量的反方向作為包角方向。在起終點(diǎn)坐標(biāo)處，分別向當(dāng)前焊縫方向的法向量方向進(jìn)行正負(fù)偏移，偏移值為1/2的筋板厚度，作為2臺機(jī)器人對稱焊接作業(yè)的起點(diǎn)(焊縫起點(diǎn)坐標(biāo))和包角作業(yè)的起點(diǎn)(焊縫終點(diǎn)坐標(biāo))；根據(jù)起終點(diǎn)坐標(biāo)計算得到焊縫長度，通過參數(shù)面板內(nèi)的包角長度參數(shù)，對整條焊縫進(jìn)行分段，分別得到機(jī)器人的焊接長度與包角長度(焊接長度=焊縫長度-包角長度)。簡單型結(jié)構(gòu)件包角焊接作業(yè)規(guī)劃如圖10所示。

圖10 簡單型結(jié)構(gòu)件包角焊接作業(yè)規(guī)劃

交叉型無立焊縫結(jié)構(gòu)件的焊接作業(yè)規(guī)劃基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析后的交叉焊縫起終點(diǎn)坐標(biāo)，起終點(diǎn)坐標(biāo)處理與簡單型結(jié)構(gòu)件相同；短筋板焊縫受機(jī)械結(jié)構(gòu)限制，不進(jìn)行包角作業(yè)；焊接作業(yè)規(guī)劃由起點(diǎn)沿y+方向焊接，至終點(diǎn)坐標(biāo)收槍，焊接長度即為焊縫長度。交叉型無立焊縫結(jié)構(gòu)件非包角焊接作業(yè)規(guī)劃如圖11所示。

圖11 交叉型無立焊縫結(jié)構(gòu)件非包角焊接作業(yè)規(guī)劃

交叉型立焊縫結(jié)構(gòu)件的焊接作業(yè)規(guī)劃與交叉型無立焊縫結(jié)構(gòu)件類似，同時以焊縫交點(diǎn)作為立焊縫的焊接起點(diǎn)，規(guī)劃短筋板焊縫與立焊縫。交叉型立焊縫結(jié)構(gòu)件非包角焊接作業(yè)規(guī)劃如圖12所示。

圖12 交叉型立焊縫結(jié)構(gòu)件非包角焊接作業(yè)規(guī)劃

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

4.1 驗(yàn)證平臺

基于某片體智能焊接流水線對船體小組立結(jié)構(gòu)件的三維掃描識別系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。該流水線為門式焊接裝備，裝配3臺三維線激光傳感器和2臺焊接機(jī)器人；門架下方配備輥道，定義輥道運(yùn)行方向?yàn)閤向、垂直于輥道運(yùn)行方向?yàn)閥向；焊接區(qū)域有效掃描面積為3 500 mm(x向)×3 000 mm(y向)。

4.2 驗(yàn)證結(jié)果

簡單型結(jié)構(gòu)件試件共2條筋板；焊縫長度分別為1 700 mm和3 200 mm，需要進(jìn)行包角作業(yè)；三維掃描識別系統(tǒng)應(yīng)輸出8條焊接作業(yè)，包括4條正常焊接作業(yè)和4條包角焊接作業(yè)；焊縫類型均為Type0。簡單型結(jié)構(gòu)件試件作業(yè)規(guī)劃如圖13所示，符合智能焊接流水線機(jī)器人焊接要求。

圖13 簡單型結(jié)構(gòu)件試件作業(yè)規(guī)劃

交叉型無立焊縫結(jié)構(gòu)件試件共6條短筋板；焊縫長度為732 mm；2條短筋板一端開放一端與長筋板相交(有間隙)；另外4條短筋板兩端均與長筋板相交(有間隙)，不進(jìn)行包角作業(yè)；三維掃描識別系統(tǒng)應(yīng)輸出12條焊接作業(yè)，包括4條“包角-相交”(Type3)焊縫類型和8條“相交-相交(有間隙)”(Type5)焊縫類型。交叉型無立焊縫結(jié)構(gòu)件試件二維結(jié)構(gòu)輸出如圖14所示，符合智能焊接流水線機(jī)器人焊接要求。

圖14 交叉型無立焊縫結(jié)構(gòu)件試件二維結(jié)構(gòu)輸出

交叉型立焊縫結(jié)構(gòu)件試件共2條短筋板；焊縫長度為458 mm，包含8條立焊縫；立焊縫高度為200 mm；不進(jìn)行包角作業(yè)；三維掃描識別系統(tǒng)應(yīng)輸出12條焊接作業(yè)，包括4條“相交-相交”(Type4)焊縫類型和8條立焊縫類型(Type6)。交叉型立焊縫結(jié)構(gòu)件試件二維焊縫輸出如圖15所示，符合智能焊接流水線機(jī)器人焊接要求。

圖15 交叉型立焊縫結(jié)構(gòu)件試件二維焊縫輸出

5 結(jié) 語

針對船體小組立結(jié)構(gòu)件的智能化焊接，對船體小組立結(jié)構(gòu)件類型進(jìn)行分類，基于現(xiàn)有片體智能焊接流水線，開發(fā)三維掃描識別系統(tǒng)。從系統(tǒng)內(nèi)部架構(gòu)、外部邏輯、算法設(shè)計等方面，對三維掃描識別系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的論證與設(shè)計。利用KNN和霍夫變換等點(diǎn)云圖像處理算法，實(shí)現(xiàn)船體小組立結(jié)構(gòu)件的焊縫識別與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析，并結(jié)合機(jī)器人焊接工藝要求和船體小組立結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對不同類型結(jié)構(gòu)件進(jìn)行焊接作業(yè)規(guī)劃，生成符合機(jī)器人智能焊接工藝要求的焊接作業(yè)。通過實(shí)際驗(yàn)證，三維掃描識別系統(tǒng)可準(zhǔn)確識別3類船體小組立結(jié)構(gòu)件的焊縫，并進(jìn)行焊接作業(yè)規(guī)劃，生成的焊接作業(yè)數(shù)量、焊縫類型和焊縫長度均符合機(jī)器人焊接工藝要求。對于焊接變形導(dǎo)致的焊縫偏移，使用機(jī)器人端部裝備的線激光傳感器，在焊接過程中實(shí)時跟蹤焊接軌跡，可保證焊接質(zhì)量。該系統(tǒng)可用于船體小組立結(jié)構(gòu)件的實(shí)際焊接，保證船體小組立結(jié)構(gòu)件智能焊接裝備的準(zhǔn)確高效運(yùn)行。