CN104588838B - 一种焊枪自动跟踪控制并在线修正系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种焊枪自动跟踪控制并在线修正系统及其控制方法，属于机器人弧焊技术领域，包括视觉传感系统、图像处理系统、跟踪控制系统和在线修正系统，视觉传感系统包括CCD视觉传感器，图像处理系统包括图像预处理模块和图像处理模块，跟踪控制系统包括焊枪、控制系统、驱动系统、信号处理模块和电弧传感器，在线修正系统包括激光二维轮廓扫描传感器和误差分析模块。本发明利用CCD视觉传感器、电弧传感器和激光二维轮廓扫描传感器三个传感器的误差在线融合分别从焊接前、焊接中、焊接后三个焊接阶段对焊缝进行预测、跟踪、修正，提高了焊缝追踪精度和系统容错性，提高焊接生产效率和焊接质量，具有通用性。

Description

一种焊枪自动跟踪控制并在线修正系统及其控制方法

技术领域

本发明属于机器人弧焊技术领域，涉及一种焊缝跟踪检测控制方法，具体地说是一种焊枪自动跟踪控制并在线修正系统及其控制方法。

背景技术

目前，焊缝自动跟踪控制技术常用的方法有两种，一种是给定轨迹的目标控制方式，另一种是监视焊接点的图像处理方法，前者费时费力，生产效率低下；后者增大了图像处理的难度，影响跟踪精度。自动焊时，为实时补偿因工件的加工与装配误差，以及因焊接热变形所引起的焊缝位置和尺寸变化，必须采用适当的焊缝跟踪方法并可以进行在线修正焊枪轨迹。

专利名称为“基于激光视觉传感的焊缝自动跟踪方法”，(CN103252560A)公开了一种基于CCD视觉传感器焊缝自动跟踪方法，采用单传感器检测位置超前焊枪的情况下计算出焊枪实际焊缝偏差，但由于恶劣的焊接环境等各种不可预见的情况会导致传感器工作失常，焊接精度得不到保障。另一件涉及焊缝自动跟踪控制的专利的名称为“基于磁控电弧与激光视觉传感的焊缝自动跟踪控制系统”(CN203418212U)，其主要针对现有空间焊缝的自动实时跟踪精度低，系统容错性不佳等技术问题提出了基于双传感器的误差数据融合的跟踪系统，但该系统只提出了焊缝跟踪前和跟踪中的跟踪控制，并没有融合焊接后的跟踪反馈，焊接过程中的各种不确定因素仍然可能会导致系统跟踪失败。

常用的焊缝跟踪传感器有CCD视觉传感器、电弧传感器和激光二维轮廓扫描传感器等，其中电弧传感器无机械振动与磨损，且体积小，性能突出；CCD视觉传感器能获取待焊工件的图像，获取信息量大，焊缝跟踪效果好；激光轮廓扫描传感器目前主要用于运行中火车轮缘和轨道磨损的在线测量以及各种轨道轮廓及平整度测量等，其可以对各种轮廓线进行实时在线测量，应用到焊缝跟踪上可以更好的对焊缝质量进行检测并进行修正。但焊接过程中各种不确定因素对焊缝都有影响，会导致焊缝出现偏差，这种偏差靠单一的传感器进行偏差信息提取导致焊缝跟踪失败的可能性很大。因此，将多种不同的传感器有机结合是解决复杂环境下焊缝跟踪的有效方法，也是焊接自动化发展的必然趋势。

发明内容

为提高焊接过程中的控制系统对焊枪跟踪精度，保证焊枪在焊接前有预测、焊接中有修正以及焊接后有反馈，以形成完整的焊枪监控系统，本发明提出了一种焊缝自动跟踪控制并在线修正系统及其控制方法，利用多传感器的在线测量数据融合进行在线修正纠偏。

本发明的目的是克服现有焊缝跟踪系统的不足，提高自动焊接的质量和效率，提出了一种响应速度快、稳定性好、容错性好、跟踪精度高、实用性强、具有通用性的一种焊缝自动跟踪控制并在线修正系统。

本发明解决其技术问题采用以下技术方案来实现：

一种焊枪自动跟踪控制并在线修正系统及其控制方法，包括视觉传感系统、图像处理系统、跟踪控制系统和在线修正系统，所述视觉传感系统包括CCD视觉传感器，所述图像处理系统包括图像预处理模块和图像处理模块，所述跟踪控制系统包括焊枪、控制系统、驱动系统、信号处理模块和电弧传感器，所述在线修正系统包括激光二维轮廓扫描传感器和误差分析模块。

所述CCD视觉传感器与图像预处理模块连接，所述图像预处理模块与图像处理模块连接，所述图像处理模块与控制系统连接，所述控制系统与驱动系统连接，所述驱动系统与焊枪相连，所述电弧传感器安装在焊枪上，电弧传感器与信号处理模块连接，所述信号处理模块与控制系统连接，所述激光二维轮廓扫描传感器与误差分析模块相连，所述误差分析模块和控制系统相连。

所述CCD视觉传感器、电弧传感器和激光二维轮廓扫描传感器利用多传感器信息融合技术同时应用到焊缝自动跟踪控制系统中。所述电弧传感器、CCD视觉传感器和激光二维轮廓扫描传感器三者相互连通，在焊缝跟踪系统中，CCD视觉传感器可以获取待焊工件的图像，根据所测得的图像对焊缝轨迹进行偏差预测；所述电弧传感器的实时性好、体积小且性能突出，能在焊接过程中对焊枪的焊接轨迹进行调整、修正；激光二维轮廓扫描传感器可以对已焊工件的焊缝表面进行扫描，能在焊接中和焊接后对焊缝的偏差进行计算，并将计算的结果反馈给控制系统，让控制系统实时调整焊接轨迹。

所述CCD视觉传感器采用固定安装的方式安装在焊枪上，CCD视觉传感器在焊接前获取场景中待焊工件的位置信息图像和焊缝空间位置信息。

所述图像预处理模块对CCD视觉传感器获取的图像中包含的各种随机噪声和非线性畸变进行预处理，增强图像，改善图片质量，便于后续的图像处理模块特征分析；所述图像处理模块对图像边缘线进行提取，根据图像特征得到焊缝中心线并求解出焊缝数学方程，所述控制系统根据所得的数学方程对焊接过程进行实时跟踪控制并控制驱动系统对焊枪进行在线纠偏。

所述的在线修正系统是基于激光二维轮廓扫描传感器获取已焊工件的焊缝轮廓，经过误差分析模块计算出焊缝轨迹，所述的焊缝轨迹与视觉传感系统和图像处理系统得出的焊缝中心线进行比较可计算出偏差结果，得到的偏差结果信号实时反馈给控制系统，所述控制系统接收偏差结果信号后，通过驱动系统控制焊枪在线修正轨迹。

一种焊枪自动跟踪控制并在线修正系统的控制方法由以下步骤完成：

(1)焊前预测：所述CCD视觉传感器将其采集的光信号转换成图像数据，以获取焊缝路径图像，并将该焊缝路径图像传输至图像预处理模块，对焊缝路径图像进行预处理，计算出预测的焊缝路径宽度和跟踪方向，然后将预测焊接轨迹数据输出至控制系统；

(2)焊中跟踪：焊接开始时，所述电弧传感器对焊接电流进行采样，利用数字滤波器进行滤波，由误差分析模块提取偏差，拟合偏差方向，判断偏差趋势，计算补偿量，将信号传送给控制系统，控制系统控制驱动系统驱动焊枪适度偏移，使焊枪在线修正焊接轨迹；

(3)焊后修正：所述激光二维扫描传感器对已焊部位进行检测，通过计算机软件对信息进行处理，并将得到的检测数据与预设的标准数据进行对比，将不符合要求的焊接部位信息反馈至控制系统，控制系统发送控制指令至驱动系统，由驱动系统控制焊枪对该焊接部位进行补焊。

本发明的有益效果是：本发明针对单一传感器难以满足实时空间焊缝跟踪精度与精确质量控制要求的问题，提出了一种多传感器融合的自动跟踪控制并在线修正系统。该系统由CCD视觉传感器、电弧传感器和激光二维轮廓扫描传感器构成传感器系统，分别从焊接前、焊接中、焊接后三个焊接阶段对焊缝进行预测、跟踪、修正，使系统所提取的焊缝偏差更加接近于焊枪相对焊缝中心的真实位移，实现高精度的焊缝偏差信息提取；大大提高了对弯曲程度较大的焊缝轨迹以及折线焊缝折角处的焊缝跟踪精度以及稳定性，实际焊接工艺试验验证了该算法的有效性，跟踪效果优于单传感器焊缝跟踪系统，稳定性更高，实用性强，具有重要的实际应用价值，可广泛应用于焊接机器人或自动化跟踪专机系统中。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的系统结构组成示意图；

图2是本发明的焊缝跟踪控制系统流程图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的控制系统，相互间的连接关系及实施方法，作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

如图1至图2所示，一种焊枪自动跟踪控制并在线修正系统及其控制方法，包括CCD视觉传感器1、图像预处理模块2、图像处理模块3、控制系统4、驱动系统5、信号处理模块6、误差分析模块7、激光二维轮廓扫描传感器8、焊枪9和电弧传感器10。

所述CCD视觉传感器1与图像预处理模块2连接，所述图像预处理模块2与图像处理模块3连接，所述图像处理模块3与控制系统4连接，所述控制系统4与驱动系统5连接，所述驱动系统5与焊枪9相连，所述电弧传感器10安装在焊枪9上，电弧传感器10与信号处理模块6连接，所述信号处理模块6与控制系统4连接，所述激光二维轮廓扫描传感器8与误差分析模块7相连，所述误差分析模块7和控制系统4相连。

焊接开始前，所述CCD视觉传感器将其采集的光信号转换成图像数据，以获取焊缝路径图像，并将该焊缝路径图像传输至图像预处理模块，对焊缝路径图像进行预处理，计算出预测的焊缝路径宽度和跟踪方向，然后将预测焊接轨迹数据输出至控制系统。

焊接时，所述电弧传感器对焊接电流进行采样，利用数字滤波器进行滤波，由误差分析模块提取偏差，拟合偏差方向，判断偏差趋势，计算补偿量，将信号传送给控制系统，控制系统控制驱动系统驱动焊枪适度偏移，使焊枪在线修正焊接轨迹。

在焊枪走过的轨迹上，所述的激光二维扫描传感器对已焊部位进行检测，通过计算机软件对信息进行处理，并将得到的检测数据与预设的标准数据进行对比，将不符合要求的焊接部位信息反馈至控制系统，控制系统发送控制指令至驱动系统，由驱动系统控制焊枪对该焊接部位进行补焊。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种焊枪自动跟踪控制并在线修正系统，包括视觉传感系统、图像处理系统、跟踪控制系统和在线修正系统，其特征在于：所述视觉传感系统包括CCD视觉传感器，所述图像处理系统包括图像预处理模块和图像处理模块，所述跟踪控制系统包括焊枪、控制系统、驱动系统、信号处理模块和电弧传感器，所述在线修正系统包括激光二维轮廓扫描传感器和误差分析模块；

所述CCD视觉传感器与图像预处理模块连接，所述图像预处理模块与图像处理模块连接，所述图像处理模块与控制系统连接，所述控制系统与驱动系统连接，所述驱动系统与焊枪相连，所述电弧传感器安装在焊枪上，电弧传感器与信号处理模块连接，所述信号处理模块与控制系统连接，所述激光二维轮廓扫描传感器与误差分析模块相连，所述误差分析模块和控制系统相连；

所述电弧传感器、CCD视觉传感器和激光二维轮廓扫描传感器三者相互连通，所述CCD视觉传感器根据所测得的图像对焊缝轨迹进行预测，所述电弧传感器对焊接动作实时调整、修正，所述激光二维轮廓扫描传感器对焊接效果进行跟踪反馈；

所述的在线修正系统是基于激光二维轮廓扫描传感器获取已焊工件的焊缝轮廓，经过误差分析模块计算出焊缝轨迹，所述的焊缝轨迹与视觉传感系统和图像处理系统得出的焊缝中心线进行比较可得出偏差结果，得到的偏差结果信号实时反馈给控制系统，所述控制系统接收偏差结果信号后，通过驱动系统控制焊枪在线修正轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种焊枪自动跟踪控制并在线修正系统，其特征在于：所述CCD视觉传感器采用固定安装的方式安装在焊枪上，CCD视觉传感器在焊接前获取场景中待焊工件的位置信息图像和焊缝空间位置信息。

3.根据权利要求2所述的一种焊枪自动跟踪控制并在线修正系统，其特征在于：所述图像预处理模块对CCD视觉传感器获取的图像中包含的各种随机噪声和非线性畸变进行预处理；所述图像处理模块对图像边缘线进行提取，根据图像特征得到焊缝中心线并求解出焊缝的数学方程，所述控制系统根据所得的数学方程对焊接过程进行实时跟踪控制并控制驱动系统对焊枪进行在线纠偏。

4.根据权利要求1所述一种焊枪自动跟踪控制并在线修正系统的控制方法， 其特征在于：所述方法由以下步骤完成：

(1)焊前预测：所述CCD视觉传感器将其采集的光信号转换成图像数据，以获取焊缝路径图像，并将该焊缝路径图像传输至图像预处理模块，对焊缝路径图像进行预处理，计算出预测的焊缝路径宽度和跟踪方向，然后将预测焊接轨迹数据输出至控制系统；

(2)焊中跟踪：焊接开始时，电弧传感器对焊接电流进行采样，利用数字滤波器进行滤波，由误差分析模块提取偏差，拟合偏差方向，判断偏差趋势，计算补偿量，将信号传送给控制系统，控制系统控制驱动系统驱动焊枪适度偏移，使焊枪在线修正焊接轨迹；

(3)焊后修正：激光二维扫描传感器对已焊部位进行检测，通过计算机软件对信息进行处理，并将得到的检测数据与预设的标准数据进行对比，将不符合要求的焊接部位信息反馈至控制系统，控制系统发送控制指令至驱动系统，由驱动系统控制焊枪对该焊接部位进行补焊。