基于激光位移傳感器的焊縫跟蹤實(shí)驗(yàn)研究

甘文龍，劉海生，王中任

（1.湖北文理學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，湖北襄陽(yáng)441053；2.武漢科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北武漢430081）

基于激光位移傳感器的焊縫跟蹤實(shí)驗(yàn)研究

甘文龍1，2，劉海生1，王中任1

（1.湖北文理學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，湖北襄陽(yáng)441053；2.武漢科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北武漢430081）

自動(dòng)焊接技術(shù)是一種提厚壁管道焊接生產(chǎn)率和焊接質(zhì)量的解決方案。采用基恩士線位移傳感器，基于激光三角法原理可以精確提取焊接母材的坡口邊緣特征及焊縫中心位置。爬行機(jī)器人根據(jù)測(cè)得的坡口深度和寬度的變化，來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)焊頭的高度和擺幅。對(duì)30°的焊接母材坡口進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，可以掃描得到焊接接頭的3D輪廓，測(cè)得中心基準(zhǔn)偏差為0.6～1 mm左右，為最終實(shí)現(xiàn)焊縫視覺(jué)跟蹤提供了依據(jù)。

焊接；激光位移傳感器；機(jī)器視覺(jué)；管道

焊接是用于連接金屬的常用工藝技術(shù)，在汽車、船舶和石油化工等工業(yè)領(lǐng)域中工廣泛使用。但是目前的自動(dòng)化水平低下，大部分焊接工作是手動(dòng)完成的，即使采用了焊接機(jī)器人，大多是采用“示教”的工作模式。這種焊接模式固定單一，缺乏柔性，對(duì)于焊材的形狀和焊接的位置有嚴(yán)格的要求，且工作形式固定，對(duì)環(huán)境要求高。完成全自動(dòng)焊接的一個(gè)重要的影響因素是由于焊接過(guò)程中焊接母材的金屬熱變形導(dǎo)致在焊接過(guò)程中焊縫跟蹤定位很難提取。在國(guó)內(nèi)外研究焊縫跟蹤定位常用的是邊緣特征點(diǎn)定位確定焊縫中心[1-2]及通過(guò)焊接熔池中心點(diǎn)偏差來(lái)確定焊縫中心[3]。為了更精確的跟蹤定位焊接過(guò)程中焊接焊縫，本文基于基恩士的線位移傳感器可以準(zhǔn)確的獲得焊縫中心和線基準(zhǔn)的偏差量，研究焊接過(guò)程焊縫中心的變化的規(guī)律的影響因素。

1 線位移傳感器測(cè)量原理及焊縫跟蹤系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 線位移傳感器定位系統(tǒng)測(cè)量原理

線位移傳感器基恩士基于激光三角法測(cè)量原理，如圖1所示，激光發(fā)射器發(fā)出波長(zhǎng)為405 nm的藍(lán)色半導(dǎo)體高亮度激光，激光線總長(zhǎng)為固定長(zhǎng)度40 mm，當(dāng)激光發(fā)射器跟隨小車在焊接母材上運(yùn)動(dòng)時(shí)，在焊接母材上產(chǎn)生遵循焊接表面的輪廓的激光條紋。激光條紋圖像經(jīng)濾光器和聚焦透鏡在像平面上可形成出如圖1的V形坡口圖像。在以往的研究中，激光條紋的提取有很多方式，比如高斯接近法，質(zhì)心法等[4-5]。為了形成一個(gè)閉環(huán)的跟蹤焊接系統(tǒng)，焊接接口輪廓的特征點(diǎn)必須被精確的提取和定位，在本文中，采用提取特征拐點(diǎn)的方法對(duì)激光條紋進(jìn)行處理得到中心位置，焊接母材上的特征拐點(diǎn)即為激光條紋與焊接坡口的轉(zhuǎn)折點(diǎn)以及焊縫接口最低點(diǎn)，其特征如圖2（a）所示，在圖2（b）表示一個(gè)9×14的像素列陣，其提取特征點(diǎn)即像素坐標(biāo)為（1，3），（5，7），（1，11）等。

圖1 激光傳感器原理

圖2 特征點(diǎn)提取

1.2 線位移傳感器焊縫跟蹤系統(tǒng)構(gòu)成

本文的線位移傳感器焊縫跟蹤系統(tǒng)由焊接母材管道、焊機(jī)、送絲機(jī)、保護(hù)氣以及爬行焊接機(jī)器人等組成。焊接母材管道規(guī)格為Φ625×25，即管道直徑625 mm，坡口厚度為25 mm.焊接接口坡口角度為30°，形成坡口寬度為29 mm，打底焊材為ER50-6.采用擺動(dòng)加停留的焊接方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接，根據(jù)焊接母材完成焊接的具體焊接參數(shù)如表1所示，型號(hào)為L(zhǎng)J-V7080的中等距離型基恩士線位移傳感器打出“一字”形高亮度條紋。焊機(jī)及爬行機(jī)器人如圖3所示。

表1 焊接工藝參數(shù)

圖3 焊機(jī)及測(cè)量系統(tǒng)組成

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)所用傳感器打出的激光線的總線長(zhǎng)為40 mm固定不變，故激光直接發(fā)射會(huì)打出長(zhǎng)度為40 mm的“一字”形的直線，當(dāng)打在焊接母材后會(huì)遵循著焊接的坡口形狀形成一個(gè)V型，坡口實(shí)際的寬度會(huì)根據(jù)管徑的大小形成的坡口大小不同而有所變化。實(shí)驗(yàn)用管道的實(shí)際坡口寬度計(jì)算為29 mm，故激光線的長(zhǎng)度可以完整的打在焊接坡口上。由于焊接的是多層多道焊接，為了保證焊接中焊縫的定位精確，故提取焊接坡口的拐點(diǎn)為全程焊接過(guò)程的特征點(diǎn)，因?yàn)樵诘谝粚雍附雍蠛缚p的接口處的特征點(diǎn)將被埋沒(méi)[6]，無(wú)法提取。坡口的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為明顯的特征提取點(diǎn)，而該特征點(diǎn)即我們需要用來(lái)計(jì)算焊縫中心的依據(jù)點(diǎn)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的焊接條件以及焊接工藝，保證自動(dòng)焊接的實(shí)現(xiàn)和視覺(jué)系統(tǒng)的穩(wěn)定，在視覺(jué)系統(tǒng)前面加上弧光遮擋，為了最大精度的保證焊接過(guò)程，焊槍的末端與激光器的相對(duì)夾角位置范圍值[7，8]為55～60°，且相對(duì)距離為50～80 mm.

由實(shí)驗(yàn)測(cè)得焊縫跟蹤偏差值波動(dòng)圖如圖5所示，在前0～70 s的范圍內(nèi)基準(zhǔn)偏差值在小范圍之內(nèi)，其平均誤差為0.6～1 mm左右，基本可以滿足焊接要求，在70～80 s的范圍內(nèi)基準(zhǔn)偏差已經(jīng)超過(guò)了1 mm實(shí)驗(yàn)要求，表示小車已經(jīng)偏移了實(shí)際的焊接軌跡，無(wú)法滿足焊接工藝要求,觀察實(shí)時(shí)性強(qiáng)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，基于激光線的特征點(diǎn)提取焊縫的跟蹤有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：1）采用激光線的線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，激光穩(wěn)定性強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)；2）特征點(diǎn)明顯，提取簡(jiǎn)單快速，可以保證較高的精度。焊縫跟蹤定位影響因素很多，其主要的產(chǎn)生誤差的主要因素有：1）小車自身機(jī)械的結(jié)構(gòu)、爬行電機(jī)等因素，導(dǎo)致爬行出現(xiàn)一定的誤差；2）焊接母材管道的圓度會(huì)造成小車磁輪貼合不全，運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)偏差，帶來(lái)誤差；3）打磨坡口的平整性會(huì)導(dǎo)致拐點(diǎn)提取精度下降帶來(lái)誤差。

圖5 偏差值分析

在本文的焊縫跟蹤定位實(shí)驗(yàn)中，還得到了焊縫區(qū)域的二維形貌和3D輪廓，如圖6所示，三維輪廓可以根據(jù)焊縫區(qū)域的不同位置來(lái)顯示高度值，以顏色深淺來(lái)表示。掃描得到的三維輪廓可以為檢測(cè)焊接質(zhì)量提供一定的依據(jù)。

圖6 焊縫輪廓

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于線位移傳感器開展了焊縫跟蹤的實(shí)驗(yàn)研究，初步得到了焊縫中心基于激光中心的偏差值，討論了基于線位移傳感器提取中心偏差的優(yōu)勢(shì)以及影響該偏差值的因素，生成了焊縫區(qū)域的三維輪廓圖，對(duì)最終實(shí)現(xiàn)焊縫機(jī)器人視覺(jué)引導(dǎo)有一定的指導(dǎo)意義。

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Experimental Study on Welding Seam Tracking Based on Laser Displacement Sensor

GAN Wen-long1，2，LIU Hai-sheng，WANG Zhong-ren2
（1.Hubei Liberal Arts College School of Mechanical and Automotive Engineering，Xiangyang Hubei 441053，China；2.Wuhan University of Science and Technology Institute of Mechanical Engineering，Wuhan Hubei 430081，China）

Automatic welding technology is a solution to improve welding productivity and quality for thick-wall pipe.Based on the principle of laser triangulation，the laser displacement sensor was applied to detect the welding groove edge characteristics and weld centerof the parent metal.The weld head height and sway were automatically adjusted by the crawling robot according to the depth and width of the welded groove measured.For parent metal welding groove of 30°，the 3D profile of the welded joint was obtained and the measured reference center deviation is about 0.6 to 1 mm.The study provide theory and experimental basis for final welding tracking.

welding；laser displacement sensor；machine vision；pipe

TP242

A

1672-545X（2017）03-0087-03

2016-12-05

甘文龍（1991-），男，湖北天門人，在讀研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)器人視覺(jué)；王中任（1974-），男，湖北黃梅人，博士，教授，研究方向?yàn)橹悄苤圃炫c機(jī)器視覺(jué)。