CN102179598A - 平板窄焊缝初始焊位对中和焊缝跟踪方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明是平板窄焊缝初始焊位对中和焊缝跟踪的方法及装置，该方法及装置包括行走机构与调节机构为中心对称连接，连杆的竖直部分的一端位于行走机构的中心位置、相互垂直且固定连接；焊枪和摄像机分别固定在连杆的水平部分的两端，连杆将焊枪和摄像机固定连接为一体，行走机构用于控制焊枪和摄像机沿焊件的焊缝水平方向的运动，调节机构用于控制焊枪和摄像机沿垂直于焊件的焊缝的运动，利用行走机构的位置数据和焊缝特征点图像数据实现初始焊位的自动对中，得到焊缝当前特征点图像坐标，将当前特征点图像坐标作为参考图像坐标F_C0i；由PID控制器根据焊缝参考图像坐标F_C0i和焊缝的当前图像坐标F_Ci的偏差控制调节行走机构运动。

Description

平板窄焊缝初始焊位对中和焊缝跟踪方法及装置

技术领域

本发明属于工业自动化领域中的焊接自动化，具体地说是利用视觉引导焊枪自动对准焊缝初始焊位，在焊接过程中引导焊枪自动跟踪焊缝。

背景技术

基于视觉的智能焊接机器人主要有三方面的功能：基于视觉传感的初始焊位识别与导引、基于视觉传感的焊缝跟踪和基于视觉传感的焊缝熔透实时控制(参见“陈善本，林涛等，智能化焊接机器人技术，第20～22页，北京：机械工业出版社，2006年”)。实际应用中，在焊接参数和工艺特性确定的情况下，焊缝熔透性主要受初始焊位定位精度和焊缝跟踪精度的影响。

因此，设计同时具有初始焊位自动对中和焊缝跟踪功能的自动焊接方法具有重要意义。

目前在焊缝跟踪的应用中主要采用基于激光结构光的视觉，要求工件具有比较明显的坡口，在使用视觉的时候需要对摄像机进行精确标定，利用摄像机内外参数对焊缝形状进行三维重建(参见“Sicard P.，Levine M.D.Joint recognition and tracking for robotic arc welding.IEEE Transaction on Systems，Man，and Cybernetics，第19卷，第4期，第714～728页，1989年。”)。该方法对于无明显坡口的平板窄焊缝的焊接不适用。在初始焊位对中方面，目前只有在图像空间寻找到初始点的方法，没有考虑摄像机和焊枪之间有一段距离时如何实现初始焊位对中(参见“Zhu Z.Y.，Lin T.，Piao Y.J. Recognition of the Initial Position of Weld Based on the Image Pattern Match Technology for Welding

发明内容

本发明的目的在于设计适合平板窄焊缝的初始焊位自动对中和焊缝自动跟踪方法及装置。

为实现所述目的，本发明第一方面是提供一种基于视觉的平板窄焊缝初始焊位对中和焊缝跟踪方法，实现所述方法的步骤如下：

步骤S1：结合行走机构带动摄像机与焊枪的运动，利用行走机构的位置数据和焊缝特征点图像数据实现初始焊位的自动对中，得到焊缝当前特征点图像坐标，将当前特征点图像坐标作为参考图像坐标F_C0i；

步骤S2：以实时采集的焊缝的图像坐标为当前图像坐标F_Ci，在图像空间直接构成闭环，由PID控制器根据焊缝参考图像坐标F_C0i和焊缝的当前图像坐标F_Ci的偏差控制调节行走机构运动，调节机构调整焊枪并带动焊枪始终跟踪对准焊缝。

为实现所述目的，本发明第二方面是提供一种使用基于视觉的平板窄焊缝初始焊位对中和焊缝跟踪方法的板窄焊缝初始焊位对中和焊缝跟踪装置，该装置包括：

行走机构、调节机构、连杆、焊枪、摄像机和PID控制器，其中，行走机构与调节机构为中心对称连接，连杆的竖直部分的一端位于行走机构的中心位置、相互垂直且固定连接；焊枪和摄像机分别固定在连杆的水平部分的两端，连杆将焊枪和摄像机固定连接为一体，行走机构用于控制焊枪和摄像机沿焊件的焊缝水平方向的运动，调节机构用于控制焊枪和摄像机沿垂直于焊件的焊缝的运动，利用行走机构的位置数据和焊缝特征点图像数据实现初始焊位的自动对中，得到焊缝当前特征点图像坐标，将当前特征点图像坐标作为参考图像坐标F_C0i；由PID控制器根据焊缝参考图像坐标F_C0i和焊缝的当前图像坐标F_Ci的偏差控制调节行走机构运动。

本发明的有益效果：本发明的突出特点是方法简单可靠，结合焊枪与摄像机的运动，利用行走机构的位置数据和焊缝的图像坐标数据即可实现初始焊位对中和焊缝跟踪，对准精度高，焊缝跟踪直接在图像空间构成闭环，不需要对摄像机进行精确标定，焊缝跟踪精度高，可用性强。本发明的另一个突出特点使用成本低，使用方便，只要在传统的焊接设备上增加少量的器件即可实现焊接自动化。

在初始焊位对中时，行走机构带动摄像机和焊枪由初始位置向前行走一段距离并返回，根据运动机构的位置数据和焊缝图像坐标数据计算出初始焊位的参考坐标，调节机构左右调整摄像机和焊枪的位置，使初始焊位的焊缝当前图像坐标调整至其参考坐标，从而将焊枪对准初始焊位。焊位对中完成后开始起弧焊接，并以焊位对中完成时的焊缝图像坐标为焊缝跟踪的参考坐标，进入焊缝跟踪阶段。根据焊缝的参考图像坐标和实时采集的当前图像坐标计算出焊枪的调整量，调节机构调整焊枪实现跟踪焊缝。

附图说明

图1为平板窄焊缝初始焊位对中原理图；

图2为基于视觉的平板窄焊缝自动跟踪控制原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

请参阅图1为平板窄焊缝初始焊位对中原理图，图1中包括行走机构1、调节机构2、连杆3、焊枪4、摄像机5和PID控制器，其中，行走机构1与调节机构2为中心对称连接，连杆3的竖直部分的一端位于行走机构1的中心位置、相互垂直且固定连接；焊枪4和摄像机5分别固定在连杆3的水平部分的两端，连杆3将焊枪4和摄像机5固定连接为一体，行走机构1和调节机构2通过连杆3带动焊枪4和摄像机5运动，其中，连杆3将焊枪4和摄像机5固定连接到一起，行走机构1用于控制焊枪4和摄像机5沿焊件7的焊缝水平方向的运动，调节机构2用于控制焊枪4和摄像机5沿垂直于焊件7的焊缝的运动，利用行走机构1的位置数据和焊缝特征点图像数据实现初始焊位的自动对中，得到焊缝当前特征点图像坐标，将当前特征点图像坐标作为参考图像坐标F_C0i；由PID控制器根据焊缝参考图像坐标F_C0i和焊缝的当前图像坐标F_Ci的偏差控制调节行走机构1运动。在行走机构1处于初始位置时，焊枪4的枪尖位于焊件7的左边缘。

初始焊位对中和焊缝跟踪在图像空间实现，摄像机5在自然光照条件下采集焊缝图像，不需要对摄像机5进行精确标定。在一批焊件7焊接之前，对初始焊位做自动对中的初始化，首先，手动调整调节机构2，使焊枪4的枪尖对准焊件7上初始化焊缝9的初始焊位。摄像机5采集初始化焊缝9的图像，提取初始化焊缝9的特征点。将此时提取的初始化焊缝9的特征点图像坐标记为F_B0。然后，行走机构1带动焊枪4和摄像机5向前进方向6行走一段距离并返回初始位置。在此过程中记录行走机构1的位置数据和初始化焊缝9的特征点图像坐标数据，由这些数据计算出初始化焊缝9的倾斜角θ₁。上述初始化过程结束后，对于新的焊件7上的工件焊缝8，按照下述过程进行初始焊位对中。行走机构1带动焊枪4和摄像机5向前进方向6行走一段距离并返回初始位置，记录行走机构1的位置数据和工件焊缝8的特征点图像坐标数据，由这些数据计算出工件焊缝8的倾斜角θ₂。由F_B0、θ₁和θ₂计算焊缝初始焊位的参考图像坐标：

F_C0＝F_B0-s×d×(tanθ₁-tanθ₂)，

其中：F_C0是第一焊缝8的初始焊位的参考图像坐标，F_B0是初始化时第二焊缝9特征点图像坐标，s是笛卡尔空间到图像空间的映射参数，d是焊枪4的枪尖到摄像机5的中心线的距离。θ₁是初始化焊缝9的倾斜角，θ₂是工件焊缝8的倾斜角。

在行走机构1处于初始位置时，调节机构2根据计算出的工件焊缝8的初始焊位的参考图像坐标F_C0和工件焊缝8的当前特征点图像坐标F_C0i调节焊枪4的枪尖位置，使得F_C0i＝F_C0，根据初始焊位的参考图像坐标和当前图像坐标的偏差，调节机构2左右调整摄像机5和焊枪4的位置，实现焊缝初始焊位对中。

请参阅图2示出基于视觉的平板窄焊缝自动跟踪控制原理图，在焊缝跟踪时，以初始对中结束后得到焊缝的当前特征点图像坐标F_C0i为参考图像坐标，以实时采集的工件焊缝8的图像坐标为当前图像坐标F_Ci，在图像空间直接构成闭环，由PID控制器根据焊缝的当前特征点图像坐标F_C0i和图像坐标为当前图像坐标F_Ci的偏差控制调节机构的运动，带动焊枪跟踪焊缝。

考虑到行走机构1的导轨不是严格的直线，本发明采用改变参考图像坐标的方式对行走机构1导轨的弯曲进行补偿。导轨的弯曲在不起弧的情况下，让行走机构1带动焊枪4和摄像机5从初始化焊缝9的一端行走到另一端，在此过程中摄像机5采集初始化焊缝9的特征点，由这些特征点拟合出直线。然后计算每个特征点到该直线的距离，到直线的距离大于一定阈值的特征点视为弯曲点。补偿导轨的弯曲时，在弯曲点处改变参考图像坐标：

其中，F_r(k)是第k个位置点补偿之后的参考图像坐标，F_r是初始定位结束时确定的参考图像坐标，d(k)第k个位置点到拟合直线的距离，Δ₁是阈值，为5个像素。

在行走机构1的导轨端部安装原位开关。在行走机构1上安装旋转编码器，旋转编码器检测行走机构1的位置。

在实施例中，摄像机5安装在焊枪4前方近似于200mm处，摄像机5的镜头外围安装发光二极管照明装置，摄像机5和焊枪4之间安装防护胶皮。摄像机为黑白工业摄像机。

利用本发明的方法进行了平板窄焊缝的初始焊位自动对中实验。首先对初始焊位的自动对中进行初始化。将行走机构1调至初始位置，焊枪4的枪尖处于焊件7的左边缘。手动调整焊枪4使其对准初始化焊缝9的初始焊位，然后让行走机构1带动焊枪4和摄像机5向前行走400mm距离，通过采集的位置数据和图像坐标数据计算出初始化焊缝9的倾斜角为θ₁＝0.8185°。在小范围内改变平板焊件7的方向，得到不同方向的工件焊缝8，利用这些不同方向的工件焊缝8分别对本发明的初始焊位对中方法进行了测试。初始焊位对中实验结果如表1所示。

表1初始焊位对中实验结果

从表1实验结果可以看出，初始焊位对中的最大误差为0.1mm，平均误差为0.05mm，表明本发明的初始焊位对中方法具有比较高的对中精度。

在焊缝跟踪实验中，设定采样时间为100ms，焊接速度为1200mm/min，PID参数的比例、积分、微分增益分别为0.4、0.1、0.05，脉冲当量为每个像素对应33个脉冲。

表2所示的焊缝跟踪结果为每10个采样周期采集1次所得的数据。从表2实验结果可以看出，在图像空间的最大跟踪误差为7个像素，一般为2个像素。在笛卡尔空间的最大跟踪误差为0.35mm，一般为0.1mm。在图像空间的平均跟踪误差为0.96个像素，在笛卡尔空间的平均跟踪误差为0.048mm。从实验结果表明，本发明的焊缝跟踪方法具有比较高的跟踪精度，可以满足平板窄焊缝焊接的需要。

表2焊缝跟踪实验结果

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换都应涵盖在本发明的权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于视觉的平板窄焊缝初始焊位对中和焊缝跟踪方法，其特征在于，实现所述方法的步骤如下：

步骤S1：结合行走机构带动摄像机与焊枪的运动，利用行走机构的位置数据和焊缝特征点图像数据实现初始焊位的自动对中，得到焊缝当前特征点图像坐标，将当前特征点图像坐标作为参考图像坐标F_C0i；

步骤S2：以实时采集的焊缝的图像坐标为当前图像坐标F_Ci，在图像空间直接构成闭环，由PID控制器根据焊缝参考图像坐标F_C0i和焊缝的当前图像坐标F_Ci的偏差控制调节行走机构运动，调节机构调整焊枪并带动焊枪始终跟踪对准焊缝。

2.一种使用权利要求1所述基于视觉的平板窄焊缝初始焊位对中和焊缝跟踪方法的视觉的平板窄焊缝初始焊位对中和焊缝跟踪装置，其特征在于，包括行走机构、调节机构、连杆、焊枪、摄像机和PID控制器，其中，行走机构与调节机构为中心对称连接，连杆的竖直部分的一端位于行走机构的中心位置、相互垂直且固定连接；焊枪和摄像机分别固定在连杆的水平部分的两端，连杆将焊枪和摄像机固定连接为一体，行走机构用于控制焊枪和摄像机沿焊件的焊缝水平方向的运动，调节机构用于控制焊枪和摄像机沿垂直于焊件的焊缝的运动，利用行走机构的位置数据和焊缝特征点图像数据实现初始焊位的自动对中，得到焊缝当前特征点图像坐标，将当前特征点图像坐标作为参考图像坐标F_C0i；由PID控制器根据焊缝参考图像坐标F_C0i和焊缝的当前图像坐标F_Ci的偏差控制调节行走机构运动。

3.如权利要求1或2所述的平板窄焊缝初始焊位对中和焊缝跟踪方法或装置，其特征在于，根据行走机构的位置数据和焊缝特征点图像坐标数据计算初始焊位的参考图像坐标：

F_C0＝F_B0-s×d×(tanθ₁-tanθ₂)，

其中：F_C0是工件焊缝的初始焊位的参考图像坐标，F_B0是初始化焊缝的特征点图像坐标，s是笛卡尔空间到图像空间的映射参数，d是焊枪的枪尖到摄像机的中心线的距离；θ₁是初始化焊缝的倾斜角，θ₂是工件焊缝的倾斜角。

4.如权利要求1或2所述的平板窄焊缝初始焊位对中和焊缝跟踪方法或装置，其特征在于，根据初始焊位的参考图像坐标和当前图像坐标的偏差，调节机构左右调整摄像机和焊枪的位置，实现焊枪的初始焊位对中。

5.如权利要求1或2所述的平板窄焊缝初始焊位对中和焊缝跟踪方法或装置，其特征在于，在焊枪前端近似200mm处安装摄像机，摄像机的镜头外围安装发光二极管照明装置，摄像机和焊枪之间安装防护胶皮。

6.如权利要求1或2所述的平板窄焊缝初始焊位对中和焊缝跟踪方法或装置，其特征在于，在行走机构的导轨端部安装原位开关。

7.如权利要求1或2所述的平板窄焊缝初始焊位对中和焊缝跟踪方法或装置，其特征在于，在行走机构上安装旋转编码器，旋转编码器检测行走机构的位置。

8.如权利要求1或2所述的平板窄焊缝初始焊位对中和焊缝跟踪方法或装置，其特征在于，摄像机为黑白工业摄像机。

9.如权利要求1或2所述的平板窄焊缝初始焊位对中和焊缝跟踪方法或装置，其特征在于，对行走机构导轨的弯曲进行补偿，导轨的弯曲在不起弧的情况下，让行走机构带动焊枪和摄像机从初始化焊缝的一端行走到另一端，在此过程中摄像机采集初始化焊缝的特征点，由这些特征点拟合出直线；然后计算每个特征点到该直线的距离，到直线的距离大于阈值的特征点视为弯曲点；补偿导轨的弯曲时，在弯曲点处改变参考图像坐标：

其中，F_r(k)是第k个位置点补偿之后的参考图像坐标，F_r是初始定位结束时确定的参考图像坐标，d(k)第k个位置点到拟合直线的距离，Δ₁是阈值，为5个像素。

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