CN103008881A

CN103008881A - 一种基于模板匹配的焊缝跟踪方法

Info

Publication number: CN103008881A
Application number: CN2012105153536A
Authority: CN
Inventors: 连军莉; 付纯鹤; 周庆亚; 孟宪俊
Original assignee: Beijing Semiconductor Equipment Institute
Current assignee: Beijing Semiconductor Equipment Institute
Priority date: 2012-12-05
Filing date: 2012-12-05
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明公开了一种基于线性激光成像的焊缝跟踪方法，步骤一：设备校准，调整线性激光源发生器，调整焊枪的位置，将CCD摄像头固定在焊枪正前方，采集图像并将采集的图像传到计算机中；步骤二：设定模板；步骤三：设置感兴趣区域：步骤四：进行模板匹配，获取焊缝中心的位置偏差；步骤五：若找到与模板匹配的图像，对焊枪位置进行偏差补偿；步骤六：若没有找到与模板匹配的图像，返回步骤三；步骤七：若没有找到与模板匹配的图像的次数大于设定的阈值，电机停止运动。本发明可以在焊接过程中精确定位焊缝位置，提高焊缝跟踪的精确性和可靠性，适用于各种形状的焊缝跟踪，以达到焊接过程中实现焊缝自动跟踪的目的。

Description

一种基于模板匹配的焊缝跟踪方法

技术领域

本发明属于图像处理领域，是一种自动焊接技术，特别是一种线性激光成像基于模板匹配的焊缝跟踪方法。

背景技术

焊缝的焊接过程是一个复杂、非线性、干扰因素较多的过程，焊接工件存在热变形、咬边、错边，以及焊缝间隙的变化等不可预知的因素，这些因素都会直接影响到焊接质量。焊接过程中，焊枪与焊缝中心都会存在一定误差，如果在“示教再现”或轨迹规划应用的基础上，能进行实时焊缝纠偏，就可以进一步提高焊接精度，尤其适用于辅助工程上焊接易变形、装配复杂等自动焊难以控制的工件生产。

焊缝跟踪就是寻缝对中，保持焊枪尖端始终在焊缝上。而保证焊接过程中对焊缝位置的精确定位，是实现自动化焊接的前提和必要条件。

目前，在现有的激光焊缝跟踪实现方案中，一般采用机械、电磁、视觉等传感器提供焊缝信息，由系统进行处理，实现焊枪位置控制。但是这样的焊缝跟踪系统一般是封闭的，是针对特定系统开发的传感器及处理算法，如低层的接头轮廓的提取和高层特征参数提取，包括V型接头轮廓的分割方法、V型接头特征判断与提取、多线段近似的分裂算法等，针对不同的焊缝，需使用不同的算法，算法的适应性不强，缺少通用、灵活和独立的实时焊缝跟踪。随着焊接工艺精度、速度的提高，以及焊缝的多样化，对激光焊接设备及图像处理算法及速度都提出了较高的要求。

经对现有技术文献检索分析，发现谭民等人在专利“一种基于激光结构光的焊缝跟踪视觉传感器”（专利号CN200410009931.4）中的焊缝图像处理模块中，提供多种焊缝类型的资料，使用提取特征点的方法找到焊缝坐标。在实际的计算中，选择焊缝类型和工艺，或设置系统参数，然后调用相应的图像处理程序。姜春英等人在专利“一种激光焊接焊缝跟踪实现装置及其控制方法” （专利号CN200910012657.9）中，针对V形接口/搭接和等厚板、不等厚板对接等多种焊缝类型的不同情况设计了不同的参数，进行图像处理算法参数设置，特征点提取。

在上述文献中，在系统中首先要保存大量的焊缝类型的资料以及相应的图像处理算法，针对不同的焊缝，设置不同的参数，使用不同的算法，在实际操作中缺乏通用性、灵活性，算法的适应性不强，给操作人员带来较多的操作步骤以及其他的不便。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于模板匹配的焊缝跟踪方法，要解决焊缝跟踪的偏差大、算法适应性不强的技术问题；并解决自动应对焊缝形状渐变、突变的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于模板匹配的焊缝跟踪方法，步骤如下：

步骤一：设备校准，调整线性激光源发生器，将线性激光源发生器以一定的角度固定；调整焊枪的位置，将焊枪轴心和待焊接工件的焊缝中心调整到一个垂直平面上；将CCD摄像头固定在焊枪正前方，垂直采集投射到待焊接工件的焊缝坡口处的条形光带的图像，并将采集的图像传到计算机中；

步骤二：在正式焊接工作开始前设定模板，将CCD摄像头运动到形状完整、规则的焊缝处，采集一幅图像设定为模板，并记录模板的位置；

步骤三：正式焊接开始后设置感兴趣区域：CCD摄像头匀速运动，CCD摄像头实时采集图像，并将采集的图像传到计算机中，通过图像处理中的预处理设置感兴趣区域；

步骤四：，在上述区域内搜索模板图像，通过模板匹配算法寻找与模板相匹配的图像，进行模板匹配，获取焊缝中心的位置偏差；

步骤五：若找到与模板匹配的图像，根据步骤四所述的位置偏差来对焊枪位置进行偏差补偿，通过工业控制计算机将位置偏差传给运动控制卡控制电机，经电机控制焊枪移动，保证焊枪轴心始终在焊缝中心的正上方；

步骤六：若没有找到与模板匹配的图像，返回步骤三；

步骤七：若没有找到与模板匹配的图像的次数大于设定的阈值，此次焊接结束，电机停止运动。

上述步骤一中线性激光源发生器以一定角度固定，所述一定角度是线性激光源发生器投射到待焊接工件表面的激光条形线和焊缝坡口垂直。

与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：

本发明设计一种基于线性激光成像的焊缝跟踪方法。本方法操作简洁、适应性强，对采集到的图像进行图像预处理、滤波等，通过模板匹配算法等多种处理，获取焊缝中心的位置偏差，根据该位置偏差来对焊枪位置进行偏差补偿，从而避免焊偏，保证焊枪轴心始终在焊缝中心的正上方，保证了运输管道的质量。将线性激光源发生器投射到待焊接工件表面的激光条形线和焊缝坡口垂直，保证采集到的焊缝坡口图像对称、均匀、清晰、不变形。

本发明是具有视觉功能的、能够实时自动焊缝跟踪的方法，检测空间范围大，误差容限大,焊接之前可在较大范围内寻找焊缝接头；也就是在焊接路径事先未知的情况下，能够自主焊接，并将获取焊缝中心的位置偏差传给运动控制，移动电机到当前焊缝的中心位置，引导焊枪运动。

本发明具有智能化特点，且通用性好，可自动识别并捕捉焊缝区域，检测和选定焊接的起点和终点，判断定位焊点的接头特征；可跟踪任意形状的焊缝，自动适应焊缝形状渐变、突变等情况，从而免除了对焊缝进行分类、设置等专业要求高的操作；

本发明的实时性能好，只对感兴趣区域进行处理，计算速度快，克服了现有焊缝跟踪的偏差大、算法适应性不强等问题，本发明的精度高，可以获得接头截面精确的几何形状；可以在焊接过程中精确定位焊缝位置，提高焊缝跟踪的精确性和可靠性，适用于各种形状的焊缝跟踪，不必事先存储各种形状焊缝的资料，也不需要设置过多的参数，以达到焊接过程中实现焊缝自动跟踪的目的。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1是本发明实施例的方法流程图。

具体实施方式　

下面结合实例对本发明的实质性特点和优势作进一步的说明，但本发明并不局限于所列的实施例。

参见图1所示：该图示出了本发明实施例提供的基于模板匹配的焊缝跟踪方法流程图。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例有关的部分。

一种基于模板匹配的焊缝跟踪方法，步骤如下：

步骤一：设备校准，调整线性激光源发生器，将线性激光源发生器以一定的角度固定，使其与CCD摄像头存在一定的角度，激光源发生器发射激光束，经柱面镜形成很窄的激光平面，以一定角度照射到待焊接工件表面的焊缝上呈现出一束条形光带。调整焊枪的位置，将焊枪轴心和待焊接工件的焊缝中心调整到一个垂直平面上；将CCD摄像头固定在焊枪正前方，垂直采集投射到待焊接工件的焊缝坡口处的条形光带的图像，并将采集的图像传到计算机中；

上述步骤一中线性激光源发生器以一定角度固定，所述一定角度是线性激光源发生器投射到待焊接工件表面的激光条形线和焊缝坡口垂直，保证采集到的焊缝坡口图像对称、均匀、清晰、不变形。

步骤二：设定模板，在正式焊接前，将CCD摄像头运动到形状完整、规则的焊缝处，采集一幅图像设定为模板，并记录模板的位置；

步骤三：设置感兴趣区域：焊接开始后，焊枪和CCD摄像头匀速运动，CCD摄像头实时采集图像，并将采集的图像通过图像采集卡传到工业控制计算机中，工作人员通过监测传送到工业控制计算机中的图像，实时跟踪焊缝焊接效果。

工业控制计算机通过图像处理中的预处理设置感兴趣区域；所述感兴趣区域是在CCD摄像头采集到的焊缝图像中设置较小的区域，该区域包含进行焊缝跟踪所需要的特征信息，仅对此区域内的图像进行处理，削减了大量不必要的图像信息，提高计算速度，增加实时性。

步骤四：在上述区域内搜索模板图像，通过模板匹配算法寻找与模板相匹配的图像，进行模板匹配，获取焊缝中心的位置偏差；由于待焊接工件表面的激光条形线存在一定的余高，使条形光带的图像产生相应的变形，并向待焊接工件表面上方漫反射。条形光带的的图像形变真实的反映出了待焊接工件焊缝的结构信息，所以通过处理CCD摄像头采集图像中的条形光带，通过模板匹配算法寻找与模板相匹配的图像，进行模板匹配，获取焊缝中心的位置偏差。

模板匹配算法是指模板滑动过整个图像,比较模板与原图像尺寸为w(模板宽度)×h (模板高度)的重叠区域，将结果R（x，y）保存到图像R中。公式如下：

Figure 2012105153536100002DEST_PATH_IMAGE002

其中I表示原图像，T表示模板，R表示匹配结果，模板与原图像重叠区域 x^‘=0…w-1, y^’=0…h-1。

步骤五：若找到与模板匹配的图像，根据步骤五所述的位置偏差来对焊枪位置进行偏差补偿，通过计算机将位置偏差传给运动控制卡控制电机，经电机控制焊枪移动，保证焊枪轴心始终在焊缝中心的正上方，焊接开始；

步骤六：若没有找到与模板匹配的图像，转到步骤三；

所述的激光源发生器发射的激光束，经柱面镜后形成很窄的激光平面，照射到焊缝上呈现出一束条形光带。调整激光发生器的角度，使得投射到待焊接工件表面的激光条形线和焊缝坡口垂直，保证采集到的焊缝坡口图像对称、均匀、清晰、不变形。由于焊缝上的线条存在一定的余高，使条形光产生相应的变形（不是直光带），并向工件上方漫反射。光带的形变真实的反映出了焊缝的结构信息，所以通过处理CCD摄像头采集图像中的光带，可以检测出焊缝的中心位置偏差。

所述的调整焊枪及CCD的位置，是指：将CCD摄像头固定在焊枪正前方，垂直采集投射到待焊接工件表面的变形光带的图像，采用CCD对坡口焊缝形状、位置进行实时监测。调整焊枪的位置，使焊枪轴心在焊缝中心的正上方；调整CCD的位置，使得采集到的图像在显示窗口的中心。

所述的设置感兴趣区域是指在CCD采集到的焊缝图像中设置感兴趣区域，本区域包含进行焊缝跟踪所需要的特征信息，仅对此区域内的图像进行处理，削减了大量不必要的图像信息。

所述的模板匹配的目的：一是确定在大图像中是否存在小图像，另一个是确定小图像在大图像中的位置、旋转角度。主要工作是将模板图像在大图像上平移并计算相关值。相关值最大处即为匹配最好处。如果相关值大于给定的阈值，则可认为在大图像中存在模板所代表的图像区域，模板匹配成功。

所述的模板匹配的模板是指，预先设定好的要在大图像中搜寻的图像区域，模板尺寸比大图像要小，通常是从比较完美的大图像中截取出来的，也可以是手动绘制的。

以上所述实施方式，仅为本发明较有代表性的具体实施方式，但本发明所保护技术方案并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可从本发明公开的内容直接导出或轻易想到的所有变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于模板匹配的焊缝跟踪方法，其特征在于步骤如下：

步骤六：若没有找到与模板匹配的图像，返回步骤三；

2. 根据权利要求1所述的基于模板匹配的焊缝跟踪方法，其特征在于：上述步骤一中线性激光源发生器以一定角度固定，所述一定角度是线性激光源发生器投射到待焊接工件表面的激光条形线和焊缝坡口垂直。