基于激光检测的自动焊缝跟踪系统

基于激光检测的自动焊缝跟踪系统

1超声波传感技术根据使用不同的传感器，缝合线跟踪系统还包括弧压测量、接触测量、超声波测量、视觉测量等形式。其中，很难确定弧压传感器之间的精确模型，以及拱的长度。接触传感方式结构简单、操作方便且不受电弧烟尘和飞溅等的影响,但其对不同形式焊缝坡口需采用不同的探头,而且其磨损大、易变形、点固点障碍难以克服。超声波传感则利用超声波在金属内传播时会在界面产生反射的原理制成,是一种先进的焊缝跟踪传感器,当其应用于焊缝跟踪时,实时性好,但因传感器必须贴近工件表面,故不可避免地会受到焊接方法和工件尺寸等的严格限制,此外还需考虑外界震动、传播时间等因素,因此它对金属表面状况要求非常高,应用范围也就受到限制。随着计算机视觉技术的发展,焊缝跟踪中逐渐引入了视觉传感技术,该技术提供的信息量丰富,且灵敏度和测量精度高、抗电磁场干扰能力强,无需与工件直接接触,可同时进行焊缝跟踪控制和焊接质量控制,适合于各种焊接坡口。为此,国内外在此方面做了不少工作。而计算机技术与图像处理技术的协同发展,使其跟踪检测的实时性更加易于保证,故它是一种颇具前途的新型焊接传感方法。正是基于这种认识,本文提出一种以激光为敏感测件、以CCD为图像提取工具、以视觉处理系统为内核、以工控机为控制器、步进电机为驱动的焊缝实时跟踪系统,该系统可实现精密焊缝跟踪。2激光焊接检测原理1基于pid的跟踪偏差纠偏控制器图中的激光头主要由半导体激光发生器、滤光片、镜头、CCD图像传感器等构成,其作用是拾取焊缝图像;视觉图像处理系统是一个软件模块,主要功能是对激光头获取的图像进行特征分析、滤波处理、信息提取,旨在确定焊缝跟踪偏差值;控制器则由倍福CX1100工控机以及其他相关I/O部件组成,其作用是根据焊缝跟踪位置偏差,且依据PID控制律确定位置纠偏控制量,向纠偏电机发出纠偏控制量,控制电机正/反转以及速度等,达到纠偏的目的;十字滑架由螺杆和滑块组成,其功能是将两纠偏电机的旋转运动转化为两相直线运动,实现焊缝的横向和纵向偏差的纠正。焊缝跟踪过程中,焊枪安装于图中位置靠前的滑架上,这样可保证焊枪与焊缝的相对位置大致保持不变,有利于实现焊缝的精密跟踪。2维cd成像原理在图2(a)中,首先半导体激光器发出激光束;然后,该光束投射到物体表面便形成光条;接着,光条中部分散射光经由透镜进行集聚;最终集聚光束成像于CCD图像传感器。根据几何结构光学理论可知,如果被测物体发生运动或被测物体表面的高度发生了变化,则必将导致散射光速入射角发生一定改变,从而导致CCD上的成像也产生一定的位移。这表明,被测物体的三维运动信息完全可以从二维CCD图像中进行提取。本文的激光焊缝位置确定即依据此原理。图2(b)给出了被测物体发生位移时,激光检测系统的光路变化情况。图中,θ1为激光束光轴与被测面法线所夹锐角;θ2是成像光轴与被测面法线间夹角;φ是成像单元与成像光轴之间夹角;点A是激光束光轴与被测面交点;l2为激光束光轴交点到透镜前主面间距离;l1为接收透镜后主面到成像面的距离。设被测表面下移一个距离D,其所对应图像将在CCD上移动距离d。根据图中的几何关系,不难得到物体的位移与其图像位移之间关系上式中,分别令则有:D=k1k2/(k1-d)-k2由式(1)可得:式(3)表明物体位移与其图像位移之间关系。3角位移自动检测1枪头调整后的位姿图3(a)给出了焊枪位姿改变前后的关系。图中焊枪与激光头为刚性连接,实线部分表示焊枪的默认位置,此时激光检测坐标系与十字滑块(纠偏电机)坐标系重合;虚线部分表示系统工作过程中,枪头经纠偏电机进行调整之后的位姿。图3(b)给出了检测坐标系xoy与纠偏坐标系XOY之间的关系,根据图中几何关系,容易得到检测坐标系内焊焊缝置偏差与其在纠偏坐标系内位置偏差间的关系式中,Δx、Δy分别为激光头实测到的焊缝横向、纵向位置偏差;ΔX、ΔY则为中纠偏电机方向上的横、纵向偏差;θ为枪头与十字滑架间偏角。假设θ的当前值为零且并保持Y向电机不动,现让X向电机移进一小段距离,若此时激光头检测到的焊缝横、纵向偏差值恰为Δx、Δy,则十字滑架坐标系与测量坐标系间偏移角为将式(6)代入式(4)、式(5),便可得到纠偏电机的横向、纵向偏移量。2偏移角的自动检测过程如上所述,一旦对焊枪位置进行了调整,则焊枪与纠偏电机的相对位置、偏移角便是确定的。为了测量枪头与纠偏电机之间偏移角大小,传统的方法大多数都采用量角器进行测量,这显然很不方便、精度较低且效率低下。为改变此状况,本文构建出激光焊缝检测跟踪系统,实现焊缝自动跟踪,进而完成了搅拌筒内叶片的焊接。该系统通过激光头与纠偏电机坐标系之间的矢量分解,通过对纠偏电机进行精确控制,实现了焊枪与纠偏电机间偏移角的自动检测。偏移角的自动检测全过程,如图4所示。在偏移角检测系统刚启动工作之初,焊缝跟踪系统发出打开视觉系统请求;视觉系统接受该请求后,迅速完成相应初始化工作,跟踪系统开始记录枪头的当前位置,并把该位置作为系统运动基准点;然后,跟踪系统启动横向纠偏电机正向移动4mm,而在电机运动的整个过程中,跟踪系统中的激光头将不断地检测焊枪头当量位置与其基准位置之间偏差值,并把该偏差值存储于系统的缓存数组中。当横向电机正向移进了4mm之后,跟踪系统将针对缓存数组内的数据进行滤波处理,进而计算出偏移角。一旦求得偏移角大小,跟踪系统便与视觉系统进行通讯,同时发出修改偏移角指令。当系统接到该命令后,便开始补偿偏移角并将偏移角修改标志则置为“TRUE”。当偏移角修改成功后,横向纠偏电机需反向移动-4mm,回到原点;紧接着,系统将开启纠偏电机横、纵向跟踪使能,实现焊缝跟踪系统的自动检测偏移角功能,实现所谓偏移角的自动标定。4试验结果的分析1焊缝位置跟踪图中可以看出,焊枪出现较为严重的振荡情况,焊缝跟踪效果很不理想。对45°偏移角进行了动态标定的情况下的焊缝位置跟踪结果,如图6所示。可见此时系统的焊缝跟踪过程平滑、响应迅速、稳态误差小,跟踪效果非常理想。这说明为了提高焊缝跟踪精度,有必要对偏移角进行动态标定。2纠偏误差分布情况在焊接前,先测量焊缝实际存在的偏差值,然后对同一焊缝进行焊接,在焊接过程中利用运动控制器的记录数据功能来采集过程中纠偏电机位置数据,以此表明纠偏效果,图7给出了纠偏误差分布情况,可见横、纵向纠偏误差均控制在0.5mm以内,特别是在理想情况下位置控制精度可达0.15mm。采用激流焊缝跟踪时的焊接效果,如图8所示。可见该焊缝比较平直,焊接效果非常好。该系统目的已在华恒公司的焊接专机项目上得到了实际应用。5检测偏差与纠偏电机矢量分解法本文提出了一种具有自动标定功能的激光焊缝跟踪系统,较好地解决激光头与纠偏电机之间存在的偏移角问题以及在焊缝跟踪过程中焊枪的振荡问题,在一定程度上提高了焊接自动化的程度。研究表明:基于激光视觉检测的焊缝跟踪技术可使系统的跟踪精度在控制在0.5mm之内,它比传统的电弧跟踪的精度要高出2~3倍,这说明激光焊缝跟踪在精密焊接领域存在较大的应用前景。本文的激光跟踪系统主要由激光头、视觉图像处理系统、控制器、纠偏步进电机和十字滑架等五部分组成,其结构,如图1所示。本文的焊缝位置基于结构光视觉检测技术,它采用三角测量法对测量物体的位置,位置检测原理,如图2所示。将上式进行改写,可得:焊接实践表明,在焊接过程中通常要根据焊缝位置对焊枪位态进行动态调整。在本文利用十字滑架结构进行焊缝位置纠偏时,滑架与激光头间角偏移θ则是影响焊缝纠编精度的主因。在焊缝跟踪过程中,如果系统未对十字滑架纠偏量进行矢量分解,则跟踪系统对焊枪位置所做出的补偿量将与焊枪的实际位置偏差值不等,从而会引致严重的焊枪振荡现象,这对于精密焊接来说是无法接受的。因此,为避免这种状况,有必要将激光检测装置所获取的焊缝位置偏差,分解到两个纠偏电机方向上,从而得到正确的十字滑架的纠偏量。激光检测偏差与纠偏电机矢量分解图,如图3所示。自动焊缝跟踪主要适用于不便对焊枪位姿进行调整的场合。本文跟踪系统所针对的水泥搅拌筒内螺旋叶片焊接即其中的一个重要应用。我们知道在进行搅拌筒螺旋叶片焊接时,通常是将系统刚启动时的枪头位置作为系统工作原点,且将与该点左右相隔50mm的距离范围作为焊缝纠偏的工作范围。但是由于搅拌筒内空间受限,因此在筒内焊接时焊枪位置的调整起来很不方便,故实施焊接之前需在工作原点处事先将焊枪位姿调整好。然而因搅拌筒叶片结构较复杂,若采用传统的手工焊接技术难免会带来较大的装配偏差,从而也就无法保证每个叶片焊接轨迹均相同。在此情况下,为提高焊接质量,采用闭环控制意义下的焊缝自动跟踪技术更为有效。为验证偏移角自动标定效果,以便实施高质量的焊缝跟踪,本文进行了偏移角自动标定实验,并采用Beckhoff开发平台的自备SCOPE采集到相应的试验结果