（材料加工工程專業(yè)論文）co2焊視覺圖像形態(tài)學處理及焊縫跟蹤的研究.pdf

摘要 摘要 c 0 2 氣體保護焊以其低成本、高效等優(yōu)點獲得了廣泛的應用，但是，焊接過 程飛濺大。采用機器視覺技術對c o ：氣體保護焊焊縫自動跟蹤的研究有十分重要 的意義。但是目前還未有效地加以利用，這是因為焊縫區(qū)存在大量的弧光、飛濺 等噪聲的干擾，不易獲得清晰穩(wěn)定的近縫區(qū)圖像。鑒于弧光與焊接電流及電弧區(qū) 輻射之間的相互關系，我們采用相應的濾光系統(tǒng)將強烈的紫外及部分可見光濾除， 余留的光作為光源，通過c c d 攝像機獲得了穩(wěn)定的近縫區(qū)圖像。通過圖像采集 設備、驅動機構等硬件接口與計算機圖像處理單元的互相通信完成圖像采集、存 儲、處理、特征提取、偏差提取以及過程控制等任務。 根據(jù)系統(tǒng)的特點及性能要求，選擇設計了無輔助光源的c 0 2 氣體保護焊焊縫 自動跟蹤系統(tǒng)，主要包括濾光系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)和偏差調節(jié)系 統(tǒng)。該系統(tǒng)具有可靠性、抗干擾性、實時性、系統(tǒng)簡單、成本低等特點，適合中 國國情，利于推廣應用。 通過對焊縫區(qū)原始圖像采取平滑濾波等預處理技術，得到了無大噪聲干擾的 焊縫區(qū)圖像。對焊縫圖像進行數(shù)學形態(tài)學濾波時，我們得到了熔池區(qū)前方十分清 晰的焊縫邊緣，這一點為進一步利用圖像處理進行焊縫跟蹤提供了有力的依據(jù)和 進一步工作的希望。本文首次將數(shù)學形態(tài)學濾波法應用到焊縫圖像預處理中，通 過數(shù)學形態(tài)學開閉運算對焊縫圖像進行濾波，可以消除不規(guī)則的干擾噪聲，特別 是焊縫邊緣的凸凹噪聲、圖像內部的小孔噪聲和圖像背景中的碎屑噪聲，得到清 晰的焊縫區(qū)圖像。為提取焊縫特征信息打下良好的基礎。 圖像處理的最終目的是提取焊縫位置的偏差信息。為了進一步提取到適于跟 蹤過程控制的控制量，本文通過對焊縫區(qū)圖像的像素灰度值的研究，依據(jù)圖像灰 度直方圖的特征對圖像進行了二值化、三值化及數(shù)學形態(tài)學梯度的圖像分割，在 充分利用焊縫區(qū)灰度特征的基礎上，提出了基于灰度值的焊縫特征信息提取方法。 通過邊緣特征信息識別算法，可以得到準確的焊縫位置偏差信息，并且由于算法 相對簡單，提高了焊縫跟蹤過程的處理速度。 對偏差控制量執(zhí)行調節(jié)的時候，本論文選擇了基于模糊控制規(guī)則的自調整參 數(shù)p i d 控制器。固定參數(shù)的p i d 控制器不能很好地適應弧焊過程實際工況的需要， 隨著焊縫線型的變化，控制器的參數(shù)也要隨著變化。 為了驗證系統(tǒng)的工作性能和研究的價值，通過對不同焊縫形狀測量的偏差值 和系統(tǒng)工作的特征的分析，采用了有效的偏差補償算法。進一步證實了采用機器 視覺及圖像處理方法可以滿足焊縫自動跟蹤的要求。 關鍵訶：無輔助光源；視覺傳感；數(shù)學形態(tài)學：焊縫跟蹤；模糊自調整參數(shù)p i d 華南理工大學工學博士學位論文 a b s t r a c t t h ec 0 2a i rp r o t e c t i v ew e l d i n g ，b yt h ea d v a n t a g eo fl o wc o s ta n d h i g he f f i c i e n c y a n ds oo n ，a p p l i e s e x t e n s i v e b u t ，d u r i n gt h ew e l d i n gp r o c e s s ，i th a sb i gw e l d i n g s p a t t e r a d o p tt h et e c h n i q u eo f t h em a c h i n es e n s eo f v i s i o n ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt ot h e c 0 2 a i rp r o t e c t i v ew e l d i n gs e a mt oa u t o m a t i c a l l yf o l l o w h o w e v e r , u pt on o w ，i th a s s t i l ln o te x p l o i t e da v a i l a b l y , w h i c hi sb e c a u s eo f , i nw e l ds e a n la r e a ，l y i n gag r e a tl o t d i s t u r bs u c ha sa r c l i g h t ，s p a t t e r a n do t h e rn o i s e ，s o ，i ta c q u i r ed i f f i c u l t yc l e a ra n d s t a b l e d i a g r a mo ft h en e a rs e a ma r e a b a s e do nt h er e l a t i o no fa r cl i g h t 、w e l d i n g c u r r e n ta n dr a d i a t i o no ft h ea r c a r e a ，t h r o u g ha d o p t i n gc o “e l a t i v ef i g h tf i l t e rs y s t e mt o f i l t e r s t r o n gp u r p l ea n dp a r to fv i s i b l el i g h t ，a n dr e m a i n i n gl i g h tb e i n gu s e da st h e l i g h ts o u r c e ，i tc a na c q u i r et h es t a b i l i z ed i a g r a m o ft h en e a rs e a ma r e ab yc c d p i c k u p c a m e r a b yt h e c o l l e c t a b l e d i a g r a me q u i p m e n t 、t h ed r i v eo r g a n i z a t i o n a n dt h e h a r d w a r ei n t e r f a c ec o r r e s p o n d e n c i n gm u t u a l l yw i t ht h ec o m p u t e ru n i tt od e a lw i t h d i a g r a m ，i tc a nf i n i s hd i a g r a m t oc o l l e c t 、s t o r a g e 、d i s p o s e 、d i s t i l lc h a r a c t e r i s t i ca n d d e v i a t i o na n dt h e p r o c e s s c o n t r o le t c a c c o r d i n gt os y s t e mc h a r a c t e r i s t i ca n dp e r f o r m a n c er e q u e s t ，c h o o s ea n dd e s i g n t h ec 0 2a i rp r o t e c t i v ew e l ds e a mt of o l l o wa u t o m a t i cs y s t e mt oh a v en o a s s i s t a n t l a m p - h o u s e ，w h i c hp r i m a r i l yi n c l u d et h el i g h tf i l t e rs y s t e m ，t h ec o l l e c t a b l ed i a g r a m s y s t e m ，t h eh a n d l i n gd i a g r a ms y s t e ma n d t h e r e g u l a t i n gd e v i a t i o ns y s t e m t h i ss y s t e m h a v et h ed e p e n d a b l e ，a n t i i n t e r f e r e n c e ，r e a lt i m e ，s i m p l e ，l o wc o s te t cc h a r a c t e r i s t i c ， f i tc h i n e s e a c t u a l i t y , b e n e f i t o f a p p l y i n g i nt h e e x p a n s i o n t h r o u g ha d o p t i n gt h es m o o t hf i l t e rw a v ea n do t h e rp r e t r e a t m e n tf o ro r i g i n a l i t y d i a g r a mo fs e a ma r e a , g e tt o t h es e a ma r e ad i a g r a mt oh a v en ob i gn o i s e d u r i n g f i l t e r i n gw a v eb ym a t h e m a t i c sf o r m , g e tv e r yc l e a rw e l ds e a me d g ei nf r o n to fw e l d p o n da r e a , w h i c hp r o v i d es t r o n gp r o o fa n df u r t h e rw o r kf e a s i b i l i t y t om a k eu s eo f h a n d l i n gd i a g r a mt of o l l o ww e l dj o i n t i nt h i st h e s i s a p p l y i n gf i r s t l y m a t h e m a t i c s f o r mt o p r e t r e a t m e n t i ns e a r n d i a g r a m ，p a s s i n g t h e o p e n c l o s e do p e r a t i o n o f m a t h e m a t i c sf o r mt of i l t e rw a v ei ns e a md i a g r a m , i tc a nc l e a ru pa n o m a l yn o i s e ， e s p e c i a l l y , t h ek n a g g yn o i s eo fs e a me d g e ，t h ee y e l e tn o i s ei n s i d ed i a g r a ma n dt h e c r u m bn o i s ei nt h eb a c k g r o u n dw i t hd i a g r a m ，a n dg e tt h ec l e a rd i a g r a mo fs e a ma r e a ， a n da f f o r dt h eb e t t e rf o u n d a t i o no f d i s t i l l i n gc h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o n t h ef i n a la i mo fd i a g r a mt oh a n d l ei st og e tt h es e a md e v i a t i o ni n f o r m a t i o nt o d i s t i l l f o rf u r t h e rd i s t i l l i n gt h em e a s u r et ob es u i tf o r p r o c e s s c o n t r o li ns e a m f o l l o w i n g ，i nt h i sp a p e r , a f t e rt h er e s e a r c ho fd e g r e eo fp i x e la s hi nd i a g r a m o fs e a m a b s t r a c t a r e a ，a c c o r d i n g t ot h eh i s t g r a mc h a r a c t e r i s t i co ft h ea s hd e g r e e ，p r o c e e d i n gt ob i n a r y 、 t h i n ev a l u ea n dd i v i d eu pd i a g r a mb ym a t h e m a t i c sf o r mg r a d s ，0 1 1t h ef o u n d a t i o no f m a k i n gs u f f i c i e n c yu s e o ft h ea s hd e g r e ec h a r a c t e r i s t i ci ns e a ma r e a ，i tb r i n gu pt h e m e t h o do f d i s t i l l i n gs e a m c h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o no nb a s e do f a s hd e g r e ev a l u e b y t h ec a l c u l a t ew a yo ft h ee d g ec h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o nt oi d e n t i f y ，c a l lg e tt h es e a m a c c u r a t ed e v i a t i o ni n f o r m a t i o n ，a n db e c a u s et h ec a l c u l a t ew a yi s o p p o s i t es i m p l e ， i n c r e a s e dt h eh a n d l i n gs p e e di nw e l ds e a mt of o l l o w d u r i n gt h ed e v i a t i o nv a l u et oa d j u s t ，i nt h i sp a p e r , c h o o s ea d a p t i v ep a r a m e t e r p i dc o n t r o l l e rb a s e do nf u z z yc o n t r o lr u l e f i x e dp a r a m e t e rp i dc o n t r o l l e r c a n t n i c e l ya d a p tt ot h ea c t u a lw e l dc i r c u m s t a n c ei nt h ea r cw e l d i n gp r o c e s s ，a l o n gw i t h t h el i n e a r i t yo fw e l ds e a m c h a n g i n g ，c o n t r o l l e ra l s oc h a n g i n g t ov a l i d a t et h es y s t e mp e r f o r m a n c ea n dt h ew o r t ho fr e s e a r c h ，t h r o u g ha n a l y z i n g t h ev a l u eo fd e v i a t i o nt od i f f e r e n tw e l ds e a ms h a p ea n dt h es y s t e mw o r kc h a r a c t e r i s t i c ， a d o p t i n gt h ec a l c u l a t ew a y o fv a l i dd e v i a t i o n ，f u r t h e rc o n f i r mt h ea d o p t i n gs e n s eo f v i s i o na n dt h ed i a g r a mt o h a n d l es a t i s f i e dt h e r e q u e s t t ow e l ds e a mt of o l l o w a u t o m a t i c a l l y k e yw o r d s ：n o - a s s i s t a n tl a m p h o u s e ；c c ds e n s o r ；m o r p h o l o g y ；s e a mt r a c i n g ； a d a p t i v ep a r a m e t e rf u z z y p i d 華南理工大學 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進 行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外， 本論文不包含任何其他個人或集體己經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。 對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方 式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。 作者簽名舶繹日期：己哆年舌月多。1 t 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī) 定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和 電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權華南理工大學可以將 本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采 用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 保密口，在一年解密后適用本授權書。 本學位論文屬于 不保密日。 ( 請在以上相應方框內打“”) 作者簽名：宅易釀穆髯 導師簽名：朋“ 日期：護哆年石月鄉(xiāng)。e l i i t 期：渺3 年月紗日 第一章緒論 1 1 課題的提出 第一章緒論 視覺是人類獲取信息的主要通道，關于人和動物的視覺機理至今還未得到完 全破解，但是在某些領域已經(jīng)取得一些探索性的結果。結合近幾十年來發(fā)展的電 子計算機科學、圖象處理及模式識別理論與技術，已經(jīng)將視覺的生理機制以機器 視覺的形式再現(xiàn)出來，并在一些領域中加以利用獲得了成功。雖然機器視覺沒有 像生物視覺那么精密，但是它也具有生物視覺無法比擬的優(yōu)點，例如它的遠距離 觀看能力和在黑夜中的透視能力等等“。，。 隨著電子計算機科學( 包括大規(guī)模集成電路、應用軟件和計算方法等) 、圖像 處理技術、光電技術和模式識別技術與理論的迅速發(fā)展，機器視覺的理論研究與 實際應用日益得到重視與矚目，并不斷在許多領域取得初步性的成果。例如：機 器人視覺、視覺檢測與測量、柔性生產(chǎn)線自動化以及焊接自動化等。許多國際性 會議，如自動化會議、工業(yè)機器人會議、應用機器人視覺會議以及焊接自動化會 議等都涉及到它的研究和應用成果。自1 9 7 1 年開始，每年召開一次的國際工業(yè)機 器人會議曾發(fā)表了多篇有關機器視覺的論文。特別是自1 9 8 1 年以來，國際上專門 召開了每年一屆的“r o b e r t sv i s i o na n ds e n s o r yc o n t r o l s ”會議，更集中了這 方面的最新成果和進展。因此機器視覺已經(jīng)在科學研究中、軍事上和工業(yè)自動化 方面得到了很大程度的開發(fā)和利用，并具有廣闊的研究前景。焊接自動化就是機 器視覺研究與應用的主要領域之一”，。 本課題在機器人無輔助光源的c 如氣體保護焊視覺跟蹤及其智能控制等方面 進行了有益的探索研究。本課題提出的依據(jù)在于c 0 ：氣體保護焊的市場需求、焊 接自動化以及弧焊機器人智能化發(fā)展的需求等三個方面。 1 1 1c o , 氣體保護焊廣泛的市場需求及發(fā)展現(xiàn)狀 c 0 2 氣體保護焊自2 0 世紀5 0 年代問世以來，以其明弧、無渣、低成本、高 效節(jié)能、抗銹低氫等特點受到廣泛應用，其中尤其以細絲、短弧、低電壓、小電 流為主要特征的短路過渡焊，因為其具有適應于中薄板、全位置焊接適應性好、 便于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點而備受關注。在工業(yè)發(fā)達國家，c 0 2 氣體保護焊占6 0 7 0 ，近年來c 0 2 氣體保護焊在我國工業(yè)中逐漸推廣使用。當前我國西部大開發(fā) 華南理工大學工學博士學位論文 的許多基礎項目如公路、橋梁、鐵路、機場建設及西氣動輸、西油東送等都急需 c 0 2 氣體保護焊焊接技術1 1 4 。但是c 0 2 氣體保護焊自身的性質使該方法在焊接過 程中飛濺很大。飛濺不僅污染工件，增加勞動強度，降低熔敷率，也會堵塞噴嘴， 使送絲不暢，因此國內外研究者在焊接材料、焊接工藝規(guī)范等方面對c 0 2 氣體保 護焊的飛濺問題做了大量的研究工作。 盡管理論上可以很大程度地減少c 0 2 氣體保護焊短路過渡時的飛濺，但在實 際應用中卻并沒有做到這一點。原因是多方面的，如焊接材料方面，目前我國生 產(chǎn)實心焊絲的廠家雖有1 0 0 余個，年產(chǎn)1 0 0 0 0 t 以上，但是品種單一，實心焊絲基 本上只有e r 4 9 - - 1 ( h 0 8 m n 2 s i a ) 和e r s 0 - - 1 6 ( h 0 8 m n s i a ) 2 種碳鋼焊絲。焊接碳 銅、低合金鋼和不銹鋼的國產(chǎn)藥芯焊絲品種少且質量不穩(wěn)定。焊接用c 0 2 氣體方 面，所使用的一般為工業(yè)石灰窯、酒精廠或化工廠的副產(chǎn)品。焊機方面，大型國 有企業(yè)使用的c 0 2 焊機大部分是日本松下和大阪的焊機，瑞典的e s a b 及德國的 梅薩焊機，它們占據(jù)了國內6 0 7 0 的市場。國產(chǎn)的通用焊機由于焊接參數(shù)波 動很大，焊接過程不穩(wěn)定。近年來雖然逆變焊機的研制風起云涌，但由于急功近 利，產(chǎn)品可靠性差、返修率高。這些因素使得我國c 0 2 焊接方法存在飛濺大，難 于推廣的事實l i f t - ”】。 c 0 2 焊以其自身的成本低、操作簡便、便于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點特別適合于我 國建設的需要，隨著焊接自動化的大力發(fā)展，對c 0 2 氣體保護焊焊縫跟蹤技術的 研究會越來越重要，因此只有切實地在國產(chǎn)化地基礎上研究可靠性強的c 0 2 焊縫 跟蹤系統(tǒng)，才能推廣c 0 2 焊的應用，同時也保護了民族工業(yè)。這需要各方面的焊 接研究者作更多的工作。 1 1 2 焊接自動化的需求 自1 8 8 1 年電弧焊發(fā)明以來，隨著機械、電力、材料等行業(yè)的發(fā)展，焊接技術 已成為一種最重要的金屬熱加工技術。從日常用品的生產(chǎn)到尖端技術產(chǎn)品的制造 都離不開焊接技術，現(xiàn)代化生產(chǎn)實踐對焊接技術提出了進一步提高效率、優(yōu)化質 量、改善勞動條件等要求，焊接自動化就是焊接工作者順應這種要求的具體體現(xiàn)， 工業(yè)發(fā)達國家，如美國、日本、德國的焊接自動化、機械化程度己達6 0 7 0 ， 雨我國僅為2 0 一3 0 7 6 m ，。因此，發(fā)展和應用新型焊接自動化技術對我國國民經(jīng)濟 將起到巨大的作用，而弧焊跟蹤系統(tǒng)正是焊接自動化的一個重要方面。 在焊接過程中，由于各種干擾的存在，使電弧也變成一個非線性的載體，這 就使得焊接的過程變得復雜而且存在著諸多影響焊接質量和自動化水平的因素， 歸納一下主要有以下幾方面的問題【2 l - 2 2 ： 1 ) 自動化水平低下導致工作效率降低； 第一章緒論 2 ) 工件本身定位不精確直接影響了焊接質量： 3 ) 跟蹤方法使用約束條件較大： 4 ) 目前我國的焊接自動化水平相對不高。 由于在焊接過程中存在許多干擾，給焊接近弧區(qū)采用視覺直接觀察帶來了很 大的困難。但是采用視覺直接觀察焊接近弧區(qū)將能獲得更多、更有利于焊接過程 分析與控制的信息，并且具有強烈的直觀性與真實性；加之目前我國的焊接自動 化水平相對不高，利用視覺技術的優(yōu)點，結合焊接過程的特殊性研究機器視覺在 焊接過程中的應用具有十分重要的意義。 1 1 3 焊接機器人智能化發(fā)展的需求 自從1 9 6 0 年美國的c o n s o h d a t e dc o n t r o l 公司研制出世界上第一臺機器人以 來，機器人的研究、生產(chǎn)與應用得到了很大的發(fā)展，到2 0 0 2 年底世界上安裝的工 業(yè)機器人已達約1 2 0 萬臺，其中用于焊接的機器人占了5 5 以上。在引進國外技 術的基礎上，我國上一世紀7 0 年代初開始研究工業(yè)機器人。1 9 8 5 年哈爾濱工業(yè) 大學研制成功中國第一臺h y - 1 型焊接機器人t1 9 8 7 年北京機床研究所和華南理 工大學聯(lián)合為天津自行車二廠研制出用于焊接自行車前三角架的t j r - g 1 型弧焊 機器人；上海交通大學研制的“上海1 號”、“上海2 號”和廣州機床研究所等研 制的示教再現(xiàn)型機器人也都具有可供弧焊和點焊的功能，有的還有自動跟蹤、尋 找起始點和保持姿勢等功能1 2 3 - 2 6 ，。 目前的機器人大多為可編程的示教再現(xiàn)機器人。這種機器人可以在其工作空 間內精確的完成示教的操作。在弧焊機器人施焊過程中，如果焊接條件基本穩(wěn)定 則機器人能夠保證焊接質量。但是，由于各種因素的影響，實際的焊接條件經(jīng)常 發(fā)生變化。側如，由于強烈的弧光輻射、高溫氣氛、煙塵飛濺、坡口狀況、加工 誤差、夾具裝夾精度、表面狀態(tài)和工件熱變形等影響會造成焊矩偏離焊縫，從而 造成焊接質量下降甚至失敗。因此，焊接條件的這種變化要求弧焊機器人能夠實 時檢測出焊縫的偏差，并調整焊接路徑和焊接參數(shù)，保證焊接質量的可靠性。人 們?yōu)榱耸沟脵C器人在焊接過程中能實時地檢測出焊縫的實際位置，提出了弧焊機 器人焊縫跟蹤技術的研究2 7 - 3 1 。 基于以上三方面的大力發(fā)展和需求可以看出，研究機器視覺在c 0 ：氣體保護 焊焊縫自動跟蹤中的應用成為迫切需要解決的問題，實現(xiàn)c o 。氣體保護焊焊縫智 能化自動跟蹤是焊接工業(yè)自動化的未來發(fā)展趨勢，它不僅可以較大程度地提高c 0 2 氣體保護焊焊接過程的生產(chǎn)力，而且可以保證更高的焊接質量。 一3 華南理工大學工學博士學位論文 1 2 國內外焊縫跟蹤技術的發(fā)展概況 眾所周知，實施正確的焊縫跟蹤是保證焊接質量的基本條件，長期以來，國 內外焊接專家研制了各種各樣弧焊跟蹤系統(tǒng)。 1 2 1 國外的焊縫跟蹤系統(tǒng)及跟蹤控制方法 發(fā)達國家對弧焊過程的焊縫跟蹤已進行了很多年的研究和探索，取得了可觀 的成績。近代由于模糊數(shù)學和神經(jīng)網(wǎng)絡的出現(xiàn)，并將其應用到焊接這一復雜的不 確定性的非線性系統(tǒng)，使焊縫跟蹤踏入一個嶄新的時代智能焊縫跟蹤時代。 同時，國外對焊接機器人的焊縫跟蹤的研究開展的比較早，研究的也比較廣泛。 但是國外主要集中在控制算法方面，對許多新的控制算法進行了研究，而對于焊 縫跟蹤用傳感器研究較少。 早在1 9 8 5 年，保加利亞的d b k o v 提出用模糊模型描述弧焊過程的不確定 性，借助于配置的非接觸式激光傳感器，它能按示教內容對焊縫進行跟蹤，實驗 的結果表明，采用模糊集概念可以進行在線評估、預測和控帶l j s 2 。 意大利a n s a l d 0 焊接中心，采用硬件邏輯電路，對焊槍進行橫向( z ) 、高 度方向( y ) 和縱向( x ) 的自適應跟蹤，保證坡口無論是i 型或u 型都能連續(xù)施 焊，是目前最先進的焊縫跟蹤系統(tǒng)之一，但其結構龐大，控制邏輯復雜，不利于 使用和維修而且控制模式單一，限制了其功能的開發(fā)。 1 9 8 9 年日本的s m u r a l k a m i 等人研制了基于模糊控制的焊縫跟蹤系統(tǒng)，該控 制系統(tǒng)根據(jù)焊槍的振幅位置同焊絲與工件的距離關系判別焊點的水平和垂直位 移，根據(jù)語言規(guī)則設計了模糊濾波器和模糊控制器，控制效果很好m 。 1 9 9 0 年日本的n n a y a k 等人采用分級控制方法設計了自適應、實時和智能焊 縫跟蹤器( 簡稱a r t i s t - - a d a p t i v e ，r e a l t i m e ，i n t e l l i g e n ts e a m t r a c k e r ) 該系統(tǒng) 能夠對未知的三維焊縫進行識剮和跟蹤 3 a 。5 1 ， 1 9 9 4 年日本的y s u g a 等人將神經(jīng)網(wǎng)絡運用到焊縫跟蹤中，在該系統(tǒng)中采用 了視覺傳感器并用神經(jīng)網(wǎng)絡進行圖象處理以獲得焊縫的形狀數(shù)據(jù)，實驗結果表明 此系統(tǒng)具有較強的魯棒性，能有效地進行焊縫跟蹤。 同期j 。k a r e l 和s r 撤。進行了一種神經(jīng)網(wǎng)絡型跟蹤控制，設計了機器人關節(jié) 空間和笛卡爾空間兩種神經(jīng)網(wǎng)絡控制器，通過在一個2 關節(jié)的s c a r a 機器人上 的實驗表明，神經(jīng)網(wǎng)絡型控制器的路徑跟蹤精度比傳統(tǒng)的機器人計算力矩控制法 高得多，并用李亞普諾夫原理證明了神經(jīng)網(wǎng)絡控制器的穩(wěn)定性1 3 7 ，。 第一章緒論 1 9 9 5 年h b s m a r t t 將人工神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊控制技術同時應用于焊縫跟蹤的控 制，通過測量焊炬和焊縫的位置與方向偏差，應用模糊控制概念，實現(xiàn)焊炬的位 置控制。但該模糊控制器不具有學習功能，控制規(guī)則是根據(jù)經(jīng)驗預先總結而確定， 因而在較復雜的不確定的焊接過程中進行控制時往往精度較低w 。 不可否認，日本焊接工作者在焊縫跟蹤方面作出了很大貢獻，使焊縫跟蹤控 制達到了很高的自動化水平，同時也證明了將模糊控制理論應用到焊接這一不確 定性系統(tǒng)是可行的。 總之，國外焊接界的研究者們對焊接過程中焊縫的自動跟蹤技術進行了大量 而且富有成效的研究，特別是在控制算法上進行了許多嘗試，從傳統(tǒng)的控制算法 到現(xiàn)代控制算法，以及目前比較受人們關注的模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡算法都進行細 致的研究，并獲得了許多寶貴的應用成果。但是，在傳感器的應用上，主要集中 在接觸式傳感器、電弧傳感器等上面，而對于目前比較流行的視覺傳感器應用較 少，即使有的研究者使用了視覺傳感器，也是帶有復雜激光系統(tǒng)的視覺傳感器系 統(tǒng)。這些傳感器存在著結構復雜、成本較高、不利于推廣應用等缺點，所以本文 提出在焊縫跟蹤過程中，采用無輔助光源的視覺傳感器系統(tǒng)。目的在于降低成本， 研究適合中國國情的視覺傳感器焊縫跟蹤系統(tǒng)。 1 2 2 國內的焊縫跟蹤系統(tǒng)及跟蹤控制方法 國內對焊縫跟蹤的研究比較晚，尤其對焊接機器人的研究，研究手段和研究 方法還處于探索時期。但是這些焊縫跟蹤都是針對我國焊接行業(yè)的國情進行的， 是我國進行焊縫跟蹤研究工作的基礎，對進一步研究焊縫跟蹤提出很多有益的啟 示。 清華大學潘際鑾院士、陳強和何方殿等教授對弧焊跟蹤系統(tǒng)中的傳感器和其 中的控制系統(tǒng)分別進行了研究，詳盡論述了用于焊縫跟蹤系統(tǒng)的各種傳感器，并 提出了一種基于焊縫c c d 圖象模式特征的焊縫軌跡識別的新算法，該算法將焊 縫分戍段，每段的灰度分布用特征向量來描述，利用前一段的特征向量來識別下 一段的特征向量，從而實現(xiàn)焊縫識別，具有對各種坡口快速，準確地識別并能自 適應調整局部和整體噪聲等特點m - 4 1 1 。但是該方法必須以獲得清晰的焊縫圖像為 前提。 天津大學趙家瑞、張紹彬和侯文考等人利用聲電匹配和聚焦聲透鏡技術開發(fā) 的科技新成果，為這種高靈敏度、高分辨率空氣超聲傳感器研究設計的單片機信 號采集、處理、控制軟件硬件系統(tǒng)和糾偏執(zhí)行機構，首次實現(xiàn)t i g 焊、c o z 氣體保 護焊和埋弧焊焊縫的掃描式、固定式超聲傳感二維自動跟蹤，跟蹤精度在橫縱向 均達到0 5 m m 。但是這種方法存在結構復雜、成本較高等缺點n 2 4 3 1 。 5 一 華南理工大學工學博士學位論文 華東船舶工業(yè)學院蔣鵬飛和美國里海大學的j o h n 及d w o o d 利用縫隙對聲發(fā) 射波傳播有影響的現(xiàn)象，基于縫隙對聲發(fā)射波傳播有影響的現(xiàn)象，研制成種利 用聲發(fā)射一微處理器控制的焊縫跟蹤系統(tǒng)。設計了縫隙對聲發(fā)射波傳播的影響和 焊縫跟蹤控制裝置。試驗表明這種焊縫跟蹤控制裝置是靈敏的，它能克服偏差， 正確跟蹤直焊縫和曲線焊縫。但是傳感器對噪聲反應靈敏，在高噪聲工況下，工 作困難，同時結構比較復雜，用于飛濺嚴重的c 0 2 焊有一定的困難w 。 華南理工大學自1 9 9 3 年開始，在國家和省自然科學基金的立項支持下，在焊 縫跟蹤方面主要側重于應用視覺傳感器來檢測焊縫，利用視覺傳感器所獲信息量 大，接近人的視覺等突出優(yōu)點，并將神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊控制應用到焊縫跟蹤系統(tǒng)中， 提出一種基于自適應共振理論( a d a p t i v er e s o n a n c et h e o r y ) 神經(jīng)網(wǎng)絡的焊縫跟蹤 算法，即把焊縫橫截面方向上的灰度分布歸為若干種空間模式，并使之記憶在 a r t 神經(jīng)網(wǎng)絡中，在實際焊接中獲取的圖象空間模式與之進行匹配程度檢測，根 據(jù)模式分布情況確定出焊炬與焊縫中心的偏差，以此偏差為模糊變量設計了自調 整p i d 模糊控制器。該算法能夠在強噪聲環(huán)境中保持很高的跟蹤精度，在對t i g 焊進行焊縫跟蹤控制實驗中取得了良好的效果”一，。 重慶大學孫孝純等人進行了m z - 1 0 0 0 埋弧焊機自動跟蹤系統(tǒng)性能的研究，該 研究是在m z - 1 0 0 0 埋弧焊機上配以自動跟蹤裝置，跟蹤傳感器采用c d - t s 型雙 向接觸式焊縫跟蹤傳感器，可進行水平橫向調節(jié)和高度垂直方向調節(jié)，傳感器與 埋弧焊小車上的機頭聯(lián)成剛性一體，傳感器的探頭與焊絲在同一焊縫內。如果焊 絲偏離焊道或者焊絲干伸長變化過大，傳感器則發(fā)出相應的電信號，通過控制箱 驅動對應的步進電機，使焊絲的偏離減少或者消除。該方法系統(tǒng)慣性小，能瞬時 響應，靜態(tài)誤差小，能充分滿足跟蹤的要求。這種接觸式焊縫跟蹤方法的優(yōu)點是 可以直接探測到焊縫的位置，方法比較簡單，適合于平板埋弧焊的焊縫跟蹤。而 在進行常用的厚板鍋爐壓力容器的焊接時則暴露出其無法避免的缺點，因為在焊 接圓筒狀壓力容器時事先要將工件通過點焊將其位置固定，這樣在焊道中就存在 點固焊焊點，當觸頭運行到焊點時，就會發(fā)生阻塞，需要外界干預，才能繼續(xù)施 焊j 。 寶雞市油鋼管廠利用光電傳感器，以焊縫附近用專用白漆噴涂的一條帶狀線 作為導向線，跟蹤系統(tǒng)以導向線為基準，自動調整感應器的旋轉角度，來實現(xiàn)跟 蹤，此種方法解決了順利通過焊點的問題，但是需要在焊接前噴涂一道自線，當 焊縫兩側高低不平時，白線則不能檢測到，不能根據(jù)白線所給的信息來實時調整 焊槍的高度，這樣就影響了焊接質量m 1 。 江蘇揚州石油勘探局通過靠模法解決了埋弧焊環(huán)縫自動跟蹤問題，此種方法 主要針對每次安裝簡體會出現(xiàn)程度不等的不平、不齊等現(xiàn)象所設計的，另外由于 筒體或多或少存在著橢圓度，不可避免的存在著筒體環(huán)縫的捕焊過程中的筒體軸 第一章緒論 向移動和最高點的變化。利用同步運動原理設計了環(huán)縫自動跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)由 橫向跟蹤機構、縱向跟蹤機構和微調機構三部分調節(jié)機構組成，橫向跟蹤機構通 過靠輪、滑軌帶動機頭向右同步運動，彈簧始終使靠輪緊靠簡體：當簡體向左移 動時，在彈簧作用下向左同步運動?？v向跟蹤機構的萬向輪始終接觸簡體，機頭 通過滑軌靠機頭與滑軌的自重隨筒體做上、下同步運動，保持導電嘴與焊縫之間 距離不變，實現(xiàn)了環(huán)縫焊接自動化。該方法僅解決了特殊場合的應用問題，不能 得到廣泛的應用m 。 天津大學胡繩蓀等人研制了一種非接觸超聲傳感焊縫跟蹤系統(tǒng)，采用了新型 的超聲波傳感器，用一套掃描裝置使傳感器在焊道上方左右掃描，超聲傳感器發(fā) 射超聲波遇到焊件金屬表面時超聲波信號被反射回來，并由超聲傳感器接收，通 過計算傳感器發(fā)射到接收的聲程時間可以得到傳感器與焊件之間的垂直距離?？?制系統(tǒng)則根據(jù)檢測到的偏差大小及方向在高度方向進行糾偏調整。同時設計了焊 縫跟蹤f u z z y p 控制器的硬件及軟件，提高了系統(tǒng)的響應速度和跟蹤精度m ，。 華北石油管理局為了提高厚壁管的焊接效率、完成自動跟蹤糾偏，利用c c d 面陣攝像機作為前面焊縫檢測傳感器，s t d 工控機作圖像數(shù)字處理、識別、確定 焊縫位置，并抑制焊頭移動機構來實現(xiàn)焊縫在線自動跟蹤實時糾偏。c c d 的優(yōu)點 和s t d 工控機的優(yōu)良性能使此跟蹤系統(tǒng)工作可靠、操作簡單。但由于管材較厚， 只采用c c d 攝像頭不能得到清晰的焊縫坡口形貌，難以對準焊縫中心影響了焊 縫的跟蹤精度刪。 清華大學潘際鑾院士對電弧傳感器進行了詳細的研究。同時摩寶劍等應用高 速圓周掃描的m i g g a g 電弧作為傳感器，避免了傳感器超前安裝及易受電弧光熱 干擾的缺點，特別有利于彎曲或大角度轉折焊縫的自動跟蹤焊接。研制出僅需電 弧本身作為傳感器的低成本、高性能自動轉彎跟蹤焊接小車。其控制器采用1 6 位單片機和數(shù)字化的脈沖寬度p i i ) 調節(jié)原理與模糊控制原理。成功實現(xiàn)對轉折角 度達4 3 。的折線焊縫的自動跟蹤焊接w n 。 華東船舶工業(yè)學院王加友、陳剛和劉啟東等采用m c s 一5 l 單片機控制的接觸 式弧焊跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有焊縫雙向自動跟蹤和自尋起焊點的雙重觸覺功能。 文中詳述了傳感器結構、系統(tǒng)構成及控制軟件設計，并就保護彈簧對傳感器精度 的影響進行了分析。但是接觸傳感器精度較低m - 。 哈爾濱工業(yè)大學吳威、劉丹軍、尤波和蔡鶴皋等人對機器人在焊縫自動跟蹤 方面進行研究，介紹了機器人觸覺的力傳感器結構和使用方法。對力信號進行解 耦及信號解算，有效地消除了機器人在工作過程中振動、抖動對力信號的污染， 使機器人有能力自動識別、跟蹤焊縫及焊槍位置修正，從而保證焊接質量。但是 解耦算法復雜費時，系統(tǒng)滯后嚴重，精度低，實時性較差m 1 。 哈爾濱焊接研究所董德祥、亢稚祿根據(jù)光電傳感原理設計了一種新型的機械 華南理工大學工學博士學位論文 探頭接觸式焊縫跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)由傳感器、控制電路、執(zhí)行機構等部分組成， 具有兩維跟蹤功能【柚】。已成功地在國內一些廠家獲得了廣泛的推廣應用，效果良 好。 河北工業(yè)大學機器人研究所岳新宏、孫立新、李慨等人采用結構光視覺的方 法對焊縫進行檢測和跟蹤，研制了一套焊縫自動跟蹤系統(tǒng)。在圖象處理方面采用 l o g 濾波和圖象分割濾波等有效的方法，經(jīng)實驗證明，實際焊接時的跟蹤誤差小 于0 5 叫，能夠滿足一般焊接的要求【6 1 ，。 總之，國內在焊縫跟蹤的研究方面起步較晚，但是有國外的先進成果可以借 鑒，所以發(fā)展較快。主要集中在各種傳感器的研究與設計上，但在無輔助光源的 c c d 視覺傳感器方面研究較少。所以，本課題提出了基于無輔助光源的c c d 視 覺傳感器方法，來實時獲取焊接過程中的焊縫信息，以實現(xiàn)自動跟蹤。 1 2 3 傳感器技術的發(fā)展 在焊接自動化技術中，焊縫跟蹤技術是實現(xiàn)焊接自動化的前提，也是本領域 的傳統(tǒng)課題。在焊縫跟蹤系統(tǒng)中，傳感器占有非常重要的地位，一個合適的傳感 器是保證正確跟蹤的重要基礎，焊接工作者已開發(fā)出了許多弧焊跟蹤用傳感器。 弧焊用傳感器可分為直接電弧式、接觸式和非接觸式三大類。按工作原理可 分為機械、機電、電磁、電容、射流、超聲、紅外、光電、激光、視覺、電弧、 光譜及光纖式等。按用途有用于焊縫跟蹤、焊接條件控制( 熔寬、熔深、熔透、 成型面積、焊速、冷卻速度和干伸長) 及其他如溫度分布、等離子體粒子密度、 熔池行為等。據(jù)日本焊接技術學會近期所做的調查顯示，在日本、歐洲及其他發(fā) 達國家，用于焊接過程的傳感器有8 0 是用于焊縫跟蹤的m “。目前我們國家用 的較多的是電弧式、機械式和光電式。 1 2 3 1 電弧式焊縫跟蹤傳露器 電弧傳感器是近年來國內外焊接自動化學者比較關注的一項研究內容。國內 以潘際鑾院士為代表研究較多。 電弧傳感器是從焊接電弧自身直接提取焊縫位置偏差信號，實時性好，不需 要在焊槍上附加任何裝置，焊槍運動的靈活性和可達性最好，尤其符合焊接過程 低成本自動化的要求。它是利用了焊接電弧本身的電特性實現(xiàn)焊縫位置檢測的。 即在焊接時，焊接電弧可作為傳感器在焊接過程中來檢測焊縫形狀和位置。該跟 蹤系統(tǒng)利用電弧和電壓的變化，獲得焊炬與焊縫橫向與高低偏差信息。當焊炬與 工件距離變化時，電弧擺動掃描焊縫的坡口，電流相應改變，因此電弧電流的變 8 第一章緒論 化反映了焊炬高度的變化。在焊接過程中焊槍沿垂直于焊接的方向做往復式擺動。 由于在船形焊的條件下，這種擺動將引起焊絲干伸長的變化，這種變化又導致焊 接電流的變化，根據(jù)電流的實際變化可以實現(xiàn)焊縫跟蹤。 電弧傳感器的基本工作原理是：當電弧位置變化時，電弧自身電參數(shù)相應發(fā) 生變化，從中反映出焊槍導電嘴至工件坡口表面距離的變化量，進而根據(jù)電弧的 擺動形式及焊槍與工件間相對位置關系，推導出焊槍與焊縫間的相對位置偏差量。 電參數(shù)的靜態(tài)變化和動態(tài)變化都可以作為特征信號被提取出來，實現(xiàn)高低及水平 兩個方向的跟蹤控制。目前國外發(fā)達國家廣泛采用的方法是：通過測量焊接電流 ( i ) 、電弧電壓( v ) 和送絲速度( v ) 來計算工件與焊絲之間的距離h = f f i ，v ， v ) ，并應用模糊控制技術實現(xiàn)焊縫跟蹤。電弧傳感結構簡單，響應速度快，目前 得到了廣泛的應用n ”，。 因此，以電弧為傳感器的優(yōu)點是不需要在焊接區(qū)附加其它傳感裝置便可實現(xiàn) 對坡口狀態(tài)、焊炬高度等實時傳感，其跟蹤信號是由電弧本身取出，檢測點即為 焊接點，沒有傳感器的位置前導誤差。系統(tǒng)的結構相當簡單，而且，在工作過程 中可以不考慮弧光的干擾，工作的可靠性相對較高，這類傳感器在弧焊機器人焊 接路徑的控制應用較多。但是由于電弧被埋住，只能獲得焊接區(qū)局部的信息，不 能獲得焊炬高度匹配度、焊根間隙、焊縫形式等重要的信息，因而限制了使用范 圍。它一般只能用在具有坡口的焊縫位置檢測中，所以在厚板的焊接中應用較多。 在薄板對接中這種檢測方式不適用。它主要適用于對稱側壁的坡口( 如v 型坡口) ， 而對于那些無對稱側壁或根本就無側壁的接頭形式，如搭接接頭、不開坡口的對 接接頭等形式，現(xiàn)有的電弧傳感器則不能識別。 1 2 3 2 接觸式焊縫跟蹤傳摩器 最初對焊接進行焊縫跟蹤實驗時采用的傳感器就是一種接觸式傳感器，其中， 探頭式接觸傳感器以導桿或導輪在焊炬前方探測焊縫位置。這種方法結構簡單、 操作直接、維修方便且不怕電弧的磁、光、煙塵、飛濺等干擾，是人們很容易想 到的方法。 探頭式跟蹤系統(tǒng)中，傳感器的探頭直接與焊縫坡口接觸，直接對偏差進行檢 測，可進行水平橫向調節(jié)和高度垂直方向調節(jié)。如果偏離焊道，傳感器則發(fā)出相 應的電信號，通過控制箱驅動對應的步進電機，使偏離減少或者消除。探頭式焊 縫位置檢測傳感器的最大優(yōu)點是高可靠性。由于變換器遠離電弧區(qū)，因此，電弧 區(qū)的弧光、高溫、強