基于鎢極投影的焊縫位置檢測(cè)方法

基于鎢極投影的焊縫位置檢測(cè)方法

0維焊縫跟蹤方法自動(dòng)焊接和智能焊接是焊接行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。其中一項(xiàng)重要技術(shù)之一是焊頭的自動(dòng)跟蹤。三維焊接跟蹤方法分為兩個(gè)方面：垂直定位法和水平定位法：垂直焊接跟蹤法通常稱為圓弧跟蹤法，平面投影法通常稱為二維焊接跟蹤法。在焊縫縱向跟蹤方面,已經(jīng)開發(fā)出接觸式、靠模式、接近開關(guān)式、弧壓反饋式等方法;在焊縫橫向跟蹤方面,已經(jīng)開發(fā)出光電傳感器式、電弧傳感式、激光結(jié)構(gòu)光視覺傳感式、被動(dòng)視覺傳感式等方法.對(duì)于位于三維曲面上的焊縫,必須同時(shí)進(jìn)行弧長控制和焊縫跟蹤,兩者統(tǒng)稱為三維焊縫跟蹤.現(xiàn)有方法一般將兩種跟蹤分開考慮,各采用一種跟蹤方法實(shí)現(xiàn)焊縫檢測(cè),通過焊槍的縱向、橫向兩維運(yùn)動(dòng),可以使焊槍隨時(shí)處于理想高度和對(duì)齊焊縫,但有時(shí)會(huì)因?yàn)閮商紫到y(tǒng)之間缺乏協(xié)調(diào)產(chǎn)生錯(cuò)誤.近年來采用一個(gè)傳感器聯(lián)合實(shí)現(xiàn)包括縱向和橫向的三維焊縫跟蹤得到大量研究,取得了諸多重要成果.例如,Jeyong等人采用激光線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器對(duì)帶有高度變化的工件焊接時(shí)同時(shí)進(jìn)行焊槍高度控制和二維焊縫跟蹤.杜玉紅等人也實(shí)現(xiàn)了接頭間隙0.5mm的三維焊縫跟蹤.Peiquan等人基于激光圓弧結(jié)構(gòu)光和面陣CCD視覺傳感器開發(fā)了可以三維焊縫跟蹤系統(tǒng).馮音琦等人采用光柵莫爾條紋技術(shù)實(shí)現(xiàn)了焊縫坡口的三維圖像傳感.此外,趙冬斌等人利用鎢極在熔池中的倒影成功提取了熔池表面高度.文中采用視覺傳感,從單幅焊接區(qū)域圖像中同時(shí)進(jìn)行鎢極惰性氣體保護(hù)焊(GTAW)弧長偏差檢測(cè)與焊縫跟蹤誤差(稱為鎢極左右偏差)檢測(cè).1視覺傳感裝置GTAW三維焊縫位置檢測(cè)系統(tǒng)包括焊接電源、焊接操縱機(jī)、視覺傳感器、計(jì)算機(jī)、圖像采集卡、I/O卡、驅(qū)動(dòng)控制電路、步進(jìn)電機(jī)和二維十字滑塊運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和二維調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu).視覺傳感器由特制的鏡頭、曝光控制電路和CCD攝像機(jī)組成.鏡頭部分包括平板玻璃、轉(zhuǎn)光路棱鏡、放大凸透鏡、濾光鏡、多片偏振減光鏡、電子快門、光敏二級(jí)管、直角棱鏡組和調(diào)焦裝置,光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示.曝光控制電路、光敏二級(jí)管和CCD攝像機(jī)的外觸發(fā)接口聯(lián)系到一起.曝光控制電路保證了在電流基值時(shí)期穩(wěn)定拍攝焊接圖像.平板玻璃可以遮擋焊接時(shí)飛濺煙塵,半五角棱鏡可以實(shí)現(xiàn)光路偏轉(zhuǎn),將側(cè)前方觀察轉(zhuǎn)換為沿著焊槍軸線的觀察,可以減小焊槍和視覺傳感器整體裝置的空間占用率,焊槍的可到達(dá)性好.濾光鏡和多片偏振減光鏡將弧光適當(dāng)削弱成僅在鎢極前端的一個(gè)照明光源(形成一個(gè)弧光球),其中多片偏振減光鏡中間的一片可以繞鏡頭光軸手動(dòng)旋轉(zhuǎn),用以滿足不同的焊接電流下對(duì)弧光削弱程度的調(diào)節(jié).直角棱鏡組可以通過光路的改變實(shí)現(xiàn)視覺傳感器軸向尺寸的壓縮.調(diào)焦裝置采用標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的調(diào)焦裝置實(shí)現(xiàn).2側(cè)前方分布視覺傳感器在不同方位所拍攝圖像有不同的特點(diǎn),正前方有利于觀察到清晰的接頭棱線,正后方有利于觀察到清晰的鎢極在熔池中的像.由于熔池呈近似橢圓形,當(dāng)傳感器位于正側(cè)方時(shí),鎢極尖點(diǎn)與其在熔池中的像的連線接近熔池橢圓的短軸方向,導(dǎo)致基本不能觀察到鎢極在熔池中的像.側(cè)前方則兼顧了正前方和正后方的特點(diǎn),不僅能夠觀察到清晰的接頭棱線,而且可以觀察到鎢極在熔池中的像.為了檢測(cè)到弧長及鎢極左右偏差,最佳的觀察方位是側(cè)前方30°～60°,最佳俯仰角50°～65°.通過圖像采集,可以獲得電流基值期間放大、清晰的焊接區(qū)域圖像,圖像元素包括鎢極前端、熔池前部、焊縫棱邊以及鎢極在熔池中所成的像.3極前端點(diǎn)位置為了實(shí)現(xiàn)三維焊縫位置檢測(cè)和焊縫跟蹤,建立4個(gè)坐標(biāo)系,如圖2所示,圖中符號(hào)說明如下.Ot為鎢極前端點(diǎn);Otm為鎢極前端點(diǎn)在熔池中的像;Oc為視覺傳感器鏡頭光心;Oi為CCD像靶面中心;Lt為鎢極中心線(豎直方向,也是鎢極像的中心線);Ls為焊縫中心線;Lc為視覺傳感器鏡頭光軸;M為焊接熔池平面(垂直于鎢極中心線,為水平面);la為“弧長”(鎢極前端點(diǎn)到熔池表面的距離);dh為鎢極左右偏差;K為直線OtOtm與熔池平面M的交點(diǎn);vw為焊接速度.(1){t}-otxtytzt固接于焊槍鎢極,原點(diǎn)Ot為鎢極前端點(diǎn),Zt軸為鎢極中心線,豎直向上為正,Yt軸沿焊接方向vw.(2)圖像坐標(biāo)系=p=opuv建立在視覺傳感器拍攝得到的圖像上,原點(diǎn)Op為圖像的左上角點(diǎn),u和v軸分別指向圖像的水平向右和垂直向下.(3)圖像坐標(biāo)系{i}固接于CCD像靶面,原點(diǎn)Oi為光軸與像靶面的交點(diǎn),xi和yi軸分別平行于u和v軸.(4)攝像頭配置{c}。ocxcyczc固接于視覺傳感器,原點(diǎn)Oc為鏡頭光心,Zc軸為光軸,從光心指向所觀察目標(biāo)方向?yàn)閆c軸正方向,Xc和Yc軸分別平行于u和v軸.4熔池焊縫跟蹤設(shè)焊縫線Ls與平面OtXtZt的交點(diǎn)為S.由于|SK|很小,可以近似認(rèn)為S與K在同一水平面M上.dh=|SK|定義為鎢極左右偏差(即焊縫跟蹤誤差).假定熔池表面在鎢極正下方附近為一水平面,定義此平面為熔池平面M(這一假定會(huì)引入誤差,后面的算法將考慮這一近似而做出相應(yīng)的修正).由于熔池中液態(tài)金屬表面的反光,使得熔池近似為一平面鏡,鎢極在該熔池平面鏡中成像.通過視覺傳感器可以拍攝到鎢極前端在熔池中的像,其尖點(diǎn)為Otm.由于Ot與Otm關(guān)于M鏡面成像,故有弧長|OtK|=|OtmK|=la,且OtOtm垂直于M.為了獲得好的焊接質(zhì)量,要求弧長la穩(wěn)定于設(shè)定值la0,鎢極左右偏差dh趨近于0.焊接初始時(shí),la=la0,dh=0.隨著焊接過程的進(jìn)行,一方面是工件上焊縫的左右偏斜、上下傾斜以及焊接熱變形等導(dǎo)致焊槍鎢極與焊縫的相對(duì)位置不是最佳施焊位置,另一方面由于焊槍鎢極的運(yùn)動(dòng)存在誤差也會(huì)造成鎢極沒有處在最佳施焊位置.這些都導(dǎo)致la不等于la0,dh不等于0.因此,三維焊縫跟蹤的目標(biāo)是通過十字滑塊運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上下(對(duì)應(yīng)弧長控制)和左右(對(duì)應(yīng)鎢極左右偏差控制或二維焊縫跟蹤)調(diào)節(jié)鎢極相對(duì)于焊縫的位置,使得弧長la穩(wěn)定于設(shè)定值la0,鎢極左右偏差dh趨近于0.三維焊縫位置檢測(cè)系統(tǒng)的目的就是要實(shí)時(shí)檢測(cè)出la和dh,以便用于反饋控制.5點(diǎn)otme誤差的估計(jì)為了實(shí)現(xiàn)三維焊縫位置檢測(cè),需要事先對(duì)各坐標(biāo)系的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定,求解出各模型參數(shù).坐標(biāo)系{C}與{T},{C}與{I},{I}與{P}的關(guān)系矩陣通過事先標(biāo)定攝像機(jī)坐標(biāo)系可以計(jì)算得到,不贅述.圖像處理算法限于篇幅將另文闡述.鎢極及其在熔池中倒影成像關(guān)系如圖3所示.鎢極前端點(diǎn)在熔池中的像點(diǎn)Otm經(jīng)鏡頭的凸透鏡成像到點(diǎn)O′tm,則直線OtmOc與CCD像靶面交于點(diǎn)O′tm.點(diǎn)O′tm與計(jì)算出的估計(jì)值點(diǎn)O′tme(下標(biāo)e代表估計(jì)值,下同)存在誤差.直線Lme與Lm不在一條直線上.此時(shí),直線Lme與Lt異面.誤差產(chǎn)生原因是:鎢極尖點(diǎn)不是無限小的點(diǎn),熔池面有一定彎曲,鎢極前端圓錐面不嚴(yán)格按鎢極中心線對(duì)稱,圖像處理誤差和坐標(biāo)系模型標(biāo)定誤差等.當(dāng)誤差較小時(shí),點(diǎn)Otm近似為直線Lt上到直線Lme距離最小的點(diǎn)(如果Lt與Lme相交,則Otm點(diǎn)為交點(diǎn)).設(shè)點(diǎn)Otme在坐標(biāo)系{T}下的坐標(biāo)為(TXtme,TYtme,TZtme),則可以推導(dǎo)得到TX2tme+TY2tme????????????√=ΤXtme2+ΤYtme2=最小值(1)式(1)稱為實(shí)際鎢極中心線約束條件.將此約束條件引入模型中可以計(jì)算出弧長(將鎢極前端點(diǎn)到熔池表面的距離稱為“弧長”,這與真實(shí)的弧長不完全相同),即la=-RZtm/2(2)6熔池水平約束條件焊縫接頭(即使是接頭間隙很小的對(duì)接接頭)在放大的圖像中顯示為左右兩條棱線.另外,三維焊縫線在局部區(qū)域上可以近似為直線考慮.焊縫左棱線Ls1及其成像關(guān)系如圖4所示.圖4中,坡口左棱線為Ls1,其像為L′s1,由Ls1和L′s1所在平面為投影平面H1,熔池平面為M.H1與M相交于直線Lsm1.L′s1與圖像平面邊界分別相交于E′1(ue1,ve1)和G′1(ug1,vg1).連接E′1Oc并延長,交M于E1(TXe1,TYe1,-la)點(diǎn).連接G′1Oc并延長,交M于G1(TXg1,TYg1,-la)點(diǎn).由于Ls1與平面OtXtZt的交點(diǎn)是S1,且Ls1與熔池平面M至少交于S1點(diǎn),所以Ls1所在的投影平面H1、平面OtXtZt和熔池平面M三個(gè)平面共同交于一點(diǎn)S1.此條件稱為熔池水平約束條件.此條件的前提是假定以S1K為直徑的圓內(nèi)熔池表面為水平面,這一假定在左棱線偏差dh1較小時(shí)可以成立.將此熔池水平約束條件引入模型中可計(jì)算焊縫左棱線的位置偏差,即dh1=TXe1?(TXg1?TXe1)TYe1TYg1?TYe1(3)dh1=ΤXe1-(ΤXg1-ΤXe1)ΤYe1ΤYg1-ΤYe1(3)同理可求右棱線偏差dh2.則鎢極左右偏差為dh=(dh1+dh2)/2(4)7檢測(cè)結(jié)果分析研制的視覺傳感器如圖5a所示,拍攝得到的焊接圖像如圖5b所示.焊接試驗(yàn)中由計(jì)算機(jī)發(fā)送控制指令,通過I/O卡和驅(qū)動(dòng)電路命令十字滑塊機(jī)構(gòu)帶動(dòng)焊槍作垂直焊縫方向的二維運(yùn)動(dòng),使鎢極相對(duì)焊縫中心線的位置發(fā)生變化,在不同的位置、時(shí)刻拍攝圖像,通過對(duì)圖像分析處理得到關(guān)鍵特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo),再利用檢測(cè)模型參數(shù)與鎢極偏差檢測(cè)算法,計(jì)算鎢極偏差.同時(shí)測(cè)量實(shí)際鎢極偏差,與計(jì)算