不連續(xù)焊縫特征點(diǎn)檢測方法研究

1、28傳感器與微系統(tǒng) ( T ransducer and M ic rosystem T echno log ies)2010年 第 29卷 第 5期不連續(xù)焊縫特征點(diǎn)檢測 研究 , 張 華, , 德(南昌大學(xué) 機(jī)電 研究所, 江西 南昌 330031)摘 要: 船舶中, 由于船艙底部排水孔的, 形成不連續(xù)焊縫, 影響了焊接速度。為了提取排水孔特征點(diǎn)信號(hào), 通過對(duì)旋轉(zhuǎn)電弧傳感器提取焊接電流信號(hào)和激光傳感器提取焊縫圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究, 結(jié)果表明 2種傳感器滿足要求。最終選用旋轉(zhuǎn)電弧傳感器檢測排水孔起始位置, 視覺傳感器位姿與檢測排水孔終點(diǎn)位置。: 不連續(xù)焊縫; 焊接自動(dòng)化; 旋轉(zhuǎn)電弧; 視覺傳感器號(hào):

2、 TP 216文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A文章編號(hào): 1000 9787( 2010) 05 0028 03Research on feature point detection of discontinuity welding seamXU Q ing rong, ZHANG H ua, YE Y an hu,i CH EN G W ei de( Robotics in stitute, School ofM echatron ic s Eng ineering, Nanchang University, N anchang 330031, )Abstrac:t Som e drainage ho le

3、s a t the bo ttom o f hall in sh ipbu ild ing fo rm d iscontinuity w e lding seam s, wh ichd irectly influence w elding speed. In order to ex tract the character istic signal of dra inage ho les, the we ld ing current signal is extracted by the rotating arc senso r, the im age o f the we ld ing seam

4、 info rm ation is ex trac ted by the lasersenso r. The expermi ental results show that the two sensors can meet the dem and. T he startpo in t o f the dra inag eho les w ere detected by the the rotating arc sensor and the by the v ision sensor wh ich contro lled the pose o f the robot simu ltaneousl

5、y.K ey word s: discon tinu ity w e ld ing seam; w e ld ing autom ation; rota ting arc; v ision senso r0 引 言船舶 中, 船艙底部一些格子形框架結(jié)構(gòu), 并存在半圓形或扇形排水孔, 形成了不連續(xù)焊縫。焊接過程中, 需要人為地 焊接 避過排水孔, 影響了焊接生產(chǎn)效率。為了進(jìn)一步提高自動(dòng)化焊接水平, 需要在已有系統(tǒng)基礎(chǔ)上, 安裝相應(yīng)的檢測裝置, 檢測排水孔的特征點(diǎn), 使得焊槍在遇到排水孔時(shí), 自動(dòng)熄弧, 避過排水孔后, 再次起弧。焊接過程中, 由于弧光、飛濺、噪聲等干擾因素的影響, 所以, 檢測裝

6、置的選取, 既要盡可能排除各種干擾的影響, 又要比較準(zhǔn)確地檢測出排水孔的特征信號(hào)。同時(shí), 熄弧后, 系統(tǒng)仍能位姿。對(duì)于焊縫特征點(diǎn)的檢測, 可根據(jù)焊接平均電流值的大小檢測角接終止點(diǎn) 1 , 利用視覺識(shí)別提取焊縫起始點(diǎn) 2。但文獻(xiàn)中并未有 不連續(xù)焊縫特征點(diǎn)的識(shí)別方法。本文通過對(duì)旋轉(zhuǎn)電弧傳感器、視覺傳感器檢測原理分析 和實(shí)驗(yàn)研究, 從中選取滿足檢測要求的裝置。1 與焊縫跟蹤分析1. 1 結(jié)構(gòu)輪式移動(dòng)焊接 系統(tǒng)主要由 本體、十字滑塊、旋轉(zhuǎn)電弧傳感器、超聲波傳感器及 部分等組成 3 。焊接過程中, 通過 傳感器提取電流信號(hào), 超聲波傳感器提取避障 , 旋轉(zhuǎn)電弧進(jìn)行焊接偏差信號(hào)提取, 通過信號(hào) 分析處理

7、本體及十字滑塊運(yùn)行, 從而實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤 4 。圖 1 焊接結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure diagram of w elding robot1. 2 焊縫類型與特征點(diǎn)排水孔主要有半圓形與扇形, 如圖 2 所示。焊接方向假設(shè)為 ab, cd, 焊接過程中, 需要通過傳感器提前檢測出排水 孔所在焊縫的位置, 即特征點(diǎn)a, b, c, d的位置。當(dāng)焊槍收稿日期: 2010 03 12第 5期 , 等: 不連續(xù)焊縫特征點(diǎn)檢測研究29到達(dá) a或 c點(diǎn)位置時(shí), 熄弧; 運(yùn)行一段距離, 焊槍到達(dá) b 或 d 點(diǎn)位置重新起弧。同時(shí), 在 ab 或 cd 段運(yùn)行時(shí), 需位姿, 防止焊槍距離焊縫位置漸行漸遠(yuǎn)

8、或者碰撞焊接工件。所以, 所選傳感器不但能檢測排水孔的特征點(diǎn)信號(hào), 同時(shí)能在焊槍熄弧后的位姿。圖 2 排水孔F ig 2 Dra inage holes2 排水孔特征點(diǎn)檢測排水孔特征點(diǎn)的檢測需滿足以下幾個(gè)方面的要求: 1)檢測 便于安裝, 精度高; 2) 能盡可能避免弧光、噪聲、飛濺的等各種干擾; 3)熄弧后, 仍然能夠提取特征信號(hào)機(jī)器人位姿; 4)檢測使用數(shù)量少, 能夠?qū)崟r(shí)提取信號(hào)。2. 1 焊接電流平均值通過對(duì)高速旋轉(zhuǎn)電弧傳感器進(jìn)行建模, 提出根據(jù)平均電流值的大小可以檢測角接終止點(diǎn) 1。焊接終止點(diǎn)即對(duì)應(yīng)圖 2中的 a和 c 2個(gè)特征點(diǎn)位置, 見圖 3。以上述為指導(dǎo)進(jìn)行自動(dòng)焊接實(shí)驗(yàn), 焊接速

9、度為 24 /m in, 送絲速度為 11m /m in, 焊接電壓為 24V, 焊接電流為 190A, 采樣頻率 20H z。圖 4為傳感器提取的焊接電壓原始信號(hào), 焊接電流與焊接電壓數(shù)據(jù)之間 75 倍線性 。當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)值約為 400時(shí), 焊接電壓發(fā)生突變, 且之后的電壓數(shù)值均大于突變前數(shù)值?？梢园淹蛔凕c(diǎn)作為特征信號(hào) a或 c 點(diǎn)。同時(shí), 可對(duì)特征點(diǎn)附近位置焊接電流平均值大小和偏差信號(hào)的變化進(jìn)一步分析。圖 3 焊接示意圖Fig 3 Schem atic diagram of the w elding圖 4 焊接電壓F ig 4 W elding voltage2. 2 激光視覺傳感器激光視覺

10、傳感器具有高精度、獲取 能力強(qiáng)、不受周圍噪聲和弧光產(chǎn)生的高溫影響、低價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)。上海交通 大學(xué) 等人采用視覺傳感器通過圖像處理提取出焊縫 的起點(diǎn)位置 2。在此基礎(chǔ)上, 通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)視覺傳感器能否提取排水孔特征點(diǎn) 。將視覺傳感器安裝在旋轉(zhuǎn)電弧支架上, 前置于旋轉(zhuǎn)電弧傳感器, 如圖 1。對(duì)于半圓形排水孔的不連續(xù)焊縫, 以激光器垂直照射, CCD 傾斜一定角度接收為標(biāo)準(zhǔn), 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 5。圖 5 不同類型排水孔成像F ig 5 Imag ing w ith different dra in holes從圖中可以看出: 的激光圖像中, 無排水孔時(shí), 為兩條有交點(diǎn)的線段; 有排水孔時(shí), 為兩條無交

11、點(diǎn)的線段。以此作為特征點(diǎn) a, b, c, d 檢測的依據(jù)。3 位姿 上述實(shí)驗(yàn)可知, 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器和激光視覺傳感器均可檢測排水孔的起始位置特征信號(hào) ( a 或 c點(diǎn) )。當(dāng)焊槍到達(dá)排水孔起始位置后熄弧, 由于旋轉(zhuǎn)電弧通過提取焊接電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)偏差與傾角 從而實(shí)驗(yàn)焊縫跟蹤, 所以, 熄弧后旋轉(zhuǎn)電弧無法提取相關(guān)位姿, 而激光視覺傳感器卻不受影響。因此, 可嘗試通過對(duì)提取的圖像進(jìn)行分析從而 位姿, 防止焊槍偏離焊縫或與工件發(fā)生碰撞。3. 1 位姿識(shí)別視覺傳感器安裝在旋轉(zhuǎn)電弧支架上, 當(dāng)與焊接工件間相對(duì)位姿發(fā)生變化時(shí), 間接影響 CCD 的圖像 。建立 位姿變化與圖像中 A, B, C 三點(diǎn)之間的坐標(biāo)

12、關(guān)系, 如圖 6。以連續(xù)型焊縫進(jìn)行分析, 不連續(xù)焊縫類似。圖 6 ABC 三點(diǎn)坐標(biāo)Fig 6 Coordina te of three po ints ofABC3. 1. 1 當(dāng)參數(shù) d 發(fā)生變化時(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí), 焊炬垂直焊接工件, 與焊接工件不發(fā)生相對(duì)偏轉(zhuǎn), 水平十字滑塊與本體相對(duì)位置保持不變, 距離焊接工件前后發(fā)生變化, 即圖 7 中的 d 參數(shù)發(fā)生變化, = 0。3. 1. 2 旋轉(zhuǎn)一定角度實(shí)驗(yàn)時(shí), 與焊接工件只發(fā)生相對(duì)偏轉(zhuǎn), 不發(fā)生前后移動(dòng)。即圖 7中 d 為一個(gè)常數(shù), 參數(shù)發(fā)生變化。圖 7位姿30傳 感 器 與 微 系 統(tǒng)第 29卷F ig 7 Pose of the w elding

13、robo t經(jīng)過一系列圖像處理, 提取出線段 AB 的長度變化和 B點(diǎn)在圖像中的坐標(biāo)變化與參數(shù) d 及 。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 8。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 當(dāng) 位姿發(fā)生變化時(shí), 圖像中的特征點(diǎn)坐標(biāo)和線段長度均發(fā)生變化, 近似呈線性 。線段 BC 長度和兩線段 ( AB 和 BC ) 的夾角變化同樣與 位姿的變化 一定的對(duì)應(yīng) 。3. 2 方案熄弧后, 位姿 和 再次起弧均由激光視覺傳感器 。對(duì)于排水孔起始位置信號(hào)的檢測, 旋轉(zhuǎn)電弧與視覺傳感器均可。但考慮由于焊接過程中弧光對(duì)于 視覺傳感器有一定的影響以及由于前置于旋轉(zhuǎn)電弧, 檢測到特征信號(hào)后需要一定的延時(shí)才能熄弧。所以, 對(duì)于排水孔起始位置的檢測以旋轉(zhuǎn)電弧提取信

14、號(hào)為準(zhǔn)。4 結(jié) 論在船舶 中 的排水孔形成的不連續(xù)焊縫, 在原有 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上, 安裝檢測裝置, 使其能夠提取出排水孔的起始位置和結(jié)束位置信號(hào)。 不連續(xù)焊縫特征點(diǎn)提取和 位姿 , 通過實(shí)驗(yàn)表明: 可由旋轉(zhuǎn)電弧傳感器提取焊接電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)排水孔起始位置檢測, 通過激光視覺傳感器實(shí)現(xiàn)排水孔終點(diǎn)位置識(shí)別和熄弧后 位姿 , 由激光視覺傳感器位姿變化具有可行性。參考文獻(xiàn): 1 石永華, . 高速旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的數(shù)學(xué)模型 J . 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2007, 43 ( 11): 217 - 223. 2 , 林 濤, 陳善本. 基于 LabV IEW 的焊縫起始點(diǎn)視覺識(shí)別 J . 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用, 2003

15、, 22( 9 ): 81- 83. 3 , 張 華, . 旋轉(zhuǎn)電弧傳感彎曲焊縫移動(dòng)焊接機(jī)圖 8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果F ig 8 Experim enta l results器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) J. 焊接學(xué)報(bào), 2005, 26( 11): 51- 54. 4 高, 張 華, , 等. 輪式 折線焊縫跟蹤協(xié)調(diào)研究 J . 焊接學(xué)報(bào), 2008, 29 ( 5) : 34 - 37.作者簡介: ( 1984- ) , 女, 山東臨沂人, 研究生, 研究方向?yàn)闄C(jī)器人視覺。( 上接第 27頁 ) 8 M ark F, Jason M. H igh spatial resolu tion d is tributed

16、strain m ea surem en t in opt ical fib er w ith Ray leigh scatter J . OSA, 1998, 37 ( 10): 1735 - 1740. 9 A graw al G P. 非線性光纖光學(xué)原理及應(yīng)用 M . 賈 , 余震虹. 譯. : 工業(yè) , 2002: 230 - 231. 10 , , . 功率應(yīng)變系數(shù)的理論分析 J . 傳感技術(shù)學(xué)報(bào). 2006, 19 ( 6) : 2553 - 2555.析 J. 測試技術(shù)學(xué)報(bào). 2007, 21( 3) : 274- 277. 12 Koh I A, K iyosh i N, Takesh i I. O pt ical t ime doma in ref lectom etry in a single m ode fib er J. IEEE Jou rnal of L ightw ave Techno lo gy, 1981, 17( 6 ): 86