基于钨极投影的焊缝位置检测方法

基于钨极投影的焊缝位置检测方法

0维焊缝跟踪方法自动焊接和智能焊接是焊接行业的发展趋势。其中一项重要技术之一是焊头的自动跟踪。三维焊接跟踪方法分为两个方面：垂直定位法和水平定位法：垂直焊接跟踪法通常称为圆弧跟踪法，平面投影法通常称为二维焊接跟踪法。在焊缝纵向跟踪方面,已经开发出接触式、靠模式、接近开关式、弧压反馈式等方法;在焊缝横向跟踪方面,已经开发出光电传感器式、电弧传感式、激光结构光视觉传感式、被动视觉传感式等方法.对于位于三维曲面上的焊缝,必须同时进行弧长控制和焊缝跟踪,两者统称为三维焊缝跟踪.现有方法一般将两种跟踪分开考虑,各采用一种跟踪方法实现焊缝检测,通过焊枪的纵向、横向两维运动,可以使焊枪随时处于理想高度和对齐焊缝,但有时会因为两套系统之间缺乏协调产生错误.近年来采用一个传感器联合实现包括纵向和横向的三维焊缝跟踪得到大量研究,取得了诸多重要成果.例如,Jeyong等人采用激光线结构光视觉传感器对带有高度变化的工件焊接时同时进行焊枪高度控制和二维焊缝跟踪.杜玉红等人也实现了接头间隙0.5mm的三维焊缝跟踪.Peiquan等人基于激光圆弧结构光和面阵CCD视觉传感器开发了可以三维焊缝跟踪系统.冯音琦等人采用光栅莫尔条纹技术实现了焊缝坡口的三维图像传感.此外,赵冬斌等人利用钨极在熔池中的倒影成功提取了熔池表面高度.文中采用视觉传感,从单幅焊接区域图像中同时进行钨极惰性气体保护焊(GTAW)弧长偏差检测与焊缝跟踪误差(称为钨极左右偏差)检测.1视觉传感装置GTAW三维焊缝位置检测系统包括焊接电源、焊接操纵机、视觉传感器、计算机、图像采集卡、I/O卡、驱动控制电路、步进电机和二维十字滑块运动机构和二维调节运动机构.视觉传感器由特制的镜头、曝光控制电路和CCD摄像机组成.镜头部分包括平板玻璃、转光路棱镜、放大凸透镜、滤光镜、多片偏振减光镜、电子快门、光敏二级管、直角棱镜组和调焦装置,光学结构如图1所示.曝光控制电路、光敏二级管和CCD摄像机的外触发接口联系到一起.曝光控制电路保证了在电流基值时期稳定拍摄焊接图像.平板玻璃可以遮挡焊接时飞溅烟尘,半五角棱镜可以实现光路偏转,将侧前方观察转换为沿着焊枪轴线的观察,可以减小焊枪和视觉传感器整体装置的空间占用率,焊枪的可到达性好.滤光镜和多片偏振减光镜将弧光适当削弱成仅在钨极前端的一个照明光源(形成一个弧光球),其中多片偏振减光镜中间的一片可以绕镜头光轴手动旋转,用以满足不同的焊接电流下对弧光削弱程度的调节.直角棱镜组可以通过光路的改变实现视觉传感器轴向尺寸的压缩.调焦装置采用标准镜头的调焦装置实现.2侧前方分布视觉传感器在不同方位所拍摄图像有不同的特点,正前方有利于观察到清晰的接头棱线,正后方有利于观察到清晰的钨极在熔池中的像.由于熔池呈近似椭圆形,当传感器位于正侧方时,钨极尖点与其在熔池中的像的连线接近熔池椭圆的短轴方向,导致基本不能观察到钨极在熔池中的像.侧前方则兼顾了正前方和正后方的特点,不仅能够观察到清晰的接头棱线,而且可以观察到钨极在熔池中的像.为了检测到弧长及钨极左右偏差,最佳的观察方位是侧前方30°～60°,最佳俯仰角50°～65°.通过图像采集,可以获得电流基值期间放大、清晰的焊接区域图像,图像元素包括钨极前端、熔池前部、焊缝棱边以及钨极在熔池中所成的像.3极前端点位置为了实现三维焊缝位置检测和焊缝跟踪,建立4个坐标系,如图2所示,图中符号说明如下.Ot为钨极前端点;Otm为钨极前端点在熔池中的像;Oc为视觉传感器镜头光心;Oi为CCD像靶面中心;Lt为钨极中心线(竖直方向,也是钨极像的中心线);Ls为焊缝中心线;Lc为视觉传感器镜头光轴;M为焊接熔池平面(垂直于钨极中心线,为水平面);la为“弧长”(钨极前端点到熔池表面的距离);dh为钨极左右偏差;K为直线OtOtm与熔池平面M的交点;vw为焊接速度.(1){t}-otxtytzt固接于焊枪钨极,原点Ot为钨极前端点,Zt轴为钨极中心线,竖直向上为正,Yt轴沿焊接方向vw.(2)图像坐标系=p=opuv建立在视觉传感器拍摄得到的图像上,原点Op为图像的左上角点,u和v轴分别指向图像的水平向右和垂直向下.(3)图像坐标系{i}固接于CCD像靶面,原点Oi为光轴与像靶面的交点,xi和yi轴分别平行于u和v轴.(4)摄像头配置{c}。ocxcyczc固接于视觉传感器,原点Oc为镜头光心,Zc轴为光轴,从光心指向所观察目标方向为Zc轴正方向,Xc和Yc轴分别平行于u和v轴.4熔池焊缝跟踪设焊缝线Ls与平面OtXtZt的交点为S.由于|SK|很小,可以近似认为S与K在同一水平面M上.dh=|SK|定义为钨极左右偏差(即焊缝跟踪误差).假定熔池表面在钨极正下方附近为一水平面,定义此平面为熔池平面M(这一假定会引入误差,后面的算法将考虑这一近似而做出相应的修正).由于熔池中液态金属表面的反光,使得熔池近似为一平面镜,钨极在该熔池平面镜中成像.通过视觉传感器可以拍摄到钨极前端在熔池中的像,其尖点为Otm.由于Ot与Otm关于M镜面成像,故有弧长|OtK|=|OtmK|=la,且OtOtm垂直于M.为了获得好的焊接质量,要求弧长la稳定于设定值la0,钨极左右偏差dh趋近于0.焊接初始时,la=la0,dh=0.随着焊接过程的进行,一方面是工件上焊缝的左右偏斜、上下倾斜以及焊接热变形等导致焊枪钨极与焊缝的相对位置不是最佳施焊位置,另一方面由于焊枪钨极的运动存在误差也会造成钨极没有处在最佳施焊位置.这些都导致la不等于la0,dh不等于0.因此,三维焊缝跟踪的目标是通过十字滑块运动机构上下(对应弧长控制)和左右(对应钨极左右偏差控制或二维焊缝跟踪)调节钨极相对于焊缝的位置,使得弧长la稳定于设定值la0,钨极左右偏差dh趋近于0.三维焊缝位置检测系统的目的就是要实时检测出la和dh,以便用于反馈控制.5点otme误差的估计为了实现三维焊缝位置检测,需要事先对各坐标系的关系进行标定,求解出各模型参数.坐标系{C}与{T},{C}与{I},{I}与{P}的关系矩阵通过事先标定摄像机坐标系可以计算得到,不赘述.图像处理算法限于篇幅将另文阐述.钨极及其在熔池中倒影成像关系如图3所示.钨极前端点在熔池中的像点Otm经镜头的凸透镜成像到点O′tm,则直线OtmOc与CCD像靶面交于点O′tm.点O′tm与计算出的估计值点O′tme(下标e代表估计值,下同)存在误差.直线Lme与Lm不在一条直线上.此时,直线Lme与Lt异面.误差产生原因是:钨极尖点不是无限小的点,熔池面有一定弯曲,钨极前端圆锥面不严格按钨极中心线对称,图像处理误差和坐标系模型标定误差等.当误差较小时,点Otm近似为直线Lt上到直线Lme距离最小的点(如果Lt与Lme相交,则Otm点为交点).设点Otme在坐标系{T}下的坐标为(TXtme,TYtme,TZtme),则可以推导得到TX2tme+TY2tme−−−−−−−−−−−−√=ΤXtme2+ΤYtme2=最小值(1)式(1)称为实际钨极中心线约束条件.将此约束条件引入模型中可以计算出弧长(将钨极前端点到熔池表面的距离称为“弧长”,这与真实的弧长不完全相同),即la=-RZtm/2(2)6熔池水平约束条件焊缝接头(即使是接头间隙很小的对接接头)在放大的图像中显示为左右两条棱线.另外,三维焊缝线在局部区域上可以近似为直线考虑.焊缝左棱线Ls1及其成像关系如图4所示.图4中,坡口左棱线为Ls1,其像为L′s1,由Ls1和L′s1所在平面为投影平面H1,熔池平面为M.H1与M相交于直线Lsm1.L′s1与图像平面边界分别相交于E′1(ue1,ve1)和G′1(ug1,vg1).连接E′1Oc并延长,交M于E1(TXe1,TYe1,-la)点.连接G′1Oc并延长,交M于G1(TXg1,TYg1,-la)点.由于Ls1与平面OtXtZt的交点是S1,且Ls1与熔池平面M至少交于S1点,所以Ls1所在的投影平面H1、平面OtXtZt和熔池平面M三个平面共同交于一点S1.此条件称为熔池水平约束条件.此条件的前提是假定以S1K为直径的圆内熔池表面为水平面,这一假定在左棱线偏差dh1较小时可以成立.将此熔池水平约束条件引入模型中可计算焊缝左棱线的位置偏差,即dh1=TXe1−(TXg1−TXe1)TYe1TYg1−TYe1(3)dh1=ΤXe1-(ΤXg1-ΤXe1)ΤYe1ΤYg1-ΤYe1(3)同理可求右棱线偏差dh2.则钨极左右偏差为dh=(dh1+dh2)/2(4)7检测结果分析研制的视觉传感器如图5a所示,拍摄得到的焊接图像如图5b所示.焊接试验中由计算机发送控制指令,通过I/O卡和驱动电路命令十字滑块机构带动焊枪作垂直焊缝方向的二维运动,使钨极相对焊缝中心线的位置发生变化,在不同的位置、时刻拍摄图像,通过对图像分析处理得到关键特征点的图像坐标,再利用检测模型参数与钨极偏差检测算法,计算钨极偏差.同时测量实际钨极偏差,与计算