一種基于圖像識(shí)別系統(tǒng)的焊瘤清理設(shè)備

郭吉萍 吳鳴 胡錦揚(yáng) 許明方 王善林 陳玉華

摘要：針對(duì)現(xiàn)有磨削式和切削式設(shè)備限制焊管尺寸、花費(fèi)大量的人工時(shí)間等問(wèn)題，自行設(shè)計(jì)了一套帶圖像識(shí)別控制系統(tǒng)的焊瘤清理設(shè)備，并改進(jìn)當(dāng)前固定的夾持裝置，以實(shí)現(xiàn)在進(jìn)行不同尺寸的焊管清瘤工作時(shí)都能達(dá)到優(yōu)異的效果。設(shè)備的圖像識(shí)別控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集焊管內(nèi)部圖像，并通過(guò)PC端的圖像處理程序調(diào)節(jié)打磨機(jī)的位置及角度，實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行。與傳統(tǒng)清除焊瘤設(shè)備相比，在操作過(guò)程中具有簡(jiǎn)單方便、節(jié)省人工等優(yōu)點(diǎn)。此外，將傳統(tǒng)焊管固定式夾持結(jié)構(gòu)改為卡盤(pán)夾緊旋轉(zhuǎn)式，能夠提升清理精度和效率并適應(yīng)不同形狀和高度的焊瘤。

關(guān)鍵詞：焊瘤清理;圖像識(shí)別;設(shè)計(jì)分析;卡盤(pán)夾緊旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：TG439.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）08-0039-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.08.08

0 前言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)作為國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技水平的體現(xiàn)，具有十分重要的意義[1-2]。航空管道是發(fā)動(dòng)機(jī)上的重要組成部分，在燃油、液壓、介質(zhì)傳送以及潤(rùn)滑等方面不可或缺[3-4]。單面焊接雙面成形技術(shù)由于具有不受構(gòu)件尺寸、形狀以及空間位置影響，并且焊接接頭質(zhì)量好、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空管道的連接[5]。但該技術(shù)在連接過(guò)程中由于電流的聚集作用容易導(dǎo)致管道局部高溫熔化，液體金屬凝固時(shí)，在重力作用下會(huì)形成微小疙瘩，聚集在焊接接頭周?chē)?，?dǎo)致焊后管道內(nèi)外聚集大量疙瘩形成的焊瘤。管道外部的焊瘤可以通過(guò)打磨機(jī)打磨去除，但內(nèi)部的焊瘤卻因?yàn)楣艿篱L(zhǎng)度、隱蔽性等原因難以除去，從而導(dǎo)致航空管道在輸油、潤(rùn)滑等方面效率低下，甚至堵塞管道造成無(wú)法預(yù)料的災(zāi)難[6]。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，在清除內(nèi)部焊瘤時(shí)，對(duì)于一般管道焊瘤厚度應(yīng)小于1.52 mm，而高精度管道標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格[7]。當(dāng)下受設(shè)備調(diào)整、刀具壽命等影響，加之在生產(chǎn)過(guò)程中為保證管道成功率以及大量生產(chǎn)，導(dǎo)致大量的焊瘤清除達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，從而造成大量經(jīng)濟(jì)損失[8]。目前，焊瘤清除方法主要有磨削法和切削法。磨削法一般采用砂輪機(jī)對(duì)管道進(jìn)行磨削，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，但僅適用于φ323 mm以上大尺寸管道，對(duì)于小尺寸管道則無(wú)法處理。切削法利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)特制刀桿旋轉(zhuǎn)來(lái)清除焊瘤，根據(jù)工作情況可使用機(jī)械式、氣動(dòng)式以及液壓式等各種樣式的刀桿[9]。機(jī)械式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便;氣動(dòng)式清除過(guò)程穩(wěn)定、精度高;液壓式結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性好。但由于刀具自身限制，不同管徑需配備不同刀具，兼容性較差，并且需要定時(shí)更換刀具[10]。

通過(guò)上述分析可知，磨削式設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但對(duì)管道尺寸有限制，切削式設(shè)備多樣，但較為消耗刀具，并且這些設(shè)備都需花費(fèi)大量的人工時(shí)間。為此文中結(jié)合兩種類(lèi)型設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，研制了一種圖像識(shí)別系統(tǒng)的自動(dòng)化設(shè)備，可適用于多種尺寸焊管焊瘤的清除。

1 焊瘤清除設(shè)備的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

傳統(tǒng)磨削設(shè)備一般由焊管支撐夾持裝置、電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、支撐裝置、移動(dòng)小車(chē)、磨削砂輪機(jī)和驅(qū)動(dòng)輥等幾部分組成，如圖1所示[7]。磨削時(shí)先將焊管固定于焊管夾持裝置中，砂輪機(jī)固定于移動(dòng)小車(chē)前方，然后啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)輥，帶動(dòng)砂輪機(jī)向焊管內(nèi)部移動(dòng)，直至將焊管焊瘤清除完畢，驅(qū)動(dòng)輥反向旋轉(zhuǎn)，驅(qū)使砂輪機(jī)沿同一路徑返回，此時(shí)焊管可進(jìn)入下一道工序。傳統(tǒng)磨削式設(shè)備主要依靠固定于移動(dòng)小車(chē)中的砂輪機(jī)來(lái)進(jìn)行磨削，只能依靠人工機(jī)械式工作，難以進(jìn)行位置和角度調(diào)節(jié)，無(wú)法保證誤差。如果設(shè)備能在焊管裝夾后自動(dòng)檢測(cè)焊瘤位置并進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)又能安裝不同角度的刀具或者調(diào)節(jié)磨削設(shè)備角度，將大大提高設(shè)備的適用范圍。

1.2 焊瘤清除設(shè)備基本結(jié)構(gòu)

結(jié)合傳統(tǒng)清除設(shè)備，文中設(shè)計(jì)了一種帶圖像識(shí)別的新型焊瘤清除設(shè)備，同時(shí)為提高除瘤精度和效率，將打磨部分修改成活動(dòng)式結(jié)構(gòu)，焊管夾緊裝置改為旋轉(zhuǎn)固定，簡(jiǎn)化主體部分，方便安裝維修。新型焊瘤清除裝置主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、夾持裝置、導(dǎo)軌裝置、升降裝置、監(jiān)控裝置、打磨裝置、工作臺(tái)和控制系統(tǒng)組成。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由設(shè)備各系統(tǒng)提供動(dòng)力源的電動(dòng)機(jī)組成;夾持裝置由卡盤(pán)夾具組成，卡盤(pán)通過(guò)深溝球軸承與過(guò)渡盤(pán)以及設(shè)備主體連接;導(dǎo)軌裝置為一套導(dǎo)軌滑塊，固定于支撐座用作工作臺(tái)的水平移動(dòng);升降裝置采用滾珠絲桿機(jī)構(gòu)，用來(lái)控制工作臺(tái)的上下移動(dòng);監(jiān)控裝置主要為CCD攝像頭，用于監(jiān)控管道積瘤情況，并將信息傳送給控制系統(tǒng);打磨裝置主要為打磨機(jī)，其頭部與工作臺(tái)連接部分可進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)打磨機(jī)的角度調(diào)節(jié);工作臺(tái)用來(lái)連接打磨機(jī)和CCD攝像頭，并結(jié)合導(dǎo)軌裝置和升降裝置來(lái)控制打磨機(jī)工作時(shí)的空間移動(dòng);控制系統(tǒng)將監(jiān)控系統(tǒng)傳來(lái)的信息反饋給控制升降系統(tǒng)、導(dǎo)軌裝置以及打磨機(jī)的PLC，從而調(diào)整當(dāng)前工作位置，設(shè)備示意如圖2所示。

一般打磨機(jī)磨削部分材料多使用棕剛玉或者白剛玉，但由于這兩種材料硬度高，在實(shí)際磨削時(shí)易造成抖動(dòng)，影響磨削焊瘤清除精度和效果，甚至引發(fā)磨削頭的斷裂?；诖?，特選用硬度相對(duì)較低的樹(shù)脂磨輪，一方面減震效果優(yōu)異，另一方面對(duì)于形狀差異較大的焊瘤清除效果更好。

該新型焊瘤清除設(shè)備將傳統(tǒng)固定夾持裝置改為旋轉(zhuǎn)卡盤(pán)夾具固定，對(duì)焊管夾持固定后驅(qū)動(dòng)焊管沿水平方向進(jìn)行軸線旋轉(zhuǎn)，同時(shí)避免焊管在磨削過(guò)程中受到橫向應(yīng)力作用而造成滑動(dòng)。另外，卡盤(pán)夾具可通過(guò)調(diào)整自身尺寸來(lái)適應(yīng)不同尺寸焊管的夾緊固定。

一般來(lái)說(shuō)，旋轉(zhuǎn)速度越高，除瘤效果越好、焊管內(nèi)部表面光潔度越高。但在實(shí)際操作中，由于焊管材料的差異，速度并非越高越好，高速度帶來(lái)的發(fā)熱情況容易引發(fā)其他問(wèn)題，因此采用變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，以達(dá)到調(diào)節(jié)多段速度，甚至可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速控制。在磨削過(guò)程中，利用卡盤(pán)帶動(dòng)焊管旋轉(zhuǎn)并配合打磨機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)焊瘤的清除，因此卡盤(pán)的旋轉(zhuǎn)速度快慢決定磨削效果以及效率的好壞。對(duì)于精度高的管道，高轉(zhuǎn)速將實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的內(nèi)表面光潔度。為了達(dá)到良好的變頻效果，選用vfd系列變頻器，該種變頻器可利用多樣的控制方式來(lái)達(dá)到無(wú)級(jí)調(diào)速的效果，并且可以根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩提供相應(yīng)的電流和電壓輸出。電機(jī)選用130ZYT54PK4型，轉(zhuǎn)速范圍0～2 500 r/min，功率1 500 W。運(yùn)行前，設(shè)定電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速n，PLC根據(jù)公式d=3 200n/2 500自動(dòng)計(jì)算出Da模塊數(shù)字量，并傳送至變頻器設(shè)定端，變頻器與電機(jī)之間的繼電器接通，電機(jī)開(kāi)始工作，從而帶動(dòng)卡盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)。PLC與變頻器接線以及卡盤(pán)控制流程分別如圖3、圖4所示。

2.3 圖像識(shí)別系統(tǒng)

控制系統(tǒng)為一套圖像識(shí)別系統(tǒng)，主要由PC端的數(shù)字圖像處理程序來(lái)控制。首先由工作臺(tái)上的CCD攝像頭以及內(nèi)置的圖像采集卡采集焊管的實(shí)時(shí)圖像，隨后將這些圖像數(shù)據(jù)送入PC端進(jìn)行存儲(chǔ)并供圖像處理程序調(diào)用處理，此時(shí)PC端的圖像處理程序?qū)⒆詣?dòng)識(shí)別出打磨機(jī)與焊管焊瘤之間的距離以及角度，并向運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送信號(hào)以調(diào)整工作臺(tái)的位置。

工作臺(tái)是由升降裝置、導(dǎo)軌裝置以及打磨裝置組成的三自由度裝置，并通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)控制運(yùn)動(dòng)。控制升降系統(tǒng)的PLC接收到控制系統(tǒng)發(fā)送過(guò)來(lái)的信息后，步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始工作并帶動(dòng)滾珠絲桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，到達(dá)指定位置后停止工作。導(dǎo)軌系統(tǒng)中的導(dǎo)軌一端與氣缸連接，氣缸與空壓機(jī)相連，控制系統(tǒng)前后運(yùn)動(dòng)信號(hào)輸送過(guò)來(lái)后，空壓機(jī)開(kāi)始運(yùn)行并促使氣缸工作，進(jìn)而推動(dòng)滑軌運(yùn)動(dòng)。打磨裝置內(nèi)部有微型芯片，控制系統(tǒng)發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令后微型芯片內(nèi)部電機(jī)開(kāi)始工作，進(jìn)而帶動(dòng)打磨機(jī)的旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)角度的調(diào)節(jié)。三種裝置相配合來(lái)執(zhí)行三個(gè)方向的位移從而實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的三維運(yùn)動(dòng)。當(dāng)控制系統(tǒng)識(shí)別程序識(shí)別出焊瘤和打磨機(jī)的距離和角度大于控制系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，PC端的數(shù)字圖像處理程序?qū)⒖刂泼畎l(fā)送給運(yùn)動(dòng)控制器，使其向某一方向運(yùn)動(dòng)，然后運(yùn)動(dòng)控制器將命令發(fā)送給驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的裝置向某一方向接近，控制系統(tǒng)邏輯如圖5所示。

圖像處理系統(tǒng)主要依靠圖像識(shí)別以及運(yùn)動(dòng)匹配等關(guān)鍵技術(shù)來(lái)判斷工作狀況，這也是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵之處。圖像識(shí)別的模式包括三個(gè)相互關(guān)聯(lián)又有差異的部分，分別為數(shù)據(jù)生成、模式分類(lèi)和模式分析[11]。其中，數(shù)據(jù)生成是將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成便于計(jì)算機(jī)處理的矢量，模式分類(lèi)是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，一般可分為特征提取、特征選擇和可能的分類(lèi)。模式識(shí)別則一般采用統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別和結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行識(shí)別[12]。而圖像識(shí)別作為解決圖像匹配技術(shù)的關(guān)鍵，選擇快速圖像匹配算法中的快速傅立葉變換算法能夠大大加快運(yùn)算速度[13]。

一個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度與內(nèi)部算法的總計(jì)算量密切相關(guān)，而總計(jì)算量由相關(guān)算法的計(jì)算量與搜索位置的個(gè)數(shù)的乘積決定。在一幅圖像中，一般搜索目標(biāo)的個(gè)數(shù)是相對(duì)固定的，因此為了實(shí)現(xiàn)快速的運(yùn)行速度，必須減少相關(guān)算法的計(jì)算量。分析Fourier的相關(guān)定理可知，兩個(gè)函數(shù)定義域中的卷積與它們?cè)陬l域中的乘積具有等量關(guān)系，因此可以得到一種相關(guān)函數(shù)的計(jì)算方法，即傅立葉快速變化法（FFT）[14-15]。該方法首先將參考圖和實(shí)時(shí)圖進(jìn)行二維離散傅立葉變換（DFT），其中參考圖如下：

X（u，v）=x（j，k）ωn-ujωn-vk（1）

式中 假定參考圖為N×N維;u、v分別為j和k方向的變量因素，ωn=j

。根據(jù)上述方法，計(jì)算出實(shí)時(shí)圖的離散傅立葉變換Y（u，v），根據(jù)相關(guān)定理推導(dǎo)出相關(guān)的離散傅立葉變換ω（u，v）：

ω（u，v）=X（u，v）·Y*（u，v）（2）

式中 *為共軛運(yùn)算符號(hào)。

通過(guò)傅里葉變換的逆變換得到空間域的相關(guān)函數(shù)ω（j，k）為：

ω（j，k）=X（u，v）·Y*（u，v）ωnujωnvk（3）

目前，檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的方法有兩種：一種是采用光流法進(jìn)行檢測(cè);另一種是通過(guò)前后兩幀的信息來(lái)預(yù)測(cè)背景從而達(dá)到檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的目的[16]。系統(tǒng)將每一幀分解為多個(gè)小塊，采用基于塊的方法來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)?；趬K的假設(shè)是將圖像或視頻中的目標(biāo)劃分為多個(gè)小塊，即這些小塊完全屬于目標(biāo)。其原理為當(dāng)劃分為小塊的目標(biāo)a出現(xiàn)在第I幀，如圖6a所示，轉(zhuǎn)動(dòng)后，小塊出現(xiàn)在圖6b中位置，根據(jù)公式Fi=Fi+[x+d（x），y+d（y）]，（x，y）∈a，對(duì)小塊a位置進(jìn)行搜索從而找到小塊的運(yùn)動(dòng)矢量。

2 結(jié)論

通過(guò)添加圖像識(shí)別系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行，與傳統(tǒng)清除焊瘤設(shè)備相比，在操作過(guò)程中具有簡(jiǎn)單方便、節(jié)省人工等優(yōu)點(diǎn)。將傳統(tǒng)焊管固定式結(jié)構(gòu)改為卡盤(pán)夾緊旋轉(zhuǎn)式，能夠適應(yīng)不同尺寸焊管，提升清理精度和效率并且能夠適應(yīng)不同形狀和高度的焊瘤。

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收稿日期：2020-04-27

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51865035）;江西省杰出青年基金（2018ACB21016）;國(guó)防基礎(chǔ)科研計(jì)劃項(xiàng)目（JCKY2018401C003）

作者簡(jiǎn)介：郭吉萍（1971— ），女，講師，主要從事焊接工藝及信息化方面的教研工作。E-mail：guozhenghua@nchu.edu.cn。

通訊作者：陳玉華（1979— ），男，教授，博導(dǎo)，主要從事新材料及異種材料連接方面的研究工作。E-mail：ch.yu.hu@163.com。