基于Matlab的焊缝跟踪系统的设计

杜成超，郭华锋，许 成

（1.徐州工程学院 机电工程学院，江苏 徐州 221008；2.河海大学 计算机与信息学院，江苏 常州 213022）

在现代制造业生产中，焊接是重要的工艺方法之一。保证焊接产品质量的稳定性和提高劳动生产率已成为生产发展亟待解决的问题[1]。不规则焊缝的板件焊接在现实生产中占了很大的比例，目前在板件焊接中往往采用焊接机器人或焊接小车自动焊接。焊接机器人焊接时，焊接路径往往在控制系统中预设好，但由于工人操作失误，焊缝往往和预设路径有偏差，造成了焊接质量不稳定；焊接小车焊接时，受现场地面状况的影响，电弧电压不稳定，使得焊接质量不稳定。

针对现有的板件对接设备的不足，提出了一种基于Matlab软件的焊缝跟踪系统。设计了一种焊枪位置调节装置，建立各环节数学模型，在不同的比例系数下，计算系统对阶跃信号响应结果，确定了满足系统使用要求的比例系数和采样频率；确定了系统处理图像的过程，并且编写了相应的程序，研究了确定焊枪与焊缝中心偏差距离的算法，并开发了一套基于Matlab的焊缝跟踪控制软件，最后进行了测试。

1 工作原理

系统的工作原理如图1所示，步进电机带动丝杠1，实现在焊缝主方向的运动，丝杠1带动丝杠2以及夹持装置在焊缝的主方向上前进，CCD摄像头采集焊缝结构光图像，利用上位机对图像进行处理，获得焊枪与焊缝中心的偏差距离，并将偏差距离通过串口发送到DA转化模块，DA转化模块对偏差距离进行DA转化，放大器对模拟信号进行放大，最后驱动直流电机，直流电机通过齿轮组带动丝杠2，从而调节加持装置，即焊枪，线状激光投影仪和CCD摄像头的位置，从而消除偏差，实现焊缝跟踪。

图1 系统结构Fig.1 System structure

2 焊枪位置调节装置的设计

2.1 位置调节装置的结构

方向调节装置包括上位机、DA转化模块、放大器、直流电机、丝杠和装夹机构（主要用于夹持焊枪、CCD摄像头和激光条纹投影仪）；其系统功能框图如图2所示。

图2 方向调节系统功能框图Fig.2 Function diagram of direction adjusting system

2.2 位置调节装置参数确定及性能分析

方向调节系统中CCD摄像头、上位机和DA转化是一个采集环节，主要是将焊缝与焊枪的偏差距离转化为电压信号，由于偏差距离和电压信号是成正比的（5e-3m偏差距离转化为5 V电压），因此本环节可视为比例环节；放大器、齿轮组丝杠均是比例环节，将系统中所有比例环节的传递函数记为K。

出于对系统采集、分析数据的考虑，设计CCD摄像头每秒采集图像n次，因此本系统是一个闭环采样系统，采样环节是惯性环节，传递函数为：

文献[2]提出了一种实验测定直流电动机传递函数的方法，使用这种方法测得本设计中直流电机的传递函数为：

建立系统模型，如图3所示。

图3 方向调节系统的建模及仿真Fig.3 Modeling and simulation of direction adjusting system

在分析了多个不同的K和t后，确定了当K=2，t=0.2时系统的工作状态较稳定，图3（b）为系统对斜率为0.5的斜坡信号的响应，其响应误差如图3（c），因此可以在K保持不变的情况下，根据实际生产要求，适当调整放大器的放大倍数和齿轮组的传动比。

3 焊缝跟踪控制软件

3.1 结构光图像处理

在自动焊接过程中，焊缝结构光图像处理是一个很关键的环节，也是实现焊缝自动跟踪的重要技术之一。本设计中，CCD摄像头拍摄的结构光图像经过图像采集卡传输给上位机，上位机对实时采集到的焊缝图像进行图像处理；经过二值化、中值滤波和图像细化[4]得到焊缝表面形状信息，进而提取得到焊缝特征数据。图像处理的过程如图4所示。

图4 结构光的图像处理Fig.4 Image processing for structure light

图4中，（a）图为原始图像，（b）图为二值化之后的图像，（c）图为中值滤波后的图像，（d）图为经过细化的图像，可见（d）图能够反映出焊缝的表面形状信息。

3.2 焊缝中心偏差距离的提取

对处理得到的结构光图像进行反值处理[5]，得到如图5的上半部分图像，对图像的每一行进行二值累加。从每一行累加后的值可以判断图像中焊缝的最低点所在的行，进而可以判断最低点所在的列，从而可以得到焊枪和焊缝中心的偏差距离如图5所示，图像中焊缝中心和图像中心的偏移距离间接反映了焊缝中心和焊枪的偏差距离，最后由图像和实际焊缝的比例可以计算出焊缝中心偏差距离。

图5 确定焊缝中心的方法Fig.5 Method to determine the weld center

3.3 控制软件编程

使用Matlab/Guide开发了一套焊缝跟踪控制软件[6]，控制软件主要实现了以下功能：处理CCD设备拍摄的图像提取特征数据，判断并显示此时焊枪偏离焊缝中心的距离；显示步进电机与直流电机的运行状态；显示当前的焊接电流及电压。

在实验中，软件运行良好，软件运行界面如图6所示。界面显示，目前焊枪偏离焊缝中心3.50 mm，焊接电流为172.2 A，焊接电压为24.3 V。

4 结 论

1）设计了一种应用于焊缝跟踪设备的方向调节系统，建立了系统的数学模型，确定了系统比例环节的系数K。

图6 控制软件界面Fig.6 Interface of control software

2）在Matlab环境下编写了用于焊缝图像处理和用于计算焊枪与焊缝中心偏差距离的算法，处理结果理想。

3）开发了一套焊缝跟踪控制软件，软件在实验中运行良好。

[1]吕凤琳.脉冲GTAW熔池动态过程无模型自适应控制方法研究[D].上海：上海交通大学，2008：4-5.

[2]王艳颖，王珍，郭丽环.直流电动机传递函数测定的实验研究[J].实验技术与管理，2008，25（8）：38-40.

WANG Yan-ying， WANG Zhen， GUO Li-huan.Experiment study on the transfer function for DC motor[J].Experimental Technology and Management， 2008， 25（8）：38-40.

[3]孟庆明.自动控制原理 [M].2版.北京：高等教育出版，2008.

[4]刘晓瑞.基于视觉传感的弧焊机器人焊缝图像信息优化处理[D].南昌：南昌大学，2010：29-40.

[5]张德丰.MATLAB数字图像处理[M].北京：机械工业出版社，2009.

[6]陈垚光.精通MATLAB GUI设计[M].北京：电子工业出版社，2008.