基于結(jié)構(gòu)光的激光自動(dòng)焊接跟蹤研究

李淑軍，田昌勇，周傳揚(yáng)

（中國科學(xué)院 理化技術(shù)研究所 激光物理與技術(shù)研究中心，北京 100190）

引言

焊接是制造業(yè)中一項(xiàng)至關(guān)重要的工藝，隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，焊接技術(shù)也在不斷演進(jìn)。在眾多焊接方式中，激光焊接具有能量密度高、焊接速度快等優(yōu)點(diǎn)，是一種高度精確的焊接方法，已在眾多工業(yè)應(yīng)用中廣泛使用。但激光焊接因激光聚焦后光斑直徑小、焊縫較窄，在焊接過程中定位易發(fā)生偏差，造成焊接缺陷。因此，在激光焊接過程中實(shí)現(xiàn)焊縫點(diǎn)的實(shí)時(shí)跟蹤控制是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵所在，它可以幫助焊接工程師和操作人員監(jiān)測(cè)和控制焊接過程，確保焊接接頭的質(zhì)量和一致性。最早的焊接監(jiān)測(cè)方法包括目視檢查、探針式檢測(cè)，這些方法依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)和技能，存在主觀性和可操作性的限制，同時(shí)弧光也會(huì)對(duì)人體造成生理傷害[1-2]。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，焊接過程中的關(guān)鍵參數(shù)，如溫度、電流、電壓、焊絲進(jìn)給速度等，可以通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這種方法提供了更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，有助于實(shí)時(shí)調(diào)整焊接參數(shù)以提高質(zhì)量。電弧傳感系統(tǒng)在80 年代初開始出現(xiàn)并迅速發(fā)展，由于它的多種優(yōu)勢(shì)，很快超過了在它之前的電磁式、超聲式等傳感器。光學(xué)傳感器分為點(diǎn)、線、面三種形式，它以可見光、激光、紅外線等作為光源，以光電元件為接收單元，利用光電元件提取反射回來的結(jié)構(gòu)光，從而得到焊縫的信息[3-4]。

總體來說，焊接跟蹤技術(shù)分為接觸式和非接觸式測(cè)量?jī)纱箢?，其中接觸式測(cè)量，尤其探針接觸式，由于其不怕電弧光、電磁、煙塵等干擾，最早得到了應(yīng)用。但是接觸式測(cè)量由于操作復(fù)雜、易產(chǎn)生形變誤差、耐久性差等原因，無法滿足一些測(cè)量場(chǎng)景的需求，同時(shí)隨著新材料的產(chǎn)生和加工精度的不斷提高，接觸式測(cè)頭很難對(duì)一些尺寸很小或脆性材料的工件進(jìn)行測(cè)量。因此，基于光學(xué)三角測(cè)量原理的非接觸測(cè)量方法，隨著半導(dǎo)體激光器和光電探測(cè)器的長足發(fā)展，越來越被人們所重視。其測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、分辨率高，受環(huán)境電磁場(chǎng)影響小，工作距離大且測(cè)量準(zhǔn)確度高，并可在線進(jìn)行測(cè)量，彌補(bǔ)了接觸式測(cè)量的許多不足之處，故接觸測(cè)量逐漸被非接觸式測(cè)量方法替代。

結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)使用激光束在焊接過程中掃描工件表面，利用相機(jī)接收反射回來的光，通過計(jì)算處理得到焊接路徑的三維模型坐標(biāo)。這種方法提供了對(duì)焊縫形狀的高度精確的控制，適用于復(fù)雜幾何形狀的焊接任務(wù)。2016年，盧榮華[5]提出了基于圖像處理的焊道初始點(diǎn)識(shí)別算法、圖像視覺控制法，實(shí)現(xiàn)了定位焊道的初始點(diǎn)。此種方法只是達(dá)到了定位初始點(diǎn)的目的，不能有效指導(dǎo)焊接過程。2018年，張瑞雪[6]實(shí)現(xiàn)了一種多線激光傳感器V 型焊道軌跡識(shí)別系統(tǒng)。該系統(tǒng)只能夠有效提取V 型淺層焊道的頂部及中心特征點(diǎn)，無法對(duì)后續(xù)的焊接過程進(jìn)行實(shí)時(shí)指導(dǎo)。2019年，張杰飛[7]針對(duì)寬度和深度都在 1 cm 以內(nèi)的單面焊接窄V 型坡口焊道，設(shè)計(jì)了一套基于OpenCV 軟件的焊道識(shí)別系統(tǒng)。該系統(tǒng)只適用于V 型坡口的中間特征點(diǎn)識(shí)別，對(duì)其他形貌坡口識(shí)別適應(yīng)能力同樣較差。綜上所述，目前關(guān)于焊道特征點(diǎn)識(shí)別的研究主要集中于標(biāo)準(zhǔn)坡口的中間特征點(diǎn)識(shí)別，無法實(shí)現(xiàn)更進(jìn)一步的焊接過程偏移跟蹤。

本文將結(jié)構(gòu)光傳感器與焊道跟蹤識(shí)別處理算法相集成，先利用激光三角測(cè)量法獲得焊道三維坐標(biāo)值，之后通過識(shí)別與處理算法獲得焊道偏移的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)焊道偏移的實(shí)時(shí)自動(dòng)跟蹤。

1 測(cè)量原理

激光具有單向性好、亮度高、能量集中且穩(wěn)定的特性，被廣泛應(yīng)用于精密測(cè)量領(lǐng)域[8]?；诩す獾姆墙佑|測(cè)量方法有干涉法、脈沖法、相位法和三角法。結(jié)構(gòu)光測(cè)量是一種機(jī)器視覺技術(shù)，通過將激光光源與相機(jī)配對(duì)來捕獲三維測(cè)量數(shù)據(jù)，由于入射光和捕獲裝置構(gòu)成一個(gè)三角形，對(duì)位移的計(jì)算運(yùn)用了幾何三角定理，故該測(cè)量法被稱為激光三角測(cè)量法[9]。相較而言，三角法具有測(cè)量速度快、精度高、穩(wěn)定性好、成本低的特點(diǎn)，目前可以實(shí)現(xiàn)中、短距離的測(cè)量，應(yīng)用場(chǎng)景更為廣泛。隨著汽車工業(yè)、精密儀器制造、航空航天領(lǐng)域等相關(guān)技術(shù)的迅猛發(fā)展，要求對(duì)于物體表面的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)高速度、高精度、高質(zhì)量和低磨損的“三高一低”檢測(cè)原則，越來越多基于激光三角測(cè)量的方案在這一領(lǐng)域發(fā)揮重要作用[10-11]。

激光結(jié)構(gòu)光測(cè)量技術(shù)，又稱三維激光掃描（3D laser scanning）或激光三角測(cè)量（laser triangulation），是一種用于測(cè)量物體表面形狀和結(jié)構(gòu)的高精度非接觸式測(cè)量技術(shù)。其基本原理涉及激光發(fā)射、光斑投影、影像捕獲以及三角測(cè)量原理[12-13]。

1）激光發(fā)射：激光結(jié)構(gòu)光測(cè)量技術(shù)的核心是激光器，它會(huì)發(fā)射一束單色、相干性極高的激光光束。這種激光光束具有良好的定向性和空間一致性，使其成為測(cè)量高精度表面的理想光源。

2）光斑投影：激光光束通過一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，例如透鏡或光纖，被聚焦成一個(gè)小而明亮的光斑。這個(gè)光斑會(huì)被投射到待測(cè)物體的表面上，其形狀可以是圓形、線性或其他幾何形狀，具體選擇取決于應(yīng)用需求。

3）影像捕獲：在激光光斑照射到物體表面后，一臺(tái)相機(jī)或其他影像捕獲設(shè)備會(huì)拍攝物體表面的圖像。相機(jī)與激光光源之間的相對(duì)位置保持固定不變，并且與激光光源之間有一個(gè)已知的角度關(guān)系。

4）三角測(cè)量與計(jì)算：在圖像中，激光光斑會(huì)出現(xiàn)在物體表面上的某個(gè)位置，通常在圖像中呈現(xiàn)為一個(gè)點(diǎn)。利用三角測(cè)量原理，可以通過測(cè)量光斑在圖像中的位置以及相機(jī)和激光光源之間的幾何關(guān)系來計(jì)算出光斑在物體表面上的實(shí)際距離。如圖1 所示為激光三角法測(cè)量焊縫的原理圖。

圖1 激光三角測(cè)量原理圖Fig.1 Principle of laser triangulation

圖1中l(wèi)1和l2分別為鏡頭中心到底面的距離和像平面到鏡頭中心的距離。N1和N2分別為工件母材和待焊的上表面，n1和n2分別為N2到底面的距離和N1到底面的距離。N1和N2兩平面距離即焊縫高度記為m，則m=n2-n1。點(diǎn)B在像平面上對(duì)應(yīng)點(diǎn)B1，點(diǎn)D在像平面上對(duì)應(yīng)點(diǎn)D1，w1與w2分別為點(diǎn)D與點(diǎn)B到鏡頭中心的水平距離。令h1為A1與D1之間距離，h2為B1與D1之間距離，則有：

進(jìn)而可得：

同樣方法可得：

所以，最終可得：

總之，激光結(jié)構(gòu)光測(cè)量技術(shù)通過激光器發(fā)射激光光束，將光斑投影到待測(cè)物體表面，然后使用相機(jī)捕獲圖像并利用三角測(cè)量原理計(jì)算出光斑在物體表面上的三維坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體表面形狀和結(jié)構(gòu)的高精度測(cè)量[14]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 特征識(shí)別與計(jì)算

圖像特征提取是計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理領(lǐng)域中的重要任務(wù)，它涉及從圖像數(shù)據(jù)中識(shí)別、捕獲和提取有意義的特征，以便用于進(jìn)一步的分析、識(shí)別、分類、檢測(cè)或其他任務(wù)。特征點(diǎn)指的是圖像灰度值發(fā)生劇烈變化的點(diǎn)或者在圖像邊緣上曲率較大的點(diǎn)(即兩個(gè)邊緣的交點(diǎn))。圖像特征點(diǎn)在基于特征點(diǎn)的圖像匹配算法中有著十分重要的作用。圖像特征點(diǎn)能夠反映圖像本質(zhì)特征，通過對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別與定位，可以簡(jiǎn)化后續(xù)的處理過程。

在對(duì)激光焊接過程中的焊道進(jìn)行自動(dòng)跟蹤時(shí)，水平偏移跟蹤算法是基于焊道特征點(diǎn)識(shí)別的。在對(duì)石油管道進(jìn)行激光焊接加工時(shí)，激光焊接小車攀附在固定于管道外壁的焊接軌道上，通過周向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)管道連接坡口的焊接[15-16]。為實(shí)現(xiàn)激光焊接過程中焊接激光輸出頭的準(zhǔn)確調(diào)整，需要完成焊道特征點(diǎn)的實(shí)時(shí)識(shí)別。在一幀圖像中，圖像數(shù)據(jù)點(diǎn)集能夠反映出該處焊道截面的深度信息和形貌特征，利用這些數(shù)據(jù)可以有效識(shí)別出焊道特征點(diǎn)。

經(jīng)結(jié)構(gòu)光掃描傳感器回傳的待識(shí)別深層焊道表面大致形貌如圖2 所示，其中特征點(diǎn)主要包括頂部左右特征點(diǎn)、底部左右特征點(diǎn)和底部最低點(diǎn)，具體分布如圖3 所示，其中1 為頂部左側(cè)特征點(diǎn)，2 為頂部右側(cè)特征點(diǎn)，3 為底部左側(cè)特征點(diǎn)，4 為底部右側(cè)特征點(diǎn)，5 為底部最低點(diǎn)。

圖2 焊道形貌圖Fig.2 View of welding line appearance

圖3 焊道形貌特征點(diǎn)分布圖Fig.3 Distribution diagram of feature points of weld morphology

焊道頂部特征點(diǎn)位于焊道頂部邊緣，其深度數(shù)值與相鄰的數(shù)據(jù)點(diǎn)相比存在一個(gè)較大的突變，利用識(shí)別深度坐標(biāo)的突變可以有效識(shí)別出頂部邊緣特征點(diǎn)，通過深度差值算法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)焊道頂部邊緣特征點(diǎn)的識(shí)別和坐標(biāo)定位。

單一的深度差值判斷算法的思想為遍歷檢測(cè)當(dāng)前數(shù)據(jù)點(diǎn)與其下一相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的深度差值，當(dāng)該差值滿足閾值時(shí)即判斷該點(diǎn)為特征點(diǎn)。這種判斷方法最大的弊端是無法避免單一離群點(diǎn)對(duì)特征點(diǎn)的識(shí)別干擾，例如當(dāng)焊道頂部邊緣區(qū)域在成像過程中受到干擾出現(xiàn)某一深度異常的數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，單一深度差值判斷算法有可能將該點(diǎn)判斷為特征點(diǎn)。

為避免上述這一干擾，識(shí)別算法設(shè)計(jì)為三重差值判斷，即：系統(tǒng)從第1 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)開始向后遍歷，循環(huán)判斷當(dāng)前點(diǎn)和其后第20 個(gè)點(diǎn)和第40 個(gè)點(diǎn)深度方向坐標(biāo)的差值，當(dāng)差值均大于深度閾值時(shí)，表示該點(diǎn)位于焊道頂部邊緣臨界處，即可判斷該點(diǎn)為頂部邊緣特征點(diǎn)，并記錄該點(diǎn)坐標(biāo)。

通過對(duì)已識(shí)別出的焊道表面左右特征點(diǎn)的水平坐標(biāo)取平均，得出焊道表面中點(diǎn)水平坐標(biāo)，基于該中點(diǎn)進(jìn)行水平偏移判斷。焊道表面中點(diǎn)示意圖如圖4 所示，圖中A、B 點(diǎn)為焊道表面左右特征點(diǎn)，C 點(diǎn)為表面中點(diǎn)。

圖4 焊道表面中點(diǎn)示意圖Fig.4 Schematic diagram of middle point on weld surface

在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)焊道表面特征點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，通過固定在焊接激光輸出頭前端的結(jié)構(gòu)光傳感器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)焊接小車在行走過程中發(fā)生水平偏移時(shí)，會(huì)帶動(dòng)傳感器發(fā)生相同偏移，此時(shí)焊道表面特征點(diǎn)水平坐標(biāo)值發(fā)生變化。為實(shí)現(xiàn)對(duì)焊道的水平偏移跟蹤，首先會(huì)確定一個(gè)起始零點(diǎn)，以該點(diǎn)為基準(zhǔn)計(jì)算當(dāng)前中點(diǎn)相對(duì)于該零點(diǎn)水平方向的偏移量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)焊道水平偏移跟蹤。實(shí)物裝置如圖5。

圖5 實(shí)物裝置圖Fig.5 Physical device diagram

算法具體實(shí)現(xiàn)流程如下：在焊接激光輸出頭運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)位置，算法以該位置作為水平跟蹤的起始零點(diǎn)，提取該位置的表面中點(diǎn)坐標(biāo)并保存。在移動(dòng)過程中，算法實(shí)時(shí)提取過程中所有位置的中點(diǎn)坐標(biāo)，并與上述零點(diǎn)坐標(biāo)作比較，得出實(shí)時(shí)水平偏移量。

2.2 數(shù)據(jù)處理

利用上述特征點(diǎn)識(shí)別與偏移計(jì)算算法對(duì)實(shí)際焊道進(jìn)行掃描，采集得到若干幀偏移數(shù)據(jù)如表1 所示?？梢钥吹綌?shù)據(jù)精度較高、變化基本呈平滑上升趨勢(shì)，其中少數(shù)幾幀數(shù)據(jù)波動(dòng)性較大。經(jīng)過分析，認(rèn)為在焊接過程中焊接抖動(dòng)和焊接小車行走過程中的震動(dòng)影響水平偏移數(shù)據(jù)的精度與穩(wěn)定性。

表1 焊道偏移量數(shù)據(jù)采集表Table 1 Data collection table for weld bead offset

為了提高水平偏移數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，在識(shí)別系統(tǒng)中加入了基于隊(duì)列的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平滑算法。跟蹤點(diǎn)檢查算法流程圖如圖6 所示。

圖6 跟蹤點(diǎn)檢查算法流程圖Fig.6 Flow chart of tracking point inspection algorithm

具體流程如下：系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前位置完成水平偏移識(shí)別后，會(huì)自動(dòng)將當(dāng)前幀中的水平偏移數(shù)據(jù)與之前5 幀的水平偏移數(shù)據(jù)均值進(jìn)行比較。若當(dāng)前數(shù)據(jù)與前5 幀數(shù)據(jù)均值的差值大于設(shè)定的閾值，則當(dāng)前幀會(huì)被認(rèn)定為異常幀；若當(dāng)前幀底部數(shù)據(jù)與前5 幀的底部數(shù)據(jù)均值的差值小于閾值，則當(dāng)前幀被認(rèn)為是正常幀并正常輸出，系統(tǒng)會(huì)將隊(duì)列中的末尾值推出，并將當(dāng)前幀更新到5 幀的隊(duì)列中，為下一幀的處理做準(zhǔn)備。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在將焊接軌道固定到待焊管道周壁上時(shí)，由于安裝誤差，焊接軌道與焊道之間的水平距離會(huì)存在差異，且在焊接小車從管道頂部沿著半圓周軌道行走至管道底部的過程中，該水平偏移誤差絕大多數(shù)情況下呈現(xiàn)為逐漸增大或減小的平滑漸變式。在實(shí)際調(diào)試運(yùn)行過程中，為了真實(shí)反映系統(tǒng)的有效性，在大行程條件下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，使焊接小車從管道頂部沿著軌道一直行走至管道底部。在行走過程中持續(xù)掃描并對(duì)水平偏移進(jìn)行識(shí)別處理，共得到600 余幀水平偏移數(shù)據(jù)，同時(shí)利用水平偏移數(shù)據(jù)對(duì)焊接激光輸出頭進(jìn)行實(shí)時(shí)水平位移指導(dǎo)。系統(tǒng)處理并輸出的水平偏移數(shù)據(jù)呈平滑漸增狀，符合實(shí)際偏移規(guī)律，且經(jīng)過指導(dǎo)后的焊接激光輸出頭能夠?qū)崟r(shí)對(duì)準(zhǔn)焊道中心，水平偏移數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較高。實(shí)時(shí)偏移識(shí)別軌跡效果圖如圖7所示。

圖7 實(shí)時(shí)偏移識(shí)別軌跡效果圖Fig.7 Real-time offset recognition trajectory effect

綜上所述，該系統(tǒng)在管道實(shí)際激光焊接測(cè)試中能夠自動(dòng)完成水平偏移數(shù)據(jù)的獲取與處理，數(shù)據(jù)精度與平滑度較高，波動(dòng)性較小，并能夠根據(jù)當(dāng)前焊道偏移量實(shí)時(shí)指導(dǎo)焊接激光輸出頭動(dòng)作。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于結(jié)構(gòu)光的激光焊接自動(dòng)跟蹤識(shí)別方法，在激光焊接過程中能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水平跟蹤的自動(dòng)控制。在此基礎(chǔ)上，建立了基于結(jié)構(gòu)光的焊道特征點(diǎn)提取裝置，采用特征點(diǎn)提取算法對(duì)焊道特征點(diǎn)實(shí)時(shí)提取，采用偏移實(shí)時(shí)跟蹤算法對(duì)焊道偏移量進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別，并利用數(shù)據(jù)處理算法對(duì)最終結(jié)果進(jìn)行平滑濾波，在實(shí)際焊接過程中驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。隨著汽車工業(yè)、精密儀器制造、航空航天領(lǐng)域等相關(guān)技術(shù)的迅猛發(fā)展，該系統(tǒng)可以提高激光焊接效率、為工業(yè)生產(chǎn)、智能制造和高技術(shù)研究提供技術(shù)保障，具有廣泛的使用價(jià)值。