基于激光视觉的螺旋焊管内外焊焊缝跟踪系统

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1、万方数据●应用与开发焊管-第30卷第4期·2007年7月基于激光视觉的螺旋焊管内外焊焊缝跟踪系统林三宝1，秦克礼2，ZHAOJin93，RJBeattie3(1．哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室，哈尔滨1500012．宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西宝鸡721008；3．MetaVisionSystemsLtd，UKOxfordOX294TH)摘要：介绍了一种基于激光视觉的螺旋焊管内外焊焊缝跟踪系统，该系统采用结构激光+CCD作为传感器，所采集的激光条纹图像通过PC机进行图像处理和模式识别，再通过可编程控制嚣(PLC)计算偏差的数据，驱动精密十字滑架，同

2、时调整内焊和外焊焊枪。系统的跟踪精度小于0．5mm。通过在国内多家企业的应用实践证明，该系统的使用能够提高焊缝质量，降低废品率和工人的劳动强度。关键词：螺旋焊管；埋孤焊；焊缝跟踪；激光视觉；传感器中图分类号：TG409文献标志码：B文章编号：1001—393812007)04—0041—030前言目前螺旋焊管都采用埋弧焊内外焊连续生产方式。在螺旋焊管生产中，通常采用人工方式控制内外焊焊枪对中，这种控制方式精度低，响应速度慢，劳动强度大，而且焊接缺陷率高，质量不稳定。因此，采用焊缝跟踪系统保证焊枪自动对中，成为焊接过程中迫切需要解决的问题⋯。国内外对焊缝跟踪技术进行

3、了多年研究，随着计算机技术和视频、电子技术的飞速发展，现已开始研究采用视频图像识别处理技术解决焊缝自动跟踪的难题。我们和国内院校合作，经过引进吸收国外先进技术，将英国META公司自动图像识别跟踪技术成功地应用到螺旋焊管生产工艺中，取得了良好的效果。这项技术采用视频摄像机(CCD)，通过工控机”o或者单片机。1进行图像处理，计算出焊枪的位置偏差，然后输出模拟信号调整焊枪。目前应用于螺旋焊管的超声探伤以及内、外焊”o，但由于图像来源于强度不高的自然光，对不同管径、不同类型焊缝坡口及遇到焊漏等情况时，CCD的图像就有可能无法处理和识别，需要手工干预。这是我们今后要解决的

4、课题。本文介绍一种新型的基于激光视觉的内外焊跟踪系统VistaWeld，该系统采用非接触式激光视觉传感器，采用一套控制器同时控制内焊和外焊焊枪，从而保证焊缝成形的均匀一致性。1系统结构激光焊缝跟踪技术的优点是以非接触式的方式控制焊枪的位置，其跟踪过程是建立在对焊接接头几何形状的测量基础上，他不受工件的表面形态或焊接过程的影响。VistaWeld系统结构框图如图1所示，系统主要包括激光传感器、控制器、操作者控制单元、机头调整机构四个部分。囱1Vistawdd系统结构框图万方数据焊管2007年7月1．1结构光视觉传感器激光视觉传感器的工作原理如图2所示。传感器通过安装

5、支架分别固定在内焊和外焊焊枪的前面，与焊枪机械连接在一起。传感器包含了一个激光条纹投射器和一个视频CCD摄像机。激光器将一束均匀的红色激光条纹投射到焊接接头上，然后通过在传感器内的CCD获取到条纹的图像。传感器透镜前装有滤光片，该滤光片仅允许激光通过，因此传感器不受周围电弧光、焊接飞溅等其它光源的影响。图2传感器工作原理图由于CCD观察的轴向同激光条纹的投射轴向成一定角度，因而系统能够监测到焊接接头更多的信息，包括坡口间隙、角度和深度等尺寸信息以及相对于焊枪的水平和高度偏差的位置信息。位置信息用于焊接过程的焊缝跟踪，尺寸信息用于焊接参数的自适应控制，保证成形的均匀

6、稳定。1．2控制器内焊和外焊传感器将所采集到的焊接接头信息的视频信号送入控制器中的Pc机图像采集卡中进行分析和处理。由于一个控制器要同时处理内焊和外焊的焊缝信息，为了保证运算速度，激光条纹的提取和分割以及模式识别等图像处理工作首先由DSP芯片完成，然后将关于接头的特征数据送到PC机内存中进行特征匹配和转换，获得接头的坐标数据。PC机处理内外焊图像的速度为25次／s。系统软件采用VisualC++编制，能有效识别各种接头形状，包括常用的对接以及V形坡口和x形坡口等。图3给出了所获取的原始图像以及分析出的当前焊缝位置(以十字线表示)，图中竖线表示焊枪的位置。图3内外焊

7、焊缝图像处理如果发现当前的焊枪位置与观察到的焊缝位置之间有偏差，PC机就将控制指令发送给可编程控制器(PLC)，由PLC输出模拟信号驱动电机驱动器进行调整。为了保证系统能够适应螺旋焊管24h连续生产的要求，控制器机柜配置空调，且采用密闭式结构，并选择高可靠性的元器件，以保证系统连续可靠运行。1．3操作者控制单元操作者控制单元(OCU)用来同操作者进行交互。OCU包括手控盒和用户界面两部分。手控盒分为内焊和外焊两个，分别用于控制内焊跟踪和外焊跟踪。操作者通过手控盒(图4)移动焊枪机头，启动／停止跟踪，在跟踪过程中进行手动焊枪位置微调等操作。为了方便操作者，机头粗调采

8、用操作杆方