双线结构光焊缝跟踪传感器的焊枪高度识别*

毛志伟，李志增，石志新，肖 勇，潘际銮

(1.南昌大学 机电工程学院，江西 南昌330031;2.清华大学 机械工程系，北京100084)

0 引 言

基于激光结构光的传感跟踪方式因其具有适应性广、稳定性好、精度高、抗干扰性好等优点，而逐渐成为焊缝跟踪的主流发展方向。目前应用最多的是单线结构光传感器，双线结构光传感器是对单线结构光传感器的改进，双线结构光具有更丰富的图像信息，在预测焊缝走向，高度识别、克服导前误差等方面有很好的效果［1，2］。焊枪高度识别在焊枪初始，受热易变性的薄板焊接等领域有实用的价值。单线结构光传感器可以根据激光条纹的在图像中的位置识别焊枪高度［3，4］，此方法的缺点是容易受机械振动的影响，双线结构光传感器可以根据两激光条纹在图像中的间距识别高度，由于两激光条纹之间的间距不会随机械振动而变化，所以，在抗振动、提高稳定性等方面优于单线结构光传感器。

1 传感器结构与原理

1.1 双线结构光传感器的结构

双线结构光传感器由2 个波长为650 nm 的激光器和1 个CCD 组成，CCD 垂直于工件表面，2 个激光器以一定的夹角对称排列在CCD 两侧，且2 个激光器的底面圆心同CCD 镜片中心在一条直线上。结构简图如图1。

1.2 高度检测原理

双线结构光传感器可以采集到2 条结构光条纹，效果如图2，当传感器高度发生变化时，2 个焊缝图样的位置会发生上下移动，利用该特点可以获得传感器距离工件表面的距离。

2 理论分析与方案选择

图1 双线结构光传感器结构示意图Fig 1 Schematic Diagram of the Dual structure laser vision sensor

图2 传感器采集到的图像Fig 2 The image captured by CCD

这里探讨在不考虑图像畸变的情况下焊枪高度变化与图片中两条纹位置变化之间的关系。设激光器中心线同CCD中心线的夹角为θ，激光器发光点到CCD镜片焦点之间的距离为h，CCD 镜片焦点到钢板之间的距离为H，两条激光线在钢板上的投射线之间的距离为l。根据两激光线投射平面有无交线可分为2 种情况，如图3、图4。

图3 两条激光面在钢板上面没有交线Fig 3 The dual laser plane have NO intersecting line beyond the steel plate

图4 2 条激光面在钢板上面有交线Fig 4 The dual laser plane have intersecting line beyond the steel plate

根据几何关系可得l，h，H，θ 之间的关系式为:

无交线情况

有交线情况

图片中2 条结构光条纹焊板表面部分的平均像素间距用ΔX 表示，l 的变化又体现高度H 的变化，故可以通过ΔX获得高度H。如果不考虑图像畸变，图像中两条纹的间距同焊板上的实际距离呈正比，即

其中，ln为任意两条纹在焊板表面上对应的实际间距;ΔXn为其在图片中两条纹间距;C 为常量。

图片每一列有NP个像素，所对应的实际距离为L，则根据公式(3)可得

CCD 的纵向视场角为2λ，则

将式(1)、式(2)分别同式(3)、式(5)联立可得:

无交线情况

有交线情况

对式(6)、式(7)分别作H 关于ΔX 的导数，可得高度检测精度k:

根据式(8)、式(9)不难发现，高度检测精度与h 和θ相关，可以通过调节h 和θ 获得所需要的检测精度。无交线的情况所采集到的图片V 型槽在两条纹线的内侧，容易相互干涉，影响后期图像处理和左右偏差识别精度，如图5。

图5 没有交线情况获得的图片Fig 5 The image was captured at NO intersecting line condition

本文选用了两激光投射面在有交线的情况，即如图4所示的方案。

3 高度识别与实验

3.1 通过图像处理求ΔX

由于图像中存在部分高斯噪声，所以，采用了均值滤波消除高斯噪声，然后对图像进行图像增强，预处理后效果如图6。

图6 预处理之后的效果图Fig 6 The image after pretreatment

图像细化采用自适应形态学收缩算法，把焊缝条纹区域在每列上收缩至一个像素点，从而得到结构光骨架 ，效果如图7。

图7 细化之后效果图Fig 7 The image after thining

图中有一些毛刺，采用普通形态学去毛刺方法后效果如图8。

图8 去除毛刺之后效果图Fig 8 The image after deburring

在图8 中，2 条激光条纹在焊板上的部分为除去凹凸部分之外的部分，由于2 条纹关于图像横向中心线平行并上下对称，分别求出2 条纹的列坐标，求差即得ΔX。

实现的算法如下:

1)图片8 有m 行，每一行设定一个计数器A(m)用来计算该行亮点的个数，依次对每一行进行搜索，当图像中像素点对应的值为1 时，该行对应的累加器加1。

2)上、下部分累加器值最大的行即为条纹焊板表面部分所在的行。若m 为偶数，则

L=max{1:A(m/2)}，

H=max{1:A(m/2 +1:n)};

若 m 为奇数，则

L=max{1:A((m+1)/2)}，

H=max{1:A((m+3)/2:n)}.

其中，L 表示上面条纹的行坐标，H 表示下面条纹的行坐标。

3)X=H－L。

3.2 直接公式法

3.2.1 基本原理与实现

直接将ΔX 代入方程(7)来求H 的方法，即为直接公式法，这种方法类似于1972 年Abdel－Aziz Y I 提出的直接线性变化法［5］。

为了使在标准焊接高度时最精确，在公式(7)的基础上引入校正系数η，使得在焊接标准高度Hs时，误差为0，即得

η 的确定方法为:先将H 调整到Hs处，通过上述的图像处理的方法求 ΔX，将H =HS和ΔX 带入到公式(10)即得

3.2.2 实验验证

为了检测直接公式法的精度，本文在采用长度为500 mm，宽度为150 mm，厚度为10 mm 的钢板以一定倾斜角度放在实验台上，传感器固定在单轴机器人上方，并与桌面垂直，如图9 所示。

图9 实验平台示意图Fig 9 schematic diagram of Experimental platform

设定标准焊接高度为Hs=120 mm，高度检测范围为H∈(100，140 mm)。平台的 CCD 视场角为 λ =94.8°，激光器的偏转角度为θ =28°，两激光器发光点之间的距离为h=70 mm。单轴机器人的检测精度为0.01 mm，单轴机器人从焊板右端向左行走，机器人走过的距离用s(mm)表示，每隔25 mm 摄像头采集一次图像，图像处理后得到ΔX，将ΔY 代到公式(10)，即可得到激光传感器的高度。图10为理论计算高度值同实际高度的比较图。

图10 理论计算高度同实际高度对比Fig 10 The contrast between the theoretical height and actual height

直接公式法求得的高度误差在远离标准焊接高度时，误差比较大，最大时可以达到1.5 mm，无法满足实际需求。

3.3 标记搜索法与实验验证

3.3.1 方法介绍

考虑到CCD 的畸变随着高度的变化是变化的，本文采用了先标定再搜索查表的方法检测高度。在使用前，先对传感器进行标定，将精度为0.01 mm 的单轴机器人移动至传感器定位到焊板最低段，每隔2.5 mm 采集一张照片。获得图片后，通过图像处理求得ΔX，记录下每个点的H 和ΔX，这样就可以获得H 和ΔX 一一对应的列表，本文定义为标记列表。焊接时，可以将图像处理后得到的ΔX 在标记列表中匹配，最接近ΔX 的点所对应的H 即为所求。

3.3.2 检测精度

实验仍然采用如图9 所示的平台，操作方法同直接公式法一致，每隔25 mm 采集一张照片，获得图片后通过图像处理求的ΔX，对ΔX 在标记列表中进行匹配。图11 展示了是标记搜索法识别的高度同实际高度的比较图。

实验结果表明:标记搜索法所获得高度误差小于0.25 mm，可以满足焊缝跟踪高度识别要求。

图11 标记搜索法获得高度同实际高度对比Fig 11 The contrast between the height from Mark and scan method and actual height

4 结 论

1)通过图像处理可以准确地得出图片中两结构条纹在焊板表面部分的间距，根据图片中的间距同实际距离的关系得到了不考虑畸变情况下的焊枪高度识别公式，为焊枪高度识别提高了理论依据。

2)直接使用公式计算高度会由于畸变原因误差较大，本文采用标记搜索法并通过实验验证此方法效果良好。

3)双线结构光传感器识别高度的原理是基于两条纹间距，不会因为机械振动而变化，不仅丰富了双线结构光传感器的应用范围，也提高了焊枪高度识别的稳定性。

［1］ 肖增文，刘极峰，陈志超，等.激光预扫描技术在曲焊缝跟踪中的应用［J］.焊接学报，2008，29(12):21 －24.

［2］ 乔东虓，郑 军.双线结构光焊缝跟踪传感器及其特性［J］.电焊机，2010，40(11):14 －16.

［3］ 冯定宏.激光传感焊缝跟踪坡口信息化研究［D］.北京:北京工业大学，2004.

［4］ 蔡 勇.孤悍机器人焊缝跟踪系统与位移运动学研究［D］.西安:西安理工大学，2007.

［5］ Abdel－Aziz Y I，Karara H M.Direct linear transformation from comparator coordinates into object space coordinates in closerange photogrammetry［C］∥ Proc of Symp Close－Rang Photogrammetry，1971:1 －18.