窄間隙磁控-激光復合式焊縫跟蹤方法

沈言錦，洪 波，楊鵬昊，郭 韜

（1.湖南汽車工程職業(yè)學院，湖南株洲412001；2.湘潭大學焊接機器人及應用湖南省重點實驗室，湖南湘潭411105）

0 前言

窄間隙MAG焊是在大型壓力容器、建筑構(gòu)件、裝備制造業(yè)等領(lǐng)域應用十分廣泛的一種熔化極活性氣體保護的厚板焊接方法。目前對窄間隙MAG焊的研究主要集中在焊接工藝及焊縫成形方面，焊縫跟蹤系統(tǒng)的研究以磁控電弧傳感器和激光傳感器為主，現(xiàn)有焊縫跟蹤傳感器采集的是單一面的信息，難以克服焊接過程中各種不確定因素對焊縫偏差信息提取的影響，焊縫跟蹤失敗的可能性較大。將多種傳感器有機結(jié)合是解決復雜環(huán)境下焊縫跟蹤的有效途徑，也是焊接自動化發(fā)展的必然趨勢。多傳感信息融合技術(shù)在軍事運用方面取得了較大發(fā)展，但在自動化焊接系統(tǒng)的焊縫跟蹤中研究較少。

在窄間隙的環(huán)境下采用磁控電弧傳感器和激光視覺傳感器同時對窄間隙焊接坡口進行跟蹤識別，對采集到的數(shù)據(jù)進行信息融合，提出一種新的解決方案，并設(shè)計出相應的焊縫跟蹤系統(tǒng)。通過試驗證明在窄間隙焊接中，磁控電弧與激光視覺傳感器的信息融合具有可行性和穩(wěn)定性。

1 磁控電弧激光傳感器焊縫跟蹤系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)

在窄間隙焊接過程中，磁控電弧傳感器控制電弧擺動掃描坡口，霍爾傳感器將實時檢測到的電流信號經(jīng)過濾波電路[1]和軟件濾波處理，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量得到焊槍偏離焊縫中心的信息。激光傳感器將激光投射在焊接坡口上，由圖像采集裝置采集含有焊縫偏差信息的激光條紋圖像，經(jīng)動態(tài)閾值處理與特征點檢測可以得到焊槍偏離焊縫中心的信息。兩種焊縫偏差信息采用雙傳感器數(shù)據(jù)自適應加權(quán)融合方法進行融合處理后輸入到控制系統(tǒng)中，然后調(diào)整焊槍位置，實現(xiàn)焊槍的對中。其焊縫跟蹤系統(tǒng)流程如圖1所示。所設(shè)計的磁控電弧激光傳感器重點考慮了窄間隙焊道坡口信息采集能力、抗外界干擾能力、高強工作條件的穩(wěn)定性、普適性、經(jīng)濟性等問題，其結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖1 焊縫跟蹤系統(tǒng)流程Fig.1 Weld seam tracking system flow chart

圖2 磁控電弧激光傳感器Fig.2 Magnetically controlled arc laser sensor

在磁控電弧激光傳感器的左右兩側(cè)安裝對稱的勵磁裝置和溫度檢測裝置，勵磁裝置由彎月形導磁軟鐵鐵心和漆線線圈組成，鐵心上端通過燕尾槽蓋板，被燕尾槽滑塊固定；在前置區(qū)域安裝激光視覺傳感器，由CMOS相機、激光傳感器和濾光片組成，在后置位置安裝激光輔助光源，以應對在窄間隙環(huán)境中光線較差的問題，通過固定裝置固定在燕尾槽蓋板上。整個傳感器整體結(jié)構(gòu)為扁薄狀并將激光傳感器結(jié)合為一體，大大減少了傳感器的體積，更加適合窄間隙環(huán)境。

2 磁控-激光傳感器工作原理

2.1 激光傳感器的工作原理

激光條紋類型如圖3所示，激光視覺傳感器如圖4所示。激光條紋類型分為單線激光條紋和多線激光條紋，本文采用三線激光裝置作為視覺傳感裝置。三線激光發(fā)生器與工業(yè)相機之間的固定角度θ，傳感器與被焊工件之間的距離為H，激光傳感器的工作原理如下：首先，激光發(fā)生裝置在焊接工件上照射出三線條紋；然后，利用漫反射原理在照相機的CMOS傳感器中成像激光條紋。拍攝的圖像反映了焊縫的平面位置和焊縫角度的深度信息。

圖3 激光條紋的類型Fig.3 Type of laser stripe

圖4 激光視覺傳感器Fig.4 Laser vision sensor

2.2 CMOS相機測距原理

建立相機坐標系OcXcYcZc、成像坐標系OIXIYIZI、像素坐標系OPXPYPZP，如圖5所示。由于激光條紋圖像反映了各點激光在工件表面投射點與CMOS相機的距離，通過合適的圖像處理算法可得到焊縫特征點的二維像素坐標，并通過一系列坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系可以倒推出該圖象在絕對坐標系的位置坐標，從而實現(xiàn)焊縫對中。激光平面與工件平面相交形成的激光條紋中任意一點Q，設(shè)其在相機坐標系OcXcYcZc中的空間坐標為（xc，yc，zc），由于漫反射原理在成像坐標系OIXIYIZI中坐標（x，y）處得到與之對應的像點Q'，由小孔透視理論可知，在點的齊次坐標下可將上述投影規(guī)律表示為

圖5 CMOS相機成像原理Fig.5 CMOS camera imaging schematic

式中 k＞0為投影尺度因子；f為像方焦距；M為透視投影矩陣。該式表示物點空間三維坐標（xc，yc，zc）與像點坐標（x，y）之間的關(guān)系。

2.3 初始焊接特征點的提取

由于噪聲較小，采用形態(tài)提取算法可以計算焊縫特征點的坐標，特征點為初始參考位置。形態(tài)學提取的過程如下：①將采集信息采用動態(tài)閾值篩選，以去除低灰度級噪聲；②對目標區(qū)域采用形態(tài)學處理；③進行骨架提取，得到亞像素級激光條紋；④將框架內(nèi)的直線進行擬合得到2條擬合直線；⑤將2條直線展開以獲得所需特征點位置坐標。焊縫特征點的提取過程如圖6所示。

圖6 初始焊縫特征點的提取過程Fig.6 Extraction process of initial weld feature points

基于高斯KCF目標跟蹤算法是一種用于快速和準確地確定噪聲圖像存在焊縫特征點位置的方法。因此，本研究采用基于Kernel算法的相關(guān)濾波器（KCF）實時檢測焊縫特征點，可以快速準確地確定噪聲圖像中焊縫特征點的位置，保證系統(tǒng)的實時性能[2]，得到焊槍偏離焊縫中心的信息。

2.4 磁控電弧傳感器工作原理

勵磁電源對勵磁線圈施加交變電流，產(chǎn)生平行交變磁場作用于電弧，使其在洛侖磁力的作用下進行擺動，進而掃描窄間隙焊接坡口，由霍爾傳感器收集焊接電流變化信號，對其進行分析處理后得到焊槍偏離焊縫中心的信息。

2.5 窄間隙焊縫軌跡預測

窄間隙的焊縫軌跡預測是在焊接時，通過前置的激光視覺傳感器采集焊道信息后，將激光視覺傳感器獲取的所有焊縫特征點的位置坐標ai（xi，yi），采用拉格朗日插值法擬合出一條焊縫軌跡的近似曲線，由近似函數(shù)Fn（x）的表達式可計算出該段內(nèi)所有拐點、極值點以及每一點處的曲率，是對后續(xù)焊接軌跡預測的過程[3]。拉格朗日插值法為

式中 yi為焊縫特征點的縱坐標；xi為焊縫特征點的橫坐標。

焊縫軌跡預測示意如圖7所示，x軸代表焊縫中心位置，根據(jù)焊縫特征點的二維坐標采用拉格朗日插值法擬合出一條焊縫軌跡的近似曲線，并得到對應的近似函數(shù)Fn（x），焊縫軌跡的預測是信息融合方法的必要條件。

圖7 焊縫軌跡預測Fig.7 Weld trajectory prediction

2.6 信息融合方法

信息融合方法的要點是：由前置的激光視覺傳感器提取焊縫軌跡特征，判斷焊縫軌跡變化，在焊縫軌跡曲率較大或者拐點、極值點處，由實時性能較好的磁控電弧傳感器獲取更精確的焊槍偏離焊縫中心的值作為系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的糾偏量；而在焊縫軌跡曲率較小或者非拐點、非極值點情況下，采用激光視覺傳感器與磁控電弧傳感器數(shù)據(jù)自適應最優(yōu)加權(quán)融合方法獲取焊槍偏離焊縫中心的值作為系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的糾偏量。

其中，前置的激光視覺傳感器掃描焊縫中心可以得到焊槍偏離焊縫中心的估計值，同時磁控電弧傳感器掃描焊縫中心可得到焊槍偏離焊縫中心的實際值。焊縫偏差信息的估計值經(jīng)拉格朗日插值法進行處理，擬合出焊縫軌跡的近似曲線并得到其近似函數(shù)，可求出該焊縫曲線的拐點、極值點并通過設(shè)定門限閾值對估計值進行可行性檢驗，根據(jù)檢驗結(jié)果分為以下兩種情況進行數(shù)據(jù)融合：

（1）設(shè)Z為曲率門限閾值，當曲率k＞Z或焊槍處于焊縫軌跡的拐點、極值點時，采用激光視覺傳感器得到的焊縫偏差信息精度較低，故采用實時性能較好的磁控電弧傳感器獲取的焊縫偏差信息作為焊縫偏差的融合值。

（2）當曲率k＜Z或焊槍處于焊縫軌跡的非拐點、非極值點時，采用保證總均方差最小的條件下，根據(jù)激光視覺傳感器和磁控電弧傳感器的測量值，通過自適應最優(yōu)加權(quán)融合方法找到最優(yōu)加權(quán)因子，得到最優(yōu)焊縫偏差的融合值。

上述信息融合方法如圖8所示，設(shè)激光視覺傳感器測量的焊縫偏差信息的估計值為X1、X2、……、Xn，磁控電弧傳感器測量的焊縫偏差信息的實際值為Y1、Y2、……、Yn。激光視覺傳感器的加權(quán)因子為W1、W2、……、Wn，磁控電弧傳感器的加權(quán)因子為U1、U2、……、Un。激光視覺傳感器的方差為 V，磁控電弧傳感器的方差為S，總均方差為δ，將兩種傳感器進行加權(quán)融合[4]，得到焊縫偏差的融合值e。

圖8 信息融合方法流程Fig.8 Flow chart of information fusion method

聯(lián)立以上三式，根據(jù)多元函數(shù)求極值理論，可求出總均方誤差最小時所對應的加權(quán)因子W和U，從而得到最優(yōu)焊縫偏差的融合值e。

3 焊接試驗結(jié)果與分析

3.1 焊接試驗平臺簡述

試驗參數(shù)為：選擇直徑1.2 mm焊絲，焊接速度設(shè)定5 mm/s，焊接電壓14 V，電流220 A，磁場頻率3 Hz，線圈匝數(shù)800匝，焊槍高度10 mm。經(jīng)三線激光條紋預處理后（見圖9），焊后效果如圖10所示。

圖9 三線激光條紋預處理Fig.9 Three-line laser stripe pretreatment

圖10 焊接試驗結(jié)果Fig.10 Welding test results

3.2 試驗結(jié)果分析

在窄間隙試驗研究過程中，管道焊縫在電弧傳感器和激光傳感器的指引下，在側(cè)壁上融合良好，并且前端與后端的銜接處窄坡口有折彎，前后端熔寬不一致，但焊縫貼合側(cè)壁焊接，這是焊接系統(tǒng)的軌跡預測保證了焊接質(zhì)量，在熔寬變化處焊接焊縫的轉(zhuǎn)折也較好，說明磁控窄間隙的信息融合效果較好，視覺信號與電弧信號能夠良好地融合。

試驗表明，磁控窄間隙電弧視覺傳感器的焊縫跟蹤響應迅速，焊接質(zhì)量較好，基本滿足窄間隙的焊縫預測要求。對于不同寬度的窄間隙坡口，焊槍能進行穩(wěn)定的焊接，同時對窄坡口間隙寬度的變化能夠迅速地調(diào)整焊槍實現(xiàn)對中。

4 結(jié)論

（1）基于磁控電弧傳感器設(shè)計了一種磁控電弧-激光相結(jié)合的傳感器，并應用在焊縫跟蹤系統(tǒng)中。兩種焊縫偏差信息采用雙傳感器數(shù)據(jù)自適應加權(quán)融合方法進行融合處理后輸入到控制系統(tǒng)中，然后調(diào)整焊槍位置，實現(xiàn)焊槍的對中。

（2）提出了一種關(guān)于窄間隙焊接的預測焊縫軌跡方法。通過前置的激光視覺傳感器采集焊道信息，采用形態(tài)提取算法和基于高斯KCF相關(guān)濾波器得到焊縫特征點的坐標，通過拉格朗日插值法擬合出焊縫軌跡的近似曲線，為雙傳感器信息融合的方法提供了必要條件。

（3）窄間隙焊縫跟蹤試驗結(jié)果表明，該傳感器結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，焊縫跟蹤響應迅速，焊接質(zhì)量較好，為窄間隙的跟蹤提供了新的技術(shù)方案。