基于焊縫特征的焊接路徑視覺(jué)辨識(shí)方法研究

張國(guó)強(qiáng) 荊 煬

（甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院）

厚板結(jié)構(gòu)多層多道焊在高壓容器、船舶等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。 目前厚板結(jié)構(gòu)焊接主要采用埋弧自動(dòng)焊，但其焊接過(guò)程需要人工觀察焊槍與坡口或焊道走向，并實(shí)時(shí)調(diào)整焊槍與之對(duì)中。 多層多道焊焊接路徑的自動(dòng)識(shí)別與規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)埋弧焊焊接厚板結(jié)構(gòu)智能化的關(guān)鍵，也是埋弧焊機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。 對(duì)于埋弧多層焊焊接路徑的規(guī)劃，一般采用在線示教引導(dǎo)的方法，但在焊接過(guò)程中由于厚板結(jié)構(gòu)熱輸入量大，焊接過(guò)程中如果發(fā)生板件翹曲變形就無(wú)法對(duì)示教路線進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)因具有非接觸、精度高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于測(cè)量、跟蹤等領(lǐng)域，為焊接路徑的獲取提供了技術(shù)支撐［1］。 張華軍等采用激光條紋獲取焊接輪廓特征點(diǎn)的方法，通過(guò)焊縫輪廓特征點(diǎn)信息對(duì)焊接路徑、弧長(zhǎng)控制和焊接工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整［2］。 張鵬賢等采用單目視覺(jué)加激光條紋的方法，對(duì)長(zhǎng)輸管道組對(duì)間隙量和錯(cuò)邊量進(jìn)行激光視覺(jué)檢測(cè)；通過(guò)雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)建立焊縫輪廓的三維重構(gòu)圖，完成焊寬、余高和填充度的評(píng)價(jià)［3，4］。

筆者通過(guò)雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)提取多層多道焊焊縫輪廓，根據(jù)焊縫輪廓表面特征信息提出相應(yīng)的路徑規(guī)劃策略，并通過(guò)對(duì)獲取離散點(diǎn)的擬合給出了一道焊和多道焊的焊接三維路徑曲線。

1 雙目立體視覺(jué)原理和系統(tǒng)搭建

雙目立體視覺(jué)是在視差原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)標(biāo)定的多幅圖像獲取物體三維空間信息的方法。雙目立體視覺(jué)利用位于不同位置和角度的兩個(gè)攝像機(jī)拍攝物體，獲得兩幅數(shù)字圖像，或者用單攝像機(jī)從兩個(gè)固定角度拍攝兩幅數(shù)字圖像，并基于視差原理恢復(fù)出被拍攝物體三維空間坐標(biāo)信息［5，6］。為了獲取多層多道焊的三維圖像以及焊縫表面的三維輪廓信息，筆者搭建了一套基于雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)的焊道三維信息檢測(cè)系統(tǒng) （圖1），其硬件系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、LED光源、 試驗(yàn)臺(tái)架、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)與鏡頭及標(biāo)定板等組成。 數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的型號(hào)為MER-132-30UM， 分辨率為130萬(wàn)像素，與之搭配的鏡頭型號(hào)為H0514-MP2， 被安裝在系統(tǒng)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)與工件之間距離的調(diào)整。 攝取的數(shù)字信號(hào)通過(guò)USB與計(jì)算機(jī)連接，進(jìn)行圖像的處理以及焊道輪廓信息的提取。 系統(tǒng)工作時(shí)，工件放置在平板小車上，隨著工件的移動(dòng)，攝像機(jī)獲取連續(xù)的視覺(jué)圖像。 通過(guò)輪廓特征點(diǎn)的坐標(biāo)提取與三維重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同焊縫輪廓特征下焊接路徑的規(guī)劃。 軟件系統(tǒng)主要基于Matlab和Halcon11.0軟件來(lái)對(duì)焊縫表面數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理。

圖1 焊道三維檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 攝像機(jī)的標(biāo)定

在機(jī)器視覺(jué)、 圖像測(cè)量及攝影測(cè)量等應(yīng)用中， 需要確定物理尺寸和像素尺寸間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)確定三維空間物體表面某點(diǎn)與數(shù)字圖像中的對(duì)應(yīng)關(guān)系， 這就需要對(duì)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，其中鏡頭畸變是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。 通過(guò)攝像機(jī)拍攝帶有固定尺寸圓點(diǎn)與固定尺寸圓點(diǎn)間距圖案的平板，經(jīng)過(guò)軟件標(biāo)定算法，可以得到物理坐標(biāo)和像素坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得出相機(jī)的幾何模型也即內(nèi)外參數(shù)，為高精度的測(cè)量提供基礎(chǔ)支持。 攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)確定后，即可建立物體在圖像中的像素尺寸與三維實(shí)物尺寸之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

標(biāo)定板為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，它是帶有固定間距的圖案陣列，在平面上有7×7個(gè)黑色實(shí)心圓形標(biāo)志點(diǎn)，標(biāo)志點(diǎn)外面有一個(gè)黑色正方形邊框，如圖2所示，其中正方形框內(nèi)邊長(zhǎng)n=30mm，黑色實(shí)心圓半徑r=1.2mm，圓心距d=3.75mm。

圖2 標(biāo)定板

視覺(jué)測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于建立被測(cè)物體的世界坐標(biāo)系與其像素坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，這種轉(zhuǎn)換關(guān)系主要取決于測(cè)量系統(tǒng)中攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)（焦距f，畸變系數(shù)k，主點(diǎn)坐標(biāo)dx、dy，中心像素坐標(biāo)和原點(diǎn)像素坐標(biāo)像素差值u0、v0）和外參數(shù)（平移向量R和旋轉(zhuǎn)矩陣T）。其中相機(jī)內(nèi)參數(shù)是相機(jī)自帶的， 相機(jī)外參數(shù)通過(guò)系統(tǒng)標(biāo)定確定，在攝像機(jī)的位置和角度不變的情況下，通過(guò)改變標(biāo)定板在攝像機(jī)拍攝圖像中不同位置和角度采集處于不同位置和不同角度的標(biāo)定板圖像，獲取相機(jī)內(nèi)、外參數(shù)，確定世界坐標(biāo)與其像素坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 本項(xiàng)目中，相機(jī)的內(nèi)參數(shù)與標(biāo)定的外參數(shù)如下：

StartCamPar：=［0.008，0，3.2e-6，3.2e-6，1 024，768，Width，Height］

CameraParameters：=［0.008 467 2，-1 001.58，8.291 86e-6，8.3e-6，1 126.6，783.388，2 048，1 536］

CameraPose：=［0.019 462 8，0.010 956 3，0.038 763 3，0.332 402，0.736 291，88.619 3，0］

3 圖像處理和焊縫輪廓三維重構(gòu)

3.1 圖像的預(yù)處理

由于采集到的原始焊縫表面輪廓圖像存在明顯的徑向畸變，影響了焊縫表面三維信息的準(zhǔn)確提取［7］。而通過(guò)圖像校正，兩圖像在圖像平面上的對(duì)應(yīng)關(guān)系合理，徑向畸變得以消除，而且因相機(jī)傾斜造成的圖像變形、歪斜也得到了校正。 以左目圖像為例，圖3、4為拍攝的原始圖像，圖像中間存在明顯的畸變，原本筆直的焊縫坡口邊緣線在圖像中發(fā)生了變形；校正后的焊縫左目圖像如圖5、6所示，可以看出坡口畸變得以消除，焊縫圖像與實(shí)際工件保持了良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖3 一道焊左目圖像

圖4 兩道焊左目圖像

圖5 一道焊左目校正圖像

圖6 兩道焊左目校正圖像

圖像經(jīng)過(guò)校正之后，還需要進(jìn)行增強(qiáng)、去噪及濾波等操作，圖像中由于光照不均導(dǎo)致的一些隨機(jī)噪聲點(diǎn)基本消除，并且焊縫輪廓和特征區(qū)域更加明顯。 為了減少噪聲對(duì)輪廓邊緣特征點(diǎn)提取的影響，常采用平滑濾波算法。 若使用傳統(tǒng)的均值濾波、中值濾波及高斯濾波等線性、非線性平滑濾波算法，圖像中的一些關(guān)鍵邊緣信息就會(huì)被弱化，給下一步圖像特征點(diǎn)的提取帶來(lái)困難。筆者采用各向異性擴(kuò)散 （anisotropic-diffusion）濾波算法，既能平滑圖像、去除噪聲，又能很好地保留邊緣，增強(qiáng)邊緣對(duì)比度，滿足焊縫特征提取的要求，如圖7所示。各向異性擴(kuò)散濾波算法是一個(gè)離散化的偏微分方程：

圖7 各向異性擴(kuò)散濾波后的圖像

其中，c為擴(kuò)散程度的主控因子；c（|▽u|）為擴(kuò)散系數(shù)；div為散度算子；t為迭代次數(shù)；u（x，y，t）為圖像隨迭代次數(shù)t的連續(xù)變化；u0（x，y）為初始圖像。

3.2 三維重構(gòu)

圖8 三維點(diǎn)坐標(biāo)

三維重構(gòu)的基礎(chǔ)是根據(jù)圖像中保持不變的特征（如興趣點(diǎn)、線特征及面特征等），將它們作為兩幅圖像的匹配參考信息［4］。 采用極限約束公式進(jìn)行立體匹配，根據(jù)之前已經(jīng)標(biāo)定好的參數(shù)平移向量R和旋轉(zhuǎn)矩陣T，就可以計(jì)算出這些特征點(diǎn)的x、y、z坐標(biāo)。如圖8所示，得到了空間輪廓特征點(diǎn)的離散點(diǎn)坐標(biāo)， 由于相機(jī)精度加之小車的移動(dòng)，獲取的離散點(diǎn)與點(diǎn)之間存在盲區(qū)，點(diǎn)與點(diǎn)之間的信息是未知的，因此采用數(shù)據(jù)擬合方式將如圖9、10所示的一道焊和兩道焊焊縫輪廓特征離散點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行擬合， 得到焊縫輪廓的三維重構(gòu)模型，如圖11、12所示。 沿焊縫方向選取任意4個(gè)截面（實(shí)驗(yàn)中選取x軸坐標(biāo)值5、10、15、25mm）， 利用游標(biāo)卡尺測(cè)量坡口寬度，結(jié)果取3次測(cè)量的平均值，與視覺(jué)測(cè)量結(jié)果的對(duì)比見(jiàn)表1， 可以看出兩種方法測(cè)量結(jié)果吻合度在97.88%以上，說(shuō)明視覺(jué)測(cè)量的三維輪廓能夠很好地表征工件實(shí)際尺寸，與工件的輪廓特征對(duì)應(yīng)關(guān)系良好。

圖9 一道焊的三維點(diǎn)云圖

圖10 兩道焊的三維點(diǎn)云圖

圖11 一道焊的三維重構(gòu)圖

圖12 兩道焊的三維重構(gòu)圖

表1 坡口寬度測(cè)量結(jié)果

4 路徑規(guī)劃策略的提出與驗(yàn)證

4.1 一道焊

埋弧焊焊接時(shí)， 工件按要求開(kāi)好坡口后，一道焊（打底焊）最重要的是保證電弧能夠熔透，避免工件未焊透缺陷， 因此電弧的對(duì)中至關(guān)重要。如圖13所示，a、b點(diǎn)為坡口鈍邊邊緣點(diǎn)，c點(diǎn)為a、b兩點(diǎn)的幾何中心點(diǎn)。 因此，若要電弧能夠?qū)崟r(shí)對(duì)中保證鈍邊熔透， 使焊槍沿著c點(diǎn)的坐標(biāo)為路徑行進(jìn)即可避免未焊透缺陷的產(chǎn)生。

圖13 坡口實(shí)物及一道焊縫焊接路徑點(diǎn)示意圖

通過(guò)搭建的雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)， 圖13中a、b為鈍邊邊緣拐點(diǎn)，其三維坐標(biāo)為a（x1，y1，z1）、b（x2，y2，z2），其中間點(diǎn)坐標(biāo)為c（x，y，z），且有：

為了保證電弧對(duì)中和工件熔透，埋弧焊一道焊以最中間點(diǎn)坐標(biāo)為焊接路徑。

4.2 兩道焊

埋弧焊中厚板多層多道焊接時(shí)焊縫表面不是平面， 而是一個(gè)有起伏變化的不規(guī)則焊道，情況同兩道焊。 一道焊焊接完成后，焊縫截面近似一個(gè)拋物線，以拋物線最低點(diǎn)為路徑點(diǎn)規(guī)劃焊接路徑。 當(dāng)兩道焊接時(shí)，焊縫表面為不規(guī)則截面，當(dāng)凸起不明顯且可能存在若干最低點(diǎn)時(shí)截面如圖14a所示， 此情況可以按照坡口截面路徑規(guī)劃方法進(jìn)行，即以中間點(diǎn)為路徑規(guī)劃點(diǎn)；若截面凸起明顯，焊縫某一截面最低點(diǎn)不止一點(diǎn)，如圖14b中的A、B均為該截面的最低點(diǎn)，沿焊縫長(zhǎng)度方向，若某一截面的最低點(diǎn)為坡口左側(cè)，下一最低點(diǎn)在焊縫右側(cè)，若簡(jiǎn)單地以最低點(diǎn)為焊接路徑點(diǎn)，則沿焊縫長(zhǎng)度方向焊接時(shí)焊槍會(huì)突然由左側(cè)移至右側(cè)，既不能保證焊接過(guò)程的正常進(jìn)行，也會(huì)對(duì)下道焊接路徑規(guī)劃造成困難。

圖14 兩道焊時(shí)不規(guī)則截面存在多個(gè)最低點(diǎn)示意圖

因此，該情況下提出規(guī)劃過(guò)A、B兩點(diǎn)的兩條路徑， 只要沿焊縫長(zhǎng)度方向這些點(diǎn)的方差值小于某一值K就可以看作是過(guò)A點(diǎn)路徑（左側(cè)）上的點(diǎn)，即使該點(diǎn)在該截面上是次低點(diǎn)也作為路徑點(diǎn)，即有：

其中，s為方差，M為平均數(shù)。

4.3 擬合驗(yàn)證

通過(guò)以上分析，根據(jù)不同情況路徑點(diǎn)的獲取方式，獲取路徑上的離散點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)最小二乘法擬合離散點(diǎn)得到一條空間曲線作為埋弧焊焊接路徑， 圖15、16為擬合的一道焊焊接路徑和兩道焊焊接路徑，可以看出擬合的焊接路徑曲線與待焊焊道形貌保持了良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖15 一道焊焊接路徑擬合結(jié)果

圖16 兩道焊焊接路徑擬合結(jié)果

5 結(jié)論

5.1 搭建了雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)， 對(duì)它進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)工件數(shù)字圖像的獲取和存儲(chǔ)。

5.2 對(duì)得到的焊縫圖像進(jìn)行圖像校正、增強(qiáng)及中值濾波等處理，采用各向異性擴(kuò)散濾波既能平滑圖像去除噪聲，又很好地保留了邊緣，增強(qiáng)了邊緣的對(duì)比度，滿足焊縫特征的提取要求。

5.3 通過(guò)立體匹配和三維重構(gòu)得到了焊縫輪廓表面特征點(diǎn)三維坐標(biāo)，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合得到了埋弧一道焊和埋弧兩道焊的焊縫表面輪廓的三維重構(gòu)圖，通過(guò)與人工測(cè)量結(jié)果對(duì)比，表明用視覺(jué)系統(tǒng)獲得的三維重構(gòu)圖能夠很好地表征焊縫輪廓特征。

5.4 通過(guò)對(duì)焊縫表面情況的分析，對(duì)每種焊縫表面的情況提出了路徑規(guī)劃策略；通過(guò)對(duì)獲取的路徑上的離散點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行擬合，得到了一道焊焊接路徑和兩道焊焊接路徑，與焊縫表面輪廓保持了良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。