基于Cognex Designer的對接焊和堆焊焊縫成形尺寸測量方法研究*

薛 彬，孟慶森，褚慧慧，矯爽本

（1.青島濱海學院山東省高等學校機電工程技術(shù)研發(fā)中心， 山東 青島 266555；2.青島濱海學院機電工程學院， 山東 青島 266555； 3.青島中裝視覺自動化系統(tǒng)控制有限公司， 山東 青島 266555）

焊接技術(shù)被廣泛應(yīng)用在機械制造、 石油化工、汽車制造、 能源交通、 航空航天、 造船、 核工業(yè)以及電子和建筑等行業(yè)， 是制造業(yè)中的重要工藝環(huán)節(jié)。 焊接質(zhì)量的高低直接影響產(chǎn)品質(zhì)量的好壞， 而焊縫成形尺寸測量是焊接質(zhì)量檢測的主要部分[1]。

1 焊縫尺寸測量方法分析

焊縫尺寸的測量方法有很多， 可分為接觸式和非接觸式兩大類。 接觸式一般是指人工檢測， 檢測工具通常為三坐標測量儀， 該檢測方法測量精度不高、 效率較低。 非接觸式方法較多， 包括光波干涉法、 CT 射線成像測量法、 機器視覺測量法等， 光波干涉法根據(jù)光波干涉原理 （多個光波在空間內(nèi)相互干涉會產(chǎn)生明暗相間的條紋） 制成， 測量精確度高， 多用于精密測量， 但容易受到外界環(huán)境的影響， 且測量范圍比較小； CT 射線成像測量法是通過放射X 射線， 再根據(jù)透過的射線量進行檢測， 在醫(yī)學上應(yīng)用比較成熟， 但由于其具有放射性、 計算量大且計算時間長， 很少在工業(yè)上應(yīng)用[2]。

機器視覺檢測是近年來興起的新型檢測方法，主要包括柵線投影測相位法、 雙目立體視覺法、 激光三角法等。 柵線投影測相位法是通過在檢測物體表面進行柵線投影， 進而在焊縫表面獲得與高度相對應(yīng)的相位值來進行測量的； 楊杰[3]利用投影光柵相位法進行了物體表面三維輪廓尺寸測量的研究。雙目立體視覺法根據(jù)人眼立體成像原理設(shè)計， 通過兩個攝像機從不同角度拍攝物體， 然后進行圖像合成， 得到三維圖像， 由此衍生出多目視覺檢測法，該方法后期圖像處理非常復(fù)雜； 張鵬賢等[4]針對埋弧自動焊平板堆焊焊縫提出了一種基于雙目視覺的焊縫成形評判方法。 激光三角法是目前被普遍認可， 且應(yīng)用比較廣泛的一種行之有效的檢測方法，它借助激光器發(fā)射結(jié)構(gòu)光到焊縫上， 焊縫相對視覺系統(tǒng)要做相對勻速運動， 即結(jié)構(gòu)光要勻速掃描焊縫， 再經(jīng)圖形處理得到三維信息； 伏喜斌等[5]利用激光三角法提出了一種角焊縫外形尺寸檢測方法；近年來， 根據(jù)激光三角法原理推出的3D 視覺傳感器越來越多， 它集2D 相機和結(jié)構(gòu)光發(fā)射器于一體。

2 焊縫測量硬件系統(tǒng)搭建

2.1 試驗材料和設(shè)備

試驗材料選用304 不銹鋼板堆焊和Q345E厚鋼板對接焊， 304 不銹鋼板尺寸為 150 mm×100 mm × 5 mm； Q345E 鋼 板 尺 寸 為 300 mm ×100 mm×12 mm。

焊接設(shè)備包括FANUC R-0iB 型焊接機器人、FANUC R-30iB Mote 型機器人指令控制系統(tǒng)， 山東奧太Pulse MIG-350 型焊接電源、 直徑為1.0 mm的ER50-6 型焊絲、 80%Ar+20%CO2焊接氣體。

視覺檢測設(shè)備包括康耐視DS1100 系列3D 位移傳感器、 VEXTA PK569-NA 步進電機、 KH-01型步進電機控制器、 滾軸絲杠直線位移平臺、 攝像機固定支架、 24 V 直流電源、 裝有Cognex Designer2.5 視覺工具軟件的千兆以太網(wǎng)計算機。

2.2 試樣制備

焊接時將材料表面打磨干凈， 放在操作臺上，用夾具夾緊， 防止焊接過程中發(fā)生移動； 使用示教器編寫指令控制FANUC 焊接機器人完成對304 不銹鋼板的直線堆焊和對Q345E 鋼板的對接焊。 程序包括焊接前的安全位置點設(shè)置、 焊接起始位置點、 焊接開始命令、 焊接速度設(shè)置、 焊接結(jié)束命令、 焊接完成后安全點設(shè)置， 焊好的試樣見圖1[6]。

圖1 焊接試樣實物

2.3 焊縫檢測系統(tǒng)搭建

視覺傳感器DS1100 固定在支架上， 它集成了2D CMOS 傳感器和線激光發(fā)射器， 并通過以太網(wǎng)連接到計算機； 步進電機安裝在直線運動平臺上，它由連接的步進控制器進行控制； 編碼器安裝在電機軸上， 并連接到DS1100 的輸入端反饋速度信息。視覺檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2[7]。

圖2 視覺檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 圖像處理系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)連接

在具有千兆以太網(wǎng)口的計算機上先安裝Vision-Pro 9.0， 再安裝 Cognex Designer 2.5， 計算機和 DS視覺傳感器通過以太網(wǎng)方式通信。

打開 GigE Vision Configuration Tool， 在列表中查找DS1100， 并選擇它， 如果查不到需重新檢查電源和網(wǎng)絡(luò)連接。 然后配置DS 視覺傳感器的IP 地址， 使DS 相機與計算機在同一子網(wǎng)下， 并關(guān)閉防火墻； 在網(wǎng)絡(luò)配置時， 設(shè)置巨型幀 （MTU） 到最大值 9014 字節(jié)， 并使能 eBus Universal Pro 驅(qū)動。

打開 Cognex Designer 2.5， 建 立項目 ， 選擇DS1100， 添 加 Cog3DRangImageCrossSectionTool 和CogImageFileTool， 并將圖像源連接到它們的輸入圖像， 見圖3[8]。

圖3 圖像連接

在 Sequence 中 添 加 s3d_Acquire， fixturing， CrossSectionTool， 并建立有效連接， 見圖4。

圖4 工具連接

3.2 運動系統(tǒng)設(shè)計

打開3D 相機運行向?qū)В?設(shè)置激光模式為閃光， 在運動輸入類型中選擇 “編碼器”， 并根據(jù)編碼器進行參數(shù)設(shè)置。 曝光時間設(shè)為3.0 ms， 探測靈敏度 0.511， 運動速度 2 mm/s， 行頻為 18.18 Hz，掃描長度 22.4 mm， 2800 pixel， X 縮放 0.11 mm/pixel， Y 縮放 0.008 mm/pixel， 分辨率為 1 倍， 每行步進數(shù)為4。

將焊件放置在運動平臺上， 啟動電機， 使焊件沿直線進行勻速運動， 線激光器掃描焊縫。 同時在Designer 中點擊運行按鈕， 開始捕捉圖像， 并生成3D 效果， 見圖 5。

4 焊縫尺寸測量

圖5 圖像處理生成焊縫圖

測量之前要先選擇一個位置截取焊縫的橫截面， 然后打開CrossSectionTool 進行測量。 測量時，首先使用拐點工具框選圖中拐點， 確定焊縫左右兩側(cè)邊緣點a， b， 然后使用點與點之間的距離測量工具， 測得 a， b 之間的距離， 即焊縫寬度 W； 再使用線段工具框選圖中焊縫兩側(cè)線段， 自動擬合成一條直線L； 使用頂點工具框得到焊縫頂點c； 使用點與線段之間的距離測量工具測得c 與L 之間的距離， 即焊縫余高H。 對接焊的尺寸測量見圖6。

圖6 對接焊尺寸測量

5 測量結(jié)果驗證

使用機器視覺檢測系統(tǒng)對焊件進行非接觸光學檢測后， 在測量橫截面位置將Q345E 對接焊焊件和不銹鋼堆焊焊件鋸開， 觀察其真實橫截面， 并與機器視覺檢測系統(tǒng)檢測的焊件橫截面圖進行對比。另外， 用三坐標測量儀對截斷處焊縫尺寸進行人工測量， 并將多次人工測量結(jié)果與視覺測量結(jié)果進行對比。 對比結(jié)果表明， 焊縫寬度誤差值均不超過0.5 mm， 偏差率均小于3%， 焊縫余高誤差值均不超過0.3 mm， 偏差率均小于5%， 說明該視覺檢測系統(tǒng)準確性較好， 而且檢測時間僅為人工檢測的1/100， 檢測效率大大提高。

6 結(jié)論

該系統(tǒng)采用FANUC R-0iB 型焊接機器人完成樣件Q345E 鋼板的對接焊和304 不銹鋼板的堆焊，然后通過康耐視DS1100 系列3D 位移傳感器結(jié)合步進電機搭建視覺檢測系統(tǒng)， 借助Cognex Designer 2.5完成了圖像處理系統(tǒng)設(shè)計， 形成了焊縫的三維圖形， 并在橫截面完成焊縫尺寸的測量。 為了檢驗該視覺檢測系統(tǒng)的性能， 將焊件沿橫截面鋸開后進行多次人工測量， 并與檢測結(jié)果進行對比， 結(jié)果表明使用該視覺檢測系統(tǒng)得到的測量結(jié)果誤差符合標準要求， 且測量效率大幅提高。