Библиотечный каталог авторефератов Украины

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона

ШАПОВАЛОВ

Євген  Вікторович

УДК 621.791:681.513.3

Засоби технічного зору як елемент зворотного зв’язку в системах стеження дугового зварювання

Спеціальність - 05.13.07

“Автоматизація технологічних процесів”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ -2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України.

Захист відбудеться  “14” червня 2006 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України за адресою: 03680, м. Київ-150, МСП, вул. Боженка, 11.

З дисертацією можна ознайомитися у науково-технічній бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України за адресою: 03680, м. Київ, вул. Боженка, 11.

Автореферат розісланий “10” травня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук                                        Л.С.Киреєв Актуальність теми. Автоматизація процесу зварювання вирішує проблему вивільнення людини від виконання одноманітних або складних технологічних операцій, однією з яких є наведення зварювального інструмента на стик. Необхідність в автоматизації цієї операції обґрунтована потребою у підвищенні якості зварного шва і зниженні собівартості продукції, яка виробляється серійно. Класична система автоматичного наведення зварювального інструмента на стик складається з виконавчого механізму, регулятора і засобів зворотного зв’язку. Засоби зворотного зв’язку призначені для формування сигналу похибки, що характеризує відхилення зварювального інструмента від лінії стикового з’єднання. В зварювальному виробництві формування сигналу похибки завжди є складним завданням, а іноді і не вирішуваним, у зв’язку з відсутністю технічних засобів для реалізації конкретної задачі.

Останнім часом для стеження за стиком у автоматизованому зварювальному виробництві в якості засобів, що забезпечують зворотний зв’язок, отримали розвиток спеціалізовані засоби технічного зору, в яких для визначення просторових координат стику використовується тріангуляційний метод. Найбільше поширення у світі набули засоби технічного зору, що випускаються відомими виробниками: “Servo-Robot” (Канада), “Meta Vision Systems” (Англія), “Mikroelektronik GmbH” (Німеччина) та ін. Продукція фірм узагальнила досягнення світової науки, і її застосування вирішує  проблему автоматизації зварювання значної частини об’єктів. Взагалі, для систем, що побудовані з застосуванням засобів технічного зору, невирішеною залишається проблема автоматизації зварювання виробів, що мають стик без розроблення кромок із зазором, близьким до нуля. Так, наприклад, автоматизація зварювання внутрішніх стиків великогабаритних труб з товщиною стінок до 12 мм на ВАТ “Харцизський трубний завод” (Україна), ВАТ “Виксунський металургійний завод” (Росія) неможлива саме через відсутність програмно-технічних засобів, які дозволяють визначити просторове положення стику без розроблення кромок відносно зварювального інструмента. Тому створення і впровадження таких засобів у виробництво є одним з актуальних завдань автоматизації технологічних процесів дугового зварювання труб, цистерн, оболонок ракетоносіїв і т. ін.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота проводилася в Інституті електрозварювання ім. Є. О. Патона  НАН України згідно з планами науково-дослідних робіт в рамках тем: 27/3 (шифр теми 1.6.1.27.3) “Розробка системи для керування технологічними процесами дугового зварювання, інваріантної до оптичних властивостей поверхонь деталей, що зварюються” (2000-2002 р. р.), 27/5 (шифр теми 1.6.1.27.5) “Розробка методів та засобів адаптивного керування багатокоординатними комплексами для дугового зварювання на базі систем технічного зору” (2003-2006 р. р.) та 27/8-П “Розробка математичних методів виявлення і розпізнавання елементів зварного шва на цифрових зображеннях” (2005 р.). Дисертаційна робота спрямована на розробку і впровадження засобів технічного зору у складі АСУ ТП дугового зварювання.

Здобувачу належать: ініціація робіт, визначення мети і задач досліджень, планування стратегії досліджень, найважливіші технічні та технологічні рішення. Здобувач був виконавцем та відповідальним виконавцем тем.

Мета і задачі досліджень.

Мета роботи - розробка засобів технічного зору для систем стеження за стиком без розроблення кромок із зазором, близьким до нуля.

Для досягнення поставленої мети визначені наступні задачі:

• розробити метод визначення відхилення зварювального інструмента від лінії стикового з’єднання без розроблення кромок із зазором, близьким до нуля;
• розробити спосіб селекції лазерного випромінювання, дифузно відбитого від металевих зварюваних поверхонь;
• розробити методи, що дозволяють підвищити співвідношення сигнал-шум у тріангуляційних оптичних сенсорах;
• розробити математичні методи обробки цифрових зображень, які дозволяють виділити лінію стикового з’єднання із зазором, близьким до нуля;
• практично реалізувати і впровадити розроблені методи та засоби у складі системи стеження, яка призначена для наведення зварювального інструмента на стик.

Об’єкт дослідження – процес дугового зварювання.

Предмет дослідження – система автоматичного наведення зварювального інструмента на лінію стикового з’єднання.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених задач і отримання основних результатів використані: теорія відбиття світла від шорсткої поверхні, спектральний аналіз випромінювання зварювальних дуг і методи математичної обробки цифрових зображень, які базуються на теорії узгодженої  фільтрації, теорії розпізнавання образів та кореляційному аналізі.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше у засобах технічного зору застосовано два джерела монохроматичного випромінювання – джерело структурованого світла і джерело розсіяного світла, що дозволило при обробці телевізійних зображень визначити відхилення зварювального інструмента від лінії стикового з’єднання без розроблення кромок із зазором, близьким до нуля.
2. Вперше запропоновано в оптичному тракті систем технічного зору, заснованих на методах структурованого лазерного підсвічування, для збільшення співвідношення сигнал-шум використовувати поляризаційний світлофільтр, який встановлено на об’єктиві відеокамери з площиною поляризації, що паралельна площині поляризації лазерного випромінювання.
3. Визначено оптичні діапазони довжин хвиль, в яких аргонова дуга створює якнайменший паразитний вплив на засоби технічного зору систем стеження. Встановлено, що при роботі СТЗ в діапазонах 625-660 нм, 710-730 нм, 940-960 нм, 990-1040 нм відношення сигнал-шум максимальне.
4. Запропоновано для виділення негативного перепаду яскравості на телевізійних зображеннях використовувати злагоджено-виборчий фільтр з автоматичною адаптивною перебудовою імпульсної характеристики в процесі стеження.
5. Розроблено математичну модель розпізнавання образу стикового з’єднання на відеозображеннях із можливістю самонавчання. Показано, що використання в моделі покрокового методу ухвалення рішення про належність об’єктів до різних класів дозволяє значно скоротити об’єм обчислень і застосувати розроблену модель в системах реального часу.

Практична цінність отриманих результатів.

Створено адаптивну систему технічного зору для автоматичного наведення зварювального інструмента на стик, яка відрізняється від відомих низкою нових функціональних можливостей, а саме:

• стеження за стиком без розроблення кромок із зазором, близьким до нуля;
• розпізнавання стику в умовах механічних перешкод (подряпин, флюсу, прихваток і т.п.);
• прогнозування положення лінії стикового з’єднання безпосередньо під електродом.

Розроблені засоби технічного зору також відрізняються підвищеною перешкодозахищеністю від зовнішнього оптичного випромінювання і інваріантні до оптичних властивостей зварюваних поверхонь.

Розроблені програмно-технічні засоби впроваджені у виробництво у 2005 році у складі системи стеження, яка призначена для автоматичного наведення зварювального інструмента на стик при зварюванні труб великого діаметра, на підприємстві ВАТ “Харцизський трубний завод” (акт впровадження у виробництво від 21.10.2005 р.).

Особистий внесок здобувача.

У дисертаційній роботі постановка мети і задач дослідження, вибір наукових підходів для їх вирішення, розробка математичної моделі розпізнавання образу лінії стикового з’єднання на відеозображеннях, перевірка адекватності математичної моделі виконані особисто здобувачем. При проведенні експериментальних досліджень спектрів аргонових дуг, при розробці способів побудови оптичних генераторів світлової площини, формулюванні висновків, підготовці публікацій внесок здобувача був визначальним.

У наукових роботах, що опубліковані у співавторстві, здобувачу належить: [1] – розробка методу виділення лінії стикового з’єднання із зазором, близьким до нуля; [3,10] – визначення оптимальних для роботи засобів технічного зору оптичних діапазонів довжин хвиль у спектрах випромінювання зварювальних дуг; [4, 11] – розробка і дослідження методів формування світлових площин; [5] – пропозиції щодо використання  в системах технічного зору поляризаційного світлофільтру для збільшення співвідношення сигнал-шум; [6] – розробка системи стеження, що впроваджена у виробництво; [7] – розробка математичних методів обробки цифрових зображень, які дозволяють виділити лінію стикового з’єднання із зазором, близьким до нуля; [8] – розробка алгоритмів розпізнавання лінії стикового з’єднання на відеозображеннях;   [12] – розробка засобів технічного зору та алгоритмів для визначення форми зварювальної ванни; [13] – розробка алгоритмів для аналізу світлового профілю. В самостійних роботах [2, 9] здобувачем досліджуються методи зменшення впливу паразитного випромінювання на засоби технічного зору.  

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи доповідалися і обговорювалися на: Міжнародній науково-практичній конференції і виставці “Проблеми забезпечення якості у зварювальному виробництві” Київ, 3-6 квітня 2001р., І Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених і фахівців “Зварювання та споріднені технології” Ворзель, 22-24 травня 2001 р., Науково-технічному семінарі “Прогресивні технології зварювання у промисловості” Київ, 20-22 травня 2003 р., Міжнародній конференції “Lasers for Measurements and information Transfer”, С.-Петербург, 2003, ІІ Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених та спеціалістів “Зварювання та суміжні технології”, Ворзель, 25-27 червня 2003р., ІІІ Промисловій конференції з міжнародною участю “Ефективність реалізації наукового, ресурсного і промислового потенціалу в сучасних умовах”, п. Славське, Карпати, 24-28 лютого 2003 р.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 13 наукових робіт, у тому числі 6 статей у фахових виданнях. Основні положення подані на 6 наукових конференціях, дві з яких є міжнародними. Одноосібних робіт у здобувача – 2.

Структура і об’єм роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів, висновків по розділах, загальних висновків, списку використаних літературних джерел із 86 найменувань та 6 додатків. Загальний обсяг дисертації – 184 сторінки машинописного тексту, із них 23 сторінки – список використаних джерел і додатки. Робота містить 91 рисунок і 6 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі представлена загальна характеристика роботи і обґрунтована актуальність теми, розкриті основні положення, що виносяться на захист, сформульовані мета роботи і задачі, які вимагають подальшого рішення. Описано об’єкт досліджень, сформульована наукова новизна і практичне значення отриманих результатів.

Перший розділ присвячено аналізу стану проблем автоматизації процесу дугового зварювання. Однією з таких проблем є створення системи стеження, яка призначена для автоматичного наведення зварювального інструмента на лінію стикового з’єднання. Показано, що основною складністю при створенні системи стеження є отримання кількісних даних, які характеризують відхилення зварювального інструмента від лінії стикового з’єднання. Існуючі на теперішній час технічні засоби не дозволяють забезпечити надійне виявлення лінії стикового з’єднання без розроблення кромок із зазором, близьким до нуля, і при цьому відповідати таким вимогам, як: безконтактність, інформативність, перешкодозахищеність. Одним з перспективних напрямів для вирішення вказаних проблем є розробка засобів технічного зору, які використовуються як елементи зворотного зв’язку в автоматичних системах наведення зварювального інструмента на стик. У розділі проведено огляд існуючих математичних методів обробки сигналів, що використовуються в засобах технічного зору, а також способів аналізу тримірних сцен.

У другому розділі запропоновано телевізійний метод для автоматичного стеження за стиком без розроблення кромок із зазором, близьким до нуля. Запропонований метод є подальшим розвитком методу світлового перетину і заснований на комп’ютерній обробці відеозображень лінії стикового з’єднання, одночасно освітленої джерелами структурованого і розсіяного світла. При освітленні стику із зазором, близьким до нуля, джерелом розсіяного світла проміння, яке потрапило у вузький зазор між зварюваними деталями, практично повністю поглинається. Лінія стикового з’єднання на відеозображенні має вигляд темної протяжної смуги. Після обробки такого відеозображення одержуємо напрям лінії стикового з’єднання. Відстань до зварюваних поверхонь визначається за допомогою метода світлового перетину. Приймачем відбитого випромінювання є

ПЗЗ відеокамера, а випромінювачами – генератор світлової площини та джерело розсіяного світла (рис.1).

Складність розробки полягає у тому, щоб використовуючи два випромінювачі з різними діаграмами спрямованості і один приймач, отримати з одного зображення відстань до зварюваних поверхонь і напрям лінії стикового з’єднання.

Для адаптивного управління яскравістю джерела розсіяного світла розроблений спеціалізований контролер на базі мікропроцесора PIC16F876. Регулювання яскравості джерела розсіяного світла здійснюється за допомогою зміни шпаруватості широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) перетворювача мікропроцесора на частотах, вищих за межу сприйнятливості ПЗЗ матриці.

Однією з найважливіших проблем є вибір довжини хвилі освітлювачів, оскільки необхідно вибрати таку довжину хвилі, за якої зварювальна дуга мала б якнайменший вплив на роботу засобів технічного зору.

За допомогою дифракційного спектрометра отримано спектри аргонової дуги при зварюванні алюмінію і сталі. Визначено, що у діапазонах 625-660 нм, 710-730 нм, 940-960 нм, 990-1040 нм у спектрі аргонової дуги є локальні мінімуми яскравості. Визначені діапазони найбільш доцільні для роботи освітлювачів. На підставі проведених експериментів сформульовано вимоги для інтерференційного фільтра та визначено джерела випромінювання, що значною мірою підвищило співвідношення сигнал-шум.

Для створення джерела структурованого підсвічування розроблено і досліджено шість оптичних схем. Показано, що для більшості засобів технічного зору, які застосовують у зварювальному виробництві, доцільно використовувати оптичні генератори світлової площини, що мають напівпровідникові лазери, випромінювання яких розфокусовано тільки в одній площині за допомогою циліндрових лінз.

Дослідження оптичних властивостей металевих поверхонь виконано на спеціально сконструйованому стенді. Поверхні, що зварювалися, освітлювали за допомогою світлодіодних матриць і розфокусованих напівпровідникових лазерів. На алюмінієвих поверхнях та щойно оброблених сталевих поверхнях випромінювачі обох типів створювали відблиски (рис. 2а).

Рис.2. Приглушення відблисків за допомогою поляризатора, встановленого на об’єктиві відеокамери при освітленні алюмінієвої поверхні лазерним джерелом розсіяного світла:

а) без поляризатора;

б) з поляризатором.

В результаті проведених теоретичних та експериментальних досліджень встановлено, що природа виникнення відблисків полягає у попаданні дзеркальної складової відбитого від мікрограней випромінювання в об’єктив відеокамери. Встановлено, що дзеркальна складова відбитого лазерного випромінювання практично не міняє поляризацію, а дифузно-розсіяне світло за рахунок багатократного відбиття між мікрогранями частково деполяризується. Встановлено, що відблиски на відеозображенні, які обумовлені попаданням дзеркально відбитої складової лазерного випромінювання в об’єктив відеокамери, практично повністю бланкуються (рис. 2б) при проходженні відбитого світла через поляризаційний світлофільтр, встановлений перед об’єктивом відеокамери. Причому площина поляризації світлофільтру має бути перпендикулярна площині поляризації лазерного джерела розсіяного світла. Показано, що поляризаційний світлофільтр, який встановлений перед об’єктивом відеокамери, із площиною поляризації, що паралельна площині поляризації лазерного випромінювання, також доцільно використовувати в оптичному тракті систем технічного зору, які засновано на методах структурованого лазерного підсвітлювання. Застосування такого світлофільтра дозволяє збільшити співвідношення сигнал-шум більш ніж на 20%.

Третій розділ присвячений розробці математичних методів попередньої обробки відеозображень, що одержані від засобів технічного зору при стеженні за стиком у зварювальному виробництві.

Обробка відеозображення здійснюється двома незалежними потоками. У першому потоці проводиться виділення світлового профілю просторово-узгодженим фільтром із подальшим згладжуванням отриманого сигналу (рис. 3). У другому потоці проводиться обробка зображення з метою виділення напряму лінії стикового з’єднання. Кожний рядок первинного зображення , обробляється вибірково-узгодженим фільтром (ВУФ) з імпульсною характеристикою (ІХ):

Процедура обробки полягає в згортці по :

Показано, що закон розподілу імовірності відліків фонового шуму на виході вибірково-узгодженого фільтру близький до нормального із нульовим математичним очікуванням. Нормалізації процесу сприяє декореляція вхідних відліків шуму при проходженні через ВУФ. Для кожного зображення формується адаптивний рівень порогу, який дорівнює середньоквадратичному відхиленню вихідних значень ВУФ.

На практиці зображення іноді виявляються малоконтрастними, тобто у них зміни яскравості малі порівняно із її середнім значенням. Для підвищення контрасту запропонована процедура еквалізації гістограми, яка полягає в приведенні щільності розподілу імовірності яскравості до деякого “стандартного вигляду”. Реалізація процедури еквалізації гістограми проводиться за допомогою нелінійного поелементного перетворення, яке будується за експериментально отриманою гістограмою початкового розподілу імовірності яскравості. Результати обробки зображень без підвищення контрасту і після еквалізації гістограми цього ж зображення показані на рис. 4.

Рис. 4. Порівняння результатів обробки зображень:

а) початкове зображення;

б) початкове (без підвищення контрасту) та оброблене зображення;

в) початкове (із підвищенням контрасту) та оброблене зображення.

Різниця яскравості між сигналом і фоном до еквалізації складала всього 5-7 градацій, тому корисний сигнал із зображення, що подано на рис. 4б, отримати практично неможливо. Після еквалізації (рис. 4в) різниця яскравості між сигналом і фоном склала 25-30 градацій, що є цілком достатнім для виділення сигналу з зображення лінії стикового з’єднання.

В умовах зварювального процесу ширина зазору може змінюватися, що негативно позначається на результатах роботи ВУФ. Показано, що для отримання максимальної ефективності роботи ВУФ необхідно враховувати зміну ширини зазору при розрахунку даного фільтру. Для вирішення цієї задачі запропоновано періодично перенастроювати імпульсну характеристику ВУФ безпосередньо у процесі стеження за лінією стикового з’єднання.

Четвертий розділ присвячений розробці методів виявлення і розпізнавання елементів стику на цифрових зображеннях.

Для проведення класифікації за допомогою математичних методів запропоновано ввести символьний опис бінарного зображення, яким найбільш зручно оперувати, використовуючи математичний апарат класифікації. Для символьного опису бінарного зображення запропоновано використовувати метод відрядкової розгортки, згідно з яким об’єкт визначається за критерієм чотирьохзв’язності. Цей метод дозволяє не тільки представити зображення у символьному вигляді, але й обчислити необхідні геометричні параметри об’єктів.

Однією з основних задач, які вирішені при побудові математичної моделі розпізнавання образів, є вибір признакового простору або вектора ознак, кожний елемент якого несе інформацію про деяку властивість об’єкта, тому слід зазначити, що запропонована математична модель розпізнавання образів призначена для виявлення прямолінійних неповоротних стиків. Процедура виділення ознак полягає у тому, що кожний об’єкт, який представлено у вигляді послідовності відліків, піддається різним функціональним перетворенням, виходячи з відомостей щодо класів: – “лінія стикового з’єднання” і – “перешкода”. Для розпізнавання лінії стикового з’єднання запропоновано використовувати дві групи ознак: основні та допоміжні. До основних ознак відносяться: площа  – , протяжність об’єкта – , коефіцієнт аспекту – , коефіцієнт парної кореляції – . Коефіцієнт аспекту характеризує протяжність об’єкта та дорівнює відношенню ширини об’єкта до його довжини. Ця ознака дозволяє у більшості випадків відрізнити подряпини (наприклад, сліди фрези) від лінії стикового з’єднання. Коефіцієнт парної кореляції характеризує ступінь відхилення зв’язку між , і від лінійної:

,

де , – координати відліків, що належать до об’єкта.

До допоміжних ознак відносяться: товщина – , відстань від об’єкта до центру – , коефіцієнт яскравості – , кут нахилу – . Допоміжні ознаки використовуються тільки тоді, коли виникає невизначеність при розпізнаванні лінії стикового з’єднання за допомогою основних ознак.

Необхідність об’єднання об’єктів обумовлена розривами лінії стикового з’єднання перешкодами (світловою смугою, прихватками, частинками флюсу, іржею і т.п.). Часто на зображенні існує декілька об’єктів, що відповідають лінії стикового з’єднання. З метою підвищення точності і зменшення помилок розпізнавання необхідно групувати об’єкти, що умовно належать до однієї прямої. Запропоновано два критерії, за якими здійснюється групування об’єктів, які відповідають лінії стикового з’єднання, - це відстань між об’єктами та коефіцієнт парної кореляції об’єднаних об’єктів. Найкращий результат отримано, коли в алгоритмі групування за критерієм відстані між об’єктами враховується сумарна протяжність об’єднаних об’єктів. Порогове значення коефіцієнта парної кореляції , за якими здійснюються об’єднання об’єктів, отримано за допомогою статистичних методів. Порогове значення за критерієм “відстань” розраховується за формулою:

,

де – коефіцієнт запасу, вибирається із діапазону 1,2-1,5;

, – значення довжини першого і другого об’єкта відповідно;

– тангенс кута нахилу першого об’єкта.

Для визначення законів розподілів значень ознак використовувалася навчальна вибірка із 500 цифрових зображень з апріорно відомою приналежністю об’єктів до відповідних класів. Встановлено, що розподіл значень ознак підпорядковується нормальному закону як для класу “перешкода”, так і для класу “лінія стикового з’єднання”. Для кожної ознаки експериментально отримано оцінки математичного очікування і середньоквадратичного відхилення по класах. Через свою фізичну природу ознаки розділені на дві групи. Навчання із “вчителем” доцільно застосовувати тільки для ознак основної групи, оскільки апріорно отримані значення ознак практично не залежать від об’єму вибірки, від зварюваних матеріалів і виду зварювання. Для ознак “допоміжної групи” запропоновано проводити самонавчання в процесі зварювання на підставі апостеріорної інформації.

Для зменшення часу виконання процедури класифікації об’єктів запропоновано використовувати покроковий метод ухвалення рішень. Рішення про належність об’єкта до класу – “перешкода” може бути прийнято на будь-якому кроці. Покроковий метод припускає ранжирування ознак за їх інформативністю. Оцінку інформативності для двокласової задачі запропоновано розраховувати за допомогою критерію Фішера:

.

Стратегія вибору порогового значення класифікатора за кожною з ознак полягає в забезпеченні мінімальної сумарної помилки класифікації. На підставі такої стратегії розраховано величини рівнів порогів для кожної ознаки, а також імовірність помилок класифікації першого і другого роду. Модель розпізнавання в процесі стеження одержує нову інформацію, таку як поточний кут нахилу лінії стикового з’єднання, товщина об’єкта і т.п., та використовує її для оновлення статистичної інформації про параметри ознак допоміжної групи кожного з класів – самонавчання. Це дає підстави вважати, що розроблена система технічного зору відноситься до інтелектуальних систем.

Перевірка адекватності побудованої моделі розпізнавання образів проводилася експериментально на вибірці з 3400 зображень. Класифіковано понад 45 тис. об’єктів. В 26% випадків було використано ознаки допоміжної групи. У результаті перевірки встановлено, що розмір признакового простору і розмір навчальної вибірки є цілком достатніми для побудови надійного класифікатора.

У п’ятому розділі описані загальна структурна схема системи стеження і алгоритм програмної обробки відеозображення стику. Комбінований сенсор, який встановлено на одному зі станів внутрішнього зварювання труб великого діаметра ВАТ “Харцизський трубний завод”, представлено на рис. 5 . Робоче вікно програмного забезпечення наведено на рис. 6.

Показано, що комбінований метод дозволяє розрахувати безпосереднє відхилення зварювального інструмента від лінії стикового з’єднання (рис. 7):

,

де – кут між лінією стикового з’єднання і прямою, яка сполучає вісь візування відеокамери з центром електрода; – відстань від осі візування відеокамери до лінії стикового з’єднання; – відстань між електродом і віссю візування відеокамери; Δ0 – уставка.

Моделювання процесу наведення пальника на стик виконувалось у сучасному програмному пакеті MATLAB/Simulink. Структурну схему розробленої Simulink-моделі системи стеження в горизонтальній площині показано на рис. 8.

До складу моделі входять наступні вузли: модель формування сигналу управління (генератори імпульсів ГІ 1...ГІ 3, суматори СУМ 1 і СУМ 2, ключ К 1 і нульова константа КОНСТ 1), модель блоку переміщення зварювального пальника упоперек стику, модель сенсора, модель формування збурення у вигляді зміни траєкторії стику (суматор СУМ 4, константи, які задають початковий зсув КОНСТ 3, і нульовий КОНСТ 4, а також суматор СУМ 5), вузол регулятора (елемент із зоною нечутливості ЕЗН, ключ К 3, ПІ-регулятор, П-регулятор і ключ К 4), формувач помилки управління СУМ 3, вузол оптимізатора параметрів ПІ-регулятора, осцилоскоп, який дозволяє запам’ятовувати траєкторії сигналів моделі, а також інші допоміжні елементи.

Створена модель дозволила дослідити стійкість і поведінку системи стеження для різних параметрів режиму роботи сенсора і параметрів настройки регулятора (величин пропорційної і інтегральної складової, а також величини зони нечутливості в ланцюзі помилки управління).

Результати моделювання системи стеження при дії збурень двох видів: гармонійної і лінійної зміни траєкторії стику і наявності шумів вимірювань амплітудою 0,15 мм показані на рис. 9.

Необхідно відзначити, що введення нелінійного елемента із зоною нечутливості в ланцюг формування помилки управління дозволяє без погіршення точності зменшити “рискання” зварювального пальника. Показано, що система стеження, в основу якої покладені розроблені засоби технічного зору, має достатню точність (±0,2 мм) і хороші динамічні характеристики в умовах дії збурень,  еквівалентних відхиленню траєкторії стику до 15 мм на 1 м зварного шва (при швидкості зварювання 50 м/г і частоті формування сигналів управління 10 Гц).

Висновки

1. Аналіз сучасного стану засобів технічного зору показав, що для автоматизації процесу наведення зварювального інструмента на стик при серійному виробництві цистерн, труб великого і малого діаметрів необхідні сенсори, які забезпечують виявлення стику із зазором, близьким до нуля.
2. Розроблено телевізійний метод для автоматичного стеження за стиком без розроблення кромок із зазором, близьким до нуля, що дозволило розширити можливості засобів технічного зору, які використовуються у зварювальному виробництві. Запропонований метод є подальшим розвитком методу світлового перетину і заснований на комп’ютерній обробці відеозображень лінії стикового з’єднання, що одночасно освітлена джерелами структурованого і розсіяного світла.
3. Розроблено спеціалізований контролер для адаптивного управління джерелом розсіяного світла комбінованого сенсора шляхом зміни шпаруватості ШІМ перетворювача мікропроцесора, що дозволило забезпечити інваріантність сенсора до оптичних властивостей поверхонь, що зварюються.
4. Запропоновано спосіб селекції лазерного випромінювання, дифузно відбитого від металевих поверхонь, що зварюються, який дозволив нормалізувати гістограми відеозображень лінії стикового з’єднання. Показано, що дифузно відбите лазерне випромінювання деполяризовано значно сильніше, ніж дзеркальне, що дозволило за допомогою поляризаційного світлофільтра бланкувати попадання дзеркальної складової до об’єктива відеокамери.
5. Вперше запропоновано в оптичному тракті систем технічного зору, заснованих на методах лазерної локації, для збільшення співвідношення сигнал-шум використовувати поляризаційний світлофільтр, встановлений перед об’єктивом відеокамери. Доведено, що співвідношення сигнал-шум підвищується, якщо площина поляризації світлофільтра співпадає з площиною поляризації лазера. Запропонований спосіб дозволяє зменшити потужність випромінювання лазера більш ніж на 20 % без погіршення технічних характеристик системи стеження і, тим самим, зменшити імовірність ураження органів зору персоналу лазерним випромінюванням.
6. На підставі експериментальних і теоретичних досліджень спектрів аргонових дуг визначено оптичні діапазони довжин хвиль видимого і ближнього інфрачервоного спектра, що є найвигіднішими для роботи засобів технічного зору АСУ ТП аргонодугового зварювання. Встановлено, що в діапазоні 500-1000  нм наявність парів заліза і алюмінію в аргоновій дузі істотно не впливає на її спектр. Показано, що при використанні світлофільтрів зі смугою пропускання 625-660 нм, 710-730 нм, 940-960 нм, 990-1040 нм дуга практично не впливає на роботу засобів технічного зору.
7. Запропоновано для виділення на зображенні лінії стикового з’єднання використовувати вибірково-узгоджений фільтр з автоматичною адаптивною перебудовою імпульсної характеристики в процесі стеження, що дозволяє підвищити точність визначення напряму зварювання.
8. Розроблено математичну модель розпізнавання образу стикового з’єднання на відеозображеннях з можливістю самонавчання. Показано, що використання в моделі покрокового методу прийняття рішення про приналежність об’єктів до класів дозволяє значно скоротити кількість обчислень і застосувати розроблену модель в системах реального часу. Експериментально доведено, що розроблена математична модель дозволяє прогнозувати координати лінії стикового з’єднання безпосередньо під зварювальним інструментом.

Основний зміст дисертації опублікований в наступних роботах:

1. Оптический сенсор для слежения за стыком при размерах зазора, близких к нулю /Ф.Н. Кисилевский, Г.А. Бутаков, В.В. Долиненко, Е.В. Шаповалов // Автомат. сварка. – 2003. – №2. – С. 51-52.
2. Шаповалов Е.В. Изучение спектров аргоновых дуг для создания автоматических систем управления процессами плазменно-дуговой плавки и сварки в аргоне // Современная электрометаллургия. – 2003. – №2. – С. 23-25.
3. Кисилевский Ф.Н., Шаповалов Е.В. Определение оптимальной длины волны осветителя в системах технического зрения дуговой сварки // Автомат. сварка. – 2003. – №8. – С.52-53.
4. Кисилевский Ф.Н., Шаповалов Е.В. Оптические генераторы световой плоскости для средств технического зрения систем автоматизации дуговой сварки // Автомат. сварка. – 2004. – №6. – С. 47-49.
5. Кисилевский Ф.Н., Шаповалов Е.В., Мельник Е.С. Система мониторинга для трубосварочного стана // Автомат. сварка. – 2005. – №10. – С. 56-59.
6. Кисилевский Ф.Н., Шаповалов Е.В., Коляда В.А. Система лазерного слежения за валиком усиления сварного шва // Автомат. сварка. –  2006. –  №1. – С. 60-62.
7. Разработка математических методов обнаружения и распознавания элементов сварочного шва на цифровых изображениях. Отчет о НИР (заключ.) // ИЭС им. Е. О. Патона. – Тема 27/8-П; № ГР 0105U001434. – К.: 2006. – 62с.
8. Повышение качества слежения за стыком на основе технического зрения / Ф.Н. Кисилевский, Г.А. Бутаков, В.В. Долиненко, Е.В. Шаповалов // Матер. междунар. науч.-практ. конф. и выст. “Проблемы обеспечения качества в сварочном производстве” (Киев, 3-6 апр. 2001г.). – Киев: 2001. – С. 20-21.
9. Шаповалов Е.В. Исследование оптических свойств поверхностей изделий для синтеза адаптивных алгоритмов обработки сигналов в системах технического зрения (СТЗ), применяемых при управлении дуговой сваркой // І Всеукр. науч.-техн. конф. мол. уч. и спец. “Сварка и родственные технологии” (Ворзель, 22-24 мая 2001 г.). – Ворзель: 2001. – С. 33.
10. Коляда В.А., Шаповалов Е.В. Автоматическое управление режимом сварки при сварке под флюсом стальных конструкций пролетов мостов // Матер. нуч.-техн. семин. “Прогрессивные технологии сварки в промышленности” (Киев, 20-22 мая 2003 г.). – Киев: 2003. – С. 71-74.
11. Technical Vision System for Arc Welding Process Automatic Control Systems in Shipbuilding / V.D. Gorbach, I.V. Souzdalev, E.V. Shapovalov et al. // Lasers for Meaurments and information Transfer, S. Petersburg, 2003, edited by V.E. Privalov. Proc. of SPIE Vol. 5381. – Bellingham (WA), 2004. – P. 110–118.
12. Шаповалов Е.В., Коляда В.А. Разработка алгоритмов выделения изображения сварочной ванны // ІІ Всеукр. наук.-техн. конф. мол. вч. та спец. “Зварювання та суміжні технології” (Ворзель, 25-27 червня 2003р.). – Ворзель: 2003. – С. 90.
13. Шаповалов Е.В., Коляда В.А. Система определения положения и параметров стыка свариваемых конструкций // Матер. третьей пром. конф. с межд. уч.-ем и выст. “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях” (Славское, Карпаты, 24-28 февраля 2003г.). – Славское: 2003. – С. 119-120.

АнотацІя

Шаповалов Є.В. Засоби технічного зору як елемент зворотного зв’язку в системах стеження дугового зварювання

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 “Автоматизація технологічних процесів” – Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Київ, 2006 р.

Дисертація присвячена розробці засобів технічного зору для систем стеження за стиком без розроблення кромок. Для вирішення цієї проблеми запропоновано метод, що базується на комп’ютерній обробці відеозображень лінії стикового з’єднання, одночасно освітленої джерелами структурованого і розсіяного світла.

Проведені експериментальні і теоретичні дослідження спектрів аргонових дуг дозволили обґрунтовано вибрати оптичні діапазони довжин хвиль видимого і ближнього інфрачервоного спектра, що є найвигіднішими для роботи засобів технічного зору АСУ ТП аргонодугового зварювання.

Розроблено математичну модель розпізнавання образу стикового з’єднання на відеозображеннях із можливістю самонавчання. В моделі реалізований покроковий метод ухвалення рішення про приналежність об’єктів до класів, що дозволяє значно скоротити об’єм обчислень і застосувати розроблену модель в системах реального часу.

Ключові слова: система стеження, технічний зір, спектр аргонової дуги, розпізнавання образів.

АнНотация

Шаповалов Е.В. Средства технического зрения как элемент обратной связи в системах слежения дуговой сварки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 “Автоматизация технологических процессов” – Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, Киев, 2006 г.

Диссертация посвящена разработке средств технического зрения для систем слежения за стыком без разделки кромок. Для решения этой проблемы предложен телевизионный метод, основанный на компьютерной обработке видеоизображений линии стыкового соединения, одновременно освещенной источниками структурированного и рассеянного света. При освещении стыка с зазором, близким к нулю, источником рассеянного света лучи, попавшие в зазор между свариваемыми деталями, практически полностью поглощаются. Линия стыкового соединения на видеоизображении выглядит в виде темной протяжной полосы. Компьютерная обработка такого видеоизображения позволяет получить направление линии стыкового соединения. Дальность до свариваемых  поверхностей определяется с помощью метода светового сечения. Разработанный метод позволяет рассчитать непосредственное отклонение сварочного инструмента от линии стыкового соединения.

Предложен способ селекции лазерного излучения, диффузно отраженного от металлических свариваемых поверхностей. Показано, что диффузно отраженное лазерное излучение деполяризовано значительно сильнее, чем зеркальное, что позволило посредством поляризационного светофильтра бланкировать попадание зеркальной составляющей в объектив видеокамеры.

Адаптивное управление источником рассеянного света осуществляется специализированным контролером посредством изменения скважности ШИМ преобразователя микропроцессора, что позволяет обеспечить инвариантность сенсора к оптическим свойствам свариваемых поверхностей.

Проведенные экспериментальные и теоретические исследования спектров аргоновых дуг позволили обоснованно выбрать оптические диапазоны длин волн видимого и ближнего инфракрасного спектра, наиболее приемлемые для работы средств технического зрения АСУ ТП аргонодуговой сварки.

Показано, что в оптическом тракте средств технического зрения, основанных на методах лазерной локации, для увеличения соотношения сигнал-шум целесообразно использовать поляризационный светофильтр, установленный на объективе видеокамеры, что позволяет на практике повысить отношение сигнал-шум.

Разработана математическая модель распознавания образа стыкового соединения на видеоизображениях с возможностью самообучения. В модели реализован пошаговый метод принятия решения о принадлежности объектов к классам, что позволяет значительно сократить объем вычислений и применить разработанную модель в системах реального времени.

В работе также выполнено моделирование процесса наведения горелки на стык с помощью современного программного пакета MATLAB/Simulink. Созданная Simulink модель позволила исследовать устойчивость и поведение системы слежения для различных режимов работы сенсора и параметров настройки регулятора.

Ключевые слова: следящая система, техническое зрение, спектр аргоновой дуги, распознавание образов.

SUMMARY

Shapovalov E.V. Facilities of machine vision as an element of a back coupling in tracking systems of arc welding.

Thesis for awarding the scientific degree of candidate of engineering science in the speciality 05.13.07 – “Automation of technological processes”. – E.O. Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2006.

The thesis is devoted to development of machine vision facilities for tracking systems for seam without grooving. For the solution of this problem the method which is based on computer processing of a butt-joint line images, illuminated by sources structured and a diffuse light at the same time, is suggested.

The researches of experimental and theoretical spectra of argon-arc welding have allowed choosing optical ranges of a visible and short-range infra-red spectrum which is the most advantageous for work of machine vision facilities of automatic control system of argon-arc welding process.

The mathematical model of pattern recognition of the butt-joint line on images with capability of self-training is developed. The step-by-step method of decision-making about an attachment of objects to classes is used in above-mentioned model. Such method reduces amount of calculations and allows applying the developed model in systems of a real time.

Key words: tracking system, machine vision, a spectrum of argon-arc welding, pattern recognition.