基于机器视觉的大型管道自动焊接系统_刘申.pdf

第4 0卷第1期2 0 2 3年2月河 北 省 科 学 院 学 报J o u r n a l o f t h e H e b e i A c a d e m y o f S c i e n c e sV o l.4 0 N o.1F e b.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 2-0 9-2 5基金项目:河北省科学院高层次人才培养与资助项目(2 0 2 2 G 2 4);石家庄市科技创新团队项目(2 2 8 7 9 0 2 8 6 A)作者简介:刘 申(1 9 9 0-),男,河北滦县人,硕士,工程师,主要从事机电一体化技术研究.文章编号:1 0 0 1-9 3 8 3(2 0 2 3)0 1-0 0 2 6-0 4基于机器视觉的大型管道自动焊接系统刘 申1,2,张 雷1,2,高林鹤1,2,李 欣1,2,赵东哲1,2(1.河北省机电一体化中试基地有限公司,河北 石家庄 0 5 0 0 8 1;2.河北省工业测控技术创新中心,河北 石家庄 0 5 0 0 8 1)摘 要:针对大型长输管道(直径1 2 0 0 mm)现场施工条件下对接环形焊缝焊接精度要求高、作业环境恶劣等问题,采用机器视觉、弧压跟踪、倾角检测技术使焊接专用机器人自主跟踪并规划焊接路径,自动调整弧压、电流等焊接参数,实现大型长输管道环焊缝全位置自动焊接。经实际应用表明,可显著提高焊接质量和效率,减轻操作人员劳动强度,减少可能的事故性损失。关键词:焊接机器人;机器视觉;自动化中图分类号:T P 2 7 3 文献标识码:AA u t o m a t i c w e l d i n g s y s t e m f o r l a r g e p i p e b a s e d o n m a c h i n e v i s i o nL I U S h e n1,2,Z H A N G L e i1,2,G A O L i n-h e1,2,L I X i n1,2,Z H A O D o n g-z h e1,2(1.H e b e i P r o v i n c e M e c h a t r o n i c s P r e-p r o d u c t i o n B a s e C o.,L t d.,S h i j i a z h u a n g H e b e i 0 5 0 0 8 1,C h i n a;2.H e b e i P r o v i n c e I n d u s t r i a l M e a s u r e m e n t a n d C o n t r o l T e c h n o l o g y I n n o v a t i o n C e n t e r,S h i j i a z h u a n g H e b e i 0 5 0 0 8 1,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n g a t t h e p r o b l e m s o f h i g h w e l d i n g a c c u r a c y a n d h a r s h w o r k i n g e n v i r o n m e n t o f l o n g d i s t a n c e p i p e l i n e(d i a m e t e r 1 2 0 0 mm),m a c h i n e v i s i o n,a r c v o l t a g e t r a c k i n g a n d i n c l i n a t i o n d e t e c t i o n t e c h n o l o g y a r e u s e d t o m a k e t h e s p e c i a l w e l d i n g r o b o t t r a c k a n d p l a n t h e w e l d i n g p a t h i n d e p e n d e n t l y,a n d a u t o m a t i c a l l y a d j u s t t h e a r c v o l t a g e,c u r r e n t a n d o t h e r w e l d i n g p a r a m e t e r s,s o a s t o r e a l i z e t h e a u t o m a t i c w e l d i n g o f t h e w h o l e p o s i t i o n o f l o n g d i s t a n c e p i p e l i n e.T h e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n o f a u t o m a t i c p i p e l i n e w e l d i n g s y s t e m b a s e d o n m a c h i n e v i s i o n s h o w s t h a t i t c a n i m p r o v e t h e w e l d i n g q u a l i t y a n d e f f i c i e n c y,r e d u c e t h e w o r k i n g i n t e n s i t y o f p e r s o n n e l a n d t h e p o s s i b l e a c c i d e n t l o s s.K e y w o r d s:W e l d i n g r o b o t;M a c h i n e v i s i o n;A u t o m a t i o n0 引言随着我国经济的快速发展,对供水、热力、排污等大直径管道建设的需求也逐渐增加。由于焊接工作环境差、劳动强度大,我国焊接技术人员流失比较严重,且焊接职业培训体系尚不完备,专业焊接人才的供需矛盾日显突出1。我国的大型管道自动焊接技术起步相对较晚,而随着控制技术、传感技术的不断进步,管DOI:10.16191/ki.hbkx.2023.01.002第1期刘 申等:基于机器视觉的大型管道自动焊接系统道自动焊也逐渐向多传感器、智能化、柔性加工单元方向发展。目前国内仍有部分管道自动焊接系统打底层焊接时需要人工干预,且对焊接工件的规格有严格要求,对复杂焊接工程的适应性较差。本文所论述的基于机器视觉的大型管道自动焊接系统,针对大型长输管道(直径1 2 0 0 mm)现场施工条件下对接环形焊缝全位置自动化焊接需求,融合机器视觉、弧压跟踪、倾角检测技术及运动控制技术,实现了大型管道环焊缝全位置打底层、填充层、盖面层的自动焊接。该管道焊接系统的研发和应用可以有效提高管道焊接质量和焊接效率,实现焊接工艺的统一化和数字化,减轻人员工作强度,减少可能的事故性损失。1 基于机器视觉的大型管道自动焊接系统组成及工作原理基于机器视觉的大型管道自动焊接系统由专用焊接机器人、焊缝检测追踪系统、控制系统构成。整体焊接方案采用有轨式上向焊,轨道采用多段拼装方式环绕管道一周,轨道布满齿槽,根据管径将多个轨道部件拼接后使用。焊接机器人通过齿轮与轨道相咬合实现焊接机器人沿管道的周向运动,焊枪滑台与摆动电机相连接,带动焊枪进行往复摆动2。控制系统基于S T C-8 A 8 K系列单片机,分为主控系统和手操器两部分;主控系统负责焊接机器人的运动控制并通过R S 4 8 5协议与上位机、手操器、倾角传感器交互数据;手操器用于采集操作面板各功能按钮信号。自动焊接时,先由工业相机对焊缝宽度进行检测,主控系统结合倾角传感器数据与焊缝宽度自动调整焊枪的摆动宽度、前进距离、焊炬高度、电流、电压、运动轨迹等工艺参数3,从而实现大型管道环焊缝打底层、填充层、盖面层的自动焊接,系统组成如图1所示。上位机组装式桥型连接器整体式桥型连接器抛道连接部件100-160mm轨道板450mm定长轨道板通用轨道部件周长调节轨道部件柔性轨道系统送丝电机及驱动器升降电机及驱动器摆动电机及驱动器走行电机及驱动器外部信号电路通讯转换电路运动控制电路通讯电路隔离电源电路焊接单元走行单元手操器主控系统专用焊接机器人控制系统基于机器视觉的大型管道自动焊接系统电压放大电路平面阵列COMS工业相机LRC滤波650nm窄带滤光片焊接参数采集单元弧压采集电路650nm鲍威尔棱镜线激光器通讯单元弧压采集系统机器视觉采集系统专用数字焊机焊缝检测追踪系统图1 基于机器视觉的大型管道自动焊接系统组成示意图数字焊机弧压采集单片机OPC上位机图像采集鲍威尔棱镜线激光器待焊接管道平面阵列COMS相机图2 焊缝检测追踪系统工作原理示意图检测追踪系统由工业相机、线激光器、弧压测量装置三部分组成,其中线激光器向管道坡口投射“一”字线激光条纹,引导工业相机采集激光条纹图像4,坡口底端待焊接区域激光条纹会出现断裂,采集的图片经上位机处理后统计间断点之间所包含的像素点个数,从而得出坡口信息5,焊缝检测追踪系统工作原理如图2所示,焊缝检测流程如图3所示。72河北省科学院学报2 0 2 3年第4 0卷数据库焊缝宽度计算焊缝宽度计算断点区域像素计算断点判断提取激光条纹中心线二值化处理中值滤波图像灰度化处理图像处理环焊缝图像采集采集指令图3 焊缝检测流程图间断点判断方法是从图像最左侧列开始向下寻找中心线点(非0像素点),以此点为中心,依次判断相邻8个像素点中非0点个数N,当N=2时,此点为连续点,当N=1时,此点为间断点。如图4所示,P 2相邻8个点中非0点包括P 1和P 3,数量为2,故P 2为连续点。P 1相邻8个点中非0点只有P 2,数量为1,故P 1为间断点。两个间断点之间的像素个数即为焊缝待焊接区域的宽度,环焊缝视觉测量界面如图5所示。焊接过程中,系统根据焊炬弧压的变化自动调节焊枪高度,针对起弧阶段的弧压特性设计L R C滤波和浪涌抑制电路,使用LM 3 5 8和HD N R 2 0 1搭建的隔离采样电路对分压后的信号进行采集。电弧电压取自J 1点,C 1、C 2采用高压瓷片电容,当引弧频率f=2 5 0 k H z时,R 2、C 1、C 2的并联复阻抗的模Z=3.3,R 2的分压小于R 1分压,有效保护了后级电路免受高频高压冲击,弧压采集电路原理如图6所示。图4 中心线断点判断图5 环焊缝视觉测量界面图6 焊炬弧压采集电路原理图82第1期刘 申等:基于机器视觉的大型管道自动焊接系统2 实验与应用为了验证系统的可靠性和焊接效果,搭建了大型管道环焊缝自动焊接实验平台,实验不同管壁环形焊缝打底层、填充层、盖面层自动焊接工艺参数,并建立大型管道环焊缝焊接工艺参数库,如图7所示,图8是现场自动焊接效果。本自动焊接系统已在山西某煤气综合利用项目和新疆某供水管网复线建设项目中使用,经运行表明,焊接系统工作稳定,各软、硬件运转正常,焊缝光滑美观,高低、宽窄一致,焊缝金属向母材金属过渡圆滑,焊缝不存在咬边、焊瘤、弧坑、气孔、裂纹等缺陷。图7 焊接工艺参数库界面图8 现场自动焊接效果3 结束语伴随国内大量管道的建设,以及对石油、天然气、供热等特种管道运行安全和环境保护要求的日益提高,传统手工焊和半自动焊已不能满足施工质量和效率的要求。基于机器视觉的大型管道自动焊接系统的研发及推广应用能减轻现场人员工作强度,同时有助于实现焊接工艺的数字化,在大型管道自动焊接领域有着广阔的应用前景。参考文献:1 尹铁,赵弘,张倩,等.长输油气管道焊接机器人的技术现状与发展趋势J.石油科学通报,2 0 2 1,6(1):1 4 5-1 5 7.2 曹志飞,段瑞斌,王天琪,等.管道自动焊接机器人控制系统研究J.热加工工艺,2 0 2 2,5 1(1 3):1 0 3-1 0 6.3 汤宇.管道全位置焊接机器人控制技术研究D.襄阳:湖北文理学院,2 0 2 2.4 陆春梅.基于数字图像处理技术的