CN104816072A - 复杂曲面薄壁板材细微拼缝激光测量焊接跟踪方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂曲面薄壁板材细微拼缝激光测量焊接跟踪方法，具有如下步骤：先用一台长波段激光器照射拼缝区域，配备一台高速CCD及长焦镜头获取拼缝的大致轮廓，然后用一笔刷沿着拼缝轮廓涂抹反光剂，再用一台短波段激光器照射涂抹了反光剂拼缝，另配备一台高速CCD及长焦镜头获取拼缝的精确信息。将两台CCD所获取的信息进行耦合，精确计算出拼缝的真实宽度、中心线矢量、拼缝曲面的法矢量等，根据这些信息，构建拼缝曲面的三维形貌廓型，优化焊接路径、焊接速度、激光功率、焊枪姿位。本发明能精确测量曲面上拼缝在世界坐标系上的坐标，并能控制焊枪和拼缝形成最佳焊接姿位，使焊料不偏离拼缝。焊接质量高。实用价值高。

Description

复杂曲面薄壁板材细微拼缝激光测量焊接跟踪方法及系统

技术领域

本发明涉及一种激光测量焊接跟踪方法，尤其涉及一种复杂曲面薄壁板材细微拼缝激光焊接跟踪方法。涉及专利分类号B23机床；其他类目中不包括的金属加工B23K钎焊或脱焊；焊接；用钎焊或焊接方法包覆或镀敷；局部加热切割，如火焰切割；用激光束加工B23K9/00电弧焊接或电弧切割B23K9/095监测或自动控制焊接参数。

背景技术

目前针对复杂曲面薄壁板材细微拼缝焊接及跟踪的视觉传感器的研究或商品化产品都存在各种不足，主要原因是测量及跟踪精度不足。如果两拼板因上道工序的加工精度不足。导致搭拼有错缝，则焊缝的法矢量面难以测量，如果拼缝小于0.05mm，并经过拼缝打磨后，则通常的激光三角测量方法或双目立体视觉测量原理的视觉传感器都不能准确、稳定获取拼缝的完整信息。当板的厚度很薄时，如果焊接速度过低，焊枪在一点处停留时间过长，会使薄板温度升高，从而产生变形。

经过对现有的技术文献的查阅，王克鸿等人在《焊接学报》(2006年第八期，Vol.27，No8)上发表了“基于激光双目视觉的接缝三维重建”。文中以坡类型的拼缝进行了拼缝信息的测量实验，但没有解决线型拼缝，尤其是拼缝间隙小于0.05mm，以及拼缝打磨后测量问题。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制的复杂曲面薄壁板材细微拼缝激光测量焊接跟踪方法，具有如下步骤：

首先，考虑到首次采集图像时，需要满足抗干扰性能及采集速度，故采用长波段激光照射待测量拼缝区域，同时采用摄像头I采集拼缝区域的图像I；相对于现有直接获取图像或者采用一般波段激光照射后获取图像，可以有效的减少环境条件比如背景光的干扰，测量结果更加准确，扫描速度更快。

然后，考虑到由于金属表面的凸凹不平及有杂质等原因，会使反射光发散，CCD采集到的图像效果不好。使用液态反光剂涂抹所述的拼缝区域。本发明所采用的反光液具有一定的粘度，可有效的附着在焊缝区域，同时要求反光性能优异，便于光学设备识别，而且在图像采集后，要求能够迅速挥发，以保证对后续的焊接作业不造成影响。另外，对于焊缝而言，拼缝的中心是主要关心的，而反光液本身就具备一定的流动性，它会以中心线缝为中心流动，这样更容易准确确定中心线缝。

考虑到，短波激光更便于清晰的测量表面焊缝表面细微特征，使用短波段激光照射涂有反光剂的拼缝区域，同时采用摄像头II采集拼缝区域的图像II。由于图像II需要获取拼缝图像的精确图像信息，故采用精度高的短波段激光进行照射。

然后，多维融合所述的图像I和图像II，得出至少包含真实宽度、中心线矢量、拼缝曲面法矢量的图像信息，构建所述拼缝的三维形貌廓形。所述的多维融合根据二维信息的特征值来判断三维信息的特征。比如，对于同一条焊缝，在CCD的测量范围内，当CCD距被测物体不同高度时，反应在镜头内的宽度是不一样的，而该宽度值和测量距离存在一定的数学关系，可以通过实验的方法，针对不同的CCD,标定出相应的数学关系式，这样就把二维测量的信息和三维信息有机的结合起来了。

最后，控制焊枪姿态、方位和焊接速度、沿焊缝的三维形貌廓形运动，完成焊接测量跟踪。

更进一步的，采集到图像II后，还具有对图像II的线结构光亚像素提取步骤：

—通过对比图像中的像素的灰度值，获得代表焊缝的光带的粗略中心；

—根据光带的宽度，对光带宽度范围内的像素灰度值进行平滑滤波和幂次变换，修正灰度的不均匀高斯分布和高频噪声对光带中心位置确定的影响；

—根据修正后的光带灰度，通过自适应阈值法确定光带边界处的阈值，得到光带的边界位置；

—对光带边界以内的像素进行灰度值的微分计算，得到该行上光带中心位置的亚像素值；

—重复上一步骤，得出每行像素上的光带中心亚像素，得到图像的光带中心。

更进一步的，所述步骤“通过对比图像中的像素的灰度值，获得代表焊缝的光带的粗略中心”具体包括如下步骤：

—针对像素大小为M行×N列的图像II，设定行索引i＝0、1、2……N-1；列索引j＝0、1、2……M-1，第i行j列的像素灰度值为G(i，j)，设定，

H_i，j＝∣G(i，j)－G(i+1，j)∣

—逐行计算图像II中各列的H_i，j值，比对相邻H_i，j值；

—当(H_i,j－H_i－1,j)/E≥I    (1)

(H_i+1,j－H_i,j)/E≤E    (2)

(1)和(2)均成立的时候，(i，j)处为所在行的粗略中心，即光带的粗略中心。

更进一步的，在使用摄像头I和摄像头II之前将所述的摄像头I和摄像头II统一到世界坐标系下。在摄像头I中标定涂抹反光剂的刷头；在摄像头II中标定焊枪枪头。

所述的长波段激光的波长≥700nm，所述短波段激光的波长≤500nm。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的流程图

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1所示：一种复杂曲面薄壁板材细微拼缝激光测量焊接跟踪方法，主要过程如下：

首先，采用波长为700nm的长波段激光照射待测量拼缝区域，同时采用CCD摄像头I采集拼缝区域的图像I。

然后，使用液态反光剂涂抹所述的拼缝区域。

再后，使用500nm的短波段激光照射涂有反光剂的拼缝区域，同时采用CCD摄像头II采集拼缝区域的图像II。

针对像素大小为M行×N列的图像II，设定行索引i＝0、1、2……N-1；列索引j＝0、1、2……M-1，第i行j列的像素灰度值为G(i，j)，设定，

Hi，j＝∣G(i，j)－G(i+1，j)∣

逐行计算图像II中各列的Hi，j值，比对相邻Hi，j值；

当(Hi,j－Hi－1,j)/E≥I    (1)

(Hi+1,j－Hi,j)/E≤E    (2)

式(1)和(2)均成立的时候，(i，j)处为所在行的粗略中心，即光带的粗略中心。其中E和I是根据实验得到的经验数值，E为0.1-0.3；I为0.25-0.55。

通过对比图像II中的像素的灰度值，获得图像中代表焊缝的光带的粗略中心。然后根据光带的宽度，对光带宽度范围内的像素灰度值进行平滑滤波和幂次变换，修正灰度的不均匀高斯分布和高频噪声对光带中心位置确定的影响；

根据修正后的光带灰度，通过自适应阈值法确定光带边界处的阈值，得到光带的边界位置；

对光带边界以内的像素进行灰度值的微分计算，得到该行上光带中心位置的亚像素值；

重复上一步骤，得出每行像素上的光带中心亚像素，得到图像的光带中心。

然后，多维融合所述的图像I和图像II，得出至少包含真实宽度、中心线矢量、拼缝曲面法矢量的图像信息，构建所述拼缝的三维形貌廓形。所述的多维融合根据二维信息的特征值来判断三维信息的特征。比如，对于同一条焊缝，在CCD的测量范围内，当CCD距被测物体不同高度时，反应在镜头内的宽度是不一样的，而该宽度值和测量距离存在一定的数学关系，可以通过实验的方法，针对不同的CCD,标定出相应的数学关系式，这样就把二维测量的信息和三维信息有机的结合起来了。

在本实施例中，使用薄钢板模拟细微拼缝。首先将钢板弯成直径为500mm半圆柱面，再将半圆柱面切成中间带有S型拼缝的两块，使拼缝曲线成为空间不规则曲线。

利用瑞士产Tesa影像仪器先对拼缝进行测量，拼缝间隙为：0.02-0.05mm，属于细微拼缝。

激光焊接拼缝跟踪系统主要包括：数控系统1、五轴联动激光焊接机床2、十字滑台3、嵌入式数控系统4、对十字滑台进行控制主控机5、视觉测量系统6。

所述的数控系统1控制五轴联动激光焊接机床的各个轴运动，在焊接过程中，控制焊接头的宏观运动轨迹。

十字滑台3、视觉测量装置6、反光液涂抹刷7和激光焊接头8均固定在十字滑台上，十字滑台3固定在五轴联动激光焊接机床2的末端执行部件上，即焊接头上。

在激光焊接过程中，机床的嵌入式数控系统4首先控制十字滑台3随着拼缝的建模轨迹进行运动。

如果拼缝出现偏差，十字滑台3利用其横轴和竖轴对视觉测量装置6和激光焊焊头8的位置进行矫正以实现拼缝的实时跟踪。

嵌入式数控系统4：根据主控机5和视觉测量系统6发送的拼缝中心跟踪的速度信息对十字滑台的位置进行控制，实现拼缝中心的实时跟踪。

主控机5：视觉测量系统6先通过第一个CCD测量装置，粗略测量出曲线的中心轮廓，然后控制反光液涂抹刷7，使用反光液涂抹整个拼缝。然后主控机5控制第二台CCD对涂抹了反光液的拼缝进行精确测量。

然后拼缝图像进行分析，获得拼缝的三维信息和拼缝的偏差量信息，并根据拼缝的偏差量大小和方向，计算出要进行拼缝中心跟踪的十字滑台的移动速度和方向将速度信息通过DA转换卡转化成模拟量，发送给嵌入式数控系统，对拼缝进行实时检测与跟踪。

在激光焊接过程中激光焊接机床控制十字滑台随着拼缝的轨迹进行移动，同时视觉测量装置会实时对拼缝局部表面进行图像采集。并传输到视觉测量主控机进行拼缝图像分析与计算，视觉测量主控机计算出十字滑台应该移动的速度和方向后将速度大小通过DA转换卡转化成模拟量后传递给嵌入式数控系统，嵌入式数控系统就会实时对十字滑台进行速度控制达到拼缝跟踪的目的。通过对实验结果的检测，很好的完成了拼缝的焊接，焊接质量很好，并具有很高的效率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种复杂曲面薄壁板材细微拼缝激光测量焊接跟踪方法，其特征在于具有如下步骤：

—采用长波段激光照射待测量拼缝区域，同时采用摄像头I采集拼缝区域的图像I；

—使用液态反光剂涂抹所述的拼缝区域；

—使用短波段激光照射涂有反光剂的拼缝区域，同时采用摄像头II采集拼缝区域的图像II；

—多维融合所述的图像I和图像II，得出至少包含真实宽度、中心线矢量、拼缝曲面法矢量的图像信息，构建所述拼缝的三维形貌廓形；

—控制焊枪姿态、方位和焊接速度、沿焊缝的三维形貌廓形运动，完成焊接测量跟踪。

2.根据权利要求1所述的复杂曲面薄壁板材细微拼缝激光测量焊接跟踪方法，其特征还在于得到图像II后，还具有对图像II的线结构光亚像素提取步骤：

—通过对比图像中的像素的灰度值，获得代表焊缝的光带的粗略中心；

—根据光带的宽度，对光带宽度范围内的像素灰度值进行平滑滤波和幂次变换，修正灰度的不均匀高斯分布和高频噪声对光带中心位置确定的影响；

—根据修正后的光带灰度，通过自适应阈值法确定光带边界处的阈值，得到光带的边界位置；

—对光带边界以内的像素进行灰度值的微分计算，得到该行上光带中心位置的亚像素值；

—重复上一步骤，得出每行像素上的光带中心亚像素，得到图像的光带中心。

3.根据权利要求2所述的复杂曲面薄壁板材细微拼缝激光测量焊接跟踪方法，其特征还在于所述步骤“通过对比图像中的像素的灰度值，获得代表焊缝的光带的粗略中心”具体包括如下步骤：

—针对像素大小为M行×N列的图像II，设定行索引i＝0、1、2……N-1；列索引j＝0、1、2……M-1，第i行j列的像素灰度值为G(i，j)，设定，

H_i，j＝∣G(i，j)－G(i+1，j)∣

—逐行计算图像II中各列的H_i，j值，比对相邻H_i，j值；

—当(H_i,j－H_i－1,j)/E≥I            (1)

(H_i+1,j－H_i,j)/E≤E              (2)

(1)和(2)均成立的时候，(i，j)处为所在行的粗略中心，即光带的粗略中心；其中E和I是根据实验得到的经验数值，E为0.1-0.3；I为0.25-0.55。

4.根据权利要求1所述的复杂曲面薄壁板材细微拼缝激光测量焊接跟踪方法，其特征还在于使用摄像头I和摄像头II之前将所述的摄像头I和摄像头II统一到世界坐标系下。

5.根据权利要求4所述的复杂曲面薄壁板材细微拼缝激光测量焊接跟踪方法，其特征还在于：在摄像头I中标定涂抹反光剂的刷头；在摄像头II中标定焊枪枪头。

6.根据权利要求1所述的复杂曲面薄壁板材细微拼缝激光测量焊接跟踪方法，其特征还在于所述的液态反光剂为水、荧光粉和植物油的混合物。

7.根据权利要求1所述的复杂曲面薄壁板材细微拼缝激光测量焊接跟踪方法，其特征还在于：所述的长波段激光的波长≥700nm，所述短波段激光的波长≤500nm。

8.一种应用如权利要求1-7任意一项权利要求所述的复杂曲面薄壁板材细微拼缝激光测量焊接跟踪方法的跟踪系统，其特征在于具有：数控系统、五轴联动激光焊接机床、十字滑台、嵌入式数控系统、对十字滑台进行控制主控机、包含所述摄像头I和摄像头II的视觉测量系统；

所述的数控系统控制五轴联动激光焊接机床的各个轴运动，在焊接过程中，控制焊接头的宏观运动轨迹；

十字滑台、视觉测量装置、反光液涂抹刷和激光焊接头均固定在十字滑台上，十字滑台固定在五轴联动激光焊接机床的末端执行部件上，即焊接头上。

在激光焊接过程中，机床的嵌入式数控系统4首先控制十字滑台3随着拼缝的建模轨迹进行运动；

如果拼缝出现偏差，十字滑台利用其横轴和竖轴对视觉测量装置和激光焊焊头的位置进行矫正以实现拼缝的实时跟踪；

嵌入式数控系统：根据主控机和视觉测量系统发送的拼缝中心跟踪的速度信息对十字滑台的位置进行控制，实现拼缝中心的实时跟踪；

主控机：视觉测量系统先通过第一个CCD测量装置，粗略测量出曲线的中心轮廓，控制反光液涂抹刷，使用反光液涂抹整个拼缝；然后主控机控制第二台CCD对涂抹了反光液的拼缝进行精确测量。

然后拼缝图像进行分析，获得拼缝的三维信息和拼缝的偏差量信息，并根据拼缝的偏差量大小和方向，计算出要进行拼缝中心跟踪的十字滑台的移动速度和方向将速度信息通过DA转换卡转化成模拟量，发送给嵌入式数控系统，对拼缝进行实时检测与跟踪。