基于視覺傳感的焊縫跟蹤技術(shù)簡介

　目前服役的焊接機(jī)器人90% 都是以“示教再現(xiàn)”模式進(jìn)行工作的， 少數(shù)以軌跡規(guī)劃方式工作。焊接過程中， 焊槍與焊縫中心都會(huì)存在一定誤差， 而且焊接過程又是一個(gè)復(fù)雜、非線性、干擾因素較多的過程， 焊接工件熱變形、咬邊、錯(cuò)邊， 以及焊縫間隙的變化等是不可預(yù)知的， 這些因素都會(huì)直接影響到焊接質(zhì)量。 在“示教再現(xiàn)”或軌跡規(guī)劃應(yīng)用的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)焊縫糾偏可以進(jìn)一步提高焊接精度， 尤其適用于輔助工程上焊接易變形、裝配復(fù)雜等自動(dòng)焊難以控制的工件生產(chǎn)。 本文以新型航天器燃料貯箱LF6 鋁合金材2 mm 薄板的對接焊接為背景， 針對脈沖鎢極惰性氣體保護(hù)焊（ GT AW） 焊接方法， 對平板直縫和平板法蘭進(jìn)行焊縫跟蹤試驗(yàn)， 將傳統(tǒng)的“示教再現(xiàn)”型機(jī)器人開發(fā)成具有實(shí)時(shí)焊縫跟蹤的弧焊機(jī)器人系統(tǒng)。

　　1 試驗(yàn)部分

　　1. 1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

　　在本實(shí)驗(yàn)中， 執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括日本安川電機(jī)公司的HP6 型焊接機(jī)器人， 兩軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)， 單軸頭尾式變位機(jī)， 日本OT C 公司生產(chǎn)的IN VERTERELESON 500P 型交直流兩用GT AW 焊接電源，CM-271 型送絲機(jī)和HC-71 型送絲控制箱。 控制系統(tǒng)為研華公司的工控機(jī)， 傳感系統(tǒng)為自行開發(fā)的CCD 被動(dòng)光視覺系統(tǒng)， 以及圖像采集卡。 整個(gè)系統(tǒng)如圖1 所示。

　　考慮到LF6 鋁合金薄板的焊接性， 采用交流脈沖焊進(jìn)行焊接， 脈沖頻率為2 H z， 基值電流為50 A，峰值電流為125 A， 焊接速度為2. 6 mm/ s.

　　1. 2 圖像采集與處理

　　1. 2. 1 開小窗口分析法

　　采用“小窗口”獲取焊縫特征信息， 在焊縫區(qū)域開了一個(gè)100 幀x120 幀的小窗口， 僅對此窗口內(nèi)的圖像進(jìn)行處理。 該窗口包含了進(jìn)行焊縫跟蹤所需要的特征信息， 又削減了大量不必要的圖像信息。 CCD 攝像機(jī)和送絲嘴都固定在焊槍上， 也就是焊槍、鎢極、送絲嘴在圖像平面投影的相對位置是不變的， 同時(shí)在試驗(yàn)前已經(jīng)將CCD 攝像機(jī)的軸心、焊槍軸心以及焊縫調(diào)節(jié)到了同一個(gè)平面上， 如此， 焊槍的軸線在圖像平面上的投影為一條水平線， 為后續(xù)的跟蹤提供了便利條件。

　　1. 2. 2 圖像處理算法

　　在試驗(yàn)中， 首先提取到焊縫的上下邊緣， 經(jīng)過去除偽點(diǎn)之后進(jìn)行最小二乘法擬合， 得到焊縫中心線。 圖像處理算法流程主要包括圖像復(fù)原、中值濾波、邊緣尋找、偽點(diǎn)去除及最小二乘法擬合， 如圖2 所示 。

　　采用了逆濾波器方法來進(jìn)行圖像復(fù)原， 同時(shí)選用3x3 模板中值濾波， 當(dāng)前像素點(diǎn)的灰度值由它的8 鄰域的像素灰度值的中間值獲得。

　　在對圖像進(jìn)行了觀察和分析后， 發(fā)現(xiàn)即焊縫邊緣和其他區(qū)域相比， 灰度變化極大。 因此， 根據(jù)灰度值變化的速率來確定焊縫邊緣點(diǎn)， 即每一列中速率變化最大的2 個(gè)點(diǎn)作為為焊縫的上下邊緣點(diǎn)。 用此種邊緣檢測算法是基于2 mm 薄板的特性， 沒有坡口使焊縫處較大的灰度變化在整幅圖像中極易捕捉， 同時(shí)此類算法較小的計(jì)算量也不會(huì)影響到圖像處理的實(shí)時(shí)性。

　　經(jīng)過上述圖像處理之后并不能夠準(zhǔn)確地獲得焊縫邊緣， 仍舊有偽邊緣存在， 如何再去除偽邊緣點(diǎn)，識(shí)別出真正的焊縫邊緣， 是圖像處理中最困難， 也是最關(guān)鍵的技術(shù)。 通過24 鄰域從上下2 個(gè)方向向中間逐行掃描的方式去除偽邊緣點(diǎn)。 由于焊縫邊緣是連續(xù)變化的， 假設(shè)存在圖像處理誤差在2 個(gè)象素之內(nèi)，如果某一特征點(diǎn)24 鄰域內(nèi)不存在相鄰特征點(diǎn)， 認(rèn)為該點(diǎn)為偽邊緣點(diǎn)或孤立點(diǎn)。

　　1. 2. 3 圖像處理算法精度驗(yàn)證

　　為了驗(yàn)證圖像處理算法的精度， 采用了激光測距傳感器對焊縫的實(shí)際位置進(jìn)行了精確定位。

　　在工裝一側(cè)豎立一塊表面光滑且與焊縫平行的金屬板， 然后對機(jī)器人示教一條準(zhǔn)確的沿焊縫路徑，并在變形不大的厚板上進(jìn)行試驗(yàn)。 起弧后， 激光測距傳感器開始工作， 得到實(shí)時(shí)焊縫位置， 并與經(jīng)過圖像處理所得到焊縫位置進(jìn)行對比， 結(jié)果如圖3 所示， 中部的水平直線為示教焊縫路線， 折線為經(jīng)過圖像處理算法糾偏的焊槍實(shí)際路徑。

　　對比顯示， 本文中圖像處理算法所得到的焊縫位置與實(shí)際焊縫位置的誤差在 0. 15 mm 以內(nèi)。

　　綜上所述， 根據(jù)試驗(yàn)分析和計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理本身固有的誤差， 可以確定本文研究的焊接過程的圖像處理方法的精度能夠控制在 0. 15 mm 范圍內(nèi)， 完全滿足實(shí)際焊接的需求。

　　1. 3 焊縫跟蹤原理及實(shí)現(xiàn)

　　跟蹤方法原理是， 固定視覺傳感器在焊槍正前方， 通過直接觀察焊槍與焊縫中心線的位置關(guān)系， 提取偏差信息， 輸出糾偏控制電壓。

　　由于鋁合金具有較強(qiáng)的反光性， 在熔池前端區(qū)域有一個(gè)反光區(qū)， 檢測的間隙與實(shí)際間隙大小差異很大， 甚至無法看清， 所以， 本次項(xiàng)目檢測的焊縫中心距離熔池中心具有一定距離， 需通過曲線擬合的方法才能計(jì)算出當(dāng)前焊接位置的焊槍與焊縫中心的偏差量， 如圖4 所示。

　　1. 4 控制器設(shè)計(jì)

　　1. 4. 1 糾偏電壓與糾偏量關(guān)系建模

　　由于首鋼Mo toman 系列機(jī)器人糾偏卡是不開放的， 無法得知其運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)， 建模可以使該過程簡單化。 對糾偏系統(tǒng)進(jìn)行建模后， 使用Mat lab 的Simulink 工具對控制器進(jìn)行離線設(shè)計(jì)。 經(jīng)過試驗(yàn)， 在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中，在單位時(shí)間內(nèi)隨機(jī)給出不同的糾偏電壓， 并記錄該糾偏電壓下的偏差量。 選取連續(xù)的3 組共383 對數(shù)據(jù)作為樣本空間。 使用Mat lab 對3 組數(shù)據(jù)進(jìn)行建模， 得到了1 個(gè)線性回歸模型， 其對3 組數(shù)據(jù)都有很高的適配度， 分別為82. 3% ， 97. 16% 和95. 99%.

　　1. 4. 2 模糊PID 控制器設(shè)計(jì)

　　為了研究糾偏對焊接效果的影響， 分別用1 V、1. 5 V、2 。 5 V、3 V 的恒定糾偏電壓信號(hào)進(jìn)行糾偏。 試驗(yàn)表明， 糾偏電壓為1 V 時(shí)， 由于糾偏力度太小， 雖然在執(zhí)行糾偏， 但是偏差仍舊越來越大， 甚至在末段由于偏差太大， 超出可糾偏范圍， 圖像處理程序出錯(cuò)， 得到錯(cuò)誤的偏差信號(hào); 當(dāng)糾偏電壓是1. 5 V 時(shí)， 其表示出來的偏差情況與1 V 分析出來的一樣， 因此， 1. 5 V 仍然電壓偏小; 當(dāng)使用2. 5 V 糾偏時(shí)， 就沒有使用1. 5 V 時(shí)的偏差特征， 此時(shí)， 偏差基本上在0 附近波動(dòng); 當(dāng)糾偏電壓達(dá)到3 V 時(shí)， 偏差依舊在0 附近波動(dòng)， 但是波動(dòng)的幅值明顯增大， 實(shí)際上焊槍在焊縫附近產(chǎn)生了較大的振蕩， 必將導(dǎo)致較差的焊縫成形。

　　為了既保證穩(wěn)定焊接， 又能快速糾偏， 設(shè)計(jì)了模糊PID 控制器 。 該控制器的思想是， 在不同的環(huán)境下， 調(diào)整PID 3 個(gè)參數(shù)的值， 使糾偏系統(tǒng)滿足下列要求： 一是在偏差量較小時(shí)， 進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)， 以防止超調(diào)和保持系統(tǒng)穩(wěn)定為主要目標(biāo); 二是在偏差量較大時(shí)， 進(jìn)行大步長糾偏， 使鎢極盡快回到正常范圍附近， 響應(yīng)時(shí)間越短越好。

　　根據(jù)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性原則， 為了提高控制器的穩(wěn)定性和抗干擾性， 引入了誤差預(yù)測， 即偏差量對時(shí)間的2 階導(dǎo)數(shù)作為第3 輸入量， 將該模糊PID 控制器改進(jìn)為3 輸入3 輸出的控制器。

　　2 結(jié)果與分析

　　2. 1 平板直縫跟蹤試驗(yàn)結(jié)果

　　本文設(shè)計(jì)了如圖5 所示的雙折線路徑， 焊縫為2 塊無坡口平板對接焊縫， 沒有明顯間隙， 示教軌跡與真實(shí)焊縫的偏差量控制在6 mm 范圍內(nèi)。 其中，雙折線為實(shí)際示教路徑， 中間的平直線為實(shí)際焊縫路徑， 實(shí)際焊接路線為平直線周圍波動(dòng)的曲線。

　　試驗(yàn)結(jié)果表明， 跟蹤控制效果非常明顯， 盡管示教軌跡與焊縫中心有最大6 mm 的焊縫偏差， 但是通過焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的糾偏調(diào)節(jié)， 使槍尖投影點(diǎn)與焊縫中心的偏差能夠控制在 0. 15 mm 范圍內(nèi)。

　　考慮到圖像處理的誤差， 實(shí)際跟蹤誤差在 0. 3 mm內(nèi)。

　　2. 2 法蘭環(huán)縫跟蹤試驗(yàn)

　　機(jī)器人進(jìn)行了法蘭的簡易示教， 即1 圈只示教4 到5 個(gè)點(diǎn)， 隨后進(jìn)行跟蹤試驗(yàn)， 同時(shí)對試驗(yàn)中所采集到焊縫偏差量數(shù)據(jù)進(jìn)行了記錄。 圖6 為試驗(yàn)結(jié)果分析， 驗(yàn)證了法蘭試驗(yàn)件焊接過程中焊縫跟蹤控制技術(shù)的有效性。

　　試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)顯示其跟蹤誤差略大于平板焊接， 最大誤差達(dá)到了 0. 2 mm. 考慮到圖像處理誤差， 真實(shí)誤差在0. 35 mm 內(nèi)。

　　3 結(jié)語

　　以弧焊機(jī)器人在脈沖T IG 焊接過程中應(yīng)用的需求為研究背景， 以被動(dòng)視覺作為傳感方式， 研究了實(shí)時(shí)焊縫跟蹤控制技術(shù)， 并且在生產(chǎn)中得到驗(yàn)證：

　?。?1） 設(shè)計(jì)集成了焊接機(jī)器人系統(tǒng)， 將原有的“示教再現(xiàn)”型機(jī)器人成功改造成具有視覺功能的、能夠?qū)崟r(shí)自動(dòng)焊縫跟蹤的焊接機(jī)器人系統(tǒng)。

　?。?2） 設(shè)計(jì)了相應(yīng)的圖像處理算法， 能準(zhǔn)確提取焊縫邊緣并擬合焊縫中心線。

　　（ 3） 提出了一種基于視覺的實(shí)時(shí)焊縫跟蹤方法， 在保證焊接過程穩(wěn)定的前提下研究了焊縫跟蹤算法， 建立了適合焊接過程的模糊PID 實(shí)時(shí)焊縫跟蹤控制器。 試驗(yàn)表明： 實(shí)時(shí)跟蹤直線焊縫和曲線焊縫， 跟蹤最大偏差分別可以控制在0. 3 mm 和 0. 35 mm 以內(nèi).