基于DSP的管道TIG焊焊缝跟踪系统
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大 小 ，从 中可 以提 取 出焊炬 相对 于焊缝 中心线 的位 置信息 ，这个 信息经 控制 器处 理后可 用来 实时控 制 焊炬 向正确 的焊 接位 置移 动 。 还有一 些焊接 参 数如缝 隙大 小和焊 接速度 等可 以根 据误差 纠偏法 并结 合
焊工 的经 验来选 择 。
１ 焊 缝跟 踪 试 验 系 统
要 实现 管道焊接 的全 自动 化 ，首先 需要研 制焊缝 跟踪 系统 ，对焊 缝进行 识 别 ，并 通过调 节焊 炬位 置和 焊接 参 数来适应 各 种焊接 状态 。将视 觉传 感技术应 用 于焊缝 跟踪 是 当前 焊缝 跟踪 系统研 究 的主 流 。
本文 以水 下高压 管道 Ｔ Ｉ Ｇ焊 为背 景 ， 提 出 了一种管 道焊缝 跟踪 系统 。该系统 包括 ５轴 管道焊接 装 置及 其配 套 的控 制器 和视 觉传感 系统 ，可 以使焊炬 和视觉 传感 器 自动地 到达 即将焊接 的位 置 。视觉 传
０ 引 言
在 海洋 石油 开发 中，诸如 钢塔 建造 以及水 、油 、气输送 等 工程项 目实 施要求 大规 模制造 和精确 地 焊接 管 道结构 。管 道焊接 中应 用最广 泛 的是 圆周 电弧焊 ，包 括打 底焊 和填 充焊 。管道坡 口的制造误 差 会 导致 变形和 偏心 ，且缝 隙大 小与焊 缝位 置不 匹配 。由于 打底成 形 的不规 则性 ，不 能将 焊接 参数和 焊 炬位 置 设置为恒 定 参数 。因此 ， 实现 管道焊 接全 自动化 非常 困难 ， 通 常需要 熟练 的焊 工进行 人工干 预 。
的清 晰程 度 ，有两个 办 法可 以用 来减 少这 种干 扰 【 ５ ］ ，一种 办法 是利 用某 一种 金属元 素 的线状 光谱来 过 滤氩 元 素 的线 状光 谱 ，这种 办 法要 求 带宽很 窄 的滤 光 镜 ；另一 种办 法是 过滤 线状光 谱 ，仅使 用强度 相 对较 低 的连续 光 谱 。 本文 中的滤 光系 统采 用 的是后 者 。 从 光谱 图上 可 以明显地 发现 ， 在波 长大 于 ８ ６ ０ ｎ ｍ 的近 红外 光谱 范 围 内，几乎 没有 线状 光谱 ，而连 续 光谱 的强度 也很 弱 ，如 图 ２ ｆ ｂ ） 所 示 ，因此 ，这个 范
从控 制系 统 结构来 看 ，这 是将 电弧 （ 焊枪 ）相对 于焊 缝 （ 坡 口 ）中心位 置 的偏差 作为被 调量 ，将 焊 枪 位移 量作 为操 作量 的一个 闭环控 制系 统 。 在 这个 闭环 系 统 中，视 觉传 感系 统决 定着整 个 系统对 焊 缝 的跟踪 精度 ，它 的灵 敏度 和测 量精 度 高 ，可 以同 时进 行焊 缝跟 踪控 制和 焊接 质量控 制 。 试验 中有关 的焊 接参 数为 ：管道 厚 １ ５ ｍｍ，１ ６ Ｍｎ钢 ，焊 丝材 料 为 Ｈ０ ８ Ｍｎ ２ Ｓ ｉ Ａ，直径 １ ． ２ ｍｍ，保 护气 为氩 气 ，气 流量 为 ２ ０ Ｌ ／ ｍｉ ｎ ，焊 接速 度 １ ３ ５ ｍｍ／ ｍｉ ｎ ，弧长 １ ． ５ ａ ｒ ｍ，焊 接 电流强 度 ６ ０ Ａ。
基 于 ＤＳ Ｐ的管道 Ｔ Ｉ Ｇ焊焊缝跟踪系统
孙 昕辉
（ 海洋 石油工程股份有限公司，天津 ３ ０ ０ ４ ５ １ ）
摘
要
针 对管 道焊 接过程 自动化 中存在 的困难 ，提 出了一种抗 干扰性好 、实时性高的焊 缝跟踪系统。根据 弧
光光谱分析选择 特定波长 的滤光 片，采用Ｘ － ￣Ｃ Ｃ Ｄ 摄像机 获取清晰、放 大的焊缝 区图像 。可直接分辨焊缝
ｓｙｓｔｅＩ 【 ｌ
１ｎ ｅ
图 １ 焊缝 跟踪 试验 系统
２ 光谱分析和 滤光镜 的选择
在上述焊接参数条件下， 利用光谱仪可以测得金属气体保护焊弧光光谱 ， 如图 ２ 所示。 从图 ２ （ ａ ） 中可 以看 出，弧光光谱相当复杂 ，分散在 ２ ０ ０ ｉ ｒ ｍ到 １ ０ ０ ０ ｎ ｍ之间，包括低强度的连续光谱和高强度 的线状光谱。线状光谱包含金属元素的光谱和氩元素的光谱 。通常，弧光强度会强烈地干扰焊缝图像
感系 统包 括 Ｃ Ｃ Ｄ 摄 像机 、滤 光镜 、保护镜 、图像采集 卡和 图像 处理器 ，以及 图像处理 算法 。进行 了
小 电流 Ｔ Ｉ Ｇ 管道 焊接 的应用 试验 。由于弧 光 强度 很 强 ，需要选择 合适 的滤 光镜来 获得焊 缝及 其周 围区
域 的图像 。Ｃ Ｃ Ｄ 传感 器位 于管 道表 面 圆周 的切线上 ，在 获得 的焊接 图像 中可 以观 察到 焊缝 的形状 和
及其周 围的区域。研究 了焊 缝识别 的新算法，） ￣ ＤＳ Ｐ 技术可 以快速 、准确地识别焊缝中心线。基 于测得 的
钨极偏 离焊 缝 中心的方向和距 离，驱动伺服 电机调 节焊炬位置 。试验结果证 明该焊缝 跟踪系统抗干扰性和
实时性较好 ，能满足 管道 焊接焊缝 跟踪 的要求。
关 键 词 ：视觉图 像传感；图像处理；焊缝跟踪；焊缝识别
５ ４卷
增刊 ２
中
国
造
船
Ｖｏ １ ． ５ ４ Ｓｐ ｅ ｃ ｉ ａ ｌ ２
ＮＯＶ ． ２０ ｌ ３
２ ０ １ ３年 １ １月
Ｓ ＨＩ ＰＢＵＩ ＬＤＩ ＮＧ ＯＦ ＣＨＩ ＮＡ
文章编 号：１ ０ ０ ０ — ４ ８ ８ ２ （ ２ ０ １ ３ ） ￥ ２ ． ０ １ ２ ４ ． ０ ５
滤 光镜 和 保 护 镜组 成 ）、用 于 焊 缝 识别 和 焊 缝特 征 萃 取 图像 处 理 的 ＤＳ Ｐ ＤＭ６ ４ ２ ， 以及 带有 控 制 器
ＤＳ Ｐ ２ ８ １ ２的可移 动焊接 设 备 。
５ ４卷
增道 Ｔ Ｉ Ｇ焊焊缝跟踪系统
１ ２ ５
焊缝 自动跟 踪 系统是 由焊缝 跟踪 传感 系统 、控 制系 统和 自动调 节机构 等组成 的，实现 了机 电一 体 化 。这个 全位置 管道 Ｔ Ｉ Ｇ焊 接试 验系 统 （ 如图 １ 所示 ）分 为三 个部分 ： （ １ ）焊接 系统 ，包 括焊接 电 源 、焊 炬 、保 护气气源 和 管道焊 接轨 道 ； （ ２ ）图像采集 系 统 ，包括 Ｃ Ｃ Ｄ摄 像机 、滤 光系 统 （ 由窄 带
焊工 的经 验来选 择 。
１ 焊 缝跟 踪 试 验 系 统
要 实现 管道焊接 的全 自动 化 ，首先 需要研 制焊缝 跟踪 系统 ，对焊 缝进行 识 别 ，并 通过调 节焊 炬位 置和 焊接 参 数来适应 各 种焊接 状态 。将视 觉传 感技术应 用 于焊缝 跟踪 是 当前 焊缝 跟踪 系统研 究 的主 流 。
本文 以水 下高压 管道 Ｔ Ｉ Ｇ焊 为背 景 ， 提 出 了一种管 道焊缝 跟踪 系统 。该系统 包括 ５轴 管道焊接 装 置及 其配 套 的控 制器 和视 觉传感 系统 ，可 以使焊炬 和视觉 传感 器 自动地 到达 即将焊接 的位 置 。视觉 传
０ 引 言
在 海洋 石油 开发 中，诸如 钢塔 建造 以及水 、油 、气输送 等 工程项 目实 施要求 大规 模制造 和精确 地 焊接 管 道结构 。管 道焊接 中应 用最广 泛 的是 圆周 电弧焊 ，包 括打 底焊 和填 充焊 。管道坡 口的制造误 差 会 导致 变形和 偏心 ，且缝 隙大 小与焊 缝位 置不 匹配 。由于 打底成 形 的不规 则性 ，不 能将 焊接 参数和 焊 炬位 置 设置为恒 定 参数 。因此 ， 实现 管道焊 接全 自动化 非常 困难 ， 通 常需要 熟练 的焊 工进行 人工干 预 。
的清 晰程 度 ，有两个 办 法可 以用 来减 少这 种干 扰 【 ５ ］ ，一种 办法 是利 用某 一种 金属元 素 的线状 光谱来 过 滤氩 元 素 的线 状光 谱 ，这种 办 法要 求 带宽很 窄 的滤 光 镜 ；另一 种办 法是 过滤 线状光 谱 ，仅使 用强度 相 对较 低 的连续 光 谱 。 本文 中的滤 光系 统采 用 的是后 者 。 从 光谱 图上 可 以明显地 发现 ， 在波 长大 于 ８ ６ ０ ｎ ｍ 的近 红外 光谱 范 围 内，几乎 没有 线状 光谱 ，而连 续 光谱 的强度 也很 弱 ，如 图 ２ ｆ ｂ ） 所 示 ，因此 ，这个 范
从控 制系 统 结构来 看 ，这 是将 电弧 （ 焊枪 ）相对 于焊 缝 （ 坡 口 ）中心位 置 的偏差 作为被 调量 ，将 焊 枪 位移 量作 为操 作量 的一个 闭环控 制系 统 。 在 这个 闭环 系 统 中，视 觉传 感系 统决 定着整 个 系统对 焊 缝 的跟踪 精度 ，它 的灵 敏度 和测 量精 度 高 ，可 以同 时进 行焊 缝跟 踪控 制和 焊接 质量控 制 。 试验 中有关 的焊 接参 数为 ：管道 厚 １ ５ ｍｍ，１ ６ Ｍｎ钢 ，焊 丝材 料 为 Ｈ０ ８ Ｍｎ ２ Ｓ ｉ Ａ，直径 １ ． ２ ｍｍ，保 护气 为氩 气 ，气 流量 为 ２ ０ Ｌ ／ ｍｉ ｎ ，焊 接速 度 １ ３ ５ ｍｍ／ ｍｉ ｎ ，弧长 １ ． ５ ａ ｒ ｍ，焊 接 电流强 度 ６ ０ Ａ。
基 于 ＤＳ Ｐ的管道 Ｔ Ｉ Ｇ焊焊缝跟踪系统
孙 昕辉
（ 海洋 石油工程股份有限公司，天津 ３ ０ ０ ４ ５ １ ）
摘
要
针 对管 道焊 接过程 自动化 中存在 的困难 ，提 出了一种抗 干扰性好 、实时性高的焊 缝跟踪系统。根据 弧
光光谱分析选择 特定波长 的滤光 片，采用Ｘ － ￣Ｃ Ｃ Ｄ 摄像机 获取清晰、放 大的焊缝 区图像 。可直接分辨焊缝
ｓｙｓｔｅＩ 【 ｌ
１ｎ ｅ
图 １ 焊缝 跟踪 试验 系统
２ 光谱分析和 滤光镜 的选择
在上述焊接参数条件下， 利用光谱仪可以测得金属气体保护焊弧光光谱 ， 如图 ２ 所示。 从图 ２ （ ａ ） 中可 以看 出，弧光光谱相当复杂 ，分散在 ２ ０ ０ ｉ ｒ ｍ到 １ ０ ０ ０ ｎ ｍ之间，包括低强度的连续光谱和高强度 的线状光谱。线状光谱包含金属元素的光谱和氩元素的光谱 。通常，弧光强度会强烈地干扰焊缝图像
感系 统包 括 Ｃ Ｃ Ｄ 摄 像机 、滤 光镜 、保护镜 、图像采集 卡和 图像 处理器 ，以及 图像处理 算法 。进行 了
小 电流 Ｔ Ｉ Ｇ 管道 焊接 的应用 试验 。由于弧 光 强度 很 强 ，需要选择 合适 的滤 光镜来 获得焊 缝及 其周 围区
域 的图像 。Ｃ Ｃ Ｄ 传感 器位 于管 道表 面 圆周 的切线上 ，在 获得 的焊接 图像 中可 以观 察到 焊缝 的形状 和
及其周 围的区域。研究 了焊 缝识别 的新算法，） ￣ ＤＳ Ｐ 技术可 以快速 、准确地识别焊缝中心线。基 于测得 的
钨极偏 离焊 缝 中心的方向和距 离，驱动伺服 电机调 节焊炬位置 。试验结果证 明该焊缝 跟踪系统抗干扰性和
实时性较好 ，能满足 管道 焊接焊缝 跟踪 的要求。
关 键 词 ：视觉图 像传感；图像处理；焊缝跟踪；焊缝识别
５ ４卷
增刊 ２
中
国
造
船
Ｖｏ １ ． ５ ４ Ｓｐ ｅ ｃ ｉ ａ ｌ ２
ＮＯＶ ． ２０ ｌ ３
２ ０ １ ３年 １ １月
Ｓ ＨＩ ＰＢＵＩ ＬＤＩ ＮＧ ＯＦ ＣＨＩ ＮＡ
文章编 号：１ ０ ０ ０ — ４ ８ ８ ２ （ ２ ０ １ ３ ） ￥ ２ ． ０ １ ２ ４ ． ０ ５
滤 光镜 和 保 护 镜组 成 ）、用 于 焊 缝 识别 和 焊 缝特 征 萃 取 图像 处 理 的 ＤＳ Ｐ ＤＭ６ ４ ２ ， 以及 带有 控 制 器
ＤＳ Ｐ ２ ８ １ ２的可移 动焊接 设 备 。
５ ４卷
增道 Ｔ Ｉ Ｇ焊焊缝跟踪系统
１ ２ ５
焊缝 自动跟 踪 系统是 由焊缝 跟踪 传感 系统 、控 制系 统和 自动调 节机构 等组成 的，实现 了机 电一 体 化 。这个 全位置 管道 Ｔ Ｉ Ｇ焊 接试 验系 统 （ 如图 １ 所示 ）分 为三 个部分 ： （ １ ）焊接 系统 ，包 括焊接 电 源 、焊 炬 、保 护气气源 和 管道焊 接轨 道 ； （ ２ ）图像采集 系 统 ，包括 Ｃ Ｃ Ｄ摄 像机 、滤 光系 统 （ 由窄 带