激光視覺(jué)焊縫跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)

劉少林，王錦夏，鐘 波，李 宏，陶 文

（成都焊研威達(dá)科技股份有限公司，四川成都610300）

激光視覺(jué)焊縫跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)

劉少林，王錦夏，鐘 波，李 宏，陶 文

（成都焊研威達(dá)科技股份有限公司，四川成都610300）

設(shè)計(jì)了一種具有較好應(yīng)用前景的激光視覺(jué)焊縫跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于DSP圖像處理平臺(tái)，采用焊接行業(yè)常用PLC工業(yè)可編程控制器、工業(yè)觸摸屏等模塊，具有焊縫圖像實(shí)時(shí)顯示單元。其總體成本較低，功能完善，可獨(dú)立控制焊炬運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)速度快，易于與焊接領(lǐng)域其他控制系統(tǒng)直連。通過(guò)改進(jìn)的激光器電源調(diào)節(jié)與濾波電路設(shè)計(jì)，解決了焊接現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾影響激光器壽命問(wèn)題；從CCD成像原理，推導(dǎo)出影響焊縫跟蹤中CCD標(biāo)定的關(guān)鍵因素，設(shè)計(jì)了CCD自適應(yīng)標(biāo)定方法，提高了系統(tǒng)的檢測(cè)準(zhǔn)確度；跟蹤試驗(yàn)表明，本系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)合理，有效地防止了焊接現(xiàn)場(chǎng)較強(qiáng)的弧光干擾，跟蹤過(guò)程平穩(wěn)，滿足焊接自動(dòng)化發(fā)展需要。

激光視覺(jué)；焊縫跟蹤；DSP；通信；標(biāo)定；弧光；算法

0 前言

隨著我國(guó)金屬制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)于焊接技術(shù)這樣的關(guān)鍵金屬加工方式的自動(dòng)化要求越來(lái)越高。由于焊縫跟蹤技術(shù)具有能提供焊縫的實(shí)時(shí)位置信息，使焊炬的運(yùn)動(dòng)控制模塊成為閉環(huán)的自適應(yīng)焊接系統(tǒng)，因此國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和公司企業(yè)對(duì)其進(jìn)行了持續(xù)研究，并不斷地研發(fā)出新的傳感器、新的跟蹤技術(shù)。

激光視覺(jué)傳感跟蹤技術(shù)具有信息量大、能進(jìn)行垂直與水平二維跟蹤、靈敏度和精度高、不與被焊工件接觸、適合各種坡口形狀等優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)電弧傳感與機(jī)械傳感跟蹤方式的缺點(diǎn)，已經(jīng)成為目前最具發(fā)展前景的焊縫自動(dòng)跟蹤技術(shù)。而目前視覺(jué)傳感技術(shù)主要依賴于計(jì)算機(jī)平臺(tái)進(jìn)行圖像檢測(cè)與運(yùn)動(dòng)控制，包括外圍執(zhí)行機(jī)構(gòu)，總體成本較高，控制軟件開發(fā)也具有一定的難度。另有部分方案采用可編程控制器FPGA或單片機(jī)等作為圖像處理平臺(tái)，均存在速度低、精度不高的缺點(diǎn)，并且這些跟蹤系統(tǒng)所檢測(cè)到的跟蹤偏移量數(shù)據(jù)通過(guò)一些復(fù)雜的通信協(xié)議進(jìn)行通信，難以與行業(yè)內(nèi)主流焊接設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行方便可靠的連接，因此，實(shí)際應(yīng)用具有一定的局限性。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，設(shè)計(jì)了一種具有較強(qiáng)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的激光視覺(jué)焊縫跟蹤系統(tǒng)，基于激光視覺(jué)與DSP圖像處理平臺(tái)，經(jīng)實(shí)踐證明，具有較好的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

激光視覺(jué)焊縫跟蹤系統(tǒng)如圖1所示，主要采用激光視覺(jué)傳感器、DSP圖像處理平臺(tái)、PLC工業(yè)可編程控制器、工業(yè)觸摸屏、電機(jī)動(dòng)作模塊、十字拖板、圖像顯示屏、便攜式手控盒等組成。其總體成本較低，功能完善，可獨(dú)立控制焊炬運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)速度快，通信簡(jiǎn)單可靠，易于與焊接領(lǐng)域其他控制系統(tǒng)直連，適應(yīng)多種焊縫及焊接工藝方式。

圖1 激光視覺(jué)焊縫跟蹤系統(tǒng)

激光視覺(jué)傳感器，包含CCD攝像機(jī)與線性激光單元[1]，兩者以一定的夾角配裝在視覺(jué)傳感器機(jī)殼內(nèi)。線性激光器將波長(zhǎng)650 nm的線性激光以一定角度投射到待焊工件表面，攝像機(jī)CCD攝取到包含工件焊縫特征的激光反射圖像，通過(guò)視頻信號(hào)電纜送入DSP圖像處理單元進(jìn)行處理，提取焊縫位置信息。

DSP圖像處理單元，通過(guò)圖像處理程序提取焊縫位置，并將處理后的焊縫圖像傳送給圖像顯示屏進(jìn)行顯示觀察，同時(shí)將焊縫垂直與水平偏差或焊縫寬度與面積信息傳送給觸摸屏與PLC可編程控制器進(jìn)行焊接參數(shù)顯示、跟蹤信息與狀態(tài)顯示、控制電機(jī)進(jìn)行位移補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)。DSP圖像處理平臺(tái)主頻600 MHz以上，圖像處理速度快、精度高，所有類型的焊縫檢測(cè)均能在200 ms內(nèi)完成，優(yōu)于其他圖像處理平臺(tái)。具有多個(gè)串/并口，修改部分驅(qū)動(dòng)程序，即可實(shí)現(xiàn)多種標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，與其他工業(yè)控制器較易集成相連。圖像處理模塊保留在線編程接口，焊縫的檢測(cè)程序可單獨(dú)編程，直接燒錄入DSP圖像處理單元即可，方便后續(xù)系統(tǒng)升級(jí)。

PLC工業(yè)可編程控制器，作為激光視覺(jué)焊縫跟蹤系統(tǒng)總控制單元，負(fù)責(zé)跟蹤前焊槍位置調(diào)整、跟蹤過(guò)程中系統(tǒng)啟停控制，接收來(lái)自DSP圖像處理單元的位置偏差信息，控制電機(jī)進(jìn)行糾偏運(yùn)動(dòng)，并將系統(tǒng)工作狀態(tài)發(fā)送到主控制面板，以指示燈進(jìn)行顯示。

觸摸屏作為激光視覺(jué)焊縫跟蹤系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，可進(jìn)行焊接坡口類型選擇、焊接速度、激光視覺(jué)傳感器安裝位置、圖像處理程序運(yùn)行控制等跟蹤參數(shù)的設(shè)定，并接收來(lái)自DSP圖像處理單元的焊縫坡口寬度、焊縫面積、垂直位移偏差與方向、水平位移偏差與方向等跟蹤信息，便于顯示觀察。

作為運(yùn)動(dòng)執(zhí)行單元的電機(jī)動(dòng)作模塊，接收PLC工業(yè)可編程控制器發(fā)送的運(yùn)動(dòng)命令，驅(qū)動(dòng)十字拖板進(jìn)行焊縫位置糾偏。本系統(tǒng)中，既可通過(guò)控制面板上的PLC控制按鍵手動(dòng)調(diào)節(jié)焊炬位置，也可通過(guò)焊縫跟蹤控制焊炬位置，成為焊接控制的獨(dú)立完善系統(tǒng)，可取代部分焊接設(shè)備相似功能的組件模塊。去除驅(qū)動(dòng)電機(jī)與十字拖板，通過(guò)DSP與機(jī)器人相關(guān)接口通信，可與焊接專業(yè)機(jī)器人集成，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)跟蹤焊接。

本系統(tǒng)綜合成本較低，具有完備的檢測(cè)—控制—執(zhí)行功能，可適應(yīng)各種對(duì)接、搭接、V型、角接等焊縫坡口形式，無(wú)需額外的輔助功能部件，可適應(yīng)于埋弧焊或氣保焊，適用于所有以焊接操作機(jī)為主的焊接設(shè)備系統(tǒng)。與其他類似平臺(tái)相比，本系統(tǒng)在檢測(cè)速度、精度、綜合成本、與焊接設(shè)備的融合度、檢測(cè)焊縫的種類方面，均優(yōu)于已有視覺(jué)類跟蹤系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)通信

本系統(tǒng)中，PLC作為整個(gè)系統(tǒng)的主控制器，人機(jī)界面為輔助控制，但在跟蹤通信設(shè)置上，DSP作為主機(jī)，Proface觸摸屏與PLC作為從機(jī)，響應(yīng)DSP的通信請(qǐng)求。DSP主程序流程如圖2所示，系統(tǒng)上電并初始化后，DSP發(fā)送觸摸屏讀取命令，讀取坡口類型，并根據(jù)焊縫類型，調(diào)用相關(guān)圖像處理程序，計(jì)算出焊縫中心，DSP判斷當(dāng)前讀取的觸摸屏數(shù)據(jù)中跟蹤命令是否設(shè)置，若跟蹤設(shè)置為0xAB，則將當(dāng)前焊縫中心作為基準(zhǔn)，并只設(shè)置一次，繼續(xù)進(jìn)行下一步程序運(yùn)行，焊縫偏移計(jì)算完畢后，開始發(fā)送給觸摸屏進(jìn)行跟蹤數(shù)據(jù)顯示，同時(shí)將偏移數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC以執(zhí)行跟蹤，最后在下一幀圖像處理開始時(shí)，繼續(xù)讀取觸摸屏，以隨時(shí)響應(yīng)人機(jī)交互命令；如果當(dāng)前觸摸屏跟蹤設(shè)置不等于0xAB，說(shuō)明處于焊接重置過(guò)程中，DSP將只進(jìn)行焊縫中心計(jì)算，不發(fā)送焊縫偏移信息，并更新焊縫中心基準(zhǔn)，保證了整個(gè)焊縫跟蹤系統(tǒng)隨時(shí)處于人機(jī)可交互的狀態(tài)，在無(wú)需系統(tǒng)復(fù)位的情況下，更換跟蹤參數(shù)設(shè)置，以適應(yīng)不同焊縫的跟蹤需要。

觸摸屏通過(guò)Memory Link協(xié)議與DSP進(jìn)行通信，通信參數(shù)設(shè)置如圖3所示，在存儲(chǔ)器內(nèi)部，用于通信的存儲(chǔ)區(qū)地址為[#MEMLINK]100～115，各存儲(chǔ)區(qū)地址對(duì)應(yīng)的焊接參數(shù)如表1所示。DSP可通過(guò)讀取100～104中的數(shù)據(jù)，判斷當(dāng)前的焊接參數(shù)設(shè)定，并在跟蹤開始時(shí)，向存儲(chǔ)區(qū)109～113寫入浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，包括焊縫坡口寬度、垂直位移偏差與方向、水平位移偏差與方向等跟蹤信息，便于顯示觀察，實(shí)際人機(jī)交互界面如圖4所示。

圖2 DSP主程序流程

圖3 觸摸屏通信設(shè)置

根據(jù)Memory Link擴(kuò)展通信模式（1:1 binary），讀取Proface存儲(chǔ)區(qū)需要發(fā)送的報(bào)文格式為：0x1B—0x52—地址（一個(gè)字寬度）—要讀取的字長(zhǎng)（一個(gè)字寬度）—0xD3。本研究中需要讀取從100到104，共5個(gè)字長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，因此，其讀命令為：{0x1B，0x52，0x00，0x64，0x00，0x05，0xD3}。對(duì)于寫proface數(shù)據(jù)，高位字節(jié)在前，低位字節(jié)在后，先發(fā)送低地址數(shù)據(jù)再發(fā)送高地址數(shù)據(jù)的順序，才能正確寫入需要的數(shù)據(jù)。在DSP端，浮點(diǎn)數(shù)需要通過(guò)程序轉(zhuǎn)換成4個(gè)單獨(dú)的字節(jié)，按照從高字節(jié)到低字節(jié)的順序從串口逐一輸出。寫數(shù)據(jù)報(bào)文格式為：0x1B—0x57—地址（一個(gè)字寬度）—字長(zhǎng)（一個(gè)字寬度）—要寫入的數(shù)據(jù)—0x8D，本研究中要寫的三個(gè)浮點(diǎn)數(shù)及置位字地址107的命令為：{0x1B，0x57，0x00，0x6B，0x00，0x08，…數(shù)據(jù)…，0x8D}；在115200波特率情況下，讀寫通信過(guò)程時(shí)間消耗均在3 ms內(nèi)。

PLC通過(guò)MODBUS協(xié)議與DSP進(jìn)行通信[2]，同樣運(yùn)行于波特率115 200 bit/s，PLC在2 ms內(nèi)完成數(shù)據(jù)接收，12 ms內(nèi)完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)，完全滿足焊縫跟蹤需要，保證了跟蹤實(shí)時(shí)性。

表1 DSP-Proface通信存儲(chǔ)區(qū)說(shuō)明

圖4 本系統(tǒng)人機(jī)界面

3 視覺(jué)傳感組件特性

3.1 激光器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

采用的650 nm激光器標(biāo)稱功率為50 mW，測(cè)量得到的實(shí)際工作特性U-I曲線如圖5所示。在一般的視覺(jué)傳感方式中，激光器的驅(qū)動(dòng)較為簡(jiǎn)單，功率不可調(diào)節(jié)，在實(shí)際應(yīng)用中，由于焊接現(xiàn)場(chǎng)的光電信號(hào)干擾較多，工作于單一功率的激光不易與圖像背景進(jìn)行分離，采用一個(gè)旋鈕電阻器，使激光器的工作點(diǎn)在U-I特性中的線性區(qū)變化，實(shí)現(xiàn)激光器功率的線性調(diào)節(jié)，如圖6所示。

圖5 激光器U-I特性

圖6 激光器電源電路

視覺(jué)傳感器與焊接系統(tǒng)進(jìn)行配裝后，由于焊接現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾信號(hào)較強(qiáng)，同時(shí)視覺(jué)傳感系統(tǒng)電源與信號(hào)走線較長(zhǎng)，即使進(jìn)行了絕緣隔離處理，焊接起弧或焊接系統(tǒng)的開關(guān)控制信號(hào)也極易耦合到激光器電路中，形成較強(qiáng)的干擾脈沖，如圖7所示。通過(guò)示波器的檢測(cè)，沖擊信號(hào)的峰值強(qiáng)度遠(yuǎn)大于3 V，特別是負(fù)向脈沖強(qiáng)度超過(guò)激光器的承受能力，導(dǎo)致激光二極管的反向擊穿，燒毀激光器。通過(guò)在傳感器內(nèi)部緊鄰激光器，增加π型濾波網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)并聯(lián)5 V反向擊穿保護(hù)二極管VDw，可以有效隔離焊接系統(tǒng)中的沖擊干擾信號(hào)，提高激光器的使用壽命，整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。由圖8可知，經(jīng)過(guò)濾波網(wǎng)絡(luò)后，激光器所受干擾急劇降低，從幾伏干擾電壓降低到mV量級(jí)，在激光器可承受范圍內(nèi)。

3.2CCD標(biāo)定

視覺(jué)傳感本質(zhì)上需要將物體與圖像建立一一映射關(guān)系，物體上兩點(diǎn)距離與CCD像素間距關(guān)系構(gòu)成了視覺(jué)測(cè)量的基礎(chǔ)。CCD成像原理如圖9所示，圖中P1、P2分別為距視覺(jué)中心O點(diǎn)一個(gè)像素間距與兩個(gè)像素間距，對(duì)應(yīng)被成像的物體上，距離為B1與B2的物點(diǎn)，或是b1、b2的物點(diǎn)。f為CCD鏡頭焦距，A或a為物體到鏡頭距離。根據(jù)相似三角形原理，可以得到如下等式

圖7 π型濾波前沖擊信號(hào)

圖8 π型濾波后沖擊信號(hào)

圖9 CCD成像原理

更進(jìn)一步，可以推論出Bn=nB1，而CCD的像素間距P由制造工藝決定，在實(shí)際應(yīng)用中是不變的常量，對(duì)于其代表的被成像的物點(diǎn)B來(lái)說(shuō)，其與視覺(jué)中心的距離無(wú)論多遠(yuǎn)，均有

此等式說(shuō)明了對(duì)于處于一定物距的物體，無(wú)論其水平范圍多大，CCD中像素間距對(duì)應(yīng)的物點(diǎn)實(shí)際間距處相等，即在平行于CCD靶面的平面上任一位置，CCD的實(shí)際分辨率是一個(gè)定值，不會(huì)因?yàn)榕c視覺(jué)中心的水平距離遠(yuǎn)近不同而變化。

另一方面，當(dāng)改變物體到鏡頭的距離，從與鏡頭距離A，增加到a，相應(yīng)的由P1、P2像素代表的被成像物點(diǎn)為b1，b2。顯然，b1≠B1，也就是說(shuō)圖像的分辨率發(fā)生了變化，并且其變化的量與物體到鏡頭的距離成比例，即

將圖像實(shí)際分辨率寫成物距的函數(shù)為

物體與鏡頭距離越遠(yuǎn)，能測(cè)量的物點(diǎn)間距越大，視覺(jué)測(cè)量的精度將降低。本系統(tǒng)中，激光視覺(jué)傳感結(jié)構(gòu)如圖10所示，結(jié)構(gòu)光成線性投射到焊縫處，在CCD所成圖像中，水平方向（列向）代表了焊縫的水平位移，激光條紋在圖像中的垂直方向（行向）移動(dòng)代表了垂直位移，即被焊工件焊縫與CCD鏡頭的垂直距離。

圖10 激光視覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)

根據(jù)前述CCD圖像分辨率的推論可知，激光視覺(jué)傳感在水平方向的測(cè)量精度（列分辨率）將受焊縫與傳感器垂直距離影響，即激光條紋處于圖像中不同的行，其實(shí)際分辨率將會(huì)與圖像行計(jì)數(shù)，成直線狀線性變化。而激光視覺(jué)傳感的高度測(cè)量精度（行分辨率）很顯然也受自身行計(jì)數(shù)影響，處于不同行，行分辨率將成比例變化。

安裝一游標(biāo)卡尺于激光視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)的垂直拖板（見圖1伺服Y軸），可以精確測(cè)量出激光傳感器的垂直位移量。將一具有特定間距的測(cè)量模塊放到傳感器下方作為視覺(jué)傳感器標(biāo)定基準(zhǔn)工件，在CCD圖像中，通過(guò)圖像處理，讀出標(biāo)定工件的水平列像素間距、垂直行像素間距隨視覺(jué)傳感高度變化的情況，即可完成視覺(jué)傳感系統(tǒng)的標(biāo)定。

本跟蹤系統(tǒng)中，圖像處理區(qū)域?yàn)?88×432，測(cè)量得到的水平方向分辨率（視覺(jué)傳感實(shí)際精度）隨行號(hào)變化如圖11所示，垂直方向視覺(jué)傳感實(shí)際精度隨行號(hào)變化如圖12所示。由圖12可知，視覺(jué)傳感水平精度與垂直精度隨行號(hào)（對(duì)應(yīng)于激光條紋所在工件與視覺(jué)傳感鏡頭距離）成線性比例變化，由于各組件的配裝誤差以及CCD鏡頭組中心并不是一個(gè)嚴(yán)格的等效點(diǎn)，實(shí)際的精度與行號(hào)并沒(méi)有呈嚴(yán)格的直線關(guān)系，行號(hào)較高的區(qū)域，水平方向與垂直方向像素代表的物理間距均有較高增加，導(dǎo)致圖像位移檢測(cè)精度降低，但是根據(jù)曲線走勢(shì)，兩條曲線均可分區(qū)用直線模擬（圖中虛線），水平精度圖由H1、H2區(qū)構(gòu)成，垂直精度圖由V1、V2區(qū)構(gòu)成。設(shè)水平方向精度為Δh，垂直精度為Δv，行號(hào)為R，則各精度曲線方程為

水平方向

圖11 水平方向視覺(jué)檢測(cè)精度

在視覺(jué)傳感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，激光出射方向與CCD視覺(jué)中心夾角已知并固定，對(duì)于配裝好的視覺(jué)傳感器，其測(cè)量精度隨不同安裝高度的變化是確定的，只需標(biāo)定一次，在隨后的系統(tǒng)跟蹤中，DSP將根據(jù)焊縫高度，采用上述方程自動(dòng)地提取出當(dāng)前位置的水平方向與垂直方向精度，結(jié)合到焊縫圖像處理結(jié)果進(jìn)行位移的計(jì)算，向觸摸屏與PLC發(fā)送實(shí)際的位移偏差量，由此可以看出，本視覺(jué)傳感系統(tǒng)具有標(biāo)定的自適應(yīng)性，極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)測(cè)量值的計(jì)算，提高了跟蹤系統(tǒng)的時(shí)效性。

在視覺(jué)傳感器的標(biāo)準(zhǔn)安裝位置，焊縫的激光圖像處于圖像處理區(qū)的中央，水平分辨率小于0.1 mm/像素，垂直分辨率略低，約為0.145mm/像素，在整個(gè)視場(chǎng)內(nèi)，水平分辨率變化較小，從0.067 2～0.118 mm/像素變化，垂直分辨率變化較大，從0.07～0.25 mm/像素變化，根據(jù)焊接工藝的特點(diǎn)，水平位移精度要求高于垂直方向位移要求，因此，本視覺(jué)系統(tǒng)水平與垂直方向精度差異在可接受范圍內(nèi)。由于本系統(tǒng)為可直接控制電機(jī)進(jìn)行糾偏的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，根據(jù)前述分辨率擬合直線方程計(jì)算的精度，當(dāng)位移跟蹤量和實(shí)際位移有誤差時(shí)，系統(tǒng)將再次檢測(cè)出這個(gè)差值，進(jìn)行重復(fù)糾偏，直到位移偏差小于所在行的分辨率值。

圖12 垂直方向視覺(jué)高度檢測(cè)精度

4 關(guān)鍵算法

在激光視覺(jué)焊縫跟蹤系統(tǒng)中，圖像處理的算法是視覺(jué)檢測(cè)的關(guān)鍵，包括二值化閾值提取、濾波、焊縫特征點(diǎn)提取。焊縫圖像的二值化閾值主要作用是將背景光及電弧光與激光進(jìn)行分離，通過(guò)適當(dāng)?shù)拈撝党槿∷惴?，使背景光及電弧光?qiáng)度在閾值之下，而激光強(qiáng)度在閾值之上，再采用二值化程序處理圖像，得到僅有激光的焊縫特征圖像。濾波的目的是消除圖像中二值化后殘余干擾，包括中值濾波，并根據(jù)結(jié)構(gòu)光圖像特點(diǎn)，判斷消除孤立光斑，根據(jù)左右激光圖像，提取出中心線。

焊縫特征點(diǎn)的提取，主要在于線段的檢測(cè)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)光在焊縫處會(huì)發(fā)生彎折，不同的坡口有不同的激光圖像，普遍采用hough算法進(jìn)行線段的檢測(cè)[3]，再通過(guò)邏輯算法定位焊縫中心。hough變換的計(jì)算源自直線方程的空間變換，計(jì)算量與存儲(chǔ)空間需求較大，在本系統(tǒng)中，DSP尋找到有效的直線過(guò)程時(shí)間消耗超過(guò)200 ms，不能用于激光視覺(jué)實(shí)時(shí)焊縫跟蹤。

一種可靠快速的焊縫特征點(diǎn)提取算法就是激光圖像斜率分析，焊縫的激光線段之間，一次斜率與二次斜率均會(huì)在焊縫邊沿出現(xiàn)較大的峰值。圖13為不同工件上的激光圖像，圖13a為普通U型焊縫，圖13b為一種凸起焊瘤。抽取出單像素直線后，即可通過(guò)像素點(diǎn)前后列、行關(guān)系計(jì)算斜率。圖13c為圖13a中單像素線段的一次斜率與二次斜率曲線，圖13d為圖13b中線段的一次斜率與二次斜率曲線。由圖13可知，對(duì)于線段的突變邊沿，一次斜率或二次斜率均有正向或負(fù)向尖峰，提取出斜率峰值位置，即可檢測(cè)出焊縫的特征點(diǎn)。同時(shí)，相鄰線段的位置關(guān)系也較直觀地反應(yīng)在斜率變化趨勢(shì)中。圖13a中圖像成凹字型，其一次斜率為正向峰值先出現(xiàn)，然后出現(xiàn)負(fù)向峰值，二次斜率的正向峰值間距大于負(fù)向峰值間距；圖13b中圖像成相反的凸字型，一次斜率負(fù)向峰值比正向峰值先出現(xiàn)，二次斜率的正向峰值間距小于負(fù)向峰值間距。根據(jù)這些斜率變化特征，可以判斷當(dāng)前焊縫的形貌，并可根據(jù)相應(yīng)的要求判斷出焊縫中心。

斜率曲線同樣能反映出具有傾斜直線的焊縫圖像特征，對(duì)于同一直線上的像素點(diǎn)，其斜率不會(huì)有較大變化，只在線段邊沿或發(fā)生轉(zhuǎn)折時(shí)，才出現(xiàn)斜率的峰值或正負(fù)跳變。即使單像素直線完全填滿圖像橫向維度，所有焊縫的一次斜率與二次斜率計(jì)算時(shí)間總消耗均小于20 ms，遠(yuǎn)小于hough變換時(shí)間消耗。在存儲(chǔ)需求上，斜率分析算法也較hough變換算法節(jié)約較大的內(nèi)存空間。在本系統(tǒng)中，采用浮點(diǎn)數(shù)組記錄一次斜率與二次斜率，分別需要2×4×8×432/1024= 27 kB，而依據(jù)本系統(tǒng)中的圖像數(shù)據(jù)量，要實(shí)現(xiàn)hough變換的計(jì)算，必需分配732 kB的內(nèi)存空間，因此，激光視覺(jué)傳感計(jì)算焊縫的特征信息，斜率分析計(jì)算是算法的核心，具有快速準(zhǔn)確的焊縫特征提取能力。

5 焊縫跟蹤試驗(yàn)

激光視覺(jué)焊縫跟蹤試驗(yàn)系統(tǒng)由激光視覺(jué)傳感器、激光視覺(jué)焊縫跟蹤控制柜、米加尼克sigma500數(shù)字化焊接電源、威達(dá)自動(dòng)焊接小車、導(dǎo)軌等組成，如圖14所示，激光視覺(jué)焊縫跟蹤控制系統(tǒng)實(shí)際界面如圖15所示，具有跟蹤狀態(tài)指示、激光電源調(diào)節(jié)、焊縫圖像及跟蹤圖像顯示、人機(jī)界面交互、跟蹤機(jī)頭手動(dòng)控制、系統(tǒng)電源控制等功能。

圖13 焊縫激光圖像與斜率曲線

圖14 激光視覺(jué)焊縫跟蹤試驗(yàn)系統(tǒng)

針對(duì)焊縫為10 mm板厚的V型坡口進(jìn)行焊縫跟蹤、防弧光干擾試驗(yàn)。焊接方式為具有較強(qiáng)弧光的Ar+CO2氣體保護(hù)MAG焊，典型焊接參數(shù)為：焊接電流230 A，電壓23 V，焊接速度400 mm/min，焊絲直徑1.2 mm，保護(hù)氣體流量25 L/min。

傳感器CCD鏡頭集成650 nm窄帶濾光波片，外殼底部有透光率為30%的弧光玻璃，有效地抑制了弧光對(duì)圖像的干擾，同時(shí)采用自適應(yīng)閾值提取與濾波的圖像處理技術(shù)，使透過(guò)CCD鏡頭的干擾弧光，在DSP內(nèi)部通過(guò)二值化與濾波進(jìn)行了消除。焊接起弧前焊縫圖像如16所示，焊接起弧后焊縫圖像如圖17所示。由圖17可知，焊接開始后，有較強(qiáng)的弧光進(jìn)入到焊縫圖像中，然而在焊縫跟蹤圖像處理區(qū)域，弧光被圖像處理算法消除，只保留了焊縫激光圖像，有效地提高了跟蹤計(jì)算的可靠性，消除了焊接現(xiàn)場(chǎng)的弧光干擾。

圖15 激光視覺(jué)焊縫跟蹤控制系統(tǒng)實(shí)際界面

圖16 焊接起弧前焊縫圖像

圖17 焊接過(guò)程中的焊縫激光圖像

試驗(yàn)中，焊縫與焊接小車直線導(dǎo)軌在水平面形成約30°夾角，在垂直面上形成20°夾角，隨著焊接小車以400 mm/min速度前進(jìn)，焊槍將在激光視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)的控制下，隨焊縫與直線導(dǎo)軌的高低、水平偏移量而運(yùn)動(dòng)，始終保持焊槍與焊縫的垂直距離、水平距離不變，達(dá)到焊縫跟蹤的目的。焊接效果如圖18、圖19所示。由圖18、圖19可知，在垂直、水平方向上，與直線導(dǎo)軌形成的夾角相反。焊縫焊接成形效果較好，未發(fā)生偏移現(xiàn)象，無(wú)明顯的焊接缺陷，激光視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了較強(qiáng)弧光干擾下的焊縫跟蹤功能。

圖18 V型坡口在視覺(jué)跟蹤控制下的焊接效果

圖19 相反夾角的V型坡口焊接效果

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)的激光視覺(jué)焊縫跟蹤系統(tǒng)基于DSP圖像處理平臺(tái)，采用了焊接行業(yè)常用PLC、觸摸屏等模塊，通過(guò)改進(jìn)的激光器電源調(diào)節(jié)與濾波電路設(shè)計(jì)，解決了焊接現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾影響激光器壽命問(wèn)題；從CCD成像原理，推導(dǎo)出影響焊縫跟蹤中CCD標(biāo)定的關(guān)鍵因素，設(shè)計(jì)了CCD自適應(yīng)標(biāo)定方法，提高了系統(tǒng)的檢測(cè)準(zhǔn)確度；確立了激光視覺(jué)跟蹤的關(guān)鍵算法。跟蹤試驗(yàn)表明，系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)合理，有效地防止了焊接現(xiàn)場(chǎng)較強(qiáng)的弧光干擾，跟蹤過(guò)程平穩(wěn)，成本較低，檢測(cè)速度快，易于與焊接領(lǐng)域其他控制系統(tǒng)直連，適應(yīng)多種焊縫及焊接工藝方式，具有較好的應(yīng)用前景。

[1]劉少林，劉正君，陶文，等.中厚板激光焊接跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電焊機(jī)，2013，43（6）：88-94.

[2]呂國(guó)芳，唐海龍，李進(jìn).基于Modbus RTU的串口調(diào)試軟件的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2009，19（9）：236-240.

[3]朱芳芳，顧宏斌，孫瑾.一種改進(jìn)的Hough變換直線檢測(cè)算法[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2009，19（5）：19-22.

Design of laser visual weld tracking system and key technology

LIU Shaolin，WANG Jinxia，Zhong Bo，LI Hong，TAO Wen
（Chengdu Hanyan Weida Technology Co.，Ltd.，Chengdu 610300，China）

Apromising practical laser visual seam tracking system has been developed in this paper.The system is based on DSP image processing platform，using PLC programmable controller，touch screen module，weld image real-time display unit，et al.Those are commonly used in modules in the welding industry.It's lower overall cost，fully functional，could independently control the torch movement，faster speed of detection，and easily be connected to other control systems directly in welding areas.The underlying communication system is designed to meet the needs of real-time seam tracking.By improving laser power regulator and filter circuit design，can resolve laser welding site electromagnetic interference life issues.From CCD imaging theory，deduce the key factors that affect seam tracking CCD calibration，design CCD adaptive calibration method to improve the detection accuracy of the system. Establishing a critical laser vision tracking algorithm.Tracking experiments show that the system software and hardware design are reasonable，effectual to prevent interference arc welding site strong，stable tracking process，welding quality and reliability to meet the development needs of welding automation.

laser vision；welding seam tracking；DSP；communication；calibration；arc；algorithm

TG111

：A

1001-2303（2015）09-0051-08

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.11

2015-01-03；

2015-03-26

成都市工業(yè)和信息化企業(yè)提升技術(shù)水平項(xiàng)目-市級(jí)項(xiàng)目補(bǔ)助專項(xiàng)項(xiàng)目

劉少林（1981—），男，四川成都人，博士，主要從事DSP技術(shù)應(yīng)用、焊接自動(dòng)化等研究工作。