CN110108785B - 一种焊缝识别装置及识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种焊缝识别装置及识别方法，装置包括：运载体；设置在所述运载体上的伺服电机和承重轮；设置在所述伺服电机和承重轮上的履带；设置在所述履带上，用于扫描带有焊缝的基材表面，并对扫描点与其之间的距离进行测量的测距头；设置在所述运载体上，与所述伺服电机和所述测距头连接的微电脑。本发明通过履带带动测距头对基材表面进行扫描，根据获取的距离值与预先输入的基础参数对焊缝进行识别，方法简单，设备体积小、重量轻、成本低，表面适应性强，对计算结果进行曲率补偿，能对有曲率的设备焊缝准确识别，精确度高。
Description
技术领域
本发明涉及设备无损检测技术领域，具体涉及一种焊缝识别装置及识别方法。
背景技术
磁粉探伤是无损检测五大常规方法的一种，也是检验铁磁性材料表面或近表面缺陷的一种常用手段。由于其检测灵敏度高、工艺简单可靠，故被广泛采用。而要实现磁粉检测，不管是自动打磨机还是自动磁粉检测机，都必需以焊缝中心行走，所以焊缝的跟踪就是磁粉检测的关键。
由于焊缝与基材几乎为同色，所以通过图像处理的方式很难进行识别。现在一般都是采用位移传感器接触式测量，这种方式需要在与焊缝垂直的方向上等间距装一排传感器，精度低、成本高、体积大，重量重，故障率高，当表面有障碍物时，传感器没法通过。同时，现有焊缝识别方法并没有进行曲率补偿，当对有曲率的焊缝进行检测时，存在误差，曲率越大，误差越大。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种焊缝识别装置及识别方法，旨在解决现有技术中焊缝识别时需要在与焊缝垂直的方向上等间距装一排传感器，识别精度低、成本高、体积大，重量重，故障率高，且对有曲率的焊缝进行检测时没有进行曲率补偿等问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种焊缝识别装置，其中，所述识别装置包括：运载体；
设置在所述运载体上的伺服电机和承重轮；
设置在所述伺服电机和所述承重轮上的履带，当所述伺服电机运行时，所述履带沿所述伺服电机和所述承重轮做周向运动；
设置在所述履带上，用于扫描带有焊缝的基材表面，并对扫描点与其之间的距离进行测量的测距头；
设置在所述运载体上，与所述伺服电机和所述测距头连接的微电脑；
所述微电脑用于每隔预定扫描距离读取测距头的距离值，并根据所述距离值与预先输入的基础参数对所述基材表面的焊缝进行识别。
所述的焊缝识别装置，其中，所述识别装置还包括：
设置在所述运载体上，用于对所述履带的运动进行限位的两个限位开关；
设置在所述履带上，且位于所述两个限位开关之间，用于与所述两个限位开关配合对所述履带的运动进行限位的限位挡板。
所述的焊缝识别装置，其中，所述伺服电机与所述承重轮对称设置；所述限位挡板和所述测距头相对于所述履带反方向运动。
所述的焊缝识别装置，其中，所述识别装置还包括：
固定在所述运载体底部，用于使所述运载体在基材表面运动的运动轮。
一种利用所述的焊缝识别装置识别焊缝的方法，其中，包括步骤：
A、每隔预定扫描距离获取当前扫描点与测距头之间的距离值；
B、根据所述距离值与预先输入的基础参数对所述基材表面的焊缝进行识别。
根据权利要求5所述的焊缝识别方法，其特征在于，步骤A中，所述预定扫描距离为5mm。
所述的焊缝识别方法，其中，步骤B中，所述基础参数具体包括：
当所述基材为平面时，所述基础参数为测距头相对于运动轮底部所在平面的高度；
当所述基材为曲面时，所述基础参数为曲面基材的曲率半径，测距头相对于运动轮底部所在平面的高度及运动轮之间的距离。
所述的焊缝识别方法，其中，所述步骤B具体包括：
B1、根据用户预先输入的基础参数及获取的当前扫描点与测距头之间的距离值计算当前扫描点相对于基材表面的距离值；
B2、以n个扫描点相对于基材表面的距离值为计算窗口对计算出的扫描点相对于基材表面的距离值进行锐化滤波处理。
所述的焊缝识别方法，其中，所述步骤B1具体包括：
根据如下算式计算扫描点相对于基材表面的距离值：
g(n)＝H1+Δg-h(n)
其中，H1为测距头相对于运动轮底部所在平面的高度，Δg为运动轮底部所在平面到基材表面高度，h(n)为测距头到扫描点的距离值。
所述的焊缝识别方法，其中，所述步骤B2具体包括：
根据如下算式对计算出的距离值进行锐化滤波处理：
s(i)＝(g2(i-(n-1)/2)+…+g2(i-2)+g2(i-1)+g2(i)+g2(i
+1)+g2(i+2)+…+g2(i+(n-1)/2))/n
其中，g(i)为第i个扫描点相对于基材表面的距离值。
本发明的有益效果：本发明通过履带带动测距头对基材表面进行扫描，并每隔预定扫描距离获取测距头到扫描点的距离值，根据获取的距离值与预先输入的基础参数对焊缝进行识别，方法简单，设备体积小、重量轻、成本低，表面适应性强，对于储罐等有曲率的设备的焊缝，对计算结果进行曲率补偿，能对有曲率的设备焊缝准确识别，精确度高。
附图说明
图1是本发明焊缝识别装置的结构示意图。
图2是本发明焊缝识别方法流程图；
图3是本发明基材为平面时较佳实施例的焊缝识别原理图；
图4是本发明基材为曲面时较佳实施例的焊缝识别原理图；
图5是本发明扫描点相对于基材表面的离散高度数据图；
图6是本发明扫描点相对于基材表面距离值的高度锐化滤波图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
由于现有技术中对于焊缝识别一般都是采用位移传感器接触式测量，这种方式需要在与焊缝垂直的方向上等间距安装一排传感器，精度低、成本高、体积大，重量重，故障率高，当表面有障碍物时，传感器没法通过。同时，现有焊缝识别方法并没有进行曲率补偿，当对有曲率的焊缝进行检测时，存在误差，曲率越大，误差越大。为了解决上述问题，本发明提供了一种焊缝识别装置，如图1所示。本发明的识别装置包括：运载体1；设置在所述运载体1上的伺服电机2和承重轮3；设置在所述伺服电机2和承重轮3上的履带4，当所述伺服电机2运行时，所述履带4沿所述伺服电机2和承重轮3做周向运动；设置在所述履带4上，用于扫描带有焊缝的基材表面，并对扫描点与其之间的距离进行测量的测距头5；设置在所述运载体1上，与所述伺服电机2和所述测距头5连接的微电脑8；所述微电脑8用于每隔预定扫描距离读取测距头5的距离值，并根据所述距离值与预先输入的基础参数对所述基材表面的焊缝进行识别。
具体地，焊缝识别时，将焊缝识别装置放置于基材表面，微电脑8与伺服电机2相连，微电脑8控制伺服电机2运行，履带4设置在伺服电机2和承重轮3上，当伺服电机2运行时，带动履带4沿伺服电机2和承重轮3做周向运动，例如微电脑8控制伺服电机2逆时针方向运动，则履带4也沿伺服电机2和承重轮3逆时针做周向运动，反之，则沿顺时针方向做周向运动。由于测距头5设置在履带4上，当履带4运动时会带动测距头5一起运动，从而使得测距头5可以连续对基材表面进行扫描，无需等间距安装一排传感器，体积小，重量轻，成本低，故障率低。优选地，本实施例中测距头5为红外测距头或激光测距头。
进一步地，本实施例中的所述焊缝识别装置还包括设置在所述运载体1上，用于对所述履带4的运动进行限位的两个限位开关6；设置在所述履带4上，且位于所述两个限位开关6之间，用于与所述两个限位开关6配合对所述履带4的运动进行限位的限位挡板7。具体地，微电脑8上还设置有用于精确控制履带4的运行距离的位移编码器(图中未示出)，微电脑8中设置有履带4左右运行的最大距离，两个限位开关6之间的距离大于履带4左右运行的最大距离；微电脑8控制伺服电机2带动履带4向右运行到最大距离后，微电脑8控制伺服电机2带动履带4反向向左运行到最大距离后，伺服电机2又带动履带4反向运行，如此循环往复；焊缝识别装置正常运行时，由于两个限位开关6之间的距离大于履带4左右运行的最大距离，限位挡板7与两个限位开关6之间不会接触，但当微电脑8控制出现异常，履带4会一直向左或向右运行，最后限位挡板7接触到两端的限位开关6，限位开关6会切断伺服电机2的电源，以防止意外发生。
进一步地，本实施例中的焊缝为特种设备的焊缝，焊缝表面形状呈伞状，中间高，两边低，焊缝边沿与基材高度一致，焊缝的宽度一般为40mm左右，若测距头5的扫描范围太窄不能够完全覆盖焊缝，测距头5的扫描范围太宽，又需要较长扫描时间来识别焊缝，因此本实施例中通过微电脑8设置履带4左右运行的最大距离，即可控制测距头5的扫描范围。优选地，本实施例中设置履带4左右运行的最大距离为150mm，为了防止测距头5扫描时限位挡板7接触到两限位开关6造成伺服电机2停行，本实施例中设置两个限位开关6之间的距离大于150mm。
进一步地，所述运载体1的截面为矩形结构，所述伺服电机2与承重轮3对称设置在运载体1的矩形截面中心位置，所述两个限位开关6也对称设置在所述运载体1上，伺服电机2与承重轮3之间的距离大于两个限位开关6之间的距离，使得限位挡板7能在限位开关6之间往复运动，且当所述微电脑8控制出现异常时，限位挡板7和两个限位开关6能对所述履带4的运行进行限位。所述测距头5与所述限位挡板7相对于所述履带4反方向运动，例如当限位挡板7相对于履带4从左端向右端运动时，所述测距头5相对于履带4从右端向左端运动，从而确保测距头5能够在设定的扫描范围内对带有焊缝的基材表面进行扫描。
进一步地，本实施例中运载体1底部还设置有若干运动轮9，优选地，所述运动轮9设置为四个，所述运动轮9相对于运载体1对称设置，使得进行焊缝识别时，运载体1能够平稳放置在基材表面并通过运动轮9在基材表面运动。此外，左右运动轮9之间的距离需要大于测距头5的扫描距离，这样使得测距头5往复循环对基材表面进行扫描时，不会被运动轮9遮挡，以免影响焊缝识别的准确性。优选地，本实施例中当测距头5的扫描范围为150mm时，左右运动轮9之间的距离一般设置为200mm。
进一步地，若测距头5每扫描一个点，微电脑8就读取一个距离值，则微电脑8需要处理的数据量太大，不利于快速识别焊缝，本实施例中微电脑8上还设置有位移编码器，微电脑8通过其上的位移编码器精确控制履带4带动测距头5的扫描距离，并每隔预定的扫描距离从测距头5读取一个距离值，优选地，本实施例中设置测距头5在基材表面每扫描5mm，微电脑8就读取一个距离值。例如，若测距头5的扫描范围为150mm，测距头5每扫描5mm，微电脑8读取一个距离值，则微电脑8只需要获取31个距离值就能识别出焊缝，数据量小，减少微电脑8的工作负荷。
此外，本发明还提供焊缝识别方法，如图2所示，其包括以下步骤：
S100、每隔预定扫描距离获取当前扫描点与测距头之间的距离值。
由于现有焊缝识别方法需要安装一排传感器，故障率高且遇到障碍物时传感器不能识别。本实施例中当需要进行焊缝识别时，将识别装置放置到基材表面，开启伺服电机，伺服电机控制履带运动进而带动测距头在垂直于焊缝所在平面对带有焊缝的基材表面进行扫描，在微电脑中设置有履带左右运动的最大距离，测距头在该履带运动的最大距离内进行扫描。优选地，本实施例中设置履带左右运动的最大距离为150mm，测距头在履带的带动下在基材表面的最大扫描范围也为150mm。若测距头扫描一个点则获取一个距离值，则获取的数据较多，数据量较大，本实施例中设置每隔5mm扫描距离则获取一个距离值，若测距头的扫描范围为150mm，每隔5mm获取一个距离值，则经过一次扫描后可获取31个距离值。
S200、根据所述距离值与预先输入的基础参数对所述基材表面的焊缝进行识别。
进一步地，本实施例中需要预先设置一个基准面并在微电脑中输入后续计算需要使用的基础参数。优选地，本实施例中所述基准面为运动轮底部所在平面。当所述基材为平面时，则在微电脑中输入测距头到基准面即测距头到运动轮底部所在平面的高度，并标记为H1。如图3所示，基准面为平面时，运动轮底部平面与基材表面重合，高度H1即为测距头到基材表面高度，在微电脑中输入H1＝100mm，测距头的扫描距离为150mm，每隔5mm获取一个距离值，则可以获取h(0)、h(1)…h(30)共31个距离值，根据如下算式计算扫描点相对于基材表面距离值：
g(n)＝H1-h(n) (1)
其中，h(n)为测距头到扫描点的距离值，n＝0～30。
进一步地，当所述基材表面为曲面时，预先在微电脑中输入曲面基材的曲率半径r，测距头相对于运动轮底部所在平面的高度H1及运动轮之间的距离ω，所述运动轮之间的距离ω为运动轮外边缘的距离，即左边运载体最左端到右边运动轮最右端的距离。仍然选择运动轮底部所在平面为基准面，如图4所示，此时运动轮底部所在平面与基材表面存在一定空隙，若仍然用式(1)计算扫描点相对于基材表面的距离值则误差较大，基材的曲率越大，则误差越大。当所述基材为曲面时，根据如下算式计算扫描点相对于基材表面距离值：
g(n)＝H1+Δg-h(n) (2)
其中，H1为测距头到运动轮底部所在平面的高度，Δg为基材表面与运动轮底部所在平面的高度，h(n)为测距头到扫描点距离值；H1通过预先输入的基础参数获得，h(n)通过测距头测量得到，因而计算g(n)则需获得Δg值。
进一步地，如图4所示，当测距头在E点进行扫描时，对应基材表面D点，则Δg＝Δge＝ED-H1，则公式(2)变为：
g(n)＝ED-h(n) (3)，
而根据三角定理，
进一步地，
而由三角定理可知，
其中d为扫描点E距离扫描范围中心点F的距离，通过微电脑上的位移编码器可获取，r为预先输入的基材曲率半径，ω运动轮之间的距离，H1为测距头相对于运动轮底部所在平面的高度；
而
对于三角形OED，OD＝r，已知两边OE、OD与∠e，利用余弦定律，得
OD2＝OE2+ED2-2×OE×ED×COS(∠e) (9)；
得二次方程式：
OE2-2×OE×COS(∠e)×ED+OE2-r2＝0 (10)；
根据式(10)得到：
根据式(3)、(6)、(7)、(11)和预先输入的基材曲率半径r，测距头到运动轮底部所在平面的高度H1，运动轮之间的距离ω即可计算出基材为曲面时，扫描点相对于基材表面的距离值，通过输入基材曲率半径r进行误差补偿，对于有曲率的基材焊缝能够精确识别。
进一步地，如图5所示，以扫描点n为横坐标，对应的检测点相对于基材表面距离g(n)为纵坐标得到扫描点相对于基材表面的离散高度数据图。从图5中可以看出，焊缝中心处的高度最大，然后向两边逐渐降低。
焊缝中心与基材表面的高度差一般为5mm左右，对于这样微小的距离差异，通过计算出的扫描点到基材表面的距离g(n)还是难以确定焊缝的具体位置。为了解决这一问题，本实施例中在获取到扫描点到基材表面距离后，以n个扫描点相对于基材表面的距离值为计算窗口对计算出的距离值进行锐化滤波处理。具体地，根据如下算式对计算出的距离值进行锐化滤波处理：
s(i)＝(g2(i-(n-1)/2)+…+g2(i-2)+g2(i-1)+g2(i)+g2(i
+1)+g2(i+2)+…+g2(i+(n-1)/2))/n
其中，g(i)为第i个扫描点相对于基材表面的距离值。
例如测距头扫描范围为150mm，每隔5mm获取一次扫描点相对于测距头的距离值，则经过一轮扫描后共获取到31个距离值g(0)、g(1)、g(2)…g(30)，以7个数据宽度为计算窗口，即(7-1)*5＝30mm的宽度对这7个数据进行平方和再平均锐化滤波计算：
s(i)＝(g2(i-3)+g2(i-2)+g2(i-1)+g2(i)+g2(i+1)
+g2(i+2)+g2(i+3))/7
其中，i＝3～27,s(i)共有25个数据，以i为横坐标，s(i)为纵坐标即得到扫描点相对于基材表面距离值的高度锐化滤波图，如图6所示，从图中找出最大值s(K)对应的扫描点即为焊缝中心。例如，若s(i)最大值对应的i＝K＝15，则说明焊缝中心在从左到右第15个采样数据处，也即是在扫描区间中心位置；若s(i)最大值对应的i＝K＝20，则说明焊缝中心在从左到右第20个采样数据处，相距最左边20*5＝100mm，也即离扫描区间中心位置偏右100-75＝25mm；依次类推，焊缝中心偏离扫描区间中心的距离Ed＝(K-15)*5(mm)，当Ed＝0时，则表明测距头扫描中心位置与焊缝中心重合，当Ed为负值，焊缝中心相对于测距头扫描中心向左偏移，反之，向右偏移。
综上所述，本发明提供的一种焊缝识别装置及识别方法，装置包括：运载体；设置在所述运载体上的伺服电机和承重轮；设置在所述伺服电机和承重轮上的履带；设置在所述履带上，用于扫描带有焊缝的基材表面，并对扫描点与其之间的距离进行测量的测距头；设置在所述运载体上，与所述伺服电机和所述测距头连接的微电脑。本发明通过履带带动测距头对基材表面进行扫描，并每隔预定扫描距离获取测距头到扫描点的距离值，根据获取的距离值与预先输入的基础参数对焊缝进行识别，方法简单，设备体积小、重量轻、成本低，表面适应性强，对于储罐等有曲率的设备的焊缝，对计算结果进行曲率补偿，能对有曲率的设备焊缝准确识别，精确度高。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (3)
1.一种焊缝识别装置，其特征在于，所述识别装置包括：运载体；
设置在所述运载体上的伺服电机和承重轮；
设置在所述伺服电机和所述承重轮上的履带，当所述伺服电机运行时，所述履带沿所述伺服电机和所述承重轮做周向运动；
设置在所述履带上，用于扫描带有焊缝的基材表面，并对扫描点与其之间的距离进行测量的测距头；
设置在所述运载体上，与所述伺服电机和所述测距头连接的微电脑；
所述微电脑用于每隔预定扫描距离读取测距头的距离值，并根据所述距离值与预先输入的基础参数对所述基材表面的焊缝进行识别；
所述识别装置还包括：
设置在所述运载体上，用于对所述履带的运动进行限位的两个限位开关；
设置在所述履带上，且位于所述两个限位开关之间，用于与所述两个限位开关配合对所述履带的运动进行限位的限位挡板；
所述识别装置还包括：
固定在所述运载体底部，用于使所述运载体在基材表面运动的运动轮；
所述伺服电机与所述承重轮对称设置；所述限位挡板和所述测距头相对于所述履带反方向运动；
当所述限位挡板接触到两端的所述限位开关时，所述限位开关切断伺服电机的电源；
所述基材为平面时，则在微电脑中输入测距头到基准面即测距头到运动轮底部所在平面的高度，并标记为H1；
所述基材表面为曲面时，预先在微电脑中输入曲面基材的曲率半径r，测距头相对于运动轮底部所在平面的高度H1及运动轮之间的距离ω，所述运动轮之间的距离ω为运动轮外边缘的距离；所述预定扫描距离为5mm；所述微电脑上还设置有位移编码器，所述微电脑设置有位移编码器，通过所述位移编码器控制所述履带，所述履带控制所述测距头的扫描距离，所述微电脑每隔预定的所述扫描距离，从所述测距头读取一个距离值。
2.一种利用权利要求1所述的焊缝识别装置识别焊缝的方法，其特征在于，包括步骤：
A、每隔预定扫描距离获取当前扫描点与测距头之间的距离值；
B、根据所述距离值与预先输入的基础参数对所述基材表面的焊缝进行识别；
步骤A中，所述预定扫描距离为5mm；
所述步骤B具体包括：
B1、根据用户预先输入的基础参数及获取的当前扫描点与测距头之间的距离值计算当前扫描点相对于基材表面的距离值；
B2、以n个扫描点相对于基材表面的距离值为计算窗口对计算出的扫描点相对于基材表面的距离值进行锐化滤波处理；
所述步骤B2具体包括：
根据如下算式对计算出的距离值进行锐化滤波处理：
s(i)＝(g2(i-(n-1)/2)+…+g2(i-2)+g2(i-1)+g2(i)+g2(i+1)+g2(i+2)+…+g2(i+(n-1)/2))/n
其中，g(i)为第i个扫描点相对于基材表面的距离值；
焊缝中心偏离扫描区间中心的距离Ed＝(K-15)*5(mm)，K为最大值s(K)代表的纵坐标；
所述步骤B1具体包括：
根据如下算式计算扫描点相对于基材表面的距离值：
g(n)＝H1+Δg-h(n)
其中，H1为测距头相对于运动轮底部所在平面的高度，Δg为运动轮底部所在平面到基材表面高度，h(n)为测距头到扫描点的距离值。
3.根据权利要求2所述的识别焊缝的方法，其特征在于，步骤B中，所述基础参数具体包括：
当所述基材为平面时，所述基础参数为测距头相对于运动轮底部所在平面的高度；
当所述基材为曲面时，所述基础参数为基材的曲率半径，测距头相对于运动轮底部所在平面的高度及运动轮之间的距离。
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