激光檢測(cè)波紋板折線位置的研究

激光檢測(cè)波紋板折線位置的研究

1我國生產(chǎn)中的波板自動(dòng)焊接設(shè)備目前，焊接機(jī)器人廣泛應(yīng)用于工廠，但這些機(jī)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(shí)際的產(chǎn)品有各種各樣的焊縫,不適合通用機(jī)器人焊接,因此開發(fā)適合于特定非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的具有一定自主性的、智能的移動(dòng)式焊接機(jī)器人成為機(jī)器人工業(yè)應(yīng)用研究的一個(gè)重要發(fā)展方向。在集裝箱自動(dòng)化焊接工業(yè)生產(chǎn)中,常常會(huì)遇到垂直的波紋板與平板(方粱)進(jìn)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(jī)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(cè)板厚僅1.5～2mm,共有大約154個(gè)折角。焊接過程中,焊槍在折彎處調(diào)整姿態(tài)時(shí)不能停留,否則會(huì)燒穿薄板。波紋板折角大于45°時(shí)在焊接折彎點(diǎn)時(shí)需要調(diào)整焊槍姿態(tài),因此需要精確檢測(cè)折角位置并實(shí)時(shí)調(diào)整姿態(tài),這成為集裝箱自動(dòng)焊接系統(tǒng)至關(guān)重要的一環(huán)。目前,市場(chǎng)上已經(jīng)存在針對(duì)折角小于45°的專用自動(dòng)焊接設(shè)備,如韓國某公司研制的針對(duì)折角小于30°的波紋板自動(dòng)焊接設(shè)備,使用的是接觸式傳感器,不能檢測(cè)折角。用于焊接機(jī)器人上的激光直反射光測(cè)距系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)焊縫識(shí)別和跟蹤,但是價(jià)格非常高,且精度不夠?；魇?KEYENCE)國際貿(mào)易有限公司提供的基于三角坐標(biāo)測(cè)量法的激光測(cè)距傳感器能精確測(cè)得表面距離,且響應(yīng)速度高,但是不能直接使用于焊接環(huán)境中,檢測(cè)波紋板折線位置還需要進(jìn)行二次開發(fā),且相對(duì)價(jià)格也比較高。2脈沖驅(qū)動(dòng)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(gè)中心波長為650nm,功率為10mW的半導(dǎo)體激光二極管,一個(gè)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(xué)組件構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng),采用TI公司TMS320LF2407產(chǎn)生脈沖驅(qū)動(dòng)CCD和進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。設(shè)備包括電焊機(jī)、四軸直線導(dǎo)軌焊機(jī)機(jī)器人和焊接工作臺(tái)等。2.1精度和檢測(cè)精度激光傳感器的測(cè)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(diǎn),漫反射光強(qiáng)分布近似服從Phong光照模型,表面粗糙度對(duì)漫反射和鏡面反射的能力有相應(yīng)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(gòu)成一個(gè)夾角θ,當(dāng)工件到傳感器之間的距離L增大時(shí),漫反射光點(diǎn)相對(duì)接收器軸線向上偏移,此時(shí)限位孔的特殊形狀形成的光錐在接收器內(nèi)向下偏移,使得d變小。同時(shí)因?yàn)楣獍叩倪h(yuǎn)離使得結(jié)構(gòu)光錐收縮變小,也導(dǎo)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(duì)應(yīng)關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)被測(cè)工件到傳感器之間距離的檢測(cè)。當(dāng)L增大時(shí),漫反射光點(diǎn)距離軸線位置h變高h(yuǎn)=(L?L0)tanθ,(1)h=(L-L0)tanθ,(1)其中L0是漫反射光點(diǎn)在CCD軸線位置時(shí)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(guān)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(guān)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(guān)系如下方程所示d=L+lLD.(4)d=L+lLD.(4)由(1)式～(4)式計(jì)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(guān)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(duì)應(yīng)L的值,需要設(shè)計(jì)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(fù)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(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)關(guān)系。本例中設(shè)計(jì)的傳感器參數(shù)Q=30°,l=60mm,L0=30mm,設(shè)計(jì)限位孔為對(duì)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(guān)系公式如下L=2558.4661.28+d.(6)L=2558.4661.28+d.(6)由此可知,測(cè)量出d,可計(jì)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(shè)計(jì)測(cè)距范圍為30～41.75mm,檢測(cè)精度為±0.005mm。從(5)式可以看出傳感器的測(cè)距精度與Q以及f(H)有關(guān)。2.2黑漆的光學(xué)特性和焊接系統(tǒng)由于焊接現(xiàn)場(chǎng),不僅有激光,還有弧光和自然光,這些光進(jìn)入CCD,會(huì)對(duì)跟蹤系統(tǒng)造成干擾,這是光學(xué)傳感器在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用都需要設(shè)計(jì)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(nèi)部刷啞光黑漆,可最大程度避免非軸向光線進(jìn)入傳感器后,再次反射形成干擾信號(hào)。同時(shí)設(shè)計(jì)了一種補(bǔ)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(qiáng)度的弧光和自然光進(jìn)行補(bǔ)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(jìn)入傳感器內(nèi)。區(qū)域1中的環(huán)境光可以進(jìn)入傳感器,產(chǎn)生誤信號(hào)。因此在AB之外的CCD僅感受環(huán)境光,將感受激光信號(hào)的CCD值與環(huán)境光的CCD信號(hào)求差。如果環(huán)境光在CCD上AA′區(qū)產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度非常接近激光信號(hào)在AB區(qū)的強(qiáng)度,則返回跟蹤失敗的報(bào)告,有效保護(hù)傳感器和焊接系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明,激光照射波紋板表面反射回傳感器,同時(shí)考慮環(huán)境光和能量衰減模型的影響,傳感器接收光強(qiáng)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(duì)信號(hào)采樣的設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)需要兩路完全反向的移位時(shí)鐘信號(hào)φ1和φ2,轉(zhuǎn)移脈沖SH,復(fù)位脈沖RS。選用TI公司TMS320LF2407的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)作為驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)采集芯片,采用事件A全比較單元1在PWM1腳產(chǎn)生400kHz的脈沖信號(hào),經(jīng)過74LS74的一個(gè)D觸發(fā)器分頻產(chǎn)生兩路反相占空比為50%的時(shí)鐘信號(hào)φ1和φ2。PWM2產(chǎn)生RS信號(hào),通過反向器74HC4049兩次反向后送出驅(qū)動(dòng),通過設(shè)置死區(qū)和PWM全比較單元的占空比時(shí)間實(shí)現(xiàn)同φ和RS相位關(guān)系,這樣DSP輸出的信號(hào)經(jīng)過處理后產(chǎn)生了完全同步反相的φ1和φ2,并且RS和φ1,φ2的相位關(guān)系可調(diào)。T2PWM輸出作為轉(zhuǎn)移脈沖SH。為了加快系統(tǒng)的采樣速率,采用查詢方式AD對(duì)信號(hào)采集。實(shí)驗(yàn)表明,SH信號(hào)為高的持續(xù)時(shí)間不能太長,否則CCD輸出第一幀的像素?zé)o效,而SH信號(hào)為高的典型時(shí)間為1000ns,數(shù)據(jù)處理和發(fā)送不能在這么短的時(shí)間內(nèi)完成。設(shè)計(jì)固定頻率和占空比的SH信號(hào),保證CCD正常工作。捕捉SH信號(hào)的下降沿,啟動(dòng)DSP的AD轉(zhuǎn)換,此時(shí)CCD輸出有效像素,然后進(jìn)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(hào)下降沿,再次啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換。即AD采樣為一個(gè)SH周期獲得完整的2212圖像數(shù)據(jù),接著一個(gè)SH周期進(jìn)行處理和發(fā)送,再等待下一個(gè)SH的下降沿進(jìn)行圖像采集。綜合考慮將CCD工作在400KB/s的時(shí)鐘下,DSP對(duì)每幀圖像數(shù)據(jù)處理時(shí)間與采樣時(shí)間相等,計(jì)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(jì)算線陣CCD輸出圖像如圖4中的細(xì)實(shí)線所示,r表示CCD行坐標(biāo),灰度值(0～255)表示縱坐標(biāo)。近似在0～800pixel和在2100～2160pixel時(shí),輸出曝光強(qiáng)度約為160,為環(huán)境光照射影響;在800～2100pixel輸出的曝光強(qiáng)度在63附近,為主動(dòng)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(diǎn),而真正曝光的寬度應(yīng)該從被主動(dòng)光源照亮的邊緣開始算起。將上述圖像的進(jìn)行二值化處理就是將256個(gè)亮度等級(jí)的灰度圖像通過適當(dāng)?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(diǎn)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(nèi)部有均勻一致的灰度值,并且其處在一個(gè)具有其它等級(jí)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(duì)獲得的CCD輸出位置-灰度圖轉(zhuǎn)化為灰度直方圖,然后選取閾值進(jìn)行二值化。步驟1:計(jì)算圖像灰度直方圖設(shè)一幅圖像的灰度級(jí)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(dá)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(jì)數(shù)操作。步驟2:為了最大程度快而且精確的計(jì)算出曝光寬度,需要將圖像進(jìn)行預(yù)處理,得到環(huán)境光強(qiáng)以及在環(huán)境光影響下的主動(dòng)光源照射部分光強(qiáng),并給出一個(gè)動(dòng)態(tài)的閾值,將圖像進(jìn)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(gè)峰值點(diǎn)。那么極大值點(diǎn)應(yīng)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(diǎn)對(duì)應(yīng)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(shí)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(jì)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(jì)算合理的邊緣,檢測(cè)亮斑的寬度。對(duì)離散的數(shù)字圖像,差分測(cè)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(dāng)S1最小時(shí)對(duì)應(yīng)圖像點(diǎn)k+R圖像明暗和當(dāng)S2最小時(shí)對(duì)應(yīng)圖像點(diǎn)k+R暗明交界位置,從而計(jì)算出曝光寬度。通過DSP編譯器編曝光寬度識(shí)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(jī)。圖4粗實(shí)線代表經(jīng)寬度識(shí)別程序處理后還原的圖像灰度值曲線。在實(shí)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(jī),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(cè)距傳感器和激光傳感器固定在同一個(gè)平面,測(cè)量波紋板表面距離10組,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。直尺為普通測(cè)量用直尺,精度為1mm。超聲波測(cè)距傳感器為美國邦納(BANNER)公司的q45ur3liu64c型傳感器,其測(cè)量精度為±0.01mm。從表1中可以看出直尺測(cè)量的數(shù)據(jù)、超聲波傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)和激光傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)基本吻合,激光傳感器的測(cè)距精度達(dá)到±0.05mm以上,已經(jīng)滿足焊接跟蹤精度要求。由于實(shí)驗(yàn)條件有限,直尺測(cè)量和超聲波測(cè)距精度都沒能反應(yīng)出激光傳感器的設(shè)計(jì)測(cè)距精度,傳感器的測(cè)距精度還有待于進(jìn)一步標(biāo)定。4前置傳感器檢測(cè)實(shí)驗(yàn)用波紋板樣品取自一般工業(yè)生產(chǎn)用波紋板,在實(shí)際焊接弧光照射環(huán)境下,用激光傳感器測(cè)量波紋板折線位置。圖6為實(shí)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(diǎn),是焊槍調(diào)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(diǎn)是波紋板表面到焊接小車參考面的實(shí)際距離。在折線位置之前任意處標(biāo)記絕對(duì)零點(diǎn),焊接小車從絕對(duì)零點(diǎn)位置以恒速度平行于波紋板平面段向前行走。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量出小車速度和采樣速度的匹配關(guān)系,可以將測(cè)量的數(shù)據(jù)和焊接位置相匹配。在系統(tǒng)辨識(shí)領(lǐng)域中,最小二乘法是利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)的主要手段。根據(jù)前置傳感器檢測(cè)所形成的表面輪廓偏差序列,通過速度配準(zhǔn)和時(shí)間配準(zhǔn)來確定被測(cè)點(diǎn)與點(diǎn)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(jì)算它們的交點(diǎn),給出折線位置。在上位機(jī)采用C++編制擬合程序,對(duì)波紋板折線位置進(jìn)行多次測(cè)量,結(jié)果如表2所示,測(cè)量誤差在±0.5mm范圍內(nèi),符合焊接跟蹤的要求。5cd-驅(qū)動(dòng)和圖像采集處理集裝箱中波紋板的自動(dòng)焊接是制約集裝箱自動(dòng)化生產(chǎn)的瓶頸,而關(guān)鍵在于波紋板折線位置的檢測(cè),本研究根據(jù)波紋板和底板的特點(diǎn),設(shè)計(jì)激光測(cè)距傳感器通過提前掃描波紋板來計(jì)算得到波紋板折線位置。主要結(jié)論如下:設(shè)計(jì)了一種新型的激光測(cè)距光路,實(shí)現(xiàn)了高精度的