焊缝轮廓自动识别激光焊接系统研究.pdf

精密制造与自动化2 0 1 7 年第1 期焊缝轮廓自动识别激光焊接系统研究刘斌儒关艳翠(新疆轻工职业技术学院乌鲁木齐8 3 0 0 2 1)摘要基于视觉系统对工件焊缝轮廓进行图像采集，经过软件处理，自动生成焊缝轨迹。系统包括图像采集模块，信号处理模块，轨迹生成系统及监视系统。着重阐述了图像采集及处理过程，并且对轨迹生成过程中的位置补偿进行分析，实现对工件的精确定位和焊接。图像信号经过软件程序处理转化成特征坐标值，对来料尺寸进行检测，实现对来料工件焊缝尺寸的判定。关键词焊缝轮廓自动识别焊接系统图像处理激光焊接是将激光束通过光学系统聚焦集中到工件表面，对工件局部进行快速加热，达到迅速熔化、快速冷却熔化焊接的目的u。5。它具有热量输入低、对工件产生的热变形小、焊缝深宽比大、焊缝强度高的特点。大部分材料经过焊接后，焊缝的抗拉强度可以达到或者超过母材，这是氩弧焊等其他传统焊接方式无法达到的效果吲。激光焊接属于精密加工范畴，对来料的尺寸精度，装夹精度及机械运动精度要求非常高。特别是对每次装夹的重复定位精度要求，需要保证激光束对准焊缝中心，误差一般不能超过工件厚度的1 0 或者激光聚焦光斑大小的1 5，否则容易出现虚焊或者漏焊等情况，定位一般靠夹具来保证u 引。但是夹具无法弥补来料的加工误差及装配产生的误差。可靠的技术方案是通过图像识别系统自动生成焊缝轨迹，来执行激光束与工件焊缝之间的位置对接功能。基于非接触式的视觉传感技术以及软件对图像信息的处理技术的持续发展，这项技术已经在汽车配件及整车加工来料的尺寸检测，以及装配后的位置度检测及定位方面得到应用u 3。1 7。通常焊接工件在实际生产中尺寸及装配公差较大，采用视觉传感技术，对焊接工件进行检测及焊缝自动生成，并且与激光焊接系统联动工作，提高焊接件良品率及生产效率。1工件技术要求及焊接设备1 1 待焊工件的焊接特点待焊工件焊缝结构如图1 所示，需要将基座与盖子密封焊接，整个焊接路线为密封曲线。原始工件存在着加工尺寸精度误差较大，经过机械装配后，1 4整个长度和位置的尺寸存在0 2m i l l 的误差，无法通过治具来保证每次焊接的轨迹一致，需设计特殊的焊缝中心识别系统来弥补机械加工误差，保证激光中心对准焊缝中心。图1工件焊缝结构图1 2 焊缝轮廓识别系统总体设计设备主要由激光焊接设备、机械运动执行机构、视觉系统、工控机及可编程软件系统等部分组成，系统总体结构原理如图2 所示。图2设备结构原理示意图万方数据刘斌儒等焊缝轮廓自动识别激光焊接系统研究根据焊接要求，综合焊接工件，采用C C D 视觉系统对焊缝曲线进行轮廓识别，然后自动生成焊接轨迹。视觉系统的硬件主要由镜头、摄像机、图像采集卡、输入输出单元、控制装置构成。2 焊缝识别系统2 1焊缝识别基本原理图像采集卡根据摄像机拍摄到的图像(模拟信号)，一般为彩色图像，占用内存较大，影响图像处理的速度，需经过图像处理器将彩色图像转换成灰度值，然后经A D 转换成数字信号，由计算机软件进行处理。图像处理技术是焊缝跟踪系统的软件核心，它将视觉传感器所采集的图像信息进行加工处理，提取焊缝的特征信息，通过一定的算法得到焊炬与焊缝的偏差信号。图像处理过程一般包括量化、图像预处理、图像分割和图像边缘提取等步骤。图像的量化一般由图像采集卡自动完成，以获取焊缝的精确位置。在实际的工件表面，常存在划痕及磨损，严重影响拍摄质量，影响到焊缝轨迹的生成，因此，在焊缝轨迹图形生成之前，还必须经过软件处理，一般称为图像去噪处理，焊缝生成的过程如图3 所示。图3焊缝生成过程示意图2 2图像采集图像采集模块包括C C D 摄像机、图像采集卡及辅助照明光源，摄像机包含滤光片，将杂光过滤，并与激光焊接头同轴，置于工件正上方。在照明光源的辅助下，对工件图像进行原始数据采集。通过多种实际试验对比，最终确定采用对称1 5。，双条光，红光拍摄的效果最好。光源架设方法如图4 所示。辅助光源条形单色光源(白光或者红光)，C C D需要高像素，高信噪比，高水平分辨率，C C D 摄像机及镜头的质量直接决定了所采集的光学信号质量，进而影响后续光学处理难度。C C D 摄像机主要由光学系统、光电转换系统、信号处理系统组成。工件的图像信息通过光学镜头成像于摄像机内，光电转换系统把光图像信号转换成随时间变化的视频电信号，再经放大、处理、编码而成为全电视信号，传输给图像处理系统。一。j 弋L骨一向一f 一一图4光源架设图2 3图像处理及焊缝生成图像的边缘是最容易被识别的轮廓，图像边缘周围像素的灰度呈阶梯状变换。采用中值降噪法保护图像边缘的同时去噪，即以焊缝某点(z，y)为中心，焊缝附近两边所有像素按照图像的灰度值从大到小进行排布，选取灰度值的平均值即为某点焊缝的中心。图像在采集、传输、处理过程中不可避免遇到噪