王榮浩，張文昌，伍昕忠，李 柳，董杏昕

（機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán)有限公司，北京 100044）

0 引言

焊接表面缺陷檢測(cè)一直伴隨在焊接生產(chǎn)過(guò)程中，其結(jié)果是焊縫成型質(zhì)量的重要判定標(biāo)準(zhǔn)。若采取人工肉眼檢測(cè)焊縫缺陷方式必不可少的會(huì)因?yàn)橹饔^因素的影響導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)誤差乃至誤判，且檢測(cè)結(jié)果的可追溯性較差。隨著傳感、自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展和日益成熟，科研人員逐漸開(kāi)始將這些前沿技術(shù)應(yīng)用于焊縫表面質(zhì)量檢測(cè)中。R.A.White等人研發(fā)了一種基于機(jī)器視覺(jué)的焊縫實(shí)時(shí)在線檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對(duì)寬度在20mm以內(nèi)的對(duì)接焊縫和角焊縫進(jìn)行表面參數(shù)獲取和缺陷檢測(cè)[1]。上海交通大學(xué)的張志芬，陳善本等人研究了一種基于視覺(jué)注意機(jī)制的鋁合金焊接缺陷在線檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)過(guò)熔透、表面氧化和燒穿焊縫缺陷的實(shí)時(shí)快速識(shí)別[3]。

目前國(guó)內(nèi)焊縫表面質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)還處于起步階段，焊縫表面質(zhì)量檢測(cè)普遍采用人工肉眼檢測(cè)的形式進(jìn)行。為了提高焊接作業(yè)的智能化水平，保證焊縫表面質(zhì)量檢測(cè)的準(zhǔn)確性同時(shí)縮短檢測(cè)時(shí)間，本文提出一種基于激光視覺(jué)的焊縫表面質(zhì)量檢測(cè)方法。旨在實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程中常見(jiàn)的余高過(guò)高、咬邊和未焊滿等焊縫表面缺陷的快速識(shí)別定位，同時(shí)實(shí)現(xiàn)焊縫表面質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄。

1 激光視覺(jué)焊縫表面檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 系統(tǒng)硬件組成

焊縫表面質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)硬件部分主要由機(jī)器人、焊機(jī)、激光位移傳感器和上位機(jī)組成。結(jié)合機(jī)器人末端安裝尺寸和焊接過(guò)程中測(cè)量距離和精度的要求，傳感器選擇基恩士LJ-G080型激光位移傳感器。采用KUKA-KR16-2型機(jī)器人和福尼斯TPS2700型數(shù)字化焊機(jī)，實(shí)驗(yàn)所用母材為中空鋁合金擠壓型材。

1.2 系統(tǒng)軟件

本文選用軟件開(kāi)發(fā)Visual Studio平臺(tái)下的C#語(yǔ)言及其軟件工具開(kāi)發(fā)包，編寫(xiě)了焊縫表面質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)軟件。軟件能夠控制傳感器進(jìn)行焊縫截面數(shù)據(jù)采集，通過(guò)數(shù)據(jù)處理計(jì)算獲得缺陷信息，并且能夠?qū)θ毕葸M(jìn)行三維展示和信息存儲(chǔ)。

圖1 傳感器安裝示意圖Fig.1 Sensor installation diagram

1.3 系統(tǒng)工作原理

本文中焊縫表面質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)根據(jù)不同焊縫表面缺陷的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范設(shè)置判定條件。工作過(guò)程中首先利用激光位移傳感器對(duì)焊縫缺陷部位進(jìn)行截面數(shù)據(jù)采集，將截面數(shù)據(jù)信息傳遞給上位機(jī)進(jìn)行處理。根據(jù)處理結(jié)果確定缺陷的位置、種類和長(zhǎng)度。

焊接過(guò)程中上位機(jī)程序通過(guò)凌華PCI-8102板卡讀取龍門(mén)架驅(qū)動(dòng)電機(jī)編碼器的脈沖數(shù)量，記錄當(dāng)前焊槍所在的位置。同時(shí)每隔0.2mm觸發(fā)一次激光位移傳感器，對(duì)焊縫截面進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。第一次檢測(cè)到焊縫截面異常即存在表面缺陷時(shí)，保存當(dāng)前焊槍的位置，該位置為缺陷位置起點(diǎn)，最后一次檢測(cè)到該類型缺陷時(shí)，保存當(dāng)前位置，該位置為此處缺陷的終點(diǎn)。起點(diǎn)和中點(diǎn)之間的長(zhǎng)度即為此缺陷的長(zhǎng)度。在缺陷檢測(cè)時(shí)，只記錄尺寸在0.5mm以上的缺陷，本文系統(tǒng)中激光位移傳感器的單像素物理尺寸為0.05mm，所以10次以上的檢測(cè)才可以對(duì)缺陷進(jìn)行判定。即若連續(xù)的10次截面檢測(cè)為同一缺陷的特征則可判定該位置缺陷的種類。焊縫檢測(cè)的流程如圖2所示。

圖2 缺陷檢測(cè)流程Fig.2 Defect detection flow chart

2 焊縫表面缺陷識(shí)別

焊縫表面缺陷的準(zhǔn)確識(shí)別是焊縫質(zhì)量檢測(cè)的關(guān)鍵。本節(jié)主要介紹焊縫表面缺陷判斷條件的確定方法以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行常見(jiàn)表面缺陷檢測(cè)的具體步驟。

2.1 焊縫標(biāo)準(zhǔn)截面模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)規(guī)范，在現(xiàn)有激光圖位移傳感器的安裝位置時(shí)，中空鋁合金擠壓型材的自動(dòng)焊接焊縫標(biāo)準(zhǔn)形貌模型如圖3所示。

從圖中何以看出焊縫形貌正常時(shí)焊縫根部的寬度約為12mm，高度在0.9～1.8mm之間。焊縫位置左右形貌光滑勻稱，沒(méi)有凹陷。

對(duì)比正常焊縫成型形貌，下面對(duì)中空鋁合金擠壓型材焊接過(guò)程中常見(jiàn)的三種缺陷：余高過(guò)高、咬邊和未焊滿逐一進(jìn)行識(shí)別分析。本文中根據(jù)ISO 10042：2005鋁及其合金弧焊接縫缺陷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與鋁合金現(xiàn)場(chǎng)焊接作業(yè)規(guī)范對(duì)焊接過(guò)程中常見(jiàn)的焊縫表面缺陷的判斷條件進(jìn)行量化。給出相應(yīng)缺陷的判斷條件如表1所示。

2.2 焊縫截面數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

圖3 焊縫標(biāo)準(zhǔn)形貌Fig.3 Standard weld appearance

采用激光位移傳感器對(duì)坡口截面信息進(jìn)行采集，基恩士LJ-G080 2D激光位移傳感器為800像素線激光，在傳感器頭與測(cè)量物體距離為80mm參考距離時(shí)，其x軸最佳測(cè)量范圍為32mm，x軸的重復(fù)測(cè)量精度為 10μm，z軸的重復(fù)測(cè)量精度為1μm。

表1 焊縫缺陷判斷條件Tab.1 Weld defect analyzing condition

由于機(jī)械加工和安裝等因素的影響，激光位移傳感器發(fā)射出的線激光與車體型材表面不可能完全平行，難免存在一定的夾角。直接使用激光傳感器采集到的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)焊縫截面模型對(duì)比必定會(huì)存在基準(zhǔn)線不同而造成的誤差對(duì)采集到的型材表面數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘直線擬合，然后將整體曲線數(shù)據(jù)基準(zhǔn)線根據(jù)擬合結(jié)果旋轉(zhuǎn)至水平位置再與標(biāo)準(zhǔn)焊縫截面模型進(jìn)行對(duì)比。

由直線擬合的最小二乘法可知，對(duì)給定區(qū)域的離散點(diǎn)集（xi，f（xi））（i=0，1…m）進(jìn)行直線擬合即為在線性無(wú)關(guān)的函數(shù)集合 Φ=span{φ0（x），φ1（x），…，φn（x）}中求解 S*（x）∈Φ，使其誤差平方和滿足：

在激光傳感器采集到的800個(gè)像素點(diǎn)數(shù)據(jù)中，分別截取坡口左側(cè)的第150～250和坡口右側(cè)的第650～750個(gè)點(diǎn)，將這兩段離散點(diǎn)集擬合成一條直線。將一次型材上表面的擬合結(jié)果繪制如圖4所示。

以擬合的結(jié)果作為基準(zhǔn)線，對(duì)實(shí)測(cè)曲線通過(guò)逐點(diǎn)與基準(zhǔn)線相減將其旋轉(zhuǎn)至水平位置，這樣使得所有點(diǎn)的基準(zhǔn)統(tǒng)一到水平線上，實(shí)現(xiàn)了實(shí)測(cè)焊縫與標(biāo)準(zhǔn)截面模型曲線基準(zhǔn)的重合。

圖4 基準(zhǔn)線擬合結(jié)果Fig.4 Baseline fitting result

2.3 常見(jiàn)焊縫表面缺陷的識(shí)別

（1）余高過(guò)高的識(shí)別。通過(guò)LJ-G080激光位移傳感器對(duì)準(zhǔn)余高過(guò)高缺陷部位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。并對(duì)采集到的焊縫表面數(shù)據(jù)根據(jù)上一節(jié)的方法進(jìn)行預(yù)處理然后與焊縫標(biāo)準(zhǔn)截面模型進(jìn)行對(duì)比。在上位機(jī)程序中設(shè)置焊縫高度的上限值為1.8mm，在連續(xù)的10次截面檢測(cè)數(shù)據(jù)中若有連續(xù)的10個(gè)數(shù)的高度值超過(guò)1.8mm則認(rèn)為此處為余高過(guò)高缺陷。

圖5 以水平線為基準(zhǔn)的焊縫截面數(shù)據(jù)Fig.5 Weld cross-section data based on horizontal lines

圖6 余高過(guò)高截面數(shù)據(jù)Fig.6 Overhigh excess weldmetal cross-section data

（2）咬邊的識(shí)別。對(duì)準(zhǔn)咬邊缺陷部位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理。在上位機(jī)程序中設(shè)置焊縫高度的下限值為-0.5mm，在連續(xù)的10次截面檢測(cè)的焊趾部位（-2

（3）未焊滿的識(shí)別。對(duì)準(zhǔn)未焊滿缺陷部位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理。在上位機(jī)程序中設(shè)置焊縫高度的下邊界函數(shù)，在連續(xù)的10次截面檢測(cè)數(shù)據(jù)中若有連續(xù)的10個(gè)數(shù)的高度值低于下邊界函數(shù)則認(rèn)為此處為未焊滿缺陷。

圖7 咬邊截面數(shù)據(jù)Fig.7 Undercut cross-section data

圖8 未焊滿截面數(shù)據(jù)Fig.8 Not weld fully cross-section data

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了檢測(cè)上述方法的有效性，搭建如圖9所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并編寫(xiě)上位機(jī)程序進(jìn)行了功能性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)整條焊縫先后進(jìn)行激光掃描檢測(cè)和人工肉眼檢測(cè)，激光掃描檢測(cè)結(jié)果展示如表2所示，人工肉眼檢測(cè)結(jié)果展示如表3所示。

圖9 激光視覺(jué)焊縫表面質(zhì)量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)Fig.9 Weld surface quality inspection experiment based on laser vision

通過(guò)以上兩種檢測(cè)方式檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比可以看出激光掃描焊縫表面質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)有效可靠，檢測(cè)的精度較手工檢測(cè)更高，能夠滿足焊縫表面質(zhì)量檢測(cè)的需求。本文研究成果對(duì)豐富自動(dòng)化焊接技術(shù)，推進(jìn)基于機(jī)器視覺(jué)的智能焊接設(shè)備的研究具有一定的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。

表2 激光掃描檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Laser scanning results

表3 人工肉眼檢測(cè)結(jié)果Tab.3 Artificial visual inspection results

4 結(jié)論

提出了一種激光掃描焊縫截面的缺陷檢測(cè)方法，通過(guò)不同的焊縫表面缺陷類型的特點(diǎn)給出不同的判定識(shí)別條件，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。

測(cè)量過(guò)程采用線激光，缺陷檢測(cè)準(zhǔn)確。獲得的數(shù)據(jù)為一維數(shù)組，大大減少了數(shù)據(jù)量，相應(yīng)算法運(yùn)算速度快，提高了焊縫檢測(cè)效率。

焊縫檢測(cè)與焊接過(guò)程同步進(jìn)行，節(jié)省了人工檢測(cè)環(huán)節(jié)的時(shí)間。對(duì)缺陷信息進(jìn)行三維展示并保存顯著提高了缺陷信息的追溯性。