基于激光視覺的焊縫跟蹤系統(tǒng)方案.doc

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1、基于激光視覺的焊縫跟蹤系統(tǒng)一、焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)構(gòu)成基于激光視覺傳感,具有主動(dòng)性、非接觸、能獲取物體的三維信息、靈敏度精度高、抗電磁場(chǎng)干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是焊縫檢測(cè)的主要發(fā)展方向。線激光法是一種直接獲取深度圖像的方法,它可以獲取焊縫的二維半信息。基于激光視覺的焊縫跟蹤系統(tǒng)如圖1所示，主要有3個(gè)組成部分，分別是視覺傳感、圖像處理和跟蹤控制。CCD攝像機(jī)垂直對(duì)準(zhǔn)工件,激光器傾斜布置，激光器打出的激光,經(jīng)柱透鏡形成一光片照射到工件上形成一條寬度很窄的光帶。當(dāng)該光帶被工件反射或折射后,經(jīng)濾光片保留激光器發(fā)出的特定波長(zhǎng)的光,而濾除其他波長(zhǎng)的

2、光,最后進(jìn)入CCD攝像機(jī)成像。由于坡口各處與工件在垂直方向深度不同,故從垂直工件的方向看去,反射光成一折線,折線反映了光紋中心與焊縫坡口中心的三維位置關(guān)系。計(jì)算機(jī)對(duì)采集圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理，減少圖像中的噪聲污染，并加強(qiáng)焊縫特征信息信號(hào)，通過一定的算法提取焊縫特征點(diǎn)，得到焊縫與電弧偏差。此偏差作為跟蹤控制系統(tǒng)的輸入條件，依據(jù)控制算法進(jìn)行處理，最后獲得驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制焊炬運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤過程實(shí)時(shí)控制。圖1系統(tǒng)構(gòu)成二、焊縫自動(dòng)跟蹤硬件設(shè)計(jì)1.激光器在本系統(tǒng)中決定采用半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器是以半導(dǎo)體為工作介質(zhì)，具有超小形、高效率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、

3、價(jià)格便宜、工作速度快、波長(zhǎng)范圍寬等一系列優(yōu)點(diǎn)。本視覺系統(tǒng)中采用的激光器是紅光一字線激光器，由點(diǎn)激光二極管發(fā)光通過一柱透鏡變換成直線形的激光條紋。有文獻(xiàn)通過測(cè)量MIG焊弧光的光譜范圍，提出弧光的范圍為150～970nm。通過比較弧光波長(zhǎng)與普通激光二極管波長(zhǎng)，認(rèn)為弧焊?jìng)鞲衅髦兴眉す舛O管的中心波長(zhǎng)最好為467nm，594nm，610nm，632nm和950nm。從而可選擇適當(dāng)波長(zhǎng)的激光感器以減少弧光對(duì)激光的干擾。參考多篇文獻(xiàn)，本系統(tǒng)選用弧光干擾最小中心波長(zhǎng)650nm的條形半導(dǎo)體激光器。1.攝像頭CCD和濾光片本系統(tǒng)采用面陣型CCD工業(yè)

4、攝像頭，主要考慮其性能穩(wěn)定，工作可靠的特點(diǎn)，要求CCD尺寸1/3"，幀率25fps以上。采用中心波長(zhǎng)650nm的窄帶濾光片（配合激光器光源的中心波段）安裝在CCD攝像機(jī)的鏡頭前，其能有效地排除焊接區(qū)弧光的干擾，防止焊縫的特征信號(hào)被弧光淹沒。濾光片既能保證激光順利進(jìn)入CCD，又可以達(dá)到最大的信噪比。本系統(tǒng)視覺采集系統(tǒng)布局采用激光器傾斜照射，攝像機(jī)垂直接收的方式。這樣1）由于激光器偏轉(zhuǎn)一定的角度，而且角度可以任意調(diào)整，使得激光束可根據(jù)需要以任意距離投射到熔池前沿。而CCD垂直拍攝可以最大限度避開弧光區(qū)的干擾；2）激光器、CDD及焊槍三者

5、在空間上的相對(duì)位置，使得拍攝的圖像可以非常清晰地反映焊縫和焊槍的相對(duì)位置在左右和高度上發(fā)生偏差的情況，特別是在高度偏差上顯得更加直觀。2.輔助裝置l冷卻吹灰裝置為保證CCD和激光器在強(qiáng)熱的周邊環(huán)境下穩(wěn)定長(zhǎng)時(shí)間正常的工作，可考慮設(shè)計(jì)一個(gè)冷卻吹灰系統(tǒng)。采取循環(huán)冷卻水方式，并設(shè)計(jì)由熱敏電阻組成自動(dòng)溫控系統(tǒng)，當(dāng)傳感器內(nèi)部溫度高于CCD和激光器正常工作溫度，自動(dòng)切斷CCD和激光器的電源并報(bào)警。焊接過程中還伴有強(qiáng)烈的弧光、飛濺和煙塵，特別是煙塵可能導(dǎo)致整個(gè)圖像充滿白色而根本無法辨清激光條帶，從而增加焊縫圖像預(yù)處理的難度。設(shè)計(jì)吹灰系統(tǒng)可采取在焊炬

6、和傳感器的中間吹入空氣，這樣就基本上排除了煙塵對(duì)圖像的干擾，也減少了弧光和飛濺對(duì)圖像造成的干擾。l擋光板和防飛濺透明片由于弧光和飛濺干擾，通過CCD攝像機(jī)采集的焊縫坡口圖像將難于辨認(rèn)，大大增加了圖像處理的難度，在傳感器和焊炬之間設(shè)計(jì)安裝了一塊防飛濺擋板，擋光板可以阻擋焊接時(shí)一部分的弧光和飛濺進(jìn)入CCD的拍攝范圍，從而減少它們對(duì)采集圖像的影響。防飛濺透明片的功能是防止焊接時(shí)的飛濺損傷柱透鏡和濾光片，并防止焊接時(shí)的煙塵影響激光的質(zhì)量和CCD攝像機(jī)拍攝圖像的質(zhì)量。一、焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本軟件系統(tǒng)采用VisualC++開發(fā)，軟件系統(tǒng)的

7、結(jié)構(gòu)如圖2所示。軟件系統(tǒng)由四大模塊組成：圖像采集模塊、圖像處理模塊、圖像檢測(cè)/識(shí)別模塊和焊縫信息提取模塊。圖像采集圖像處理焊縫位置信息圖像預(yù)處理圖像分割圖像形態(tài)學(xué)處理焊縫特征提取圖像識(shí)別圖像增強(qiáng)圖像濾波圖2軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.圖像處理由于在圖像的采集過程中存在著大量的噪聲信號(hào)，在圖像的傳送和轉(zhuǎn)換過程中也會(huì)造成圖像質(zhì)量的降低，因此圖像處理一般首先應(yīng)用濾波技術(shù)和恢復(fù)技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行降噪處理和圖像復(fù)原，即進(jìn)行圖像預(yù)處理，降低弧光、飛濺、電噪聲等干擾信號(hào)的影響，增強(qiáng)圖像特征信息。為滿足實(shí)時(shí)圖像處理快速性要求，采用空間域方法直接對(duì)圖像象素進(jìn)行運(yùn)算，

8、常采用直方圖修正、鄰域平均法、中值濾波法等。本系統(tǒng)可采用中值濾波法，其是一種非線性的處理方法，它用來抑制圖像中的噪聲而不使其邊緣模糊。圖像分割是將數(shù)字圖像分割為互不相交（不重疊）區(qū)域的技術(shù)和過程，它一般把灰度圖像變換為二值圖像。圖像分