CN103464869A - 基于视觉传感的旋转电弧窄间隙mag焊焊缝偏差识别装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视觉传感的旋转电弧窄间隙MAG焊焊缝偏差识别装置和方法，包括旋转电弧焊炬、电弧旋转位置传感器、隔离模块、CCD摄像机和PC机，其中PC机包括图像采集卡、图像去噪模块、电弧中心识别模块、坡口边缘识别模块、当前电弧旋转周期焊缝偏差提取模块、统计模块。CCD摄像机的前端设置有减光片、滤光片和UV镜。所述方法是采用CCD摄像机并通过触发采样方式准确获取每个电弧旋转周期内，电弧旋转到坡口左、右位置的焊接图像，并快速检测两幅图的电弧、左右坡口位置来获取焊缝偏差。本发明获取焊缝偏差效率高，算法准确可靠，且克服坡口底部变化和电弧电信号易受干扰的影响，适用于高频率的旋转电弧焊接。

Description

基于视觉传感的旋转电弧窄间隙MAG焊焊缝偏差识别装置和方法

技术领域

本发明涉及一种基于视觉传感的旋转电弧窄间隙MAG焊焊缝偏差识别装置和方法，属于焊接自动化技术领域。

背景技术

旋转电弧窄间隙MAG焊焊接，作为一种高效的焊接技术，具有坡口形状简单、焊缝截面积小、焊接效率高、能耗少、焊接热输入量低、焊接热影响区小、接头韧性好等优点，在中厚板焊接领域受到广泛的应用。为保证焊接质量，使坡口两侧壁均匀熔透，需要保证焊炬的电弧中心与工件坡口中心的严格对中。因此在焊接过程中，需要进行实时有效的跟踪控制，其关键是能实时可靠地提取焊缝偏差。

目前常用的传感器有以下几种类型：机械传感器、电磁感应式传感器、超声传感器、焊接温度场传感器、CCD视觉传感器、电弧传感等。其中，视觉传感器因其具有与工件不接触、信息量大、抗电磁干扰能力强、灵敏度高、适用坡口形式多等优点，被认为是一种最有发展前景的传感方法，在焊接领域得到了广泛的应用。

利用视觉传感进行焊缝跟踪，关键是获取清晰的图像并通过有效算法确定偏差信息。关于窄间隙焊接的视觉传感技术研究并不多，在文献“基于面阵CCD图像处理的窄间隙焊自动跟踪系统”（张富巨等，焊接技术，2000年，第29卷，第6期，36～37页）中，提出一种基于面阵CCD图像处理的窄间隙自动跟踪系统，该系统利用弧光的作用，使坡口内部近坡口棱边处（无焊枪遮挡部分）呈现出几乎一致的白色，在坡口外的工件表面和棱边处呈现出一致的黑色。通过计算机白色条纹到窗口边缘的距离与标定的距离差，实现窄间隙焊缝跟踪。该方法采集的图像不是直接的电弧区域图像，即传感检测位置与电弧实际位置不同步，降低了传感检测精度；在文献“一种窄间隙焊接被动光视觉传感器的研究”（许平非等，电焊机，2010年，第40卷，第3期，37～39页）中，提出一种窄间隙红外CCD视觉传感系统，该系统利用红外CCD摄像机，配用中心波长为920nm的窄带滤光片，采集焊接区域图像，来观测窄间隙焊接过程。该方法仅进行窄间隙焊接过程的实时监测，未见实现焊缝的同步跟踪控制。在文献“钢轨窄间隙弧焊焊枪自动纠偏系统”（刘正文等，焊接学报，2011年，第32卷，第5期，45～48页）中，提出一种双视觉传感的焊枪摆动控制方法，通过采集熔池区图像，实时计算焊丝端部的摆动偏差和摆角偏差，并对焊枪摆动进行反馈控制。该方法只适用于频率较低的摆动电弧窄间隙焊接，对高频率的旋转电弧并不适用。在文献“基于双视觉的窄间隙焊熔池特征分析”（顾网平等，焊接技术，2013年，第42卷，第2期，14～16页）中，设计了一种窄间隙多视觉焊接熔池采集系统，针对采集的熔池图像特点，提出了特征提取图像处理方法。该方法只提取并研究了熔池图像特征，并未对焊接过程实时监测和进行偏差提取。

已有授权的专利中，清华大学的郑军，潘际銮在专利“基于视觉检测的窄间隙电弧焊接在线决策方法”（申请号：200910076527.1）中，提出一种焊枪偏移调整方法，通过CCD视觉传感器监测电弧摆动幅度中心和焊缝宽度中心，当监测到电弧摆动中心与焊缝中心不重合时，即对焊枪位置进行调整。该方法只针对摆动电弧应用场合，工艺使用范围窄，需要通过多次边缘和位置检测才能获取焊缝偏差信息，图像处理工作量大，影响焊缝跟踪控制的实时性；哈尔滨工业大学的雷正龙，陈彦宾等在专利“基于扫描式激光视觉传感的厚板窄间隙深坡口激光自动化多层焊焊接方法”（申请号：201210213371.9）中，提出一种视觉传感方法，该方法是基于主动视觉，只适用于厚板。江苏科技大学的王加友，朱杰等在专利“基于红外视觉传感的窄间隙焊接监控及焊缝偏差检测方法”（申请号：201210325926.9）中，以窄间隙焊接电弧光和熔池自身辐射光作为光源，利用红外窄带滤光系统滤除干扰信号并调节光强，计算机实时采集并显示红外CMOS摄像机获取的焊接图像。通过图像截取窗口截取远离电弧侧的图像进行处理，并通过提取坡口单侧边缘来获取焊缝偏差信息。该方法只适用于频率较低的摆动电弧，对高频率的旋转电弧焊接并不适用，而且并未获取焊接时完整图像，没有提取坡口边缘，电弧位置等典型焊接过程信息，不利于焊接过程的实时监测及后续的焊缝跟踪的研究。

发明内容

本发明的目的是针对上述视觉传感应用中普遍存在的问题和缺陷，提出一种基于视觉传感的旋转电弧窄间隙MAG焊焊缝偏差识别装置和方法。在视觉传感硬件组成的基础上提供一种算法效率高，更加可靠的偏差提取方法。本发明是采用CCD摄像机并通过触发采样方式准确获取每个电弧旋转周期内，电弧旋转到坡口左、右位置的焊接图像，并快速检测两幅图的电弧、左右坡口位置来获取焊缝偏差。

本发明的提出是综合考虑了旋转电弧MAG焊的特点和视觉传感图像的特点。由于电弧或焊丝端部高速旋转，必须采用触发方式才能快速准确获取电弧旋转的左右极值位置，否则需要多次采样才有可能求取，影响偏差提取算法实时性。同时，从焊接图像特点看，坡口母材区域亮度最暗，电弧中心最亮，而窄间隙区亮度居中，故可以设置两个阈值用于分别检测坡口母材区和电弧中心，同时，为克服电弧亮度变化的不利影响，基于灰度统计进行了阈值的自适应划分。利用阈值分割后的电弧中心图像可快速提取电弧中心或焊丝端部位置，利用阈值分割后的坡口母材图像可以快速提取窄间隙坡口左右位置。

为了达到上述目的，本发明解决技术问题所采取的技术方案是：

一种基于视觉传感的旋转电弧窄间隙MAG焊焊缝偏差识别装置，包括旋转电弧焊炬、电弧旋转位置传感器、隔离模块、CCD摄像机和PC机，其中PC机包括图像采集卡、图像去噪模块、电弧中心识别模块、坡口边缘识别模块、当前电弧旋转周期焊缝偏差提取模块、统计模块，所述CCD摄像机对应工件并与工件平面成一夹角安置在所述旋转电弧焊炬前方，所述电弧旋转位置传感器安装在所述旋转电弧焊炬上并依次连接隔离模块和CCD摄像机，所述CCD摄像机将所采集图像依次输入置于所述PC机中的图像采集卡、图像去噪模块、电弧中心识别模块、坡口边缘识别模块、当前电弧旋转周期焊缝偏差模块和统计模块。

上述所述电弧旋转位置传感器由凹槽式光电开关和过中心对称开有两个孔或槽的码盘构成，所述凹槽式光电开关的凹槽套入所述码盘固定于所述旋转电弧焊炬的不旋转部位，所述码盘固定在所述旋转电弧焊炬的旋转部位并与电弧同步转动；安装时使电弧旋转到坡口左位置和坡口右位置时，凹槽式光电开关的光路正好穿过码盘的开孔或槽。

上述所述CCD摄像机镜头距离电弧为200～500mm，所述CCD摄像机的前端还设置有减光片（5%～50%）、滤光片（红外区窄带滤光片，中心波长800nm～1100nm之间，宽度20nm）和UV镜。

上述所述CCD摄像机与工件平面夹角为α=20～60°。

为了达到上述目的，本发明解决技术问题所采取的另一技术方案是：

本发明的基于视觉传感的旋转电弧窄间隙MAG焊焊缝偏差识别装置的识别方法，包括以下步骤：

（1）设定CCD摄像机参数，曝光时间为2～10ms、视窗大小调节以能清楚观察到焊接电弧和焊接熔池为宜，一般大于200×200，小于800×800，光圈大小为8～32，图像采集模式为触发模式；图像采集标志量PICNO为0；

（2）起弧后，待焊接状态稳定后，启动CCD摄像机的“触发图像采集”；

（3）电弧旋转到焊接坡口左位置和焊接坡口右位置时，电弧旋转位置传感器发出脉冲触发信号，CCD摄像机采集焊接图像经图像采集卡进入PC机，得256阶灰度的焊接图像F₁，同时令图像采集标志量PICNO加一；

（4）通过图像去噪模块对F₁滤波，以减少图像噪声，得图像F₂；

（5）对步骤（4）所得图像F₂统计其灰度直方图H；

（6）根据H中存在的最大灰度值减2～20中的一个数得到阈值TH₁，并利用TH₁对图像F₂进行阈值分割来识别电弧区域，确定电弧中心水平位置M_n，其中n等于PICNO；

（7）根据H确定自适应阈值TH₂对图像F₂进行阈值分割，来识别焊接坡口母材区，并采用一阶水平方向差分来计算焊接坡口左右边缘水平位置L_n、R_n，其中n等于PICNO；

（8）如果PICNO=1,则跳至步骤（3），如果PICNO=2，令PICNO=0，则跳至步骤（9）；

（9）结合最近2幅图像的电弧位置、左右焊接坡口位置，计算电弧旋转中心水平位置M=（M₁+M₂）÷2，焊接坡口左边缘水平位置L=(L₁+L₂)÷2，焊接坡口右边缘水平位置R=(R₁+R₂)÷2，焊接坡口中心水平位置P=(L+M)÷2，M和P的偏差即当前电弧旋转周期的焊缝偏差，可根据实际焊接坡口宽度或图像标定确定实际焊缝偏差值，该焊缝偏差值用于替换最近k个的电弧旋转周期的焊缝偏差值中最旧的值；

（10）计算最近k个电弧旋转周期的焊缝偏差，取平均值法或中值法等统计方法作为最终的焊缝偏差值输出，以提高算法的抗干扰能力。，若有中止命令，则退出，若没有中止命令，则跳至步骤（3）。

上述步骤（7）所述的自适应阈值分割的具体方法是：

1）在灰度直方图H灰度值0到100范围内确定最大值点A；

2）在灰度值A到A+100范围内确定第一个上升点B；

3）在灰度值B到B+100范围内确定最大值点C；

4）在灰度值A到C范围内确定最小值点D；

5）在D-5～D+5范围内确定自适应阈值点TH₂。

上述步骤（7）所述的一阶水平方向差分的具体方法是：

1）在步骤（6）所得电弧中心水平位置M_n上方距离（0～1/4）个焊接坡口宽度的范围内取i条水平线，其中i为奇数；

2）在每条水平线从左到右依次计算当前像素点灰度值（其值为0或1）与临近右边像素点灰度值（其值为0或1）差值，作为当前像素点的灰度值；

3）每条水平线从左到右第一次出现差值为1的点为左边缘点，每条水平线从右到左第一次出现差值为1的点为右边缘点；

4）对i条水平线所得左边缘点求取中值作为焊接坡口的左边缘水平位置Ln，对i条水平线所得右边缘点求取中值作为焊接坡口的右边缘水平位置Rn。

本发明的有益效果：

本发明的基于视觉传感的旋转电弧窄间隙MAG焊焊缝偏差识别装置和方法，由于采用CCD摄像机并通过触发采样方式准确获取每个电弧旋转周期内，电弧旋转到坡口左、右位置的焊接图像，并快速检测两幅图的电弧、左右坡口位置来获取焊缝偏差。本发明获取焊缝偏差效率高，准确可靠，且可克服坡口底部变化和电弧电信号易受干扰的影响，适用于高频率的旋转电弧焊接。

附图说明

图1为本发明的一种基于视觉传感的旋转电弧窄间隙气保焊焊缝偏差识别装置的构造框图；

图2为旋转电弧窄间隙焊接的坡口左右侧边缘及电弧中心位置图像；

图3为焊接图像的灰度直方图；

图4为自适应阈值分割算法流程图；

图5为通过阈值分割确定电弧中心流程图；

图6为通过一阶水平方向差分算法确定坡口边缘位置流程图；

图7中：（a）为具体实施例中所获焊接图像；（b）为电弧区域识别图；（c）为坡口边缘识别图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本发明的的具体实施作进一步的详细叙述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

如图1所示，为本发明的一种基于视觉传感的旋转电弧窄间隙气保焊焊缝偏差识别装置，包括旋转电弧焊炬1、电弧旋转位置传感器2、隔离模块3、CCD摄像机4和PC机6，其中PC机6包括图像采集卡7、图像去噪模块8、电弧中心识别模块9、坡口边缘识别模块10、当前电弧旋转周期焊缝偏差提取模块11、统计模块13、CCD摄像机4、减光和滤光系统5。

所述CCD摄像机4镜头前加装减光片、滤光片、UV镜5后与旋转电弧焊炬1相对固定，放置在旋转电弧焊炬1前方与工件地面呈α=30°的夹角，采用电弧旋转位置传感器2获得的信号作为触发源，为了避免杂波信号的误触发，位置信号的输出端需加装隔离模块3，通过触发信号采集焊接图像，电弧旋转到左右位置分别触发摄像机拍摄一张焊接图像。

所述电弧旋转位置传感器2由码盘2-1和凹槽式光电开关2-2构成，码盘2-1固定在焊炬的旋转部分与电弧同步转动，凹槽式光电开关2-2固定于旋转电弧焊炬1的不旋转部分，安装时使电弧旋转到焊接左右位置时，凹槽式光电开关2-2的光路正好穿过码盘2-1的开孔，从而通过电弧旋转位置传感器2输出电平的变化能判断电弧处于焊接左右方位置。

所述CCD摄像机4所得焊接图像进入图像采集卡7；图像采集卡7置于PC机6中；在PC机6中，经过图像去噪模块8进行中值滤波减少图像噪声的干扰，对滤波后图像经电弧中心识别模块9，提取电弧中心位置；经坡口边缘识别模块10，提取左右坡口边缘，通过求取电弧中心到坡口中心的距离获取焊缝偏差；经当前电弧旋转周期焊缝偏差模块11提取当前电弧旋转周期焊缝偏差，并更新最近n个电弧旋转周期焊缝偏差12，经统计模块13，输出焊缝偏差结果。

本发明的基于视觉传感的旋转电弧窄间隙MAG焊焊缝偏差识别装置的识别方法，包括以下步骤：

（1）设定CCD摄像机参数，曝光时间为5ms、视窗大小为544×544，光圈大小为11，图像采集模式为触发模式；图像采集标志量PICNO为0；

（2）起弧后，待焊接状态稳定后，启动CCD摄像机的“触发图像采集”；

（3）电弧旋转到坡口左位置和坡口右位置时，电弧位置传感器发出脉冲触发信号，CCD摄像机采集焊接图像（如图7（a））经数据采集卡进入PC机，得256阶灰度的焊接图像F₁，同时令图像采集标志量PICNO加一；

（4）通过图像去噪模块对F₁滤波，以减少图像噪声，得图像F₂；

（5）对步骤（4）所得图像F₂统计其灰度直方图H（如图3所示）；

（6）如图5所示，根据H中存在的最大灰度值减10中的一个数得到阈值TH₁=245，并利用TH₁对图像F₂进行阈值分割来识别电弧区域，确定电弧中心（如图7（b））水平位置M_n，其中n等于PICNO；

（7）如图4所示，根据H确定自适应阈值TH₂对图像F₂进行阈值分割，来识别焊接坡口母材区（如图7（c）），并采用一阶水平方向差分（如图6）来计算焊接坡口左右边缘水平位置L_n、R_n，其中n等于PICNO；

1）在灰度直方图H灰度值0到100范围内确定最大值点A，此处A=27；

2）在灰度值A到A+100范围内确定第一个上升点B，此处B=31；

3）在灰度值B到B+100范围内确定最大值点C，此处C=43；

4）在灰度值A到C范围内确定最小值点D，此处D=31；

5）在D-5～D+5范围内确定自适应阈值点TH₂，此处TH₂=D=31。

6）在步骤（6）所得电弧中心水平位置M_n上方距离（0～1/4）个坡口宽度的范围内取i=3条水平线（如图2中测量曲线1、2、3）；

7）在每条线从左到右依次计算当前像素点灰度值（其值为0或1）与临近右边像素点灰度值（其值为0或1）差值，作为当前像素点的灰度值；

8）每条线从左到右第一次出现差值为1的点为左边缘点，每条线从右到左第一次出现差值为1的点为右边缘点；

9）对3条线所得左边缘点求取中值作为坡口的左边缘水平位置Ln，对n条线所得右边缘点求取中值作为坡口的右边缘水平位置Rn，如图2中坡口左侧边缘、坡口右侧边缘。

（8）如果PICNO=1,则跳至步骤（3），如果PICNO=2，令PICNO=0，则跳至步骤（9）；

（9）结合最近2幅图像的电弧位置、左右焊接坡口位置，计算电弧旋转中心水平位置M=（M₁+M₂）÷2，焊接坡口左边缘水平位置L=(L₁+L₂)÷2，焊接坡口右边缘水平位置R=(R₁+R₂)÷2，焊接坡口中心水平位置P=(L+M)÷2，M和P的偏差即当前电弧旋转周期的焊缝偏差，可根据实际焊接坡口宽度或图像标定确定实际焊缝偏差值，该焊缝偏差值用于替换最近k个的电弧旋转周期的焊缝偏差值中最旧的值；

（10）计算最近k个电弧旋转周期的焊缝偏差，取平均值法或中值法等统计方法作为最终的焊缝偏差值输出，以提高算法的抗干扰能力。，若有中止命令，则退出，若没有中止命令，则跳至步骤（3）。

为克服偶然因素的干扰，本实例计算k=10个旋转周期的焊缝偏差，然后求取平均值作为最终焊缝偏差输出，供显示和后续焊缝纠偏装置使用。

上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于视觉传感的旋转电弧窄间隙MAG焊焊缝偏差识别装置，包括旋转电弧焊炬、电弧旋转位置传感器、隔离模块、CCD摄像机和PC机，其特征在于，所述PC机包括图像采集卡、图像去噪模块、电弧中心识别模块、坡口边缘识别模块、当前电弧旋转周期焊缝偏差提取模块、统计模块；所述CCD摄像机对应工件并与工件平面成一夹角安置在所述旋转电弧焊炬前方，所述电弧旋转位置传感器安装在所述旋转电弧焊炬上并依次连接隔离模块和CCD摄像机，所述CCD摄像机将所采集图像依次输入置于所述PC机中的图像采集卡、图像去噪模块、电弧中心识别模块、坡口边缘识别模块、当前电弧旋转周期焊缝偏差模块和统计模块。

2.根据权利要求1所述基于视觉传感的旋转电弧窄间隙MAG焊焊缝偏差识别装置，其特征在于，所述电弧旋转位置传感器由凹槽式光电开关和过中心对称开有两个孔或槽的码盘构成，所述凹槽式光电开关的凹槽套入所述码盘固定于所述旋转电弧焊炬的不旋转部位，所述码盘固定在所述旋转电弧焊炬的旋转部位并与电弧同步转动；安装时使电弧旋转到坡口左位置和坡口右位置时，凹槽式光电开关的光路正好穿过码盘的开孔或槽。

3.根据权利要求1所述基于视觉传感的旋转电弧窄间隙MAG焊焊缝偏差识别装置，其特征在于，所述CCD摄像机的镜头距离电弧为200～500mm，CCD摄像机的前端还设置有减光片、滤光片和UV镜。

4.根据权利要求1所述基于视觉传感的旋转电弧窄间隙MAG焊焊缝偏差识别装置，其特征在于，所述夹角为α=20～60°。

5.一种如权利要求1所述基于视觉传感的旋转电弧窄间隙MAG焊焊缝偏差识别装置的识别方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）设定CCD摄像机参数，曝光时间为2～10ms、视窗大小调节以能清楚观察到焊接电弧和焊接熔池为宜，一般大于200×200，小于800×800，光圈大小为8～32，图像采集模式为触发模式；图像采集标志量PICNO为0；

（2）起弧后，待焊接状态稳定后，启动CCD摄像机的“触发图像采集”；

（3）电弧旋转到焊接坡口左位置和焊接坡口右位置时，电弧旋转位置传感器发出脉冲触发信号，CCD摄像机采集焊接图像经图像采集卡进入PC机，得256阶灰度的焊接图像F₁，同时令图像采集标志量PICNO加一；

（4）通过图像去噪模块对F₁滤波，以减少图像噪声，得图像F₂；

（5）对步骤（4）所得图像F₂统计其灰度直方图H；

（6）根据H中存在的最大灰度值减2～20中的一个数得到阈值TH₁，并利用TH₁对图像F₂进行阈值分割来识别电弧区域，确定电弧中心水平位置M_n，其中n等于PICNO；

（7）根据H确定自适应阈值TH₂对图像F₂进行阈值分割，来识别焊接坡口母材区，并采用一阶水平方向差分来计算焊接坡口左右边缘水平位置L_n、R_n，其中n等于PICNO；

（8）如果PICNO=1,则跳至步骤（3），如果PICNO=2，令PICNO=0，则跳至步骤（9）；

（9）结合最近2幅图像的电弧位置、左右焊接坡口位置，计算电弧旋转中心水平位置M=（M₁+M₂）÷2，焊接坡口左边缘水平位置L=(L₁+L₂)÷2，焊接坡口右边缘水平位置R=(R₁+R₂)÷2，焊接坡口中心水平位置P=(L+M)÷2，M和P的偏差即当前电弧旋转周期的焊缝偏差，可根据实际焊接坡口宽度或图像标定确定实际焊缝偏差值，该焊缝偏差值用于替换最近k个的电弧旋转周期的焊缝偏差值中最旧的值；

（10）计算最近k个电弧旋转周期的焊缝偏差，取平均值法或中值法作为最终的焊缝偏差值输出，以提高算法的抗干扰能力，若有中止命令，则退出，若没有中止命令，则跳至步骤（3）。

6.根据权利要求5所述的基于视觉传感的旋转电弧窄间隙MAG焊焊缝偏差识别装置的识别方法，其特征在于：步骤（7）所述的自适应阈值分割的具体方法是：

1）在灰度直方图H灰度值0到100范围内确定最大值点A；

2）在灰度值A到A+100范围内确定第一个上升点B；

3）在灰度值B到B+100范围内确定最大值点C；

4）在灰度值A到C范围内确定最小值点D；

5）在D-5～D+5范围内确定自适应阈值点TH₂。

7.根据权利要求5所述的基于视觉传感的旋转电弧窄间隙MAG焊焊缝偏差识别装置的识别方法，其特征在于：步骤（7）所述的一阶水平方向差分的具体方法是：

1）在步骤（6）所得电弧中心水平位置M_n上方距离（0～1/4）个焊接坡口宽度的范围内取i条水平线，其中i为奇数；

2）在每条水平线从左到右依次计算当前像素点灰度值（其值为0或1）与临近右边像素点灰度值（其值为0或1）差值，作为当前像素点的灰度值；

3）每条水平线从左到右第一次出现差值为1的点为左边缘点，每条水平线从右到左第一次出现差值为1的点为右边缘点；

4）对i条水平线所得左边缘点求取中值作为焊接坡口的左边缘水平位置Ln，对i条水平线所得右边缘点求取中值作为焊接坡口的右边缘水平位置Rn。

Images