CN105160645B - 跟踪焊缝位置的焊炬位移控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种跟踪焊缝位置的焊炬位移控制系统，包括CCD摄像头、图像采集卡、图像处理器、嵌入式处理器和焊炬驱动器，所述CCD摄像头用于拍摄待焊接设备的焊件图像，所述图像采集卡与所述CCD摄像头连接，用于对所述焊件图像执行图像预处理操作，输出预处理图像，所述图像处理器对所述预处理图像执行焊缝位置识别操作，输出焊缝中心位置，所述嵌入式处理器与所述图像处理器和所述焊炬驱动器分别连接，基于所述焊缝中心位置向所述焊炬驱动器发出焊炬驱动信号，所述焊炬驱动信号用于驱动焊炬移动。通过本发明，能够实现焊炬自动跟随焊缝位置移动，从而保证焊接质量的可靠性。

Description

跟踪焊缝位置的焊炬位移控制系统

本发明是申请号为201510036997.0、申请日为2015年1月24日、发明名称为“跟踪焊缝位置的焊炬位移控制系统”的专利的分案申请。

技术领域

本发明涉及焊接监控领域，尤其涉及一种跟踪焊缝位置的焊炬位移控制系统。

背景技术

焊接，也称作熔接、镕接，是一种以加热、高温或者高压的方式接合金属或其他热塑性材料如塑料的制造工艺及技术。焊接一般通过下列三种途径达成接合的目的：(1)加热欲接合之工件使之局部熔化形成熔池，熔池冷却凝固后便接合，必要时可加入熔填物辅助；(2)单独加热熔点较低的焊料，无需熔化工件本身，借焊料的毛细作用连接工件(如软钎焊、硬焊)；(3)在相当于或低于工件熔点的温度下辅以高压、叠合挤塑或振动等使两工件间相互渗透接合(如锻焊、固态焊接)。

目前的焊接操作一般是人工方式进行，焊接人员带上防护面罩，手持焊炬，即焊枪，凭借肉眼观察焊接工件上的焊接缝隙线，将焊炬放置在所述焊接缝隙线位置上执行焊接，这种人工焊接的方式存在以下弊端：(1)由于焊接条件经常改变，例如强烈的弧光辐射、高温、烟尘等，会导致焊接人员的动作变形，使得焊炬偏离焊缝，导致焊接质量下降；(2)人工焊接的方式工作效率低下，容易给焊接人员带来严重的人身伤害。

因此，需要一种新的焊接控制方式，能够替代人工焊接的模式，采用机器自动跟踪焊缝，将焊炬自适应地移动到焊缝位置以实施焊接，从而达到提高焊接精度和效率，避免造成人员事故的效果。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种跟踪焊缝位置的焊炬位移控制系统，引入焊炬定位系统和图像识别系统对焊炬的位置和焊缝的位置进行准确确定，基于焊炬的位置和焊缝的位置之间的差异确定焊炬驱动信号的内容，从而移动焊炬到达正确的焊接位置执行焊接，提高焊接控制的自动化水平。

根据本发明的一方面，提供了一种跟踪焊缝位置的焊炬位移控制系统，所述控制系统包括CCD摄像头、图像采集卡、图像处理器、嵌入式处理器和焊炬驱动器，所述CCD摄像头用于拍摄待焊接设备的焊件图像，所述图像采集卡与所述CCD摄像头连接，用于对所述焊件图像执行图像预处理操作，输出预处理图像，所述图像处理器对所述预处理图像执行焊缝位置识别操作，输出焊缝中心线位置，所述嵌入式处理器与所述图像处理器和所述焊炬驱动器分别连接，基于所述焊缝中心线位置向所述焊炬驱动器发出焊炬驱动信号，所述焊炬驱动信号用于驱动焊炬移动。

更具体地，在所述跟踪焊缝位置的焊炬位移控制系统中，还包括：焊炬，采用氧气和中低压乙炔作为焊接热源，对待焊接设备进行焊接，焊接处为待焊接设备中的焊缝中心线位置；焊炬位置传感器，包括电磁式接近开关，用于实时确定焊炬的当前位置；摄像光源，设置在所述CCD摄像头上，为所述CCD摄像头的拍摄提供照明，所述摄像光源的光源强度与所述CCD摄像头周围环境的亮度成反比；存储器，用于预先存储二值化阈值和黑点数量阈值，还用于预先存储标定线上限灰度阈值和标定线下限灰度阈值，所述二值化阈值在0-255之间，所述二值化阈值用于将灰度化图像处理为二值化图像，所述标定线上限灰度阈值和所述标定线下限灰度阈值用于将图像中的标定线和背景分离，标定线在被拍摄目标上的位置为已知数据；显示器，与嵌入式处理器连接，用于显示复合图像；所述图像采集卡包括对比度增强器件、中值滤波器件和灰度化处理器件，所述对比度增强器件与所述CCD摄像头连接，用于将所述焊件图像执行对比度增强处理，输出增强焊件图像，所述中值滤波器件与所述对比度增强器件连接，基于3×3像素矩阵的中值滤波窗口对所述增强焊件图像执行中值滤波，输出滤波焊件图像，所述灰度化处理器件与所述中值滤波器件连接，对所述滤波焊件图像执行灰度化处理，输出所述预处理图像，所述对比度增强器件、所述中值滤波器件和所述灰度化处理器件集成在一块FPGA芯片上；所述图像处理器与所述存储器和所述图像采集卡分别连接，所述图像处理器包括焊缝检测器件、标定线识别器件和焊缝位置确定器件，所述焊缝检测器件与所述灰度化处理器件和所述存储器连接，基于所述二值化阈值将所述预处理图像处理为二值化焊件图像，所述焊缝检测器件对所述二值化焊件图像的每一列像素进行检测，如果一列像素中黑点像素的数量大于等于所述黑点数量阈值，则该列像素为焊缝像素列，针对每条焊缝像素列，所述焊缝检测器件对所述二值化焊件图像中与这条焊缝像素列垂直的每一行像素进行检测，检测出其中黑点像素最多的一行像素，将检测出的像素行与这条焊缝像素列的交点作为焊缝中心点，将所有的焊缝像素列的焊缝中心点组成焊缝中心线，所述标定线识别器件与所述灰度化处理器件和所述存储器连接，将所述预处理图像中灰度值在所述标定线上限灰度阈值和所述标定线下限灰度阈值之间的像素识别并组成标定线图案，所述焊缝位置确定器件与所述焊缝检测器件和所述标定线识别器件分别连接，测量所述焊缝中心线与所述标定线图案的相对位置，基于所述相对位置和所述标定线在所述待焊接设备上的已知位置确定焊缝中心线位置，所述焊缝检测器件、所述标定线识别器件和所述焊缝位置确定器件分别采用不同的FPGA芯片来实现；所述嵌入式处理器与所述焊炬位置传感器、所述焊缝位置确定器件和所述焊炬驱动器分别连接，基于所述焊缝中心线位置和所述焊炬的当前位置确定焊炬位移，并将焊炬位移包括在所述焊炬驱动信号以发送给所述焊炬驱动器，所述焊炬驱动器基于所述焊炬驱动信号驱动所述焊炬按照所述焊炬位移移动，所述嵌入式处理器还与所述CCD摄像头、所述焊缝检测器件和所述标定线识别器件分别连接，将所述标定线图案、所述焊缝中心线复合到所述焊件图像上以组成复合图像；其中，所述二值化阈值用于将灰度化图像处理为二值化图像包括，将所述二值化阈值与灰度化图像中的每一个像素的灰度值比较，灰度值小于所述二值化阈值的像素，用0表示该像素的像素值，该像素为黑点，灰度值大于等于所述二值化阈值的像素，用1表示该像素的像素值，该像素为白点。

更具体地，在所述跟踪焊缝位置的焊炬位移控制系统中，还包括：无线收发接口，用于与远端的焊接监控平台建立双向通信链路连接，以接收所述焊接监控平台发送的控制指令。

更具体地，在所述跟踪焊缝位置的焊炬位移控制系统中，所述无线收发接口还与所述嵌入式处理器连接，以将所述复合图像无线发送给所述焊接监控平台。

更具体地，在所述跟踪焊缝位置的焊炬位移控制系统中，所述无线收发接口还包括编码器，以在将所述复合图像无线发送给所述焊接监控平台之前，对所述复合图像执行压缩编码。

更具体地，在所述跟踪焊缝位置的焊炬位移控制系统中，所述压缩编码采用的编码标准是MPEG-2或MPEG-4。

附图说明

以下将结合附图对本发明的实施方案进行描述，其中：

图1为根据本发明实施方案示出的跟踪焊缝位置的焊炬位移控制系统的结构方框图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的跟踪焊缝位置的焊炬位移控制系统的实施方案进行详细说明。

根据具体的焊接工艺，焊接可细分为气焊、电阻焊、电弧焊、感应焊接及激光焊接等其他特殊焊接。焊接的能量来源有很多种，包括气体焰、电弧、激光、电子束、摩擦和超声波等。除了在工厂中使用外，焊接还可以在多种环境下进行，如野外、水下和太空。

然而，无论采取何种焊接方式，无论在何处，焊接都可能给操作者带来危险，所以在进行焊接时必须采取适当的防护措施。焊接给人体可能造成的伤害包括烧伤、触电、视力损害、吸入有毒气体、紫外线照射过度等。同时由于人工操作的特殊性，以及人工操作容易受外界因素的影响，人工焊接的效率较低，而且，每一个焊接工人的焊接培训力度和焊炬经验参差不一，导致他们的焊接质量也不统一。

由此可见，现有技术中的人工焊接模式存在诸多弊端，为了保障焊接质量的可靠性，需要采取机器焊接的方式替代人工焊接，这要求焊接机器能够自行实时检测出焊缝的位置和焊炬的位置，确定二者的偏差，以偏差为控制基础，控制焊炬移动到焊缝位置进行焊接。即，对于焊缝的自动跟踪系统已经成为目前焊接领域研究的重点之一。

本发明搭建了一种跟踪焊缝位置的焊炬位移控制系统，通过焊炬定位传感器实时确定焊炬的当前位置，通过有针对性的图像采集和处理技术完成对焊缝中心线位置的检测，并进一步采用焊炬驱动器以基于焊接位置和焊缝位置的偏差，驱动焊炬移动到焊缝位置进行焊接，整个过程不需要人工操作，提高了焊接的效率和质量。

图1为根据本发明实施方案示出的跟踪焊缝位置的焊炬位移控制系统的结构方框图，所述控制系统包括：CCD摄像头1、图像采集卡2、图像处理器3、嵌入式处理器4、焊炬驱动器5和供电设备6，所述嵌入式处理器4与所述CCD摄像头1、所述图像采集卡2、所述图像处理器3、所述焊炬驱动器5和所述供电设备6分别连接，所述图像采集卡2与所述CCD摄像头1和所述图像处理器3分别连接。

其中，所述CCD摄像头1用于拍摄待焊接设备的焊件图像，所述图像采集卡2用于对所述焊件图像执行图像预处理操作，输出预处理图像，所述图像处理器3对所述预处理图像执行焊缝位置识别操作，输出焊缝中心线位置，所述嵌入式处理器4基于所述焊缝中心线位置向所述焊炬驱动器5发出焊炬驱动信号，所述焊炬驱动信号用于驱动焊炬移动，所述供电设备6用于为所述控制系统提供电力供应。

接着，继续对本发明的跟踪焊缝位置的焊炬位移控制系统的具体结构进行进一步的说明。

所述控制系统还包括：焊炬，采用氧气和中低压乙炔作为焊接热源，对待焊接设备进行焊接，焊接处为待焊接设备中的焊缝中心线位置。

所述控制系统还包括：焊炬位置传感器，包括电磁式接近开关，用于实时确定焊炬的当前位置。

所述控制系统还包括：摄像光源，设置在所述CCD摄像头1上，为所述CCD摄像头1的拍摄提供照明，所述摄像光源的光源强度与所述CCD摄像头1周围环境的亮度成反比。

所述控制系统还包括：存储器，用于预先存储二值化阈值和黑点数量阈值，还用于预先存储标定线上限灰度阈值和标定线下限灰度阈值，所述二值化阈值在0-255之间，所述二值化阈值用于将灰度化图像处理为二值化图像，所述标定线上限灰度阈值和所述标定线下限灰度阈值用于将图像中的标定线和背景分离，标定线在被拍摄目标上的位置为已知数据。

所述控制系统还包括：显示器，与嵌入式处理器4连接，用于显示复合图像。

所述图像采集卡2包括对比度增强器件、中值滤波器件和灰度化处理器件，所述对比度增强器件与所述CCD摄像头1连接，用于将所述焊件图像执行对比度增强处理，输出增强焊件图像，所述中值滤波器件与所述对比度增强器件连接，基于3×3像素矩阵的中值滤波窗口对所述增强焊件图像执行中值滤波，输出滤波焊件图像，所述灰度化处理器件与所述中值滤波器件连接，对所述滤波焊件图像执行灰度化处理，输出所述预处理图像，所述对比度增强器件、所述中值滤波器件和所述灰度化处理器件集成在一块FPGA芯片上。

所述图像处理器3与所述存储器和所述图像采集卡2分别连接，所述图像处理器3包括焊缝检测器件、标定线识别器件和焊缝位置确定器件，所述焊缝检测器件与所述灰度化处理器件和所述存储器连接，基于所述二值化阈值将所述预处理图像处理为二值化焊件图像，所述焊缝检测器件对所述二值化焊件图像的每一列像素进行检测，如果一列像素中黑点像素的数量大于等于所述黑点数量阈值，则该列像素为焊缝像素列，针对每条焊缝像素列，所述焊缝检测器件对所述二值化焊件图像中与这条焊缝像素列垂直的每一行像素进行检测，检测出其中黑点像素最多的一行像素，将检测出的像素行与这条焊缝像素列的交点作为焊缝中心点，将所有的焊缝像素列的焊缝中心点组成焊缝中心线。

所述标定线识别器件与所述灰度化处理器件和所述存储器连接，将所述预处理图像中灰度值在所述标定线上限灰度阈值和所述标定线下限灰度阈值之间的像素识别并组成标定线图案，所述焊缝位置确定器件与所述焊缝检测器件和所述标定线识别器件分别连接，测量所述焊缝中心线与所述标定线图案的相对位置，基于所述相对位置和所述标定线在所述待焊接设备上的已知位置确定焊缝中心线位置，所述焊缝检测器件、所述标定线识别器件和所述焊缝位置确定器件分别采用不同的FPGA芯片来实现。

所述嵌入式处理器4与所述焊炬位置传感器、所述焊缝位置确定器件和所述焊炬驱动器5分别连接，基于所述焊缝中心线位置和所述焊炬的当前位置确定焊炬位移，并将焊炬位移包括在所述焊炬驱动信号以发送给所述焊炬驱动器5，所述焊炬驱动器5基于所述焊炬驱动信号驱动所述焊炬按照所述焊炬位移移动。

所述嵌入式处理器4还与所述CCD摄像头1、所述焊缝检测器件和所述标定线识别器件分别连接，将所述标定线图案、所述焊缝中心线复合到所述焊件图像上以组成复合图像。

其中，所述二值化阈值用于将灰度化图像处理为二值化图像包括，将所述二值化阈值与灰度化图像中的每一个像素的灰度值比较，灰度值小于所述二值化阈值的像素，用0表示该像素的像素值，该像素为黑点，灰度值大于等于所述二值化阈值的像素，用1表示该像素的像素值，该像素为白点。

其中，所述控制系统中还可以包括：无线收发接口，用于与远端的焊接监控平台建立双向通信链路连接，以接收所述焊接监控平台发送的控制指令，所述无线收发接口还可以与所述嵌入式处理器4连接，以将所述复合图像无线发送给所述焊接监控平台，所述无线收发接口还可以包括编码器，以在将所述复合图像无线发送给所述焊接监控平台之前，对所述复合图像执行压缩编码，可选择地，所述压缩编码采用的编码标准是MPEG-2或MPEG-4。

另外，图像编码指的是，在满足一定保真度的要求下，对图像数据的进行变换、编码和压缩，去除多余数据减少表示数字图像时需要的数据量，以便于图像的存储和传输。即以较少的数据量有损或无损地表示原来的像素矩阵的技术。图像压缩编码可分为两类：一类压缩是可逆的，即从压缩后的数据可以完全恢复原来的图像，信息没有损失，称为无损压缩编码；另一类压缩是不可逆的，即从压缩后的数据无法完全恢复原来的图像，信息有一定损失，称为有损压缩编码。

另外，MPEG标准主要有以下五个，MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7及MPEG-21等。MPEG专家组建于1988年，专门负责为CD建立视频和音频标准，而成员都是为视频、音频及系统领域的技术专家。及后，他们成功将声音和影像的记录脱离了传统的模拟方式，建立了ISO/IEC11172压缩编码标准，并制定出MPEG-格式，令视听传播方面进入了数码化时代。因此，大家现时泛指的MPEG-X版本，就是由ISO(International Organization forStandardization)所制定而发布的视频、音频、数据的压缩标准。

MPEG标准的视频压缩编码技术主要利用了具有运动补偿的帧间压缩编码技术以减小时间冗余度，利用DCT技术以减小图像的空间冗余度，利用熵编码则在信息表示方面减小了统计冗余度。这几种技术的综合运用，大大增强了压缩性能。

采用本发明的跟踪焊缝位置的焊炬位移控制系统，针对现有焊炬控制方式过于依赖人工而导致焊接精度不高、容易造成人员伤害的技术问题，引入机器焊接模式来替代人工焊接模式，该机器焊接模式能够精确识别出焊缝的中心轨迹，并能够根据焊缝的中心轨迹调整焊炬的当前位置，从而在提高焊接控制系统自动化水平的同时，保障了焊接的可靠性。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (1)

1.一种跟踪焊缝位置的焊炬位移控制系统，所述控制系统包括CCD摄像头、图像采集卡、图像处理器、嵌入式处理器和焊炬驱动器，所述CCD摄像头用于拍摄待焊接设备的焊件图像，所述图像采集卡与所述CCD摄像头连接，用于对所述焊件图像执行图像预处理操作，输出预处理图像，所述图像处理器对所述预处理图像执行焊缝位置识别操作，输出焊缝中心线位置，所述嵌入式处理器与所述图像处理器和所述焊炬驱动器分别连接，基于所述焊缝中心线位置向所述焊炬驱动器发出焊炬驱动信号，所述焊炬驱动信号用于驱动焊炬移动；

其特征在于，所述控制系统还包括：

焊炬，采用氧气和中低压乙炔作为焊接热源，对待焊接设备进行焊接，焊接处为待焊接设备中的焊缝中心线位置；

焊炬位置传感器，包括电磁式接近开关，用于实时确定焊炬的当前位置；

摄像光源，设置在所述CCD摄像头上，为所述CCD摄像头的拍摄提供照明，所述摄像光源的光源强度与所述CCD摄像头周围环境的亮度成反比；

存储器，用于预先存储二值化阈值和黑点数量阈值，还用于预先存储标定线上限灰度阈值和标定线下限灰度阈值，所述二值化阈值在0-255之间，所述二值化阈值用于将灰度化图像处理为二值化图像，所述标定线上限灰度阈值和所述标定线下限灰度阈值用于将图像中的标定线和背景分离，标定线在被拍摄目标上的位置为已知数据；

显示器，与嵌入式处理器连接，用于显示复合图像；

所述图像采集卡包括对比度增强器件、中值滤波器件和灰度化处理器件，所述对比度增强器件与所述CCD摄像头连接，用于将所述焊件图像执行对比度增强处理，输出增强焊件图像，所述中值滤波器件与所述对比度增强器件连接，基于3×3像素矩阵的中值滤波窗口对所述增强焊件图像执行中值滤波，输出滤波焊件图像，所述灰度化处理器件与所述中值滤波器件连接，对所述滤波焊件图像执行灰度化处理，输出所述预处理图像，所述对比度增强器件、所述中值滤波器件和所述灰度化处理器件集成在一块FPGA芯片上；

所述图像处理器与所述存储器和所述图像采集卡分别连接，所述图像处理器包括焊缝检测器件、标定线识别器件和焊缝位置确定器件，所述焊缝检测器件与所述灰度化处理器件和所述存储器连接，基于所述二值化阈值将所述预处理图像处理为二值化焊件图像，所述焊缝检测器件对所述二值化焊件图像的每一列像素进行检测，如果一列像素中黑点像素的数量大于等于所述黑点数量阈值，则该列像素为焊缝像素列，针对每条焊缝像素列，所述焊缝检测器件对所述二值化焊件图像中与这条焊缝像素列垂直的每一行像素进行检测，检测出其中黑点像素最多的一行像素，将检测出的像素行与这条焊缝像素列的交点作为焊缝中心点，将所有的焊缝像素列的焊缝中心点组成焊缝中心线，所述标定线识别器件与所述灰度化处理器件和所述存储器连接，将所述预处理图像中灰度值在所述标定线上限灰度阈值和所述标定线下限灰度阈值之间的像素识别并组成标定线图案，所述焊缝位置确定器件与所述焊缝检测器件和所述标定线识别器件分别连接，测量所述焊缝中心线与所述标定线图案的相对位置，基于所述相对位置和所述标定线在所述待焊接设备上的已知位置确定焊缝中心线位置，所述焊缝检测器件、所述标定线识别器件和所述焊缝位置确定器件分别采用不同的FPGA芯片来实现；

所述嵌入式处理器与所述焊炬位置传感器、所述焊缝位置确定器件和所述焊炬驱动器分别连接，基于所述焊缝中心线位置和所述焊炬的当前位置确定焊炬位移，并将焊炬位移包括在所述焊炬驱动信号以发送给所述焊炬驱动器，所述焊炬驱动器基于所述焊炬驱动信号驱动所述焊炬按照所述焊炬位移移动，所述嵌入式处理器还与所述CCD摄像头、所述焊缝检测器件和所述标定线识别器件分别连接，将所述标定线图案、所述焊缝中心线复合到所述焊件图像上以组成复合图像；

其中，所述二值化阈值用于将灰度化图像处理为二值化图像包括，将所述二值化阈值与灰度化图像中的每一个像素的灰度值比较，灰度值小于所述二值化阈值的像素，用0表示该像素的像素值，该像素为黑点，灰度值大于等于所述二值化阈值的像素，用1表示该像素的像素值，该像素为白点；

无线收发接口，用于与远端的焊接监控平台建立双向通信链路连接，以接收所述焊接监控平台发送的控制指令；

所述无线收发接口还与所述嵌入式处理器连接，以将所述复合图像无线发送给所述焊接监控平台。