焊缝自动跟踪技术优化方案

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：在判断焊缝边缘时必须考虑这种情况。下边分别分析曲线和折线形状的焊缝在自动跟踪中检测到的偏差曲线和实际跟踪焊接的效果照片。图5-3-49 MAG焊过程图像处理结果a）起弧阶段 b）焊接中间 c）转折阶段 d）起弧焊缝 e）中间焊缝 f）转折焊缝图5-3-50 CCD采集的图像上的曲率在焊接过程中的比较a）起弧阶段 b）焊接过程中 c）焊接结束图5-3-51 偏差量检测曲线图5-3-51所示为跟踪时的偏差量检测曲线。

MAG焊兼有CO₂焊热效率高、电弧挺度好和熔深大的优点，同时又具有MIG焊飞溅少、焊接过程较稳定的综合优势。在MAG焊过程中，CCD所捕获的熔池图像必然会有飞溅颗粒形成的点噪声和线状噪声，烟尘和弧光则使图像边界变得模糊不清，是一个典型的非线性图像，它为后续图像处理带来了很大困难。并且MAG焊熔池图像背景噪声复杂，所需预处理时间也相应变长。MAG焊熔池图像处理的关键是滤波和边缘检测，用传统的图像处理算法，如微分算子、曲面拟合法等处理，效果都不理想。目前在国际焊接领域，基于视觉图像处理的熔化极气体保护焊过程控制还没有找到快速而有效的算法，这是众多研究者在焊接熔透控制中主要围绕非熔化极、无飞溅、焊接过程稳定、可控性好的TIG焊进行的主要原因。

用这种办法采集到的图像质量是比较好的，但是在对MAG焊进行图像采集时这种方法就行不通了。从图像波形中可以发现，MAG焊过程中焊接电流瞬时波形的周期是随机的，不像TIG焊那样固定不变，并且可调节。这样就带来一个问题，即在控制上不好判断焊接电流由峰值向基值转换的时刻，这也是熔化极气体保护焊的一个特点。所以在试验时是按照固定时序来采集图像的，这就不可避免地会遇到在采集图像过程中弧光时大时小不稳定的问题。这个问题目前只有依靠后期的算法提升来解决。如图5-3-46所示，对比MAG焊与TIG焊的原始图像，可以看出两者之间的差别很大，采集到的TIG焊图像质量相对MAG焊的图像质量从图像处理的角度来说要好得多。

图5-3-46 TIG焊与MAG焊原始图像对比

a）TIG焊原始图像 b）MAG焊原始图像

为了更加符合工业应用的实际，选择了薄板窄焊缝的工件。可以看出工件的曲线曲率是比较大的，由于CCD安置时的位置关系，使得在CCD的视野中，最大曲率在拐弯处达到最大，已经超过了60°，如图5-3-47所示。这就给控制带来了很大难度，要求跟踪控制算法有很大的调节力度。

图5-3-47 焊缝形状尺寸图

在以往焊接图像处理的研究中都是假定焊缝在图像上的特征为细长的“暗沟”状，其实通过对试验过程的回显发现，焊缝在图像上的特征只是在某些时候成细长的“暗沟”状，有些时候，尤其是在焊缝曲线的曲率比较大的时候，通过CCD拍摄到的焊缝是发亮的，如图5-3-48所示。这主要是因为底板以及焊缝接头处的工件表面漫反射焊接时的强烈弧光所致。在判断焊缝边缘时必须考虑这种情况。对采集到的MAG焊过程进行图像处理寻找焊缝中心位置的方法如下：通过CCD采集的图像，在经过处理后，检测出所有灰度值突变的点，以确定焊缝棱边的对应点所在区域（即图中的A-B点和D-E点），确定了两个棱边的对应点所在区域后，与棱边对应的点（即图中的B点和D点）就在AP和EQ之间并且是对应灰度值突变点中斜率突变的点。在AP和EQ两线段上按照一定间隔设置若干个点，首先可以算出每两点之间线段的斜率，然后可以求出每相邻两线段的斜率的差值。通过试验设定合适的差值阈值，即可找到斜率突变的点对应为棱边。以计算左侧棱边为例，从P点开始向左侧逐段计算斜率并比较每两线段间斜率的差值是否达到所设定的阈值，如没有达到则继续向左侧进行搜索直到找到斜率的差值突变的线段为止，此处的点即是焊缝的棱边（即B点）。取二棱边中点即是坡口的中心。实践证明，这种算法可以比较准确地计算出焊缝中心位置。

图5-3-48 焊缝中心识别原理图

a）两侧边缘为缓变 b）两侧边缘为陡变 c）边缘中缓变与陡变并存

如图5-3-49所示，分别对采集到的一个MAG焊过程中起弧阶段、焊接阶段以及拐弯时的图像进行了以Bubble小波为基的M带小波变换处理，并用零交叉边缘检测方法检测出的边缘结果，图中焊缝边缘都是经过细化处理后的单像素边缘。

下边分别分析曲线和折线形状的焊缝在自动跟踪中检测到的偏差曲线和实际跟踪焊接的效果照片。

曲线焊缝焊接的难度是比较大的，在观察焊缝的曲线形状时，按照真实曲线曲率计算值时，并没有超过45°，但这是在垂直于工件的平面内观察的结果。实际上为了避免焊枪的影响，在安装CCD摄像头时是以近乎平行的角度放置的，这就不可避免地使得采集到的图像存在畸变。如图5-3-50所示，焊缝其曲率在CCD的视野里已经超过60°，这种情况增大了控制的难度，尤其是在焊接末段，由于前段工件的热变形，使得焊缝向中心挤压，会使薄板焊接本来就很窄的焊缝发生重叠的现象，非常不利于图像处理。针对这种情况，采取了一些相应的工艺措施，如在施焊前先对工件两头的焊缝进行定位焊等，以避免出现找不到焊缝的情况。

图5-3-49 MAG焊过程图像处理结果

a）起弧阶段 b）焊接中间 c）转折阶段 d）起弧焊缝 e）中间焊缝 f）转折焊缝

图5-3-50 CCD采集的图像上的曲率在焊接过程中的比较

a）起弧阶段 b）焊接过程中 c）焊接结束

图5-3-51 偏差量检测曲线

图5-3-51所示为跟踪时的偏差量检测曲线。由于偏差量的计算是根据行走机构步进电动机的转数来定的，所以Y轴表示的是电动机的转数，每转对应0.01mm.。从图5-3-51还可看出，在焊接过程中有几个地方的偏差明显较大。如在焊接后半段跟踪曲线焊缝的偏差明显比前半段大，尤其是在快结束的时候，振荡比较厉害。出现这种情况的主要原因是由于焊接过程中的热变形引起的焊缝宽度变化，虽然已经使焊缝两头刚性固定，但由于焊缝较长，在末段的变形还是比较厉害，这样会使焊缝边缘的判断出现偏差，从而引发系统加大调节量。还有在曲线中部两个圆弧的对接处，偏差量也比较明显，这主要是由于曲率在此处最大，使得机构的调节力度也加大而造成的。实际跟踪结果如图5-3-52所示。

图5-3-52 实际跟踪结果

a）焊缝正面 b）焊缝背面

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