機(jī)器視覺檢測(cè)定位與非接觸尋找焊縫的實(shí)現(xiàn)

曾文瑜，鄒昊

（九江職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西 九江 332000）

0引言

“工業(yè)4.0”時(shí)代背景下，“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略逐步實(shí)施，“數(shù)字化賦能”帶動(dòng)制造業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)不斷增長(zhǎng)，涌現(xiàn)出一批以“機(jī)器”代替“人力”的先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)，大大提升了行業(yè)水平，這其中，機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)充當(dāng)了生產(chǎn)的“火眼金睛”角色，作為自動(dòng)化生產(chǎn)中的“慧眼”，突出的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)速度快、精確度高。目前，機(jī)器視覺技術(shù)主要應(yīng)用于產(chǎn)品缺陷的檢測(cè)，若能有效應(yīng)用于非接觸尋找焊縫領(lǐng)域，必將促進(jìn)這一行業(yè)發(fā)展。本文以食品罐馬口鐵為例，探究機(jī)器視覺檢測(cè)定位與非接觸尋找焊縫的實(shí)現(xiàn)。

1焊縫檢測(cè)定位

馬口鐵即鍍錫板，是制罐行業(yè)的首選材料，廣泛應(yīng)用于食品罐制造，在罐身制造的工藝中，企業(yè)大多采用先將厚度為1mm的馬口鐵焊接成圓筒，再拓成方形的自動(dòng)化生產(chǎn)方式，考慮到罐體外部美觀性，焊縫必須定位在方罐對(duì)角線的正中心位置。因此，如何實(shí)現(xiàn)罐體焊縫快速精準(zhǔn)定位是值得探究的問題。

1.1焊縫定位方法

目前，焊縫檢測(cè)定位的方法主要分為兩類。一類是接觸式的，典型代表是采用角度位移傳感器，這是一種當(dāng)交變磁場(chǎng)經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生輸出電壓脈沖的傳感器，因此不需要提供外界電源[1]。在罐身生產(chǎn)線上確定焊縫位于方罐對(duì)角線正中心的位置，并安裝固定好角度位移傳感器，當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)圓筒做勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，角度位移傳感器感應(yīng)圓筒旋轉(zhuǎn)角度。另一類是非接觸式的，典型代表是采用色差傳感器，在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，勻速旋轉(zhuǎn)圓筒，要尋找到焊縫準(zhǔn)確位置，可以通過顏色差別來判斷，因?yàn)楹缚p部分呈現(xiàn)黑色，與圓筒非焊縫部分的顏色差別較大，相當(dāng)于是在圓筒上做了一條黑色標(biāo)記，因此，色差傳感器就可以通過檢測(cè)這個(gè)標(biāo)記準(zhǔn)確尋找到焊縫位置[2]。

1.2焊縫定位操作中的主要問題

長(zhǎng)期以來焊縫定位采用的一些方法，在生產(chǎn)應(yīng)用中效果并不理想。比如角度位移傳感器檢測(cè)時(shí)需要和被測(cè)物接觸，這就容易受到環(huán)境溫度的影響，出現(xiàn)探測(cè)系統(tǒng)靈敏度不高，感應(yīng)信號(hào)滯后等現(xiàn)象[3]。再比如色差傳感器，在識(shí)別過程中容易受到物體表面雜質(zhì)、凹陷等因素干擾，導(dǎo)致出現(xiàn)信號(hào)捕捉偏差過大、焊縫定位信號(hào)模糊等失誤。

2技術(shù)方案

CCD（charge coupled device電荷藕合器）視覺檢測(cè)技術(shù)，其實(shí)就是一種通過機(jī)器來“看”的檢測(cè)方法，采用CCD工業(yè)相機(jī)替代人眼實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、追蹤、定位、捕捉等功能，具有寬裕的光譜范圍、高對(duì)比度的分辨力和快捷的響應(yīng)速度，還可以適應(yīng)不同工況環(huán)境條件[4]。文章研究的是一種基于視覺檢測(cè)技術(shù)的焊縫自動(dòng)追蹤系統(tǒng)，包括機(jī)器視覺檢測(cè)裝置、焊縫追蹤信號(hào)處理機(jī)構(gòu)和焊縫定位信號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2.1機(jī)器視覺檢測(cè)裝置

基于機(jī)器視覺檢測(cè)的非接觸式尋找焊縫裝置圖如圖1所示，采用CCD自動(dòng)化視覺檢測(cè)定位系統(tǒng)代替人眼完成檢測(cè)和判斷。

圖1基于機(jī)器視覺檢測(cè)的非接觸式尋找焊縫裝置

該設(shè)計(jì)方案思路是：首先在焊縫初次定位臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)圓罐轉(zhuǎn)到焊縫定位點(diǎn)附近，并將視頻采集器中的焊縫位置信息導(dǎo)入CCD 工業(yè)相機(jī)。接下來，圓罐被傳送到焊縫最終定位臺(tái)，通過CCD工業(yè)相機(jī)拍攝圓罐，再將位置信息輸入CCD控制器（包括CCD檢測(cè)定位系統(tǒng)和CCD影像處理系統(tǒng)），由CCD檢測(cè)定位系統(tǒng)記憶焊縫標(biāo)記，并將捕獲的目標(biāo)轉(zhuǎn)換為圖像信號(hào)，繼續(xù)傳送給CCD 影像處理系統(tǒng)分析，自動(dòng)比對(duì)這個(gè)標(biāo)記和焊接標(biāo)準(zhǔn)定位點(diǎn)的距離，然后將特征信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸入電氣控制臺(tái)，通過控制轉(zhuǎn)臺(tái)定位到焊縫精準(zhǔn)點(diǎn)，同時(shí)由ni pci 6518 I/O卡將焊縫旋轉(zhuǎn)定位的調(diào)整角度參數(shù)，反饋給CCD控制器，最后將檢測(cè)結(jié)果輸出到用戶監(jiān)視器。

2.2焊縫追蹤信號(hào)處理機(jī)構(gòu)

焊縫追蹤信號(hào)處理機(jī)構(gòu)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。機(jī)構(gòu)主要由3 個(gè)部分組成：圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化、圖像信號(hào)比對(duì)以及焊縫位置的獲取與信號(hào)輸出部分。

圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換部分由轉(zhuǎn)臺(tái)、準(zhǔn)直光束（射線）、透鏡和圖像增強(qiáng)器組成。系統(tǒng)工作時(shí)，準(zhǔn)直光束垂直放在圓筒焊件的正下方，焊件放在傳送臺(tái)上，當(dāng)焊件傳送到轉(zhuǎn)臺(tái)位置時(shí)，電氣控制臺(tái)指示啟動(dòng)，準(zhǔn)直光束（射線）照射圓筒焊件，經(jīng)透鏡轉(zhuǎn)換成可見光的信息載體，再通過圖像增強(qiáng)器對(duì)可見圖像進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。

圖2焊縫追蹤信號(hào)處理機(jī)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)

圖像信號(hào)比對(duì)以及焊縫位置的獲取部分是由CCD工業(yè)相機(jī)和CCD控制器組成。由CCD工業(yè)相機(jī)攝取到的焊件圖像數(shù)據(jù)被輸入CCD控制器，經(jīng)過與視頻采集卡中的信息進(jìn)行比對(duì)、采樣和量化，并重新編碼后獲得焊縫位置的數(shù)字化信息。

信號(hào)輸出部分是由ni pic 6518 數(shù)字I/O卡、CCD控制器和監(jiān)視器組成。數(shù)字化的焊縫位置信息送入ni pic 6518 數(shù)字I/O卡后，經(jīng)CCD控制器直接將檢測(cè)結(jié)果顯示在監(jiān)視器上。

2.3焊縫定位信號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)的中央樞紐是電氣控制臺(tái)。當(dāng)接收到CCD 控制器送入的焊縫位置信息后，電氣控制臺(tái)啟動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)上的伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)圓罐焊件在旋轉(zhuǎn)時(shí)，制動(dòng)離合器也跟著旋轉(zhuǎn)，直到焊縫找到后，伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)制動(dòng)離合器動(dòng)作，使焊罐準(zhǔn)確停止，實(shí)現(xiàn)焊縫定位信號(hào)的實(shí)時(shí)執(zhí)行。

3實(shí)現(xiàn)方法

3.1工藝流程

大部分食品罐制造均采用DR馬口鐵，即二次冷軋超薄馬口鐵，厚度僅為1mm，其生產(chǎn)線為：罐身制造——罐蓋制造——封口，其中罐身制造工藝流程圖如圖3所示：

圖3罐身制造工藝流程

罐身制造生產(chǎn)線上成方機(jī)的工藝要求是：既要將焊接罐體由圓形拓成方形，又要保證焊縫的位置在罐邊對(duì)角的正中位置。所以，在工藝流程設(shè)計(jì)中，首先考慮將罐身的焊縫位置找正，并固定后，再通過拓方工位，拓方的工作是由兩個(gè)擴(kuò)張塊完成，在自動(dòng)傳送條件下，自動(dòng)傳送中間繼電器得電，定位閥得電常閉，傳送電機(jī)動(dòng)作。然后檢測(cè)罐身是否送到轉(zhuǎn)臺(tái)平面位，到位后罐身被阻擋桿定位，使罐身位置正確，然后是圓盤抬升，旋轉(zhuǎn)檢測(cè)焊縫等動(dòng)作，焊縫正中位置捕捉到后放下，接著將圓罐送到拓方工位中，擴(kuò)張塊向外擴(kuò)張，使圓罐變成方罐，最后將罐身運(yùn)送出成方機(jī)到下一工序，完成拓方工作。

3.2非接觸尋找焊縫的運(yùn)行方式

工位整體裝配如圖4 所示。送罐采用電動(dòng)推桿和阻擋桿，實(shí)現(xiàn)了將罐件推至焊縫定位工位，并阻擋在旋轉(zhuǎn)臺(tái)面中心位置；旋轉(zhuǎn)臺(tái)面的上升下降采用液壓氣缸控制，當(dāng)定位頭碰到進(jìn)給開關(guān)時(shí)，抬升動(dòng)作停止，保證了沖程范圍的有效性和抬升速度的平穩(wěn)性；傳送平臺(tái)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)采用Y 型電機(jī)、飛輪構(gòu)件、皮帶傳動(dòng)，并使用離合器、偏心軸加載，以維持傳送臺(tái)的速度平穩(wěn)、生產(chǎn)工序持續(xù)進(jìn)行；定位頭的旋轉(zhuǎn)采用高精度定位系統(tǒng)（伺服驅(qū)動(dòng)器）控制， 通過伺服電機(jī)帶動(dòng)定位頭下的焊件旋轉(zhuǎn)到精準(zhǔn)位置，實(shí)現(xiàn)非接觸尋找焊縫。

圖4非接觸尋找焊縫工位整體裝配

系統(tǒng)工作時(shí)，被檢測(cè)圓罐焊件（表面淺色漫反射）被傳送臺(tái)傳至檢測(cè)工位的旋轉(zhuǎn)臺(tái)面，旋轉(zhuǎn)臺(tái)面可在伺服電機(jī)的控制下逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，視頻采集器和CCD工業(yè)相機(jī)被安裝在吊臂上，吊臂固定在豎臂上，豎臂固定在支架臺(tái)上，固定進(jìn)給開關(guān)的直桿與水平定位頭平面正交。在圓罐焊件的焊縫定位過程中，CCD控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)信號(hào)檢測(cè)、處理、轉(zhuǎn)換和執(zhí)行全過程。先由視覺傳感器不斷檢測(cè)有關(guān)焊縫中心位置的信息，接著是圖像信息處理系統(tǒng)對(duì)偏差信息進(jìn)行處理，并計(jì)算得出焊縫的中心位置與定位點(diǎn)的坐標(biāo)距離，后轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)輸出，執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)得到的控制信號(hào)產(chǎn)生所需轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)焊縫的實(shí)時(shí)跟蹤定位。

3.3對(duì)不同焊縫位置捕捉的控制方式

為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同焊縫位置快速精準(zhǔn)的捕捉，電氣控制臺(tái)的控制機(jī)構(gòu)以PLC技術(shù)為核心，采用PLC程序控制視覺成像無損檢測(cè)和伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，通過連續(xù)檢測(cè)有關(guān)焊縫中心位置，經(jīng)信息處理機(jī)構(gòu)對(duì)偏差信息進(jìn)行處理，確保對(duì)伺服馬達(dá)進(jìn)行位置、速度和力矩三種方式控制，以實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位。

4結(jié)論

基于機(jī)器視覺圖像處理技術(shù)正在逐步取代傳統(tǒng)的焊縫檢測(cè)方法[5]。本研究基于機(jī)器視覺檢測(cè)的非接觸式焊縫定位方案，設(shè)計(jì)了包括機(jī)器視覺檢測(cè)裝置、焊縫追蹤信號(hào)處理機(jī)構(gòu)和焊縫定位信號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在內(nèi)的焊縫自動(dòng)追蹤系統(tǒng)，用以尋找食品罐馬口鐵焊縫。系統(tǒng)有效解決了常用的色差傳感器或角度位移傳感器定位焊接因探測(cè)系統(tǒng)靈敏度不高、感應(yīng)信號(hào)滯后等缺陷而嚴(yán)重影響食品罐馬口鐵質(zhì)量的問題。與傳統(tǒng)的焊縫定位技術(shù)相比，提高了產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，有效保證了罐身制造產(chǎn)品的品質(zhì)。