楊 樂(lè)，王惠萌

（1.西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，西安 710129；2.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，西安710129）

0 前 言

管道運(yùn)輸是石油天然氣等領(lǐng)域普遍采用的一種高效運(yùn)輸手段，螺旋埋弧焊管在管道輸送所用鋼管中占有很大比例。為了保證油氣輸送管道的安全運(yùn)行，首先要保證所用鋼管的產(chǎn)品質(zhì)量，而在線(xiàn)埋弧自動(dòng)焊的焊接質(zhì)量是影響鋼管產(chǎn)品最終質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。

螺旋埋弧焊管的焊縫呈螺旋線(xiàn)狀，焊接時(shí)焊縫以1.5～2.0 m/min的線(xiàn)速度螺旋式前進(jìn)。由于受鋼帶寬度變化和鋼帶遞送位置變化等因素的影響，成型狀況也時(shí)常不穩(wěn)定，成型后的鋼管焊縫寬度會(huì)在一定范圍內(nèi)變化，這些不確定性因素都會(huì)使焊頭偏離焊縫的中心位置，產(chǎn)生焊偏現(xiàn)象，這將直接影響焊接質(zhì)量。為了將焊偏誤差控制在規(guī)定的范圍之內(nèi)，迫切需要研究焊縫跟蹤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的智能化控制。

本研究介紹的基于CCD圖像識(shí)別技術(shù)的螺旋焊縫跟蹤系統(tǒng)，可以很好地滿(mǎn)足螺旋焊縫的跟蹤要求，并且具有經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性?xún)?yōu)勢(shì)。

1 焊縫跟蹤系統(tǒng)的工作原理

焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)主要運(yùn)用了數(shù)字圖像處理、模式識(shí)別和數(shù)字控制等處理方法，采用高清CCD攝像機(jī)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中動(dòng)態(tài)的焊縫進(jìn)行實(shí)時(shí)成像及檢測(cè)，自動(dòng)提取并識(shí)別焊縫的中心位置，根據(jù)焊頭與焊縫中心位置的偏差量，通過(guò)交流伺服機(jī)構(gòu)做到焊頭相對(duì)焊縫中心位置的隨動(dòng)跟蹤，該自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)硬件組成

焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由CCD傳感器（即CCD面陣攝像機(jī)）、顯示器、圖像采集卡、運(yùn)動(dòng)控制器、輸入/輸出I/O接口板卡、工業(yè)計(jì)算機(jī)、交流伺服放大器和交流伺服電機(jī)等組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

半導(dǎo)體激光器是一個(gè)線(xiàn)性激光光源。CCD工業(yè)攝像機(jī)為復(fù)合彩色攝像機(jī)，將內(nèi)焊與激光線(xiàn)成像的圖像輸入到圖像卡。圖像采集卡是一款基于PCI總線(xiàn)的彩色圖像采集卡，主要功能是將復(fù)合視頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，輸入工業(yè)計(jì)算機(jī)后進(jìn)行識(shí)別處理。PCL725是繼電器輸出及隔離數(shù)字量輸入接口卡，提供了八路機(jī)電式SPDT繼電器輸出和八路光隔離數(shù)字量輸入。MPC07運(yùn)動(dòng)控制卡是基于PCI總線(xiàn)的數(shù)字式伺服電機(jī)的上位控制單元，它與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)，MPC07控制卡提供了功能強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)集成，可以充分調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流伺服系統(tǒng)的精確控制。內(nèi)焊自動(dòng)跟蹤根據(jù)焊縫圖像的識(shí)別結(jié)果，通過(guò)對(duì)偏差量的計(jì)算和交流伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)焊頭對(duì)焊縫偏移的精確控制。交流伺服系統(tǒng)主要由交流伺服放大器和交流伺服電機(jī)組成。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)是內(nèi)焊自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的核心平臺(tái)，在手/自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，完成對(duì)圖像的采集和顯示，手動(dòng)模式下完成焊頭相對(duì)焊縫位置的手動(dòng)控制糾偏；自動(dòng)模式下通過(guò)對(duì)焊縫圖像的預(yù)處理、焊縫中心識(shí)別、焊頭相對(duì)焊縫中心偏差量的計(jì)算，啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)焊頭相對(duì)焊縫中心位置的自動(dòng)糾偏和跟蹤。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 圖像采集模塊

圖像采集模塊主要完成內(nèi)焊成型圖像和激光線(xiàn)圖像的采集和存儲(chǔ)。運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)輸入為標(biāo)準(zhǔn)的PAL制信號(hào)，圖像采集模塊采用單幀圖像連續(xù)采集的方法，利用圖像卡內(nèi)部自帶梳狀濾波器，抗混疊濾波器等提高圖像質(zhì)量，以保證圖像的連續(xù)性和穩(wěn)定性，并通過(guò)對(duì)圖像采集卡提供的函數(shù)資源進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，完成圖像采集、存儲(chǔ)和調(diào)用，具體過(guò)程如圖3所示。

圖3 焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)圖像采集處理過(guò)程

3.2 圖像處理模塊

圖像處理模塊完成焊縫的檢測(cè)和識(shí)別。圖像處理模塊在對(duì)內(nèi)焊縫成型圖像和激光線(xiàn)特征圖像預(yù)處理的基礎(chǔ)上，運(yùn)用了離散卷積、灰度變換、閾值分割、頻域?yàn)V波、像素統(tǒng)計(jì)、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)等數(shù)字圖像處理、模式識(shí)別方法?；叶茸儞Q是對(duì)所采集到的圖像的檢測(cè)范圍進(jìn)行灰度的拉伸變換，提高焊縫中心影像特征與鋼板圖像的對(duì)比度，可以很好地排除由于鋼板圖像的差異造成的對(duì)跟蹤系統(tǒng)的影響；閾值分割則是將灰度變換后的圖像根據(jù)其灰度值的差異設(shè)定合適的閾值，完成檢測(cè)區(qū)域圖像的二值化；頻域?yàn)V波可以將二值化后的圖像進(jìn)行去噪處理。經(jīng)過(guò)處理后的檢測(cè)區(qū)域，焊縫具有明顯的影像特征，系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行像素統(tǒng)計(jì)，根據(jù)焊縫的影像特征，便可以利用離散卷積的辦法確定焊縫中心的位置。這種方法適用于有坡口鋼板和直接拼接成縫的鋼板，具有較好的穩(wěn)定性。

系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行灰度變換、閾值分割以及頻域?yàn)V波等處理后，圖像中激光線(xiàn)V形坡口的特征突出，系統(tǒng)利用膨脹、腐蝕等數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)對(duì)V形圖像進(jìn)行骨架提取，并將骨架提取后的V形圖像進(jìn)行水平投影，正確的識(shí)別出激光線(xiàn)圖像的左右兩個(gè)端點(diǎn)，而且可以排除由于鋼板對(duì)激光線(xiàn)的反光造成的識(shí)別干擾。根據(jù)識(shí)別的激光線(xiàn)圖像的端點(diǎn)，系統(tǒng)向V形圖像底端方向搜索V形的最底端作為焊縫中心。若激光線(xiàn)成像不完整，則取V形圖像的左右端點(diǎn)的中心作為焊縫的中心。系統(tǒng)還根據(jù)左右端點(diǎn)的坐標(biāo)位置，計(jì)算出左右坡口尺寸、坡口整體寬度、左右坡口錯(cuò)邊量等相關(guān)參數(shù)。

系統(tǒng)對(duì)離散卷積算法找到的焊縫中心與激光線(xiàn)輔助算法找到的焊縫中心進(jìn)行比較和計(jì)算，得到焊縫的中心位置，并計(jì)算出焊縫中心位置與焊頭實(shí)際位置的偏移量。根據(jù)圖像像素與焊縫實(shí)際尺寸的對(duì)應(yīng)分辨率，換算成相應(yīng)的伺服機(jī)構(gòu)的控制脈沖量，實(shí)現(xiàn)焊頭位置自動(dòng)跟隨焊縫中心進(jìn)行焊接的過(guò)程。

3.3 運(yùn)動(dòng)控制模塊

運(yùn)動(dòng)控制模塊通過(guò)調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡提供的函數(shù)資源和相應(yīng)的二次集成開(kāi)發(fā)，并將PID控制技術(shù)應(yīng)用于焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，根據(jù)偏差量控制數(shù)據(jù)。通過(guò)控制方式和相應(yīng)控制信號(hào)設(shè)置及相應(yīng)的編程開(kāi)發(fā)，將運(yùn)動(dòng)控制集成到系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，完成對(duì)交流伺服放大器和伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，保證焊頭相對(duì)焊縫中心位置的精確糾偏控制。

3.4 信號(hào)邏輯輸入輸出控制模塊

信號(hào)邏輯輸入輸出控制模塊，通過(guò)讀取手/自動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯信號(hào)，進(jìn)行手/自動(dòng)控制模式的切換。在手動(dòng)模式下通過(guò)伺服電機(jī)正、反轉(zhuǎn)操作鍵，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)模式下的左、右偏移量的手動(dòng)控制；通過(guò)左、右光標(biāo)移動(dòng)鍵，實(shí)現(xiàn)焊縫檢測(cè)框和中心定位線(xiàn)的左、右移動(dòng)，給定焊縫檢測(cè)區(qū)和焊縫中心初始定位值，為自動(dòng)跟蹤給定焊縫中心起始位置。通過(guò)讀取手/自動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯信號(hào)，進(jìn)行自動(dòng)跟蹤控制模式切換。在自動(dòng)控制模式下，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)焊縫中心進(jìn)行識(shí)別處理，根據(jù)偏差量對(duì)焊頭相對(duì)焊縫中心位置進(jìn)行自動(dòng)跟蹤控制。當(dāng)失蹤或發(fā)生異常狀況時(shí)，控制輸出端口，實(shí)現(xiàn)報(bào)警。

系統(tǒng)以Windows為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，VC++6.0作為開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，采用面向?qū)ο蟮木幊趟枷耄\(yùn)用了類(lèi)線(xiàn)程和多線(xiàn)程等編程技術(shù)。系統(tǒng)將不同的功能模塊封裝成為相應(yīng)的類(lèi)，便于功能擴(kuò)展和系統(tǒng)維護(hù)。

圖像基本功能類(lèi)封裝了圖像采集、顯示、存儲(chǔ)等模塊，主要完成圖像采集卡的初始化、圖像采集、顯示、傳輸和存儲(chǔ)等功能；運(yùn)動(dòng)控制類(lèi)封裝了相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制模塊，完成運(yùn)動(dòng)控制卡的初始化、運(yùn)動(dòng)方式和控制量的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流伺服的相關(guān)操作和控制；I/O邏輯控制類(lèi)封裝了輸入輸出邏輯控制模塊，完成I/O的初始化、輸入端口狀態(tài)的讀取和輸出端口的狀態(tài)控制，運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行相應(yīng)的邏輯狀態(tài)判斷，并進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)行模式切換；圖象應(yīng)用類(lèi)封裝了圖像處理的相關(guān)算法函數(shù)、焊縫圖象的處理、識(shí)別方法、參數(shù)提取和控制量轉(zhuǎn)換等主要應(yīng)用功能模塊。

軟件設(shè)計(jì)應(yīng)用了多線(xiàn)程技術(shù)和設(shè)計(jì)思想，圖像采集、存儲(chǔ)、顯示過(guò)程與圖像處理、識(shí)別各主要功能模塊的運(yùn)行，采用不同的主線(xiàn)程進(jìn)行，線(xiàn)程運(yùn)行采用了并行處理的方法，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)焊縫圖像的在線(xiàn)實(shí)時(shí)處理。

4 系統(tǒng)軟件流程

焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

圖4 焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先對(duì)圖像卡、運(yùn)動(dòng)卡和PCL725卡進(jìn)行初始化。若初始化不成功，則退出系統(tǒng)；若初始化成功，通過(guò)讀取手/自動(dòng)邏輯控制信號(hào)的狀態(tài)，控制手/自動(dòng)控制模式的切換?？刂菩盘?hào)狀態(tài)為低電平時(shí)，系統(tǒng)處于手動(dòng)狀態(tài)；控制信號(hào)為高電平時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行于自動(dòng)跟蹤模式。手動(dòng)狀態(tài)下，操作工人可以按原手動(dòng)操作模式進(jìn)行糾偏控制。

操作工人可以通過(guò)手/自動(dòng)操作鍵，將運(yùn)行狀態(tài)切換到自動(dòng)跟蹤模式。在切換到自動(dòng)狀態(tài)之前，首先要根據(jù)屏幕圖像中焊頭和焊縫中心相對(duì)位置，通過(guò)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)操作控制鍵調(diào)整伺服電機(jī)，左右移動(dòng)焊頭使焊頭與焊縫中心位置重合；然后根據(jù)屏幕圖像檢測(cè)框的位置，通過(guò)光標(biāo)左、右移動(dòng)操作鍵，將檢測(cè)框十字光標(biāo)定位于焊縫中心后，切換到自動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)焊縫中心位置將作為自動(dòng)跟蹤的初始位置。自動(dòng)狀態(tài)下，系統(tǒng)對(duì)采集到的焊縫圖像進(jìn)行焊縫的處理識(shí)別，提取焊縫中心位置與初始定位值進(jìn)行比較，根據(jù)偏差量控制交流伺服機(jī)構(gòu)實(shí)施自動(dòng)跟蹤。

運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)工藝要求設(shè)定跟蹤檢測(cè)區(qū)和報(bào)警閾值。若跟蹤過(guò)程中偏移量瞬時(shí)大于報(bào)警閾值，系統(tǒng)維持上次跟蹤參數(shù)并啟動(dòng)報(bào)警計(jì)時(shí)，若偏移量連續(xù)大于報(bào)警記時(shí)閾值，啟動(dòng)報(bào)警，操作工人應(yīng)通過(guò)手/自動(dòng)操作鍵切換為手動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)行手動(dòng)控制。報(bào)警解除后，可重新切換到自動(dòng)跟蹤模式。跟蹤過(guò)程中，可自動(dòng)提取顯示左右偏移量、坡口尺寸、左右錯(cuò)邊量等相關(guān)參數(shù)。

5 系統(tǒng)初始設(shè)置及跟蹤效果

本研究焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)在螺旋焊管生產(chǎn)線(xiàn)上進(jìn)行了安裝、調(diào)試和試運(yùn)行。系統(tǒng)開(kāi)機(jī)時(shí)運(yùn)行于手動(dòng)控制模式。操作人員通過(guò)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制鍵將焊頭移至焊縫中心位置，即將焊頭燈移至焊縫中心，然后通過(guò)光標(biāo)左、右移動(dòng)鍵調(diào)整定位框，使定位框中心線(xiàn)與焊縫中心位置重合,然后按下手/自動(dòng)鍵，系統(tǒng)切換運(yùn)行為自動(dòng)狀態(tài)。

在自動(dòng)跟蹤狀態(tài)下，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)焊縫偏離初始位置的狀況，計(jì)算出焊縫中心與初始位置偏差量及相應(yīng)的控制量，通過(guò)伺服電機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行焊縫自動(dòng)跟蹤焊接，跟蹤結(jié)果如圖5所示。

圖5 正常狀態(tài)下焊縫自動(dòng)跟蹤結(jié)果

當(dāng)跟蹤發(fā)生失蹤或超出跟蹤誤差范圍時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)進(jìn)入異常報(bào)警狀態(tài)，異常狀態(tài)下焊縫自動(dòng)跟蹤結(jié)果如圖6所示。此時(shí)，系統(tǒng)可由手動(dòng)操作控制鍵控制電機(jī)移動(dòng)，操作人員應(yīng)立即根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，通過(guò)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制鍵調(diào)整焊頭中心位置，將焊頭中心位置調(diào)整到焊縫中心。調(diào)整完畢后，操作人員再解鎖彈起手/自動(dòng)控制鍵，將系統(tǒng)切換為手動(dòng)狀態(tài)。如果定位框中心線(xiàn)與焊縫中心位置重合沒(méi)有發(fā)生漂移，可按下手/自動(dòng)控制鍵，切換為自動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行跟蹤；如果定位框中心線(xiàn)與焊縫中心位置發(fā)生漂移沒(méi)有重合，可通過(guò)光標(biāo)左、右移動(dòng)鍵調(diào)整定位框，使定位框中心線(xiàn)與焊縫中心位置重合后，再按下手/自動(dòng)控制鍵，切換為自動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行焊縫跟蹤焊接。

圖6 異常狀態(tài)下焊縫自動(dòng)跟蹤結(jié)果

實(shí)際跟蹤結(jié)果表明，焊頭能及時(shí)跟蹤到焊縫的中心位置，并將焊偏誤差控制在了規(guī)定的范圍內(nèi)，減少了焊接缺陷，滿(mǎn)足生產(chǎn)需要。

6 結(jié) 語(yǔ)

運(yùn)用數(shù)字圖像處理、模式識(shí)別和數(shù)字控制等處理方法，設(shè)計(jì)了基于CCD傳感器的螺旋焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了焊頭對(duì)焊縫中心的可靠跟蹤。實(shí)際使用結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足螺旋埋弧焊管焊縫自動(dòng)跟蹤的需要，系統(tǒng)的使用極大地提高了焊接質(zhì)量，降低了缺陷率以及工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

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