埋弧焊焊缝跟踪系统跟踪指针的选择

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1、埋弧焊焊缝跟踪系统跟踪指针的选择张义顺 1，江磊 1，刘开智1 (1.沈阳工业大学 材料科学与工程学院，沈阳 110178) 摘要：在设计一套运行稳定、工作可靠的埋弧焊焊缝跟踪系统中，系统跟踪指针 的设计是极其重要的一个环节，它的选择直接影响试验结果，所以本文采用机械 指针、激光指针、无指针三种方法进行试验，并对实验结果进行对比， 结果显 示：在使用机械指针时，当指针对正焊缝中心时，增加了图像处理时间，影响处 理速度，所以我们选择让对正焊件坡口的一个边，跟踪效果理想；当使用激光指 针时，光斑的位置不易太准确，也会造成定位误差；当无指针时，算法复杂，大 大降低图像处理速度，影响跟踪效果。 关键字

2、：埋弧焊；指针；图像处理；跟踪系统A choice of the compass in tracking system of submerged arc weldingZhang Yi-shun1，Jiang Lei1，Liu kai-zhi1(1.School of Matrials Science and Engineering , Shen yang UniversityOf Technolgy, Shen yang 110178, China)Abstract: A choice of the system to tracking compass is extremely import

3、ant to the design of a stable, reliable operation of the submerged arc welding seam tracking system, which directly impacts on success of experiment. Therefore, we used mechanical compass, laser compass, non-pointer three methods to experiment. The experimental results were compared and results show

4、ed : when mechanical compass was for the weld center, we found it increased image processing time and impacted of processing speed, but mechanical compass was for a edge of weld groove and tracking the results were satisfactory; When using the laser compass, we found it difficult to spot the exact l

5、ocation and resulted in positioning errors; When the noncompass, its algorithm was complexity and greatly reduced the speed of image processing and impact of tracking the effect.Keywords: SAW; compass; image processing; Tracking System在制造锅炉、压力容器的工厂企 业中，广泛采用埋弧自动焊方法进行 焊接1。埋弧自动焊具有效率高，焊接 质量好等优点，但是埋弧自动焊属

6、于 盲焊，对装配定位要求很高。在焊接 过程中，必须有熟练的焊工随时进行 观察、调节机头与焊缝中心的左右对 中位置和导电嘴与焊件的上下相对距 离。这样，不仅焊工的劳动强度大， 易疲劳，而且调节精度低，焊接质量 不稳定，经常会出现焊偏和焊缝根部 未焊透等缺陷，不能有效地保证焊接 质量，因此急需开发一套运行稳定、 工作可靠的焊缝跟踪系统2。而系统跟 踪指针的选择是关键的一个环节，选 择不同形式的指针对焊缝进行跟踪， 跟踪效果会有很大的差异，直接影响 焊缝成形性的好坏，所以我们要科学 选择跟踪指针。1 焊缝跟踪系统的构成与原 理整个跟踪系统原理组成框图如图 1 所示。基本原理为：焊接过程中，由 图像采

7、集卡，把由摄像头采集的实时 图像经转化后放入显存3。然后，通过 上位机编写的程序，经过一些图像处 理手段，如图像的柔化、锐化、二值 化，完成图像的前处理；再而，通过 细化、轮廓提取算法，在前处理的基 础上完成对焊缝边缘的识别，利用对 图像的识别结果，计算焊枪的偏差， 通过串口通讯把偏差控制量传递到下 位机，利用 PLC 来控制步进电机，达 到最终控制焊枪的目的，整体上构成 一个闭环控制系统，来达到焊缝实时 跟踪的目的。送丝盘.送丝轮焊枪滤領图像采集 卡 Q3300、图像处理区域 工件 焊剂盒辅助光源證头焊剂工控机 （实时监控:可编程控制器执行机构L焊接设备图 1 焊缝跟踪系统原理图Fig.1

8、Schematic diagram of welding scanning2 采用机械指针试验跟踪 试验所选用的机械指针材质为铝 合金，利于识别，机械指针安装示意 图如图 2 所示。使用机械指针采用两 种方案，一种是将机械指针对正焊缝 的中心位置，另一种是将机械指针对 正焊件坡口的一个边缘。下面分别进 行叙述。图 2 机械指针安装实物图Fig.2 Mechanical indicator installation2.1 指针对正焊缝中心机械指针在编程时只需将 CCD 摄 像头所照射区域中，将指针所指的位 置与提取到的焊缝中心的位置进行比 较，看二者是否在一条直线上，如果 不在同一条直线上调节指

9、针与焊缝中 心的偏差量AE,使偏差越来越小，最 终使偏差量 E=0。在指针对正焊缝中心时，要求指 针越细越好，因为指针越细对图像处 理时的干扰就越小4。 当指针很细时， 在检测时指针所指的位置近似于一 点，使图像处理时间缩短；指针粗， 在图像处理时还要处理一次指针的位 置，这样增加了处理时间，降低了处 理速度。另外，在试验中指针的位置 不好控制，如果指针所指的位置在如 图 3b 中所示的位置，在图像处理时也 要再处理一次指针的轮廓、然后找到 指针的中心，这样也增加了图像处理 时间，影响处理速度。基于这些弊端， 提出了第二种方案，即指针对正焊件 坡口的一个边。a) 效果好的指针位置b) 效果差的

10、指针位置a) Good effect of indicator position b) Bad effect of indicator position图 3 机械指针对正焊缝中心Fig.3 Mechanical indicator alignment welding seam center2.2 指针对正焊件坡口的一个边 其基本原理是在焊缝处理时，在 小窗口内先进行柔化去噪、自动阈值 二值化、提取焊缝等一系列处理后， 找到焊缝距指针所指焊件坡口边最近 的边缘线，比较指针与焊缝的边缘线 来调整焊枪的位置，达到实时跟踪的 目的。在本方案中，在图像提取焊缝 边缘时采取了二值化后直接找到焊缝 的一个

11、边缘线，而不像方案一中二值 化后还要进行镂空提取边缘线，这样 节省了处理时间，提高了处理速度。 另外，在埋弧焊焊接时焊件的坡口是 按标准开的 (如前所述)，将指针与坡 口的边缘对正相对来说比较容易，而 且在生产实践中工人操作起来比较方 便。使用机械指针时能够很好的对正 焊缝，使跟踪顺利进行，位置如图 4 中所。a) 视频截图 b) 处理后图像a) Welding seam original image b) Processing image图 4 机械指针焊件坡口的一个边Fig.4 Nearby mechanical indicator welding bevel3 采用其他形式指针试验跟 踪

12、3.1 激光束作为指针 在试验过程中还尝试了用激光束做指针，激光束指针的安装位置如图5 所示。图5 激光束指针放置实物图Fig.5Laser beam indicator laying aside chart这种指针也是要首先经过滤波除 噪，然后自动阈值选择进行二值化， 细化是将二值化的黑白图像进行镂空 处理，找到焊缝的两条边缘线，再进 行焊缝中心的提取。同时还要用同样 的方法对激光束的中心进行提取，找 到焊缝中心线和激光束的中心后，将 激光束的中心与焊缝的中心位置进行 比较，激光束的中心在焊缝的中心线 上则直接跟踪，若二者存在偏差则将 偏差量传给下位机，下位机进行焊枪 的左右调整，使激光束的

13、中心对正焊 缝中心位置，从而达到实时跟踪的目 的，图像处理前后效果如图 6所示。选用激光束作为指针，相当于利 用了两次图像处理过程，这样大大降 低量图像的处理速度，从而降低了生 产的效率，这在生产中是不希望发生 的。另外由于图像变形(图6b)，光斑 的位置不易太准确，也会造成定位误差。KAa) 激光束指针视频原图Cr激光束斑点位置b) 激光束指针图像处理后效果图a) Original image by laser beam indicator b) Processing image by laser beam indicator图 6 激光束指针Fig.6 Laser beam indicat

14、or3.2 无指针的情况 在无指针时，在焊接前手工将 CCD 摄像头的中心位置与焊缝的中心位置 尽可能的重叠，在焊缝跟踪处理时将 CCD 摄像头的中心位置与焊缝的中心 位置做比较，将比较结果传给下位机 下位机根据偏移量调整焊枪的位置， 使 CCD 摄像头的中心始终对正焊缝的 中心位置，从而达到实时跟踪的目的 5。 但是在无指针时，在焊前手工调整 CCD 摄像头中心位置与焊缝中心位置 不太容易，再者手工调整误差较大， 并且在图像处理过程中先去噪、自动 阈值二值化、镂空内部提取焊缝边缘、 再进行焊缝中心的提取，整个处理过 程时间较长，大大降低了图像处理速 度，影响生产效率，因此尝试了机械 指针的情

15、况,图像处理结果如图 7。a) 视频截图b) 处理后图像b) Processing imagea) Welding seam original image图 7 无指针时处理图像Fig.7 Processing image of without indicator4 结论4.1 通过对无指针、机械指针和激光束 三种指针形式使用效果的比较发现： 材质为铝合金机械指针的更有利于系 统识别，跟踪效果更好。4.2 通过对机械指针对正焊缝中心和机 械指针对正焊缝中心比较发现：将指 针与坡口的边缘对正相对来说比较容 易，而且在生产实践中工人操作起来 比较方便，采用机械指针指向焊件坡 口的边缘进行跟踪效果较

16、好。1 Huang.shi-sheng. Development of automatic submerged arc welding equipment with digital controlJ.Huanan Ligong Daxue Xuebao/Journal of South China University of Technology,20082徐培全.视觉传感机器人焊缝跟踪系统J上海：上海交通大学学报,2008. 刘 鹏，王滨.基于视觉传感器的焊缝图像采集与分析J.现代焊接,2008.4 Chen,Yan-Bin. Application and prospect of image processing in weldingJ. Cailiao Kexue yu Gongyi/Material Science and Technology,2003何天刚.带激光跟踪的焊接机器人系统在铝合金油箱焊接中的应用J.电焊 机， 2009