CN105562975A - 自适应双目视觉传感的波纹板焊缝跟踪监测与控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自适应双目视觉传感的波纹板焊缝跟踪监测与控制系统。本系统包含一个自适应旋转双目视觉传感器、电路控制装置、以及用于焊枪空间姿态调整的多自由度焊接小车，自适应旋转双目视觉传感器通过控制线路与多自由度焊接小车连接。在焊接过程中自适应旋转双目视觉传感器可以通过自适应旋转机构使双目传感器既可以同时绕焊枪转动也可以分别沿着焊枪方向摆动以适应波纹板焊缝轨迹的变化。在本发明中通过前置的线阵CCD激光位移传感器获取波纹板焊缝信息，并进行数据拟合得出波纹板焊缝的轨迹；通过后置的面阵CCD的被动视觉传感器获得焊接过程中的跟踪误差，并利用两个传感器获得的数据进行融合得到反馈控制策略从而实现高精度的波纹板焊缝跟踪。

Description

自适应双目视觉传感的波纹板焊缝跟踪监测与控制系统

技术领域

本发明涉及一种自适应双目视觉传感的波纹板焊接焊缝跟踪检测与控制系统，尤其是基于自适应旋转双目视觉传感器，自适应旋转双目视觉传感器通过空心电机与焊枪连接，在焊接过程中自适应旋转双目视觉传感器可以通过自适应旋转关节使两个传感器同时绕焊枪转动，以保证线阵CCD激光位移传感器总是位于当前焊缝方向的正前方，面阵CCD被动视觉传感器总是位于当前焊缝方向的正后方，并且传感器的“双目”可以通过伺服电机分别沿着焊枪方向摆动以适应焊缝轨迹的变化；通过前置的线阵CCD激光位移传感器获取波纹板焊缝信息并进行数据拟合得出焊缝的轨迹，通过后置的面阵CCD被动视觉传感器获得焊接过程中的跟踪误差，通过双传感器的数据融合得出反馈控制策略进而实现高精度的波纹板焊缝跟踪。

背景技术

由于波纹板有较好的力学性能，目前大量用于集装箱的生产，集装箱的生产是劳动密集型产业需要大量的焊接工人，且工作环境恶劣人力成本高，所以实现波纹板焊接自动化是亟需解决的问题。目前用于波纹板的焊接方法主要是手工焊接和机械仿形半自动焊接，焊接效率低且焊接质量难以保证，波纹板焊缝成型质量不高，同时由于焊接过程焊接规范无法实现有效跟踪调整，使波纹板的上坡段与下波段以及直线段的焊缝成型质量有明显的不同，难以满足对波纹板焊接质量一致性的要求。这些问题在我国波纹板焊接中长期存在又一直未得到解决的难题，以至于制约了我国集装箱等行业的制造技术的进步和行业增长模式的转变。

目前国内外已经有多种原理的关于焊缝跟踪的方法，都采用相应的传感器来实现，如电弧传感、光电传感器、电容传感器、超声波传感器等，这些焊缝跟踪的方法都得到了不同程度的应用，但是由于波纹板的特殊结构，若将用于普通焊接的焊缝跟踪方法用于波纹板的焊接并不能达到满意的效果。由于视觉传感器获得的信息量大、跟踪精度高的特点，在波纹板焊接中得到了广泛的应用。如山东大学的田新诚等申请的专利“基于激光测距的集装箱波纹板焊接轨迹检测装置”、广东工业大学的高向东等申请的专利“双波长双目视觉焊缝跟踪方法及跟踪系统”，都是利用视觉来实现波纹板焊缝跟踪。但是由于波纹板在焊接过程中容易发生变形，上述的基于视觉的焊缝跟踪方法都是开环的控制故难以保证波纹板焊缝跟踪的精度，本发明提供一种闭环反馈的波纹板焊缝跟踪方法，可以有效地提高焊缝跟踪的效果。目前存在的视觉传感器体积较大，在波纹板焊接中由于波纹板轨迹的复杂性会影响焊枪的可达性，并且在焊接过程中由于焊枪姿态的调整会改变视觉传感器的拍摄角度从而会影响焊缝跟踪的精度。本发明公开的自适应双目视觉传感器的“双目”可以自适应的转动以适应波纹板轨迹的变化从而提高焊缝跟踪的精度。

发明内容

本发明的目的是为了克服目前波纹板焊接技术中存在的问题，提供一种结构简单、焊接质量高且经济性好的波纹板自动焊接方法。本系统可以实现焊枪空间姿态的调整、可以实现焊缝跟踪的闭环控制以及通过自适应旋转双目视觉传感器使焊枪能更好的适应波纹板焊缝轨迹的变化从而提高焊接质量。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种自适应双目视觉传感的波纹板焊缝跟踪检测与控制系统，包括自适应旋转双目视觉传感器、电路控制装置以及用于焊枪空间姿态调整的多自由度焊接小车。自适应旋转双目视觉传感器通过控制线路与主控连接，主控通过对传感器获得数据进行处理，进而控制焊接小车的运动轨迹。

所述的自适应旋转双目视觉传感器包括：一个空心电机、一个自适应旋转关节、两个伺服电机、一个伺服电机安装基座、三个旋转编码器、一个线阵CCD激光位移传感器以及一个面阵CCD被动视觉传感器，线阵CCD激光位移传感器和面阵CCD被动视觉传感器分别通过线阵CCD激光位移传感器摆动手臂及面阵CCD被动视觉传感器摆动手臂装配在两个伺服电机上，伺服电机通过安装基座装配在焊枪上；空心电机与焊枪固连，并且通过自适应旋转关节与伺服电机安装基座连接；当检测到波纹板的拐点时，自适应旋转双目视觉传感器可以通过自适应旋转关节使两个传感器同时绕着焊枪转动，以保证线阵CCD激光位移传感器总是位于当前焊缝方向的正前方，面阵CCD被动视觉传感器总是位于当前焊缝方向的正后方，并且传感器的“双目”可以通过伺服电机分别沿着焊枪方向摆动以适应焊缝轨迹的变化。

所述线阵CCD激光位移传感器包括，线阵CCD、步进电机、扫描转镜、圆柱物镜、圆柱像镜、滤波片、CCD驱动电路及步进电机驱动电路；将其与面阵CCD被动视觉传感器以及自适应旋转机构封装在一起，通过激光测距获得波纹板焊缝信息的数据，利用的最小二乘法对数据进行拟合，得出焊缝的轨迹。

所述的面阵CCD被动视觉传感器包括，面阵CCD、镜头、CCD驱动电路等组成；将其与线阵CCD激光传感器以及自适应旋转机构封装在一起；在焊接过程中面阵CCD被动视觉传感器对焊枪及熔池进行拍照，经过图像处理得出实时的跟踪误差；对两个传感器所获得数据进行融合得出反馈控制策略，经过控制系统对多自由度焊接小车进行控制实现焊缝跟踪。

所述的自适应旋转机构包括，一个空心电机、一个自适应旋转关节、两个伺服电机、一个伺服电机安装基座、三个旋转编码器、一个线阵CCD激光位移传感器摆动手臂以及一个面阵CCD被动视觉传感器摆动手臂。

所述的空心电机外壳与焊枪固连，以保证其与焊枪相对静止，空心电机的轴与自适应旋转关节连接且电机轴上装有旋转编码器。空心电机通过控制线路与主控系统连接，主控根据焊缝轨迹信息得出电机应该转动的角度以保证线阵CCD激光位移传感器总是位于当前焊缝方向的正前方，面阵CCD被动视觉传感器总是位于当前焊缝方向的正后方。空心电机中设有焊丝通过机构，防止焊丝与电机的线圈相互干扰，以保证焊丝在空心电机中顺利通过。

所述的旋转关节由内圈、外圈以及滚珠组成，内外圈之间可以相互转动；旋转关节的外圈与空心电机的外壳固连，内圈的一端与空心电机轴通过键连接以带动其转动，内圈的另一端与伺服电机安装基座固连；旋转关节内设有焊丝通过的结构，以防止在内圈的转动过程中与焊丝相互干扰。

所述的伺服电机安装在伺服电机安装基座上，通过安装基座固连在自适应旋转关节上，自适应旋转双目视觉传感器的“双目”通过摆动手臂分别装配在两个伺服电机上；两个伺服电机的轴上分别装有旋转编码器，以精确控制伺服电机的旋转角度；两个伺服电机分别通过控制电路与主控连接，主控根据焊缝的轨迹控制伺服电机转动进而使自适应双目视觉传感器的“双目”适应焊缝轨迹的变化；两个伺服电机之间留有足够大的缝隙，以保证焊丝顺利通过。

所述的伺服电机安装基座一端安装在自适应旋转关节上，另一端与焊枪固连；伺服电机安装基座的内部设有伺服电机固定的结构，且其内部以及两端都设有焊丝通过的结构以保证焊丝顺利通过。

附图说明：

图1是本发明的机械示意图。

图2是自适应旋转双目视觉传感器的机械示意图。

图3是本发明的系统原理结构图。

图中，1、多自由度焊接小车的运动轨迹，2、多自由度焊接小车，3、面阵CCD被动视觉传感器，4、线阵CCD激光位移传感器摆动手臂，5、线阵CCD激光位移传感器，6、焊枪，7、波纹板焊缝，8、伺服电机安装基座，9、伺服电机1，10、自适应旋转关节，11、空心电机，12、伺服电机2，13、面阵CCD被动视觉传感器摆动手臂。

具体实施方式

图中，自适应旋转双目视觉传感器包括空心电机11、自适应旋转关节10、两个伺服电机、伺服电机安装基座8、线阵CCD激光位移传感器5以及面阵CCD被动视觉传感器3；在焊接过程中超前的线阵CCD激光位移5通过扫描激光对波纹板的焊缝进行扫描，利用三角测距原理得出焊缝的信息数据，利用最小二乘法对数据进行拟合得出焊缝轨迹，由于线阵CCD激光位移传感器是超前的获得数据不能直接被使用，先将波纹板轨迹信息存储在存储器中等待调用；在焊接过程中面阵CCD被动视觉传感器3实时的对熔池进行拍照，获得熔池的图像，经过图像处理得出焊接过程中焊缝跟踪的误差；通过对双目视觉传感器的“双目”获得的数据进行融合，得出焊缝跟踪的反馈控制策略，实现高精度的焊缝跟踪；在焊接过程中当遇到波纹板焊缝的拐点时主控利用焊缝轨迹信息通过空心电机11以及自适应旋转关节10使双目视觉传感器绕焊枪转动，以保证线阵CCD激光位移传感器总是位于当前焊缝的正前方，面阵CCD被动视觉传感器总是位于当前焊缝的正后方，主控通过对两个伺服电机的控制使传感器的“双目”可以沿着焊枪的方向摆动以适应焊缝轨迹的变化。

所述的线阵CCD激光位移传感器5,它由线阵CCD、像镜、物镜、半导体激光器、扫描转镜、滤波片等构成，系统启动后，由点光源摆动形成的扫描激光对焊缝进行扫描，通过三角测距原理找出一系列最远点的距离，利用最小二乘法拟合出焊缝的轨迹。

所述的面阵CCD被动视觉传感器3由面阵CCD和摄像镜头等构成，时刻对熔池进行拍照通过对图像进行处理，获得跟踪误差，通过与线阵CCD激光位移传感器5获得数据进行融合得出反馈控制策略，实现焊缝跟踪。

所述的数据融合为决策级融合。线阵CCD激光位移传感器获得焊缝信息数据，经过数据处理拟合出焊缝轨迹，根据此焊缝轨迹可以控制焊枪找到焊缝，与此同时面阵CCD被动视觉传感器对熔池进行观测，获得熔池的图像，经过图像处理得出焊接过程中的跟踪误差，利用面阵CCD被动视觉传感器获得跟踪误差对线阵CCD激光位移传感器获得焊缝轨迹进行误差补偿。所述误差补偿具体如下：预先设定跟踪误差的阀值，将面阵CCD被动视觉传感器获得的跟踪误差与设定的阀值做比较，若误差值小于设定的阀值，则将面阵CCD被动视觉传感器获得数据舍去，若跟踪误差大于设定的阈值则进行误差补偿。

系统工作原理为：

前置的线阵CCD激光位移传感器对焊接前的焊缝进行实时扫描，将获得数据进行拟合得出焊缝轨迹。由于波纹板“三段式”的特殊结构且通常为薄板故在焊接过程中易于变形。线阵CCD激光位移传感器前置必然存在超前误差，为了改善焊接工艺提高焊接质量，后置的面阵CCD被动视觉传感器对焊丝与焊缝中心的相对位置进行实时监测，将获得数据与线阵CCD激光位移传感器得到的数据进行数据融合，从而做到对焊缝跟踪精度的反馈控制。工作过程如下：

轨迹检测系统启动后，线阵CCD激光位移传感器通过扫描激光对焊缝的起伏进行检测，将获得数据用最小二乘法进行拟合，得出焊缝的轨迹。

跟踪精度的反馈控制焊接开始后，后置的面阵CCD被动视觉传感器开始对熔池进行拍照，获得熔池的图像，经过图像处理得出跟踪误差；利用双传感器获得数据进行融合得出反馈控制策略。

由于波纹板存在上坡段、水平段及下坡段的“三段式”的结构，不同的波段需要不同的焊接工艺，且波纹板通常是薄板在焊接的过程中易于变形，故前置的线阵CCD激光位移传感器带来的超前误差是不可接受的。通过对焊缝跟踪精度的反馈控制可以明显改善波纹板的焊接质量。

Claims (3)

1.一种自适应双目视觉传感的波纹板焊缝跟踪监测与控制系统，其特征在于：包括一个自适应旋转双目视觉传感器、用于焊枪空间姿态调整的多自由度焊接小车及其控制电路；本系统提供一种闭环反馈的波纹板焊接焊缝跟踪方法，可以显著提高波纹板焊接焊缝跟踪的精度。

2.根据权利要求1所述自适应旋转双目视觉传感器其特征在于：包括一个空心电机、一个自适应旋转关节、两个伺服电机、一个伺服电机安装基座、三个旋转编码器、一个线阵CCD激光位移传感器以及一个面阵CCD被动视觉传感器，线阵CCD激光位移传感器和面阵CCD被动视觉传感器分别装配在两个伺服电机上，伺服电机通过安装基座装配在焊枪上；空心电机与焊枪固连，并且通过自适应旋转关节与伺服电机安装基座连接；当检测到波纹板的拐点时，自适应旋转双目视觉传感器可以通过自适应旋转关节使两个传感器绕着焊枪转动，以保证线阵CCD激光位移传感器总是位于当前焊缝方向的正前方，面阵CCD被动视觉传感器总是位于当前焊缝方向的正后方，并且传感器的“双目”可以通过伺服电机分别沿着焊枪方向摆动以适应焊缝轨迹的变化。

3.根据权利要求1所述闭环的波纹板焊缝跟踪方法特征在于：通过前置的线阵CCD激光位移传感器获取波纹板焊缝信息并进行数据拟合得出波纹板焊缝的轨迹，通过后置的面阵CCD被动视觉传感器获得焊接过程中的跟踪误差，通过双传感器的数据融合得到反馈控制策略进而实现高精度的波纹板焊缝跟踪。