基于CCD传感器的螺旋焊管焊缝自动跟踪系统

杨 乐，王惠萌

（1.西北工业大学 自动化学院，西安 710129；2.西北工业大学 航海学院，西安710129）

0 前 言

管道运输是石油天然气等领域普遍采用的一种高效运输手段，螺旋埋弧焊管在管道输送所用钢管中占有很大比例。为了保证油气输送管道的安全运行，首先要保证所用钢管的产品质量，而在线埋弧自动焊的焊接质量是影响钢管产品最终质量的关键因素之一。

螺旋埋弧焊管的焊缝呈螺旋线状，焊接时焊缝以1.5～2.0 m/min的线速度螺旋式前进。由于受钢带宽度变化和钢带递送位置变化等因素的影响，成型状况也时常不稳定，成型后的钢管焊缝宽度会在一定范围内变化，这些不确定性因素都会使焊头偏离焊缝的中心位置，产生焊偏现象，这将直接影响焊接质量。为了将焊偏误差控制在规定的范围之内，迫切需要研究焊缝跟踪技术，实现焊接过程的智能化控制。

本研究介绍的基于CCD图像识别技术的螺旋焊缝跟踪系统，可以很好地满足螺旋焊缝的跟踪要求，并且具有经济性与实用性优势。

1 焊缝跟踪系统的工作原理

焊缝自动跟踪系统主要运用了数字图像处理、模式识别和数字控制等处理方法，采用高清CCD摄像机对生产过程中动态的焊缝进行实时成像及检测，自动提取并识别焊缝的中心位置，根据焊头与焊缝中心位置的偏差量，通过交流伺服机构做到焊头相对焊缝中心位置的随动跟踪，该自动跟踪系统原理如图1所示。

图1 焊缝自动跟踪系统原理框图

2 系统硬件组成

焊缝自动跟踪系统硬件结构主要由CCD传感器（即CCD面阵摄像机）、显示器、图像采集卡、运动控制器、输入/输出I/O接口板卡、工业计算机、交流伺服放大器和交流伺服电机等组成。系统硬件结构如图2所示。

图2 焊缝自动跟踪系统硬件结构图

半导体激光器是一个线性激光光源。CCD工业摄像机为复合彩色摄像机，将内焊与激光线成像的图像输入到图像卡。图像采集卡是一款基于PCI总线的彩色图像采集卡，主要功能是将复合视频信号进行数字化，输入工业计算机后进行识别处理。PCL725是继电器输出及隔离数字量输入接口卡，提供了八路机电式SPDT继电器输出和八路光隔离数字量输入。MPC07运动控制卡是基于PCI总线的数字式伺服电机的上位控制单元，它与工业控制计算机构成主从式控制结构，MPC07控制卡提供了功能强大的运动控制函数，通过二次开发和系统集成，可以充分调用运动控制函数资源，实现对交流伺服系统的精确控制。内焊自动跟踪根据焊缝图像的识别结果，通过对偏差量的计算和交流伺服系统，实现焊头对焊缝偏移的精确控制。交流伺服系统主要由交流伺服放大器和交流伺服电机组成。工业控制计算机是内焊自动跟踪系统的核心平台，在手/自动运行时，完成对图像的采集和显示，手动模式下完成焊头相对焊缝位置的手动控制纠偏；自动模式下通过对焊缝图像的预处理、焊缝中心识别、焊头相对焊缝中心偏差量的计算，启动运动控制和执行机构，实现焊头相对焊缝中心位置的自动纠偏和跟踪。

3 系统软件设计

3.1 图像采集模块

图像采集模块主要完成内焊成型图像和激光线图像的采集和存储。运行过程中，系统输入为标准的PAL制信号，图像采集模块采用单帧图像连续采集的方法，利用图像卡内部自带梳状滤波器，抗混叠滤波器等提高图像质量，以保证图像的连续性和稳定性，并通过对图像采集卡提供的函数资源进行二次开发，完成图像采集、存储和调用，具体过程如图3所示。

图3 焊缝自动跟踪系统图像采集处理过程

3.2 图像处理模块

图像处理模块完成焊缝的检测和识别。图像处理模块在对内焊缝成型图像和激光线特征图像预处理的基础上，运用了离散卷积、灰度变换、阈值分割、频域滤波、像素统计、数学形态学等数字图像处理、模式识别方法。灰度变换是对所采集到的图像的检测范围进行灰度的拉伸变换，提高焊缝中心影像特征与钢板图像的对比度，可以很好地排除由于钢板图像的差异造成的对跟踪系统的影响；阈值分割则是将灰度变换后的图像根据其灰度值的差异设定合适的阈值，完成检测区域图像的二值化；频域滤波可以将二值化后的图像进行去噪处理。经过处理后的检测区域，焊缝具有明显的影像特征，系统对检测区域进行像素统计，根据焊缝的影像特征，便可以利用离散卷积的办法确定焊缝中心的位置。这种方法适用于有坡口钢板和直接拼接成缝的钢板，具有较好的稳定性。

系统对检测区域进行灰度变换、阈值分割以及频域滤波等处理后，图像中激光线V形坡口的特征突出，系统利用膨胀、腐蚀等数学形态学对V形图像进行骨架提取，并将骨架提取后的V形图像进行水平投影，正确的识别出激光线图像的左右两个端点，而且可以排除由于钢板对激光线的反光造成的识别干扰。根据识别的激光线图像的端点，系统向V形图像底端方向搜索V形的最底端作为焊缝中心。若激光线成像不完整，则取V形图像的左右端点的中心作为焊缝的中心。系统还根据左右端点的坐标位置，计算出左右坡口尺寸、坡口整体宽度、左右坡口错边量等相关参数。

系统对离散卷积算法找到的焊缝中心与激光线辅助算法找到的焊缝中心进行比较和计算，得到焊缝的中心位置，并计算出焊缝中心位置与焊头实际位置的偏移量。根据图像像素与焊缝实际尺寸的对应分辨率，换算成相应的伺服机构的控制脉冲量，实现焊头位置自动跟随焊缝中心进行焊接的过程。

3.3 运动控制模块

运动控制模块通过调用运动控制卡提供的函数资源和相应的二次集成开发，并将PID控制技术应用于焊缝自动跟踪系统，根据偏差量控制数据。通过控制方式和相应控制信号设置及相应的编程开发，将运动控制集成到系统运行过程中，完成对交流伺服放大器和伺服电机的运动控制，保证焊头相对焊缝中心位置的精确纠偏控制。

3.4 信号逻辑输入输出控制模块

信号逻辑输入输出控制模块，通过读取手/自动状态转换逻辑信号，进行手/自动控制模式的切换。在手动模式下通过伺服电机正、反转操作键，实现手动模式下的左、右偏移量的手动控制；通过左、右光标移动键，实现焊缝检测框和中心定位线的左、右移动，给定焊缝检测区和焊缝中心初始定位值，为自动跟踪给定焊缝中心起始位置。通过读取手/自动状态转换逻辑信号，进行自动跟踪控制模式切换。在自动控制模式下，系统自动对焊缝中心进行识别处理，根据偏差量对焊头相对焊缝中心位置进行自动跟踪控制。当失踪或发生异常状况时，控制输出端口，实现报警。

系统以Windows为开发平台，VC++6.0作为开发工具进行软件设计，采用面向对象的编程思想，运用了类线程和多线程等编程技术。系统将不同的功能模块封装成为相应的类，便于功能扩展和系统维护。

图像基本功能类封装了图像采集、显示、存储等模块，主要完成图像采集卡的初始化、图像采集、显示、传输和存储等功能；运动控制类封装了相应的运动控制模块，完成运动控制卡的初始化、运动方式和控制量的设置，实现对交流伺服的相关操作和控制；I/O逻辑控制类封装了输入输出逻辑控制模块，完成I/O的初始化、输入端口状态的读取和输出端口的状态控制，运行过程中进行相应的逻辑状态判断，并进行相应的运行模式切换；图象应用类封装了图像处理的相关算法函数、焊缝图象的处理、识别方法、参数提取和控制量转换等主要应用功能模块。

软件设计应用了多线程技术和设计思想，图像采集、存储、显示过程与图像处理、识别各主要功能模块的运行，采用不同的主线程进行，线程运行采用了并行处理的方法，提高了系统的运行效率，实现了动态焊缝图像的在线实时处理。

4 系统软件流程

焊缝自动跟踪系统软件流程如图4所示。

图4 焊缝自动跟踪系统软件流程

系统运行时，首先对图像卡、运动卡和PCL725卡进行初始化。若初始化不成功，则退出系统；若初始化成功，通过读取手/自动逻辑控制信号的状态，控制手/自动控制模式的切换。控制信号状态为低电平时，系统处于手动状态；控制信号为高电平时，系统运行于自动跟踪模式。手动状态下，操作工人可以按原手动操作模式进行纠偏控制。

操作工人可以通过手/自动操作键，将运行状态切换到自动跟踪模式。在切换到自动状态之前，首先要根据屏幕图像中焊头和焊缝中心相对位置，通过电机正、反转操作控制键调整伺服电机，左右移动焊头使焊头与焊缝中心位置重合；然后根据屏幕图像检测框的位置，通过光标左、右移动操作键，将检测框十字光标定位于焊缝中心后，切换到自动状态，这时焊缝中心位置将作为自动跟踪的初始位置。自动状态下，系统对采集到的焊缝图像进行焊缝的处理识别，提取焊缝中心位置与初始定位值进行比较，根据偏差量控制交流伺服机构实施自动跟踪。

运行过程中根据工艺要求设定跟踪检测区和报警阈值。若跟踪过程中偏移量瞬时大于报警阈值，系统维持上次跟踪参数并启动报警计时，若偏移量连续大于报警记时阈值，启动报警，操作工人应通过手/自动操作键切换为手动状态，进行手动控制。报警解除后，可重新切换到自动跟踪模式。跟踪过程中，可自动提取显示左右偏移量、坡口尺寸、左右错边量等相关参数。

5 系统初始设置及跟踪效果

本研究焊缝自动跟踪系统在螺旋焊管生产线上进行了安装、调试和试运行。系统开机时运行于手动控制模式。操作人员通过电机正、反转控制键将焊头移至焊缝中心位置，即将焊头灯移至焊缝中心，然后通过光标左、右移动键调整定位框，使定位框中心线与焊缝中心位置重合,然后按下手/自动键，系统切换运行为自动状态。

在自动跟踪状态下，系统会自动检测焊缝偏离初始位置的状况，计算出焊缝中心与初始位置偏差量及相应的控制量，通过伺服电机和执行机构进行焊缝自动跟踪焊接，跟踪结果如图5所示。

图5 正常状态下焊缝自动跟踪结果

当跟踪发生失踪或超出跟踪误差范围时，系统及时进入异常报警状态，异常状态下焊缝自动跟踪结果如图6所示。此时，系统可由手动操作控制键控制电机移动，操作人员应立即根据实际情况进行手动调整，通过电机正、反转控制键调整焊头中心位置，将焊头中心位置调整到焊缝中心。调整完毕后，操作人员再解锁弹起手/自动控制键，将系统切换为手动状态。如果定位框中心线与焊缝中心位置重合没有发生漂移，可按下手/自动控制键，切换为自动状态进行跟踪；如果定位框中心线与焊缝中心位置发生漂移没有重合，可通过光标左、右移动键调整定位框，使定位框中心线与焊缝中心位置重合后，再按下手/自动控制键，切换为自动状态进行焊缝跟踪焊接。

图6 异常状态下焊缝自动跟踪结果

实际跟踪结果表明，焊头能及时跟踪到焊缝的中心位置，并将焊偏误差控制在了规定的范围内，减少了焊接缺陷，满足生产需要。

6 结 语

运用数字图像处理、模式识别和数字控制等处理方法，设计了基于CCD传感器的螺旋焊缝自动跟踪系统，实现了焊头对焊缝中心的可靠跟踪。实际使用结果表明，该系统能够满足螺旋埋弧焊管焊缝自动跟踪的需要，系统的使用极大地提高了焊接质量，降低了缺陷率以及工人劳动强度。

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