埋弧焊焊缝跟踪系统跟踪指针的选择

1、埋弧焊焊缝跟踪系统跟踪指针的选择张义顺1，江磊1，刘开智1（1.沈阳工业大学 材料科学与工程学院，沈阳 110178）摘要：在设计一套运行稳定、工作可靠的埋弧焊焊缝跟踪系统中，系统跟踪指针的设计是极其重要的一个环节，它的选择直接影响试验结果，所以本文采用机械指针、激光指针、无指针三种方法进行试验，并对实验结果进行对比， 结果显示：在使用机械指针时，当指针对正焊缝中心时，增加了图像处理时间，影响处理速度，所以我们选择让对正焊件坡口的一个边，跟踪效果理想；当使用激光指针时，光斑的位置不易太准确，也会造成定位误差；当无指针时，算法复杂，大大降低图像处理速度，影响跟踪效果。关键字：埋弧焊；指针；图像处

2、理；跟踪系统A choice of the compass in tracking system of submerged arc weldingZhang Yi-shun1，Jiang Lei1，Liu kai-zhi1(1.School of Matrials Science and Engineering , Shen yang UniversityOf Technolgy, Shen yang 110178, China)Abstract: A choice of the system to tracking compass is extremely important to the

3、design of a stable, reliable operation of the submerged arc welding seam tracking system, which directly impacts on success of experiment. Therefore, we used mechanical compass, laser compass, non-pointer three methods to experiment. The experimental results were compared and results showed : when m

4、echanical compass was for the weld center, we found it increased image processing time and impacted of processing speed, but mechanical compass was for a edge of weld groove and tracking the results were satisfactory; When using the laser compass, we found it difficult to spot the exact location and

5、 resulted in positioning errors; When the non- compass, its algorithm was complexity and greatly reduced the speed of image processing and impact of tracking the effect.Keywords: SAW; compass; image processing; Tracking System在制造锅炉、压力容器的工厂企业中，广泛采用埋弧自动焊方法进行焊接1。埋弧自动焊具有效率高，焊接质量好等优点，但是埋弧自动焊属于盲焊，对装配定位要求很

6、高。在焊接过程中，必须有熟练的焊工随时进行观察、调节机头与焊缝中心的左右对中位置和导电嘴与焊件的上下相对距离。这样，不仅焊工的劳动强度大，易疲劳，而且调节精度低，焊接质量不稳定，经常会出现焊偏和焊缝根部未焊透等缺陷，不能有效地保证焊接质量，因此急需开发一套运行稳定、工作可靠的焊缝跟踪系统2。而系统跟踪指针的选择是关键的一个环节，选择不同形式的指针对焊缝进行跟踪，跟踪效果会有很大的差异，直接影响焊缝成形性的好坏，所以我们要科学选择跟踪指针。1焊缝跟踪系统的构成与原理整个跟踪系统原理组成框图如图1所示。基本原理为：焊接过程中，由图像采集卡，把由摄像头采集的实时图像经转化后放入显存3。然后，通过上位

7、机编写的程序，经过一些图像处理手段，如图像的柔化、锐化、二值化，完成图像的前处理；再而，通过细化、轮廓提取算法，在前处理的基础上完成对焊缝边缘的识别，利用对图像的识别结果，计算焊枪的偏差，通过串口通讯把偏差控制量传递到下位机，利用PLC来控制步进电机，达到最终控制焊枪的目的，整体上构成一个闭环控制系统，来达到焊缝实时跟踪的目的。图1 焊缝跟踪系统原理图Fig.1 Schematic diagram of welding scanning2 采用机械指针试验跟踪试验所选用的机械指针材质为铝合金，利于识别，机械指针安装示意图如图2所示。使用机械指针采用两种方案，一种是将机械指针对正焊缝的中心位置，

8、另一种是将机械指针对正焊件坡口的一个边缘。下面分别进行叙述。图2 机械指针安装实物图Fig.2 Mechanical indicator installation,2.1 指针对正焊缝中心机械指针在编程时只需将CCD摄像头所照射区域中，将指针所指的位置与提取到的焊缝中心的位置进行比较，看二者是否在一条直线上，如果不在同一条直线上调节指针与焊缝中心的偏差量E，使偏差越来越小，最终使偏差量E=0。在指针对正焊缝中心时，要求指针越细越好，因为指针越细对图像处理时的干扰就越小4。当指针很细时，在检测时指针所指的位置近似于一点，使图像处理时间缩短；指针粗，在图像处理时还要处理一次指针的位置，这样增加了处

9、理时间，降低了处理速度。另外，在试验中指针的位置不好控制，如果指针所指的位置在如图3b中所示的位置，在图像处理时也要再处理一次指针的轮廓、然后找到指针的中心，这样也增加了图像处理时间，影响处理速度。基于这些弊端，提出了第二种方案，即指针对正焊件坡口的一个边。 指针位置 指针位置 a) 效果好的指针位置 b) 效果差的指针位置 a) Good effect of indicator position b) Bad effect of indicator position 图3 机械指针对正焊缝中心Fig.3 Mechanical indicator alignment welding seam

10、center2.2 指针对正焊件坡口的一个边其基本原理是在焊缝处理时，在小窗口内先进行柔化去噪、自动阈值、二值化、提取焊缝等一系列处理后，找到焊缝距指针所指焊件坡口边最近的边缘线，比较指针与焊缝的边缘线，来调整焊枪的位置，达到实时跟踪的目的。在本方案中，在图像提取焊缝边缘时采取了二值化后直接找到焊缝的一个边缘线，而不像方案一中二值化后还要进行镂空提取边缘线，这样节省了处理时间，提高了处理速度。另外，在埋弧焊焊接时焊件的坡口是按标准开的(如前所述)，将指针与坡口的边缘对正相对来说比较容易，而且在生产实践中工人操作起来比较方便。使用机械指针时能够很好的对正焊缝，使跟踪顺利进行，位置如图4中所。 a

11、) 视频截图 b) 处理后图像 a) Welding seam original image b) Processing image图4 机械指针焊件坡口的一个边Fig.4 Nearby mechanical indicator welding bevel3采用其他形式指针试验跟踪3.1 激光束作为指针 在试验过程中还尝试了用激光束做指针，激光束指针的安装位置如图5所示。图5激光束指针放置实物图Fig.5Laser beam indicator laying aside chart这种指针也是要首先经过滤波除噪，然后自动阈值选择进行二值化，细化是将二值化的黑白图像进行镂空处理，找到焊缝的两条边

12、缘线，再进行焊缝中心的提取。同时还要用同样的方法对激光束的中心进行提取，找到焊缝中心线和激光束的中心后，将激光束的中心与焊缝的中心位置进行比较，激光束的中心在焊缝的中心线上则直接跟踪，若二者存在偏差则将偏差量传给下位机，下位机进行焊枪的左右调整，使激光束的中心对正焊缝中心位置，从而达到实时跟踪的目的，图像处理前后效果如图6所示。选用激光束作为指针，相当于利用了两次图像处理过程，这样大大降低量图像的处理速度，从而降低了生产的效率，这在生产中是不希望发生的。另外由于图像变形(图6b)，光斑的位置不易太准确，也会造成定位误差。a) 激光束指针视频原图 b) 激光束指针图像处理后效果图a) Origi

13、nal image by laser beam indicator b) Processing image by laser beam indicator图6 激光束指针Fig.6 Laser beam indicator3.2 无指针的情况在无指针时，在焊接前手工将CCD摄像头的中心位置与焊缝的中心位置尽可能的重叠，在焊缝跟踪处理时将CCD摄像头的中心位置与焊缝的中心位置做比较，将比较结果传给下位机，下位机根据偏移量调整焊枪的位置，使CCD摄像头的中心始终对正焊缝的中心位置，从而达到实时跟踪的目的5。但是在无指针时，在焊前手工调整CCD摄像头中心位置与焊缝中心位置不太容易，再者手工调整误差较

14、大，并且在图像处理过程中先去噪、自动阈值二值化、镂空内部提取焊缝边缘、再进行焊缝中心的提取，整个处理过程时间较长，大大降低了图像处理速度，影响生产效率，因此尝试了机械指针的情况,图像处理结果如图7。 a) 视频截图 b) 处理后图像a) Welding seam original image b) Processing image图7 无指针时处理图像Fig.7 Processing image of without indicator4 结论4.1通过对无指针、机械指针和激光束三种指针形式使用效果的比较发现：材质为铝合金机械指针的更有利于系统识别，跟踪效果更好。4.2通过对机械指针对正焊缝中心和机械指针对正焊缝中心比较发现：将指针与坡口的边缘对正相对来说比较容易，而且在生产实践中工人操作起来比较方便，采用机械指针指向焊件坡口的边缘进行跟踪效果较好。 1 Huang.shi-sheng. Development of automatic submerged arc welding equipment with digital controlJ.Huanan Ligong Daxue Xuebao/Journal of South China University of Technology,20082 徐培全. 视觉传感机器人焊缝跟踪系统J.