不锈钢焊管CO2气体保护预焊错边自动检测系统的研制

针对不锈钢焊管CO 2气体保护预焊过程中对焊缝错边量的严格要求，研制了以激光为主动光源的视觉传感焊缝错边检测系统。采用VC++6.0开发的软件对图像数据进行处理，可以消除飞溅、坡口反光以及弧光对激光条纹的影响，能够准确进行焊缝错边量的检测。试验结果表明，该系统的检测精度和灵敏度均满足实际生产要求，循环周期小于60 ms，检测精度可达±0.2 mm。

不锈钢焊管预焊的焊接质量直接影响到钢管的最终焊接质量，因此预焊质量倍受人们关注，尤其是对错边量的控制。在焊接过程中，由于卡具的装配精度不高、板材的成型质量不好以及焊接过程中产生的热变形等等，均可造成焊管错边。错边会直接导致不锈钢焊管的有效壁厚减小，根部出现未焊透，且错边部位容易发生化学腐蚀，对焊管成型质量和使用寿命造成很大影响。此外，由于错边的存在，造成错边处的形状突变，使得焊管在承受工作压力时，错边处产生很大的局部附加应力，使该处应力水平过高。因此，实现不锈钢焊管预焊过程的错边实时自动检测，对精确控制焊缝错边量十分重要。

近年来，针对不锈钢焊管预焊过程中错边自动检测的研究比较少，现有的研究大多数围绕在焊缝偏差以及焊机高度的检测上，而关于错边的检测基本上依靠肉眼观察或者利用工具测量，只有极少数生产线实施在线自动检测。例如，由范家勇提出的利用万能角尺测量错边量，蒲汝军等人提出的利用钢板尺测量错边量，这两种方法都属于人工检测，测量结果误差大，效率低，不适用于大批量产品检测。印度卢尔凯莱钢公司（RSP）研制出的焊缝错边量在线激光位移检测装置取得了很大进步，但得到的实际应用较少。本研究主要针对不锈钢焊管预焊过程中的错边问题，采用激光作为主动光源，利用复合滤光技术将弧光和环境光减弱到低值，获取清晰的焊缝激光条纹，采用VC++6.0软件对图像进行处理，提取焊缝特征点，通过一定的算法求得焊缝错边量，并通过设定错边量的允许范围，从而决定是否停复焊。

1焊缝错边检测系统的组成

不锈钢焊管CO 2气体保护焊焊缝错边检测系统组成如图1所示，主要由激光视觉传感器组件、图像采集卡、工控机、伺服电机控制卡、伺服电机驱动器、焊机以及十字滑移台等组成。

2图像数据的采集与处理

2.1图像的采集

本系统所采用的激光视觉传感器是实验室自主研发的。激光视觉传感器被固定在焊机前方，距焊机的距离为100 mm，进行焊缝激光条纹图像采集。所摄取到具有错边特征的焊缝激光条纹原始图像如图2所示。由图2可以看出，焊缝左右边缘激光条纹影像不在同一水平线上，而无错边焊缝坡口左右边缘激光条纹影像处于同一水平线上，由此可以看出焊缝是否存在错边。

2.2图像处理

在焊接过程中为了获取清晰的焊缝激光条纹图像，必须对原始图像进行处理，然后才能准确求得错边量。首先对图像进行LOG滤波，滤除弧光干扰，然后对得到的图像进行阈值分割和反色处理；其次对焊缝曲线进行细化，得到焊缝边缘形状，在此基础上利用数学方法计算得到焊缝错边量。错边量计算流程如图3所示。

通过对原始图像进行处理，得到1条经过细化的错边时焊缝激光条纹特征曲线，如图4所示。

2.3错边测量原理

该试验系统错边测量原理如图5所示。当工件未发生错边时，图像中的激光条纹如图5中“激光条纹1”所示；当工件发生错边时，坡口两侧工件在高度方向上相对位置发生变化，由于激光器以一定角度α将激光条纹投射到工件表面,坡口两侧工件表面的激光条纹产生一定间距，间距随着错边量的变化而变化。因此，可以根据间距与错边量之间的几何关系计算错边量。错边时图像中的激光条纹如图5中“激光条纹2”所示，错边量即为图5中的线段CE的长度。

图6为V形坡口板材对接示意图，从图6的侧视图（图5）可以看出，当工件一由位置一移动到位置二时，图像中的激光条纹由图5中的“激光条纹1”移动到“激光条纹2”的位置，通过计算机分析图像中激光条纹坡口左、右边缘的纵坐标之差，可以计算出激光条纹中的实际间距DE，但间距DE并不是实际错边量，实际错边量为CE。在△CED中，根据几何关系

|CE|＝|DE|cotα，（1）

可计算得出焊缝错边量。

2.4数据处理

经过对焊缝特征点的提取，可得到焊缝坡口左边缘和右边缘像素坐标分别为（211，146）和（352，156），激光条纹左、右坡口边缘纵坐标变化量为141像素。根据传感器坐标系与工件坐标系之间的转换，换算成实际距离为1.12 mm，即DE为1.12 mm，最后根据公式（1）便可计算出焊缝错边量为2.51 mm。

2.5误差及精度分析

试验所用材料为普通低碳钢，板厚16 mm，坡口宽度15 mm。试验前，先将坡口及坡口两侧±5 mm范围内的铁锈打磨掉，使材料露出金属光泽，保证对接面平整，满足对接装夹要求，去除试件表面的油污。试验过程中通过调节精度为0.01 mm升降滑移台的高度（转动一圈螺旋按钮可以升降0.5 mm），得到不同的错边量进行对接焊接试验。

通过手动旋转升降滑移台，初步选取11组不同的错边量。当焊缝实际错边量为-2.50 mm，-2.00 mm，-1.50 mm，-1.00 mm，-0.50 mm，0 mm，+0.50 mm，+1.00 mm，+1.50 mm，+2.00 mm和+2.50 mm时，分别提取出经检测和软件计算后而得到的错边量，对比分析焊缝错边检测值与实际值之间的误差及检测精度。

试验开始前，将其中一块工件置于水平工作台上，另一块工件置于手动升降滑移台上，使焊缝坡口左右边缘基本处于同一高度，打开VC++图像处理系统，开始焊缝图像的摄取。调节升降滑移台的旋转钮，使得焊缝错边为量0，显示界面如图7所示。以此位置为基准，分别左旋、右旋升降滑移台的旋转钮，使实际焊缝错边量达到试验开始之前所假定的11组数据，摄取不同错边量下的焊缝激光条纹图像，得到检测值。焊缝错边检测值、实际值及其误差见表1。

根据表1的数据绘制出焊缝错边量的偏差曲线如图8所示。从图8可以看出，焊缝错边偏差一直围绕在±0.2 mm范围内上下波动，即检测精度可达±0.2 mm。通过软件测试，系统的循环周期小于60 ms，能满足实际生产要求。

3结论

（1）采用激光视觉传感技术实现不锈钢焊管CO 2气体保护焊预焊过程中错边的自动检测方法是可行的。

（2）采用VC++6.0开发的软件对图像数据进行处理，可消除飞溅、坡口反光及弧光对激光条纹的影响，使焊缝错边量检测及精确计算可行。

（3）试验结果表明，该焊缝错边检测系统循环周期小于60 ms，错边检测精度可达±0.2 mm，满足实际生产要求。