激光檢測波紋板折線位置的研究

1我國生產中的波板自動焊接設備目前，焊接機器人廣泛應用于工廠，但這些機器人中的焊接規(guī)則有一定的規(guī)則，并且很少使用傳感器。而實際的產品有各種各樣的焊縫,不適合通用機器人焊接,因此開發(fā)適合于特定非結構化環(huán)境的具有一定自主性的、智能的移動式焊接機器人成為機器人工業(yè)應用研究的一個重要發(fā)展方向。在集裝箱自動化焊接工業(yè)生產中,常常會遇到垂直的波紋板與平板(方粱)進行焊接,而波紋板形狀的不一致性,以及工件位置的裝配誤差、焊接過程中的焊接變形等因素使得在焊接過程中采用通用焊接機器人變得困難。集裝箱中波紋板與上梁和下梁的焊縫,12m多長,而側板厚僅1.5～2mm,共有大約154個折角。焊接過程中,焊槍在折彎處調整姿態(tài)時不能停留,否則會燒穿薄板。波紋板折角大于45°時在焊接折彎點時需要調整焊槍姿態(tài),因此需要精確檢測折角位置并實時調整姿態(tài),這成為集裝箱自動焊接系統(tǒng)至關重要的一環(huán)。目前,市場上已經(jīng)存在針對折角小于45°的專用自動焊接設備,如韓國某公司研制的針對折角小于30°的波紋板自動焊接設備,使用的是接觸式傳感器,不能檢測折角。用于焊接機器人上的激光直反射光測距系統(tǒng)能實現(xiàn)焊縫識別和跟蹤,但是價格非常高,且精度不夠。基恩士(KEYENCE)國際貿易有限公司提供的基于三角坐標測量法的激光測距傳感器能精確測得表面距離,且響應速度高,但是不能直接使用于焊接環(huán)境中,檢測波紋板折線位置還需要進行二次開發(fā),且相對價格也比較高。2脈沖驅動和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳感器系統(tǒng)如圖1所示,主要包括一個中心波長為650nm,功率為10mW的半導體激光二極管,一個松下TCD1208AP型線陣CCD及窄帶濾波片、中性減光片、鏡頭暗箱和限位孔等光學組件構成的光學系統(tǒng),采用TI公司TMS320LF2407產生脈沖驅動CCD和進行數(shù)據(jù)采集。設備包括電焊機、四軸直線導軌焊機機器人和焊接工作臺等。2.1精度和檢測精度激光傳感器的測量原理如圖2所示,接收器軸線垂直于波紋板平面,激光發(fā)生器固定在接收器的正下方,發(fā)射的激光束照亮接收器正前方的工件。激光照射到經(jīng)過噴沙處理而坑凹不平的表面,形成了激光漫反射光點,漫反射光強分布近似服從Phong光照模型,表面粗糙度對漫反射和鏡面反射的能力有相應的影響。CCD上的影像寬度d是反射光線透過方形限位孔形成的光錐,照射到CCD上的部分的長度。由于激光發(fā)生器軸線與接收器軸線構成一個夾角θ,當工件到傳感器之間的距離L增大時,漫反射光點相對接收器軸線向上偏移,此時限位孔的特殊形狀形成的光錐在接收器內向下偏移,使得d變小。同時因為光斑的遠離使得結構光錐收縮變小,也導致d變小。影像寬度隨著工件到傳感器之間的距離增大而減小,存在一一對應關系,從而實現(xiàn)被測工件到傳感器之間距離的檢測。當L增大時,漫反射光點距離軸線位置h變高h=(L?L0)tanθ,(1)h=(L-L0)tanθ,(1)其中L0是漫反射光點在CCD軸線位置時與限位孔之間的距離。D為激光光斑反射通過限位孔所形成的光錐中投射在線陣CCD上的光平面與限位孔所在平面的交線。D到限位孔中心的高度記為H,根據(jù)幾何關系可知H=lL+lh.(2)Η=lL+lh.(2)由于限位孔的特殊形狀使得被投影的線段D隨H的變化而變化,將其關系記為如下方程D=f(H),(3)D=f(Η),(3)CCD上的被照亮的寬度d變化隨D的變化而變化,其關系如下方程所示d=L+lLD.(4)d=L+lLD.(4)由(1)式～(4)式計算得到工件到傳感器之間的距離L變化和CCD上被照亮的寬度d變化之間的關系式d=L+lLf[lL+l(L?L0)tanθ],(5)d=L+lLf[lL+l(L-L0)tanθ],(5)要得到d的值唯一對應L的值,需要設計限位孔的形狀來確定f(H)。由(5)式可以看出,L+lLL+lL和f[lL+l(L?L0)tanθ]f[lL+l(L-L0)tanθ]都為非負函數(shù),且L+lLL+lL為L的減函數(shù),lL+l(L?L0)tanθlL+l(L-L0)tanθ為L的增函數(shù),因此設計限位孔的形狀函數(shù)f(H)必須為減函數(shù),保證d與L的一一對應關系。本例中設計的傳感器參數(shù)Q=30°,l=60mm,L0=30mm,設計限位孔為對角線長8mm的正方形,其方程D=8-2H。代入(5)式可得傳感器的成像寬度和工件距離關系公式如下L=2558.4661.28+d.(6)L=2558.4661.28+d.(6)由此可知,測量出d,可計算出L。CCD感光單元陣列總長為30.2mm,相鄰感光單元間距為14μm,根據(jù)(6)式可得傳感器設計測距范圍為30～41.75mm,檢測精度為±0.005mm。從(5)式可以看出傳感器的測距精度與Q以及f(H)有關。2.2黑漆的光學特性和焊接系統(tǒng)由于焊接現(xiàn)場,不僅有激光,還有弧光和自然光,這些光進入CCD,會對跟蹤系統(tǒng)造成干擾,這是光學傳感器在焊接領域的應用都需要設計考慮的問題。選擇了高性能濾波片固定在CCD的前端,其中心波長為650nm帶寬10nm,有效消除弧光的影響。接收器內部刷啞光黑漆,可最大程度避免非軸向光線進入傳感器后,再次反射形成干擾信號。同時設計了一種補償系統(tǒng),考慮焊接中弧光和自然光的干擾,如圖3所示用同一線陣兩端的光電耦合器AA′和BB′,接受同等強度的弧光和自然光進行補償。這種方法不僅可以有效避免不同器件造成的誤差,消除弧光和自然光的干擾。圖3中區(qū)域2的環(huán)境光不能進入傳感器內。區(qū)域1中的環(huán)境光可以進入傳感器,產生誤信號。因此在AB之外的CCD僅感受環(huán)境光,將感受激光信號的CCD值與環(huán)境光的CCD信號求差。如果環(huán)境光在CCD上AA′區(qū)產生的信號強度非常接近激光信號在AB區(qū)的強度,則返回跟蹤失敗的報告,有效保護傳感器和焊接系統(tǒng)。實驗表明,激光照射波紋板表面反射回傳感器,同時考慮環(huán)境光和能量衰減模型的影響,傳感器接收光強在激光照射和環(huán)境光共同照射的光電耦合器呈現(xiàn)疊加效果,而僅存在環(huán)境光照射的光電耦合器曝光量很小。2.3ad對信號采樣的設計系統(tǒng)選用東芝公司的TCD1208P線陣CCD,其有效像素為2160pixel,工作頻率為0.3～2MHz,驅動需要兩路完全反向的移位時鐘信號φ1和φ2,轉移脈沖SH,復位脈沖RS。選用TI公司TMS320LF2407的數(shù)字信號處理器(DSP)作為驅動和數(shù)據(jù)采集芯片,采用事件A全比較單元1在PWM1腳產生400kHz的脈沖信號,經(jīng)過74LS74的一個D觸發(fā)器分頻產生兩路反相占空比為50%的時鐘信號φ1和φ2。PWM2產生RS信號,通過反向器74HC4049兩次反向后送出驅動,通過設置死區(qū)和PWM全比較單元的占空比時間實現(xiàn)同φ和RS相位關系,這樣DSP輸出的信號經(jīng)過處理后產生了完全同步反相的φ1和φ2,并且RS和φ1,φ2的相位關系可調。T2PWM輸出作為轉移脈沖SH。為了加快系統(tǒng)的采樣速率,采用查詢方式AD對信號采集。實驗表明,SH信號為高的持續(xù)時間不能太長,否則CCD輸出第一幀的像素無效,而SH信號為高的典型時間為1000ns,數(shù)據(jù)處理和發(fā)送不能在這么短的時間內完成。設計固定頻率和占空比的SH信號,保證CCD正常工作。捕捉SH信號的下降沿,啟動DSP的AD轉換,此時CCD輸出有效像素,然后進行數(shù)據(jù)處理和發(fā)送,發(fā)送完數(shù)據(jù)DSP等待最近一次SH信號下降沿,再次啟動AD轉換。即AD采樣為一個SH周期獲得完整的2212圖像數(shù)據(jù),接著一個SH周期進行處理和發(fā)送,再等待下一個SH的下降沿進行圖像采集。綜合考慮將CCD工作在400KB/s的時鐘下,DSP對每幀圖像數(shù)據(jù)處理時間與采樣時間相等,計算可得圖像幀頻為90frame/s左右,可以滿足焊接高精度的要求。3曝光寬度計算線陣CCD輸出圖像如圖4中的細實線所示,r表示CCD行坐標,灰度值(0～255)表示縱坐標。近似在0～800pixel和在2100～2160pixel時,輸出曝光強度約為160,為環(huán)境光照射影響;在800～2100pixel輸出的曝光強度在63附近,為主動光源和環(huán)境光共同作用。從圖中可以看出,在有激光光源照射的部分CCD明顯曝光充分,但是也有許多較暗的斑點,而真正曝光的寬度應該從被主動光源照亮的邊緣開始算起。將上述圖像的進行二值化處理就是將256個亮度等級的灰度圖像通過適當?shù)拈y值選取而獲得仍然可以反映圖像整體和局部特征的二值化圖像。為了得到理想的二值圖像,一般采用封閉、連通的邊界定義不交疊的區(qū)域。所有灰度大于或等于閥值的像素被判定為屬于特定物體,其灰度值為255表示,否則這些像素點被排除在物體區(qū)域以外,灰度值為0,表示背景或者例外的物體區(qū)域。如果某特定物體在內部有均勻一致的灰度值,并且其處在一個具有其它等級灰度值的均勻背景下,使用閥值法就可以得到比較好的分割效果。對獲得的CCD輸出位置-灰度圖轉化為灰度直方圖,然后選取閾值進行二值化。步驟1:計算圖像灰度直方圖設一幅圖像的灰度級數(shù)為P(0,1,2,…,p,…,255),v(1,x),表示一幅1×L的一維圖像,其中x為CCD的像素,v為CCD中x像素的灰度值。其直方圖表達式可以寫為hf(k)=|{(1,x)?v(1,x)=k}|,(7)k∈Phf(k)=|{(1,x)?v(1,x)=k}|,(7)k∈Ρ式中|?||?|表示計數(shù)操作。步驟2:為了最大程度快而且精確的計算出曝光寬度,需要將圖像進行預處理,得到環(huán)境光強以及在環(huán)境光影響下的主動光源照射部分光強,并給出一個動態(tài)的閾值,將圖像進行二值化處理。先將灰度直方圖平滑處理,方程如下f(k)=17∑i=k?3k+3h(i),(8)k=3,4,?,252f(k)=17∑i=k-3k+3h(i),(8)k=3,4,?,252將圖4平滑處理后變?yōu)閳D5,圖中前景和背景為直方圖的兩個峰值點。那么極大值點應該滿足?f(k)?k=0,?f2(k)?k2<0,(9)?f(k)?k=0,?f2(k)?k2<0,(9)這些極大值點對應的值可以參考為前景灰度pf和背景灰度pb,離散的數(shù)據(jù)處理通過差分方法實現(xiàn)。閾值取值定義為T=pf+0.8(pf?pb),(10)Τ=pf+0.8(pf-pb),(10)圖4中的虛線為計算所得的閾值,將圖像二值化V(1,k)={pf,pb.v(1,k)<Tv(1,k)≥T(11)V(1,k)={pf,v(1,k)<Τpb.v(1,k)≥Τ(11)步驟3:計算合理的邊緣,檢測亮斑的寬度。對離散的數(shù)字圖像,差分測度公式如下:Sj(1,k)=∑i=12R|Mj(1,i)?V(1,k+i)|,(12)k∈(1,2,3,?,L?2R),j=1,2Sj(1,k)=∑i=12R|Μj(1,i)-V(1,k+i)|,(12)k∈(1,2,3,?,L-2R),j=1,2其中Mj為模板,V為搜索區(qū),R為模板半徑,|?||?|表示取模。由暗到明位置匹配模板規(guī)定為M1(1,x)={pb,pf,x∈(0,R]∪x∈Zx∈[R,2R)∪x∈Z(13)Μ1(1,x)={pb,x∈(0,R]∪x∈Ζpf,x∈[R,2R)∪x∈Ζ(13)由明到暗位置匹配模板規(guī)定為M2(1,x)={pf,pb.x∈(0,R]∪x∈Zx∈[R,2R)∪x∈Z(14)Μ2(1,x)={pf,x∈(0,R]∪x∈Ζpb.x∈[R,2R)∪x∈Ζ(14)當S1最小時對應圖像點k+R圖像明暗和當S2最小時對應圖像點k+R暗明交界位置,從而計算出曝光寬度。通過DSP編譯器編曝光寬度識別程序,并將處理前后的數(shù)據(jù)通過串行口發(fā)送回上位機。圖4粗實線代表經(jīng)寬度識別程序處理后還原的圖像灰度值曲線。在實際工作過程,只需要將圖像處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送回上位機,通過(6)式將曝光寬度換算成CCD到激光光斑的距離。在非焊接環(huán)境下,將超聲波測距傳感器和激光傳感器固定在同一個平面,測量波紋板表面距離10組,實驗結果如表1。直尺為普通測量用直尺,精度為1mm。超聲波測距傳感器為美國邦納(BANNER)公司的q45ur3liu64c型傳感器,其測量精度為±0.01mm。從表1中可以看出直尺測量的數(shù)據(jù)、超聲波傳感器測量數(shù)據(jù)和激光傳感器的測量數(shù)據(jù)基本吻合,激光傳感器的測距精度達到±0.05mm以上,已經(jīng)滿足焊接跟蹤精度要求。由于實驗條件有限,直尺測量和超聲波測距精度都沒能反應出激光傳感器的設計測距精度,傳感器的測距精度還有待于進一步標定。4前置傳感器檢測實驗用波紋板樣品取自一般工業(yè)生產用波紋板,在實際焊接弧光照射環(huán)境下,用激光傳感器測量波紋板折線位置。圖6為實際的波紋板,波紋板折線位置是平面段和斜面段所近似的直線段延長交點,是焊槍調整姿態(tài)以及焊接軌跡的重要參照。傳感器安裝前置于焊槍15mm,如圖7所示,離散的數(shù)據(jù)點是波紋板表面到焊接小車參考面的實際距離。在折線位置之前任意處標記絕對零點,焊接小車從絕對零點位置以恒速度平行于波紋板平面段向前行走。通過實驗測量出小車速度和采樣速度的匹配關系,可以將測量的數(shù)據(jù)和焊接位置相匹配。在系統(tǒng)辨識領域中,最小二乘法是利用實驗數(shù)據(jù)進行參數(shù)估計的主要手段。根據(jù)前置傳感器檢測所形成的表面輪廓偏差序列,通過速度配準和時間配準來確定被測點與點之間的距離,最后采用了最小二乘法而求出兩直線的方程并計算它們的交點,給出折線位置。在上位機采用C++編制擬合程序,對波紋板折線位置進行多次測量,結果如表2所示,測量誤差在±0.5mm范圍內,符合焊接跟蹤的要求。5cd-驅動和圖像采集處理集裝箱中波紋板的自動焊接是制約集裝箱自動化生產的瓶頸,而關鍵在于波紋板折線位置的檢測,本研究根據(jù)波紋板和底板的特點,設計激光測距傳感器通過提前掃描波紋板來計算得到波紋板折線位置。主要結論如下:設計了一種新型的激光測距光路,實現(xiàn)了高精度的