基于單目視覺的汽車鈑金零件焊接系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王建勇，仇建華

（1.上海通用東岳汽車有限責(zé)任公司，山東 煙臺(tái) 264000；

2.西安航空學(xué)院車輛與醫(yī)電工程系，陜西 西安 710089 ）

基于單目視覺的汽車鈑金零件焊接系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王建勇1，仇建華2

（1.上海通用東岳汽車有限責(zé)任公司，山東 煙臺(tái) 264000；

2.西安航空學(xué)院車輛與醫(yī)電工程系，陜西 西安 710089 ）

針對(duì)汽車鈑金零件在激光焊接過程中存在的誤差較大等問題，設(shè)計(jì)了一種基于單目機(jī)器視覺的汽車鈑金零件焊接系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過視覺傳感器測(cè)量汽車鈑金零件的二維焊縫尺寸，并在焊接后通過計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理實(shí)施焊縫質(zhì)量檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)器視覺焊縫質(zhì)量好、工作穩(wěn)定可靠，能夠有效提高汽車鈑金零件焊縫尺寸的激光焊接精度，有利于實(shí)現(xiàn)汽車鈑金零件激光焊接的過程自動(dòng)化。

汽車鈑金；單目視覺；激光焊接；圖像處理；視覺標(biāo)定

CLC NO.:U461.91Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)02-09-04

引言

近年來，激光焊接在汽車鈑金零件焊接工藝中得到了廣泛的應(yīng)用，其具有焊接效率高，熱影響區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)，但是由于激光焊接過程中存在光斑半徑較小、被焊零件精度要求高等缺陷，直接影響到汽車鈑金零件的加工精度，導(dǎo)致焊接效率和產(chǎn)品質(zhì)量下降[1]。然而隨著計(jì)算機(jī)視覺檢測(cè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，

使得激光焊接技術(shù)的完善得到了新的啟示[2]。

本文設(shè)計(jì)了一種基于單目視覺的汽車鈑金零件焊接系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過CCD圖像傳感器采集汽車鈑金件接縫上的圖像，并將圖像信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理，以獲取接縫位置信息，并通過此信息識(shí)別焊槍與接縫之間的偏差量，運(yùn)用控制算法得出控制信號(hào)，并將控制信號(hào)傳達(dá)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)焊點(diǎn)的位置以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接目的。

1、視覺檢測(cè)系統(tǒng)的組成及工作原理

視覺檢測(cè)系統(tǒng)的組成主要包括輔助光源、CCD圖像傳感器、鏡頭、圖像采集卡、圖像處理單元、激光焊接設(shè)備以及視覺系統(tǒng)標(biāo)定等部分[3]。該系統(tǒng)主要利用CCD圖像傳感器，在輔助光源的作用下，采集待焊接的汽車鈑金零件圖像信息，通過圖像采集卡生成零件表面的數(shù)字圖像，將采集到的數(shù)字圖像信息傳遞給圖像處理單元進(jìn)行圖像預(yù)處理，獲得質(zhì)量改善后的圖像，在此基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺處理技術(shù)，提取焊接件圖像中焊縫局部特征，并通過測(cè)量算法求出焊縫的位置坐標(biāo)，并對(duì)焊接程序進(jìn)行閉環(huán)校正，在焊接結(jié)束后還可利用該系統(tǒng)對(duì)焊接結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)。如圖1 所示為基于單目視覺的汽車鈑金零件焊接系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。

2、視覺檢測(cè)系統(tǒng)的硬件組成

2.1 視覺傳感器的選型

機(jī)器視覺系統(tǒng)的大多數(shù)用戶知道CCD圖像傳感器是系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，而且經(jīng)常將其認(rèn)為是視覺系統(tǒng)的傳感器。但是CCD圖像傳感器本身就是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)包括鏡頭、信號(hào)處理、通訊接口，還有處于核心位置的將像元轉(zhuǎn)化為電子的設(shè)備，即圖像傳感器。盡管鏡頭和其它部件都在擴(kuò)展相機(jī)的能力，但最終是傳感器決定著CCD圖像傳感器的最大性能[4]。

2.2 鏡頭及輔助光源的選擇

CCD圖像傳感器鏡頭是計(jì)算機(jī)視覺中的關(guān)鍵設(shè)備之一，光學(xué)鏡頭的功能主要用來進(jìn)行光學(xué)成像，在機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)中，鏡頭的主要作用是講成像目標(biāo)聚焦在圖像傳感器的光敏面上。鏡頭的質(zhì)量直接影響到機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)的整體性能，合理選擇和安裝光學(xué)鏡頭，是機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。在用于尺寸測(cè)量的情況下，系統(tǒng)采用專用的小光圈遠(yuǎn)角鏡頭，既能夠滿足小鏡頭變形率和大景深的要求，而且可以獲取最佳的成像效果。

輔助光源選擇與安裝直接影響到整個(gè)視覺檢測(cè)系統(tǒng)的工作性能，因此要求輔助光源應(yīng)盡可能地突出焊縫特征，增加對(duì)比度，輔助光源的顏色及測(cè)量物體表面的顏色決定了反射到攝像頭的光能的大小及波長。白光或某種特殊的光譜在提取其他顏色的特征信息時(shí)可能使比較重要的因素。當(dāng)分析多顏色特征的時(shí)候，選擇光源的時(shí)候，色溫是一個(gè)比較重要的因素。例如，鹵燈更多表現(xiàn)為黃色，相比氙燈顯現(xiàn)藍(lán)色[5]。

2.3 圖像采集卡

視覺檢測(cè)系統(tǒng)中的圖像采集卡采用Orlando AN series圖像采集卡，接口類型3U-Compact PCI、PCI Express x1、PC/104-plus）模擬的視頻輸入和視頻輸出，PAL/NTSC 50/60Hz制式，支持CVBS，Y/C or RGB，圖像分辨率：720×576 (PAL)，720×484 (NTSC)。兩個(gè)獨(dú)立的模擬視頻輸出和兩個(gè)獨(dú)立的模擬視頻輸入，高性能視頻輸入實(shí)時(shí)定標(biāo)。全幀疊加，2個(gè)通用的輸出和2個(gè)通用的輸入低功耗，溫度-0°C到+70°C，可選寬溫-40°C 到+85°C，支持多種軟件與操作系統(tǒng)，該圖像采集卡支持多種格式的視頻輸出，具有靈活、集成度高、功耗低等特點(diǎn)[6]。

2.4 數(shù)字圖像信息處理平臺(tái)

數(shù)字圖像信息處理平臺(tái)是整個(gè)視覺檢測(cè)系統(tǒng)的

核心。該平臺(tái)采用美國Microsoft公司推出的Visual Studio 2008，VS2008是一種高性能機(jī)器視覺軟件平臺(tái)，支持windows操作系統(tǒng)，整合了對(duì)象、關(guān)系型數(shù)據(jù)、XML的訪問方式，語言更加簡潔。使用Visual Studio 2008可以高效開發(fā)Windows應(yīng)用程序。設(shè)計(jì)器中可以實(shí)時(shí)反映變更，XAML中智能感知功能可以提高開發(fā)效率。同時(shí)Visual Studio 2008支持項(xiàng)目模板、調(diào)試器和部署程序。Visual Studio 2008可以高效開發(fā)Web應(yīng)用，集成了AJAX 1.0，包含AJAX項(xiàng)目模板，它還可以高效開發(fā)Office應(yīng)用和Mobile應(yīng)用，同時(shí)擁有多種圖像預(yù)處理算法、圖像自動(dòng)識(shí)別算法，而且支持嵌入式腳本，支持編輯算法以及能夠制定用戶界面[7]。

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與視覺系統(tǒng)標(biāo)定

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)首先利用CCD圖像傳感器采集焊縫圖像信息，經(jīng)過圖像采集卡采集之后由圖像處理單元進(jìn)行處理，經(jīng)過調(diào)用預(yù)處理函數(shù)進(jìn)行圖像預(yù)處理，預(yù)處理完成后進(jìn)行閾值化分割，并根據(jù)圖像識(shí)別出所需要的焊縫特征，求解焊縫特征的最佳點(diǎn)與角度，轉(zhuǎn)換成焊縫的起點(diǎn)和終點(diǎn)，提取焊縫的位置參數(shù)信息，重復(fù)上述步驟直到所有的焊縫全部被處理完。圖像處理過程如圖2所示。

當(dāng)所有焊縫位置參數(shù)信息獲取完成后，則執(zhí)行加工程序?qū)嵤┘す夂附印．?dāng)焊接完成時(shí)還需要檢測(cè)焊縫的質(zhì)量，與合格的焊縫進(jìn)行對(duì)比，若出現(xiàn)不合格情況，則進(jìn)行補(bǔ)焊。如圖3所示為軟件工作流程圖。

3.2 視覺系統(tǒng)標(biāo)定

任何測(cè)量系統(tǒng)都難免會(huì)出現(xiàn)誤差，其中CCD圖像傳感器產(chǎn)生的誤差；鏡頭產(chǎn)生的誤差；機(jī)械系統(tǒng)的精度；軟件計(jì)算中的誤差均會(huì)影響到視覺測(cè)量精度。利用Matlab軟件可對(duì)CCD圖像傳感器或真實(shí)坐標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)或自動(dòng)再校正。如圖4至圖6所示為視覺系統(tǒng)的標(biāo)定結(jié)果。

4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖7所示為采用單目機(jī)器視覺測(cè)量進(jìn)行激光焊接的圖像，左圖為CCD圖像傳感器采集的圖像實(shí)施預(yù)處理之后進(jìn)行閾值化分割的結(jié)果，分割閾值選擇為0.9；右圖為采用了采用單目機(jī)器視覺測(cè)量的激光焊接之后焊縫的圖像，從圖中可以看出采用單目機(jī)器視覺測(cè)量的汽車鈑金零件焊接效果非常理想，達(dá)到了實(shí)際生產(chǎn)的要求。

5、結(jié)束語

本文針對(duì)汽車鈑金零件的激光焊接過程中存在的誤差較大等問題，通過單目機(jī)器視覺系統(tǒng)進(jìn)行汽車鈑金件焊縫的位置檢測(cè)，并在焊接后進(jìn)行焊縫的質(zhì)量檢測(cè)。該系統(tǒng)不僅能夠減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，大幅提高焊接效率，而且機(jī)器視覺焊縫質(zhì)量好、工作穩(wěn)定可靠，能夠有效提高汽車鈑金零件焊縫尺寸的激光焊接精度，有利于實(shí)現(xiàn)汽車鈑金零件激光焊接的過程自動(dòng)化。

[1] 王慶香,孫炳達(dá),李迪.焊縫位置識(shí)別的圖像處理方法設(shè)計(jì)[J].焊接學(xué)報(bào),2005.

[2] 李鶴喜.基于視覺反饋的焊接機(jī)器人自主示教關(guān)鍵技術(shù)研究[D].華南理工大學(xué),2010.

[3] 陳志翔;宋永倫,張軍,等.基于激光視覺傳感的鋁合金自適應(yīng)焊接[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006.

[4] 陳新松.機(jī)器視覺在鈑金零件激光焊接中的應(yīng)用[J].第12屆全國特種加工學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,2007.

[5] 廖強(qiáng),周憶,米林,等.機(jī)器視覺在精密測(cè)量中的應(yīng)用[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2002.

[6] 鄭南寧.計(jì)算機(jī)視覺與模式識(shí)別[M].北京:國防工業(yè)出版社,1998.

[7] 鄭定根.基于激光視覺的焊縫跟蹤系統(tǒng)的研究[D].南京理工大學(xué),2007.

Design of automotive sheet metal welding system based on monocular vision

Wang Jianyong1, Qiu Jianhua2

(1.Shanghai GM Dongyue Automobile Co., Ltd, Shandong Yaitai 264000;
2.Xi’an Aeronautical University Vehicle and Medical Engineering Department, Shaanxi Xi'an 710089)

Aim at automotive sheet metal parts in the process of laser welding problem such as the error is bigger etc, a kind of automotive welding sheet metal system based on monocular vision is designed, this system through visual sensor measure automobile sheet metal 2D weld dimension, and through computer image processing after welding weld quality inspection. Experimental results show that the machine vision weld quality is good, work stable and reliable, and can effectively improve precision of the automotive weld size of the laser welding sheet metal parts, actualizing the automotive sheet metal parts of laser welding process automation.

automotive sheet metal; monocular vision; laser welding; image processing; vision calibration

U461.91

A

1671-7988(2014)02-09-04

王建勇，就職于上海通用東岳汽車有限責(zé)任公司。