基于雙線結構光傳感器的埋弧焊縫跟蹤系統(tǒng)研究

(南昌大學 江西省機器人與焊接自動化重點實驗室，南昌 330031)

基于雙線結構光傳感器的埋弧焊縫跟蹤系統(tǒng)研究

周依霖張華肖勇郭亮

(南昌大學 江西省機器人與焊接自動化重點實驗室，南昌 330031)

針對船舶制造中長板對接焊縫的埋弧焊生產(chǎn)效率低、勞動強度大，且使用單線結構光傳感器易受小車行走軌道安放的影響而產(chǎn)生導前誤差，研制了一種基于雙線結構光傳感器的埋弧焊縫跟蹤系統(tǒng)?；诮Y構光成像原理，建立了雙線結構光傳感器的數(shù)學模型，從中得到了焊縫軌跡空間位姿和焊縫偏差。設計了雙線結構光傳感器，并結合埋弧焊的焊接特點，設計了針對V形坡口焊縫的圖像處理算法。介紹了焊縫跟蹤系統(tǒng)的組成和工作原理，并對傳感器和焊縫跟蹤系統(tǒng)進行了試驗驗證。結果表明，傳感器數(shù)學模型正確且檢測精度較高，能夠實現(xiàn)對焊縫軌跡空間位姿的檢測，焊縫跟蹤系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠滿足實際焊接要求。

雙線結構光傳感器埋弧焊焊縫跟蹤圖像處理

0 序 言

埋弧焊作為一種高效、優(yōu)質的焊接方法，在船舶自動化焊接中占有重要地位。由于具有焊接熔深大、生產(chǎn)效率高、焊接質量好等優(yōu)點，特別適用于船體中厚板和長焊縫的焊接。在船體零部件、船體分段和船臺船體總段合攏的長板對接焊縫的焊接中，由于焊接區(qū)被焊劑覆蓋，焊絲與焊縫中心的相對位置難以觀察，為了保證焊接質量，使焊絲能夠對準焊縫中心，每次焊前都需要對小車行走軌道進行調整，在批量生產(chǎn)的情況下，對生產(chǎn)效率造成很大的影響[1-2]。此外，焊接工件加工偏差、裝配間隙不一致以及工件受熱變形等因素容易導致焊接過程中焊絲與焊縫中心偏離，工人需要根據(jù)實際焊接效果判斷焊絲偏移方向并做出相應調整，這不僅要求工人具有豐富的焊接經(jīng)驗，而且勞動強度很大[3]。因此，實現(xiàn)埋弧焊的長板對接焊縫自動跟蹤對于保證焊接質量、提高生產(chǎn)效率、減輕工人勞動強度具有重要意義。

結構光視覺傳感器由于具有信息量大、精度高、與工件無接觸、抗電磁和煙塵能力強等優(yōu)點，已成為焊縫跟蹤領域的研究熱點，并被廣泛應用于各種焊接工藝中[4-6]。然而現(xiàn)有的結構光視覺傳感器大多采用單線結構光傳感方式，其檢測位置與實際焊接位置存在一定距離。使用該種傳感器對埋弧焊的長板對接焊縫跟蹤時，由于焊接位置周圍存在大量的焊劑，為了避免焊劑的干擾，傳感器檢測位置與焊接位置之間的距離需加大，當小車行走軌道與焊縫軌跡之間存在偏角或軌道安放面不平整時，容易造成焊炬的導前誤差，僅通過簡單的記憶和延遲難以消除。與單線結構光傳感方式相比，雙線結構光傳感方式能夠獲得更為豐富的焊縫信息，通過對焊縫的兩個不同位置進行檢測，獲得焊縫軌跡走向繼而求得焊接位置處的焊縫偏差，從而避免了因軌道安放而引起的導前誤差[7]。為此，文中采用雙線結構光傳感方式構建了埋弧焊的長板對接焊縫跟蹤系統(tǒng)，建立了雙線結構光傳感器的數(shù)學模型，從中得到了焊縫軌跡空間位姿和焊縫偏差，設計了雙線結構光傳感器及V形坡口焊縫圖像處理算法，并對傳感器和焊縫跟蹤系統(tǒng)進行了試驗驗證。

1 雙線結構光傳感器數(shù)學模型

雙線結構光傳感器采用光學三角法原理，主要由兩個線狀結構光發(fā)生器和成像裝置組成。傳感器安裝于焊炬前方，如圖1所示，CCD攝像機平行于焊炬軸線豎直安放，兩個結構光發(fā)生器成一定夾角對稱安置于CCD攝像機兩側。工作時，發(fā)生器將線狀結構光投射至焊接工件表面，形成兩條具有焊縫特征的結構光條紋，通過工件表面的反射和漫反射途徑衰減片、濾光片，最后在攝像機上成像。通過圖像處理，分別獲得兩結構光條紋坡口處的形狀、位置等信息，從而求得當前焊縫軌跡相對焊炬的空間位姿信息。

圖1 雙線結構光傳感器工作示意圖

雙線結構光傳感器投影成像模型如圖2所示，以焊炬底部中心ow為原點，建立焊炬坐標系ow-xwywzw，其坐標軸zw與焊炬軸線重合，坐標軸xw沿焊接小車移動方向。點oi為CCD攝像機成像平面中心，其在坐標系ow-xwywzw下的坐標為(L,0,H)，以該點為原點建立圖像坐標系oi-xiyizi，坐標軸zi與攝像機光軸重合，并與zw軸反向，坐標軸xi與xw軸平行且同向。兩個線狀結構光分別從射出點ol1，ol2發(fā)出，光平面垂直于平面xwowzw并與zi軸成θ角進行投射，與焊接工件表面相交形成兩條條紋。坐標系ow-xwywzw下點ol1，ol2坐標分別為(L-l/2,0,h)，(L+l/2,0,h)，對應的光平面方程分別為

(1)

圖2 雙線結構光傳感器投影成像模型

設工件表面任意一點在焊炬坐標系ow-xwywzw下的坐標為(xw,yw,zw)，其投影至成像平面上的像點在圖像坐標系oi-xiyizi下的坐標為(xi,yi,0)，通過坐標變換和透視變換[8]，可推導出

(2)

聯(lián)立式(1)和(2)，根據(jù)工件表面結構光條紋上各點在成像平面上對應像點的圖像坐標可求得其在焊炬坐標系ow-xwywzw下的坐標為

(3)

式中：點ol1對應的條紋取“+”號，點ol2對應的條紋取“-”號；H為CCD攝像機成像平面至焊炬底部的距離；L為攝像機光軸至焊炬軸線的距離；f為攝像機焦距；h為結構光發(fā)生器射出點至焊炬底部的距離；l為兩結構光發(fā)生器射出點之間距離。

設由式(3)求得焊炬坐標系ow-xwywzw下兩條紋在焊縫中心p1，p2兩點的坐標分別為(xw1,yw1,zw1) (xw2,yw2,zw2)，則焊縫中心軌跡直線方程可表示為

(4)

由式(4)可求得當前焊點p的坐標為

(5)

式中：y和z即為焊炬與焊縫中心在水平和垂直方向上的位置偏差。

2 雙線結構光傳感器設計與實現(xiàn)

2.1 傳感器設計

為了使傳感器具有良好的測量精度和抗干擾能力，拍攝到清晰的結構光條紋，需對傳感器元器件和結構參數(shù)進行合理的選取。通過對電弧焊的弧光光譜進行分析可知，在500～600 nm波長區(qū)間，弧光強度相對較高，波長600 nm以上強度相對較低[9]，為此選用波長為650 nm的一字激光器作為線狀結構光發(fā)生器。CCD攝像機采用WAT-704R黑白攝像機，其有效像素(V×H)為786×540。激光器和CCD攝像機外形尺寸分別為φ12 mm×36 mm和φ18 mm×50 mm，便于安裝且利于傳感器的密封和小型化。為了盡可能消除弧光和自然光的干擾，獲得高質量的激光條紋圖像，在CCD攝像機前端放置裝有濾光片和衰減片的光學鏡頭。濾光片的中心波長為650 nm，能夠最大限度濾除弧光和自然光并讓激光透過；衰減片透過率為10%，能夠有效限制激光強度，便于后期圖像處理。傳感器底部裝有由高透玻璃制成的防飛濺擋板，能夠防止焊接飛濺進入傳感器。為了避免傳感器內(nèi)部光線的反射和散射，在激光器和CCD攝像機之間設置隔板，并將傳感器殼體內(nèi)部及光學鏡頭殼體涂黑。圖3為設計的雙線結構光傳感器。

圖3 雙線結構光傳感器結構圖

為了使傳感器能夠獲得較為明顯的焊縫坡口特征并且具有較小的體積，將激光器軸線與CCD攝像機軸線之間的夾角設置為20°，兩側激光器透鏡之間的距離約為54 mm。傳感器通過安裝支架與焊炬固定連接，CCD攝像機軸線與焊炬軸線之間的距離為94 mm，能夠確保激光正常投射至焊接工件表面，避開焊劑對激光條紋的干擾。傳感器相對焊炬底部的安裝高度為120 mm，安裝后CCD攝像機鏡頭至焊炬底部的距離約為140 mm，激光器透鏡至焊炬底部的距離約為132 mm，激光投射至工件表面的條紋寬度約為1 mm。傳感器拍攝到的激光條紋原始圖像如圖4所示。

圖4 激光條紋圖像

2.2 激光條紋圖像處理

對傳感器拍攝的激光條紋圖像進行處理是實現(xiàn)結構光傳感焊縫跟蹤的基本前提，其主要技術問題是從圖像中提取激光條紋中心線并檢測出焊縫特征點。結合雙線結構光傳感器的工作特點以及埋弧焊焊接環(huán)境，系統(tǒng)針對V形坡口焊縫所采用的圖像處理流程為圖像加窗、圖像增強、閾值分割、中心線取樣和特征點提取。為了提高圖像處理速度，對采集的原始圖像進行加窗處理。經(jīng)試驗測試，取出原始圖像200像素×300像素進行處理較為合適。埋弧焊焊接過程中，電弧在焊劑層下燃燒，弧光對激光條紋圖像影響較小，圖像干擾主要源于焊劑、焊接工件表面反光以及圖像生成、傳輸過程中的噪聲干擾。為此采用中值濾波進行圖像增強處理，去除干擾后的圖像如圖5a所示。為了將左、右兩激光條紋從圖像中分割出來，采用KSW熵算法自動求取閾值，并根據(jù)閾值對圖像進行分割消隱，結果如圖5b所示。采用Kirsch邊緣檢測算子對激光條紋的邊緣進行提取，分別得到左、右兩條紋的邊緣曲線，如圖5c所示。在此基礎上，對圖像進行逐行搜索，分別在左、右條紋邊緣曲線上提取同一行的兩個像素點并對其坐標求平均值，圖像各行平均值處像素點的連線即為激光條紋中心線，如圖5d所示。采用斜率分析法分別對左、右條紋中心線進行特征點檢測，找出中心線上V形坡口的3個轉折點，并對坐標值進行比較。左條紋中心線上最左側轉折點和右條紋中心線上最右側轉折點即為激光條紋在焊縫坡口中心處對應的像點。將兩像點在圖像坐標系下的坐標分別代入式(3)～(5)，即可計算出焊縫軌跡空間位姿和焊縫偏差。

圖5 激光條紋圖像處理結果

3 埋弧焊縫跟蹤系統(tǒng)及試驗驗證

3.1 系統(tǒng)組成

埋弧焊縫跟蹤系統(tǒng)由雙線結構光傳感器、圖像采集與處理模塊、糾偏控制模塊和埋弧自動焊接模塊(包括焊接小車、焊接電源等)等組成。系統(tǒng)工作原理如圖6a所示，傳感器CCD攝像機對工件表面激光條紋進行拍攝，經(jīng)圖像采集卡采集并傳送至工控計算機進行圖像處理，提取焊縫特征點信息，計算出當前焊縫軌跡空間位姿以及焊縫偏差。焊接小車攜帶焊炬在行走軌道上沿x軸方向移動，利用光電編碼器對其移動速度進行檢測，通過數(shù)據(jù)采集卡采集并反饋至工控計算機。工控計算機結合當前小車移動速度對焊縫偏差進行控制解算，并向運動控制卡發(fā)出控制信號，通過驅動器控制電機實現(xiàn)焊炬在y軸和z軸方向上位置的調節(jié)，從而實現(xiàn)焊接過程焊縫的實時跟蹤。

系統(tǒng)采用船舶制造中廣泛使用的HC-4型埋弧焊平焊小車，并對其機械傳動和電控部分進行改進，采用步進電機驅動取代y軸和z軸滑臺原有的手輪調節(jié)，并在滑臺移動方向上安裝光電傳感器。系統(tǒng)中采用阿爾泰ART1010運動控制卡實現(xiàn)對滑臺驅動電機的控制，通過數(shù)據(jù)采集卡阿爾泰ART2512實現(xiàn)對滑臺位置信號和小車速度信號的采集，工控計算機采用研華PCM3362工控主板，圖像采集卡采用大恒VT121。工控主板、運動控制卡、數(shù)據(jù)采集卡以及圖像采集卡均安裝在小車控制箱中，并通過PC104總線進行通信。小車控制箱上方安裝有工業(yè)顯示屏，用于實現(xiàn)焊縫跟蹤過程的監(jiān)測和調試。圖6b為埋弧焊縫跟蹤系統(tǒng)實物圖。

3.2 試驗驗證

焊縫跟蹤系統(tǒng)在完成安裝后需對傳感器數(shù)學模型中的參數(shù)θ，H，L，f，h和l進行標定，在靶標的兩條激光條紋上各選取10個點，分別將這20個點在焊炬坐標系下的坐標和對應像點在圖像坐標系下的坐標代入式(3)中，并通過最小二乘法求解出上述參數(shù)。

為了驗證雙線結構光傳感器數(shù)學模型的正確性并檢測其測量精度，進行V形坡口焊縫軌跡空間姿態(tài)測量試驗，如圖7所示。

圖6 雙線結構光傳感埋弧焊縫跟蹤系統(tǒng)

圖7 焊縫軌跡空間姿態(tài)測量試驗

焊縫軌跡與軌道安放平面之間的夾角為α=5°，其在安放平面上的投影與小車軌道之間夾角為β=10°，焊接小車帶動傳感器以80 cm/min的速度沿軌道方向移動，系統(tǒng)每隔500 ms采集一幅激光條紋圖像并保存，共采集20次。提取圖像中特征點并結合式(3)～(4)，計算焊縫軌跡與軌道安放平面、小車軌道之間夾角α，β的測量值，所得結果如圖8所示。由圖8試驗結果可以看出，焊縫軌跡與安放平面夾角的計算值誤差小于0.4°，焊縫軌跡投影與小車軌道夾角的計算值誤差小于0.6°。結果表明，傳感器數(shù)學模型正確且工作可靠，能夠滿足檢測要求。

圖8 焊縫軌跡空間姿態(tài)測量結果

為了檢驗雙線結構光傳感器埋弧焊縫跟蹤系統(tǒng)焊接過程跟蹤效果，進行焊縫跟蹤焊接試驗。試驗中焊接試板厚度為10 mm，V形坡口焊縫軌跡與軌道安放平面之間的夾角約為5°，其在安放平面上的投影與小車軌道之間夾角約為10°，焊接電壓為30 V，焊接電流為400 A，焊接速度為50 cm/min，焊接效果如圖9所示。試驗結果表明，焊縫成形效果良好，焊道與焊縫基本吻合，未發(fā)生偏移現(xiàn)象，實現(xiàn)了V形坡口埋弧焊長板對接焊縫的自動跟蹤。

圖9 焊縫跟蹤焊接效果

4 結 論

(1)基于結構光成像原理，建立了雙線結構光傳感器的數(shù)學模型，運用該模型獲得了焊縫軌跡空間位姿和焊縫偏差。

(2)設計了雙線結構光傳感器，并結合埋弧焊焊接特點，設計了針對V形坡口焊縫的圖像處理算法。與傳感器數(shù)學模型相結合，實現(xiàn)了對V形坡口焊縫軌跡空間姿態(tài)的檢測。結果表明，傳感器工作可靠，檢測精度滿足要求。

(3)設計了基于雙線結構光傳感器的埋弧焊縫跟蹤系統(tǒng)，跟蹤試驗結果表明，該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)埋弧焊的長板對接焊縫自動跟蹤，跟蹤精度和焊接質量滿足要求。

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2017-05-01

國家863計劃資助項目(2013AA041003)；江西省重大創(chuàng)新項目(20143ACE50002)；江西省研究生創(chuàng)新專項資金項目(YC2015-B001)。

TG409

周依霖，1991年出生，博士研究生。主要從事焊接自動化及移動焊接機器人技術方面的研究工作，已發(fā)表論文4篇。