基于視覺(jué)傳感的焊縫跟蹤技術(shù)

　　目前服役的焊接機(jī)器人90% 都是以“示教再現(xiàn)”模式進(jìn)行工作的， 少數(shù)以軌跡規(guī)劃方式工作。焊接過(guò)程中， 焊槍與焊縫中心都會(huì)存在一定誤差， 而且焊接過(guò)程又是一個(gè)復(fù)雜、非線性、干擾因素較多的過(guò)程， 焊接工件熱變形、咬邊、錯(cuò)邊， 以及焊縫間隙的變化等是不可預(yù)知的， 這些因素都會(huì)直接影響到焊接質(zhì)量。 在“示教再現(xiàn)”或軌跡規(guī)劃應(yīng)用的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)焊縫糾偏可以進(jìn)一步提高焊接精度， 尤其適用于輔助工程上焊接易變形、裝配復(fù)雜等自動(dòng)焊難以控制的工件生產(chǎn)。 本文以新型航天器燃料貯箱LF6 鋁合金材2 mm 薄板的對(duì)接焊接為背景， 針對(duì)脈沖鎢極惰性氣體保護(hù)焊( GT AW) 焊接方法， 對(duì)平板直縫和平板法蘭進(jìn)行焊縫跟蹤試驗(yàn)， 將傳統(tǒng)的“示教再現(xiàn)”型機(jī)器人開發(fā)成具有實(shí)時(shí)焊縫跟蹤的弧焊機(jī)器人系統(tǒng)。

　　1 試驗(yàn)部分

　　1. 1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

　　在本實(shí)驗(yàn)中， 執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括日本安川電機(jī)公司的HP6 型焊接機(jī)器人， 兩軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)， 單軸頭尾式變位機(jī)， 日本OT C 公司生產(chǎn)的IN VERTERELESON 500P 型交直流兩用GT AW 焊接電源，CM-271 型送絲機(jī)和HC-71 型送絲控制箱。 控制系統(tǒng)為研華公司的工控機(jī)， 傳感系統(tǒng)為自行開發(fā)的CCD 被動(dòng)光視覺(jué)系統(tǒng)， 以及圖像采集卡。 整個(gè)系統(tǒng)如圖1 所示。

　　考慮到LF6 鋁合金薄板的焊接性， 采用交流脈沖焊進(jìn)行焊接， 脈沖頻率為2 H z， 基值電流為50 A，峰值電流為125 A， 焊接速度為2. 6 mm/ s.

　　1. 2 圖像采集與處理

　　1. 2. 1 開小窗口分析法

　　采用“小窗口”獲取焊縫特征信息， 在焊縫區(qū)域開了一個(gè)100 幀x120 幀的小窗口， 僅對(duì)此窗口內(nèi)的圖像進(jìn)行處理。 該窗口包含了進(jìn)行焊縫跟蹤所需要的特征信息， 又削減了大量不必要的圖像信息。 CCD 攝像機(jī)和送絲嘴都固定在焊槍上， 也就是焊槍、鎢極、送絲嘴在圖像平面投影的相對(duì)位置是不變的， 同時(shí)在試驗(yàn)前已經(jīng)將CCD 攝像機(jī)的軸心、焊槍軸心以及焊縫調(diào)節(jié)到了同一個(gè)平面上， 如此， 焊槍的軸線在圖像平面上的投影為一條水平線， 為后續(xù)的跟蹤提供了便利條件。

　　1. 2. 2 圖像處理算法

　　在試驗(yàn)中， 首先提取到焊縫的上下邊緣， 經(jīng)過(guò)去除偽點(diǎn)之后進(jìn)行最小二乘法擬合， 得到焊縫中心線。 圖像處理算法流程主要包括圖像復(fù)原、中值濾波、邊緣尋找、偽點(diǎn)去除及最小二乘法擬合， 如圖2 所示 。

　　采用了逆濾波器方法來(lái)進(jìn)行圖像復(fù)原， 同時(shí)選用3x3 模板中值濾波， 當(dāng)前像素點(diǎn)的灰度值由它的8 鄰域的像素灰度值的中間值獲得。

　　在對(duì)圖像進(jìn)行了觀察和分析后， 發(fā)現(xiàn)即焊縫邊緣和其他區(qū)域相比， 灰度變化極大。 因此， 根據(jù)灰度值變化的速率來(lái)確定焊縫邊緣點(diǎn)， 即每一列中速率變化最大的2 個(gè)點(diǎn)作為為焊縫的上下邊緣點(diǎn)。 用此種邊緣檢測(cè)算法是基于2 mm 薄板的特性， 沒(méi)有坡口使焊縫處較大的灰度變化在整幅圖像中極易捕捉， 同時(shí)此類算法較小的計(jì)算量也不會(huì)影響到圖像處理的實(shí)時(shí)性。

　　經(jīng)過(guò)上述圖像處理之后并不能夠準(zhǔn)確地獲得焊縫邊緣， 仍舊有偽邊緣存在， 如何再去除偽邊緣點(diǎn)，識(shí)別出真正的焊縫邊緣， 是圖像處理中最困難， 也是最關(guān)鍵的技術(shù)。 通過(guò)24 鄰域從上下2 個(gè)方向向中間逐行掃描的方式去除偽邊緣點(diǎn)。 由于焊縫邊緣是連續(xù)變化的， 假設(shè)存在圖像處理誤差在2 個(gè)象素之內(nèi)，如果某一特征點(diǎn)24 鄰域內(nèi)不存在相鄰特征點(diǎn)， 認(rèn)為該點(diǎn)為偽邊緣點(diǎn)或孤立點(diǎn)。