杜成超，郭華鋒，許 成

（1.徐州工程學院 機電工程學院，江蘇 徐州 221008；2.河海大學 計算機與信息學院，江蘇 常州 213022）

在現(xiàn)代制造業(yè)生產(chǎn)中，焊接是重要的工藝方法之一。保證焊接產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和提高勞動生產(chǎn)率已成為生產(chǎn)發(fā)展亟待解決的問題[1]。不規(guī)則焊縫的板件焊接在現(xiàn)實生產(chǎn)中占了很大的比例，目前在板件焊接中往往采用焊接機器人或焊接小車自動焊接。焊接機器人焊接時，焊接路徑往往在控制系統(tǒng)中預設好，但由于工人操作失誤，焊縫往往和預設路徑有偏差，造成了焊接質(zhì)量不穩(wěn)定；焊接小車焊接時，受現(xiàn)場地面狀況的影響，電弧電壓不穩(wěn)定，使得焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。

針對現(xiàn)有的板件對接設備的不足，提出了一種基于Matlab軟件的焊縫跟蹤系統(tǒng)。設計了一種焊槍位置調(diào)節(jié)裝置，建立各環(huán)節(jié)數(shù)學模型，在不同的比例系數(shù)下，計算系統(tǒng)對階躍信號響應結(jié)果，確定了滿足系統(tǒng)使用要求的比例系數(shù)和采樣頻率；確定了系統(tǒng)處理圖像的過程，并且編寫了相應的程序，研究了確定焊槍與焊縫中心偏差距離的算法，并開發(fā)了一套基于Matlab的焊縫跟蹤控制軟件，最后進行了測試。

1 工作原理

系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，步進電機帶動絲杠1，實現(xiàn)在焊縫主方向的運動，絲杠1帶動絲杠2以及夾持裝置在焊縫的主方向上前進，CCD攝像頭采集焊縫結(jié)構(gòu)光圖像，利用上位機對圖像進行處理，獲得焊槍與焊縫中心的偏差距離，并將偏差距離通過串口發(fā)送到DA轉(zhuǎn)化模塊，DA轉(zhuǎn)化模塊對偏差距離進行DA轉(zhuǎn)化，放大器對模擬信號進行放大，最后驅(qū)動直流電機，直流電機通過齒輪組帶動絲杠2，從而調(diào)節(jié)加持裝置，即焊槍，線狀激光投影儀和CCD攝像頭的位置，從而消除偏差，實現(xiàn)焊縫跟蹤。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

2 焊槍位置調(diào)節(jié)裝置的設計

2.1 位置調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)

方向調(diào)節(jié)裝置包括上位機、DA轉(zhuǎn)化模塊、放大器、直流電機、絲杠和裝夾機構(gòu)（主要用于夾持焊槍、CCD攝像頭和激光條紋投影儀）；其系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。

圖2 方向調(diào)節(jié)系統(tǒng)功能框圖Fig.2 Function diagram of direction adjusting system

2.2 位置調(diào)節(jié)裝置參數(shù)確定及性能分析

方向調(diào)節(jié)系統(tǒng)中CCD攝像頭、上位機和DA轉(zhuǎn)化是一個采集環(huán)節(jié)，主要是將焊縫與焊槍的偏差距離轉(zhuǎn)化為電壓信號，由于偏差距離和電壓信號是成正比的（5e-3m偏差距離轉(zhuǎn)化為5 V電壓），因此本環(huán)節(jié)可視為比例環(huán)節(jié)；放大器、齒輪組絲杠均是比例環(huán)節(jié)，將系統(tǒng)中所有比例環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)記為K。

出于對系統(tǒng)采集、分析數(shù)據(jù)的考慮，設計CCD攝像頭每秒采集圖像n次，因此本系統(tǒng)是一個閉環(huán)采樣系統(tǒng)，采樣環(huán)節(jié)是慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為：

文獻[2]提出了一種實驗測定直流電動機傳遞函數(shù)的方法，使用這種方法測得本設計中直流電機的傳遞函數(shù)為：

建立系統(tǒng)模型，如圖3所示。

圖3 方向調(diào)節(jié)系統(tǒng)的建模及仿真Fig.3 Modeling and simulation of direction adjusting system

在分析了多個不同的K和t后，確定了當K=2，t=0.2時系統(tǒng)的工作狀態(tài)較穩(wěn)定，圖3（b）為系統(tǒng)對斜率為0.5的斜坡信號的響應，其響應誤差如圖3（c），因此可以在K保持不變的情況下，根據(jù)實際生產(chǎn)要求，適當調(diào)整放大器的放大倍數(shù)和齒輪組的傳動比。

3 焊縫跟蹤控制軟件

3.1 結(jié)構(gòu)光圖像處理

在自動焊接過程中，焊縫結(jié)構(gòu)光圖像處理是一個很關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，也是實現(xiàn)焊縫自動跟蹤的重要技術(shù)之一。本設計中，CCD攝像頭拍攝的結(jié)構(gòu)光圖像經(jīng)過圖像采集卡傳輸給上位機，上位機對實時采集到的焊縫圖像進行圖像處理；經(jīng)過二值化、中值濾波和圖像細化[4]得到焊縫表面形狀信息，進而提取得到焊縫特征數(shù)據(jù)。圖像處理的過程如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)光的圖像處理Fig.4 Image processing for structure light

圖4中，（a）圖為原始圖像，（b）圖為二值化之后的圖像，（c）圖為中值濾波后的圖像，（d）圖為經(jīng)過細化的圖像，可見（d）圖能夠反映出焊縫的表面形狀信息。

3.2 焊縫中心偏差距離的提取

對處理得到的結(jié)構(gòu)光圖像進行反值處理[5]，得到如圖5的上半部分圖像，對圖像的每一行進行二值累加。從每一行累加后的值可以判斷圖像中焊縫的最低點所在的行，進而可以判斷最低點所在的列，從而可以得到焊槍和焊縫中心的偏差距離如圖5所示，圖像中焊縫中心和圖像中心的偏移距離間接反映了焊縫中心和焊槍的偏差距離，最后由圖像和實際焊縫的比例可以計算出焊縫中心偏差距離。

圖5 確定焊縫中心的方法Fig.5 Method to determine the weld center

3.3 控制軟件編程

使用Matlab/Guide開發(fā)了一套焊縫跟蹤控制軟件[6]，控制軟件主要實現(xiàn)了以下功能：處理CCD設備拍攝的圖像提取特征數(shù)據(jù)，判斷并顯示此時焊槍偏離焊縫中心的距離；顯示步進電機與直流電機的運行狀態(tài)；顯示當前的焊接電流及電壓。

在實驗中，軟件運行良好，軟件運行界面如圖6所示。界面顯示，目前焊槍偏離焊縫中心3.50 mm，焊接電流為172.2 A，焊接電壓為24.3 V。

4 結(jié) 論

1）設計了一種應用于焊縫跟蹤設備的方向調(diào)節(jié)系統(tǒng)，建立了系統(tǒng)的數(shù)學模型，確定了系統(tǒng)比例環(huán)節(jié)的系數(shù)K。

圖6 控制軟件界面Fig.6 Interface of control software

2）在Matlab環(huán)境下編寫了用于焊縫圖像處理和用于計算焊槍與焊縫中心偏差距離的算法，處理結(jié)果理想。

3）開發(fā)了一套焊縫跟蹤控制軟件，軟件在實驗中運行良好。

[1]呂鳳琳.脈沖GTAW熔池動態(tài)過程無模型自適應控制方法研究[D].上海：上海交通大學，2008：4-5.

[2]王艷穎，王珍，郭麗環(huán).直流電動機傳遞函數(shù)測定的實驗研究[J].實驗技術(shù)與管理，2008，25（8）：38-40.

WANG Yan-ying， WANG Zhen， GUO Li-huan.Experiment study on the transfer function for DC motor[J].Experimental Technology and Management， 2008， 25（8）：38-40.

[3]孟慶明.自動控制原理 [M].2版.北京：高等教育出版，2008.

[4]劉曉瑞.基于視覺傳感的弧焊機器人焊縫圖像信息優(yōu)化處理[D].南昌：南昌大學，2010：29-40.

[5]張德豐.MATLAB數(shù)字圖像處理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[6]陳垚光.精通MATLAB GUI設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.