CN106378514A - 基于机器视觉的不锈钢非均匀细微多焊缝视觉检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于机器视觉的不锈钢非均匀细微多焊缝视觉检测系统和方法，系统包括图像处理子系统和焊接平台子系统；所述图像处理子系统包括摄像机和计算机，所述焊接平台子系统包括三个LED光源，机械架和两根导轨。方法通过计算机对拍摄的图像依次进行中值滤波，二值化，查找连通域并去除伪连通域，焊孔边缘检测，然后再平移内捏合片的实际距离，得到正确的焊接点坐标，最后将焊接点坐标实时传输到焊接机器人示教控制器。本发明能实现焊缝高精度检测，能满足自动焊接工艺的需求。

Description

基于机器视觉的不锈钢非均匀细微多焊缝视觉检测系统和 方法

技术领域

本发明涉及机器视觉领域，特别涉及一种基于机器视觉的不锈钢非均匀细微多焊缝视觉检测系统和方法。

背景技术

目前工业生产中主要应用的示教再现型弧焊机器人缺乏应变能力，并且对作业条件的稳定性要求严格，但实际的机器人焊接是一个存在各种不确定干扰因素的复杂过程，因此基于视觉传感的焊缝跟踪技术对提高焊接机器人的自动化和智能化水平具有重大意义。在实际焊接过程中，由于各种因素的影响，焊接作业条件经常发生变化。例如，由于强烈的弧光辐射、高温、烟尘、飞溅、坡口状况、加工误差、装夹精度、表面状态和工件热变形等影响会造成焊接质量下降甚至失败。因此，为了克服各种不确定因素对焊接质量的影响，焊接机器人需要具有实时检测和调整控制的功能。借助于传感器等辅助仪器，使其对外界环境具有一定的感知能力，从而可以根据外部环境的变化具有焊缝自动跟踪的能力是焊接自动化研究的重要方面，同时也具有很大的实用价值。

随着计算机视觉技术的发展，视觉传感技术目前应用到了焊缝跟踪过程中，利用视觉传感技术来获取焊缝特征信息，具有信息量大、与工件不接触、远离电弧弧光和强热区、灵敏度和精度高、抗电磁干扰能力强及自动化程度高等优点，适合各种坡口形状，而且可以同时进行焊缝跟踪控制和焊接质量的控制，是最有发展前途的传感技术。

针对不同的焊接任务，在视觉系统检测上面需要采取不同的解决方案。针对焊缝比较大的任务，常利用双目视觉或者是激光结合单目视觉的方法对焊缝位置以及焊枪与焊接点高度位置进行定位，进而对焊缝进行拟合估计，同时，为了减少烟尘、飞溅液体对检测结果的影响，常采用中值滤波提高测量信息的信噪比，但是双目视觉存在的问题是标定过程繁琐，手眼关系的标定很难达到很高的精度，并且光照对双目视觉影响太大，不适用于环境恶劣的工厂现场，并且焊缝要求比较大，目前能实现的精度大概是2-3mm，同理，虽然激光结合单目视觉目前在工厂现场应用稍微多一些，但是目前所能达到的最高精度为1mm，故都不能满足精度要求小于0.5mm的不锈钢高精度焊接任务要求。

针对以上问题，亟需要一种可对不锈钢非均匀细微多焊缝高精度检测的视觉系统。

发明内容

本发明所要解决的问题是待焊接不锈钢工件表面具有强烈的反光特性，采用偏振片无法消除金属表面反射的偏振光，焊缝细微（小于0.5mm）以及工件自身结构强烈干扰检测结果。针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于机器视觉的不锈钢非均匀细微多焊缝视觉检测系统和方法，可以实现对该工件构造相同或者类似的焊宽小于0.5mm焊缝进行高精度检测，能满足自动焊接工艺的需要。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于机器视觉的不锈钢非均匀细微多焊缝视觉检测系统，包括图像处理子系统和焊接平台子系统；所述图像处理子系统包括摄像机和计算机，所述摄像机固定安装在焊接工件正上方，与焊接工件表面垂直，所述计算机与摄像机以及焊接机器人示教控制器连接；所述焊接平台子系统包括三个LED光源，机械架和两根导轨，其中两个LED光源分别固定安装在焊接工件两侧，另一个LED光源固定安装在焊接工件正上方，三个LED光源与摄像机均与机械架刚性连接，机械架安装在导轨上，并能够沿导轨移动。

一种基于机器视觉的不锈钢非均匀细微多焊缝视觉检测方法，使用上述的系统，具体步骤如下：

1）打开三个LED光源，通过摄像机拍摄一幅完整的焊接工件表面图像，并将图像传输到计算机；

2）计算机对拍摄的图像依次进行中值滤波，即将每一像素点的灰度值设置为该点3*3邻域窗口内的所有像素点灰度值的中值；采用固定阈值方法将图像二值化为只有黑、白两种像素的图像，采用Canny算子对上述二值化图像进行边缘检测，查找连通域并统计每个连通域边缘白色像素点个数，按照统计结果以及最初设定的最大最小数值去除伪连通域，最后再平移内捏合片的实际距离，得到正确的焊接点坐标，最后将焊接点坐标实时传输到焊接机器人示教控制器。

与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点：

本发明避免了因为焊接工件材料，焊缝宽度过小等因素导致直接检测焊缝难度大，稳定性不高的问题，采用间接寻找焊缝的方法实现焊缝高精度定位。由于焊缝微小，焊接工件为不锈钢材质，所以即使溶池高温造成焊缝变形的大小影响也可以忽略不计，焊枪能够沿着内捏合片的表面进行有效焊接，本发明能实现焊缝高精度检测，能满足自动焊接工艺的需求。

附图说明

图1是本发明的待焊接工件结构图。

图2为图像处理与焊缝检测过程示意图。

图3是本发明实施例提供的焊缝检测视觉系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。

本发明系统和方法结合工业机器人如直角坐标机器人、关节型机器人等对不锈钢非均匀细微多焊缝进行有效焊接，并将其应用到类似或者相同工件结构的其他材料的焊接工序。以生产过程中该焊缝小于0.5mm不锈钢工件的焊接为例，实现对缝宽小于0.5mm焊缝的高精度实时连续焊接，满足自动焊接工艺的需要。

如图1所示，本发明不锈钢工件表面有8个类椭圆形圆孔，类椭圆形圆孔两边缘凸起，凸起部分由内，外两片不锈钢捏合而成，焊缝位于该凸起棱的中间，经测量，凸起的棱宽度大约0.8mm，焊宽小于0.5mm。

如图3所示，一种基于机器视觉的不锈钢非均匀细微多焊缝视觉检测系统，包括图像处理子系统和焊接平台子系统；所述图像处理子系统包括摄像机和计算机，所述摄像机固定安装在焊接工件正上方，与焊接工件表面垂直，所述计算机与摄像机以及焊接机器人示教控制器连接；所述焊接平台子系统包括三个LED光源，机械架和两根导轨，其中两个LED光源分别固定安装在焊接工件两侧，另一个LED光源固定安装在焊接工件正上方，三个LED光源与摄像机均与机械架刚性连接，机械架安装在导轨上，并能够沿导轨移动。

在实际焊接过程中，由于摄像机以及LED光源距离焊接工件距离大概为30cm，如果没有把固定在机械架上面的三个LED光源、摄像机移动到距离焊接工件比较远的位置，焊接机器人则不能很好的对工件进行焊接，基于此，本发明在机械架下面做了两个导轨分别引导机械架四个轮子沿着导轨往返移动，工件固定不变，并且机械架能反复的回到初始位置。当拍照结束之后，用手将机械架沿着导轨轻轻移动到合适位置，然后焊接机器人开始焊接，等该工件焊接结束，再将该机械架推回至原来的位置。为了对视觉系统进行有效利用，可以在导轨上设定多个焊接机器人工作位，实现一套视觉系统对多个工作位工件焊缝检测。

如图2所示，一种基于机器视觉的不锈钢非均匀细微多焊缝视觉检测方法，具体步骤如下：

1）打开三个LED光源，通过摄像机拍摄一幅完整的焊接工件表面图像，并将图像传输到计算机；

2）计算机对拍摄的图像依次进行中值滤波，即将每一像素点的灰度值设置为该点3*3邻域窗口内的所有像素点灰度值的中值；采用固定阈值方法将图像二值化为只有黑、白两种像素的图像，采用Canny算子对上述二值化图像进行边缘检测，查找连通域并统计每个连通域边缘白色像素点个数，按照统计结果以及最初设定的最大最小数值去除伪连通域，最后再平移内捏合片的实际距离，得到正确的焊接点坐标，最后将焊接点坐标实时传输到焊接机器人示教控制器。

查找连通域并统计每个连通域边缘白色像素点个数，按照统计结果以及最初设定的最大最小数值去除伪连通域，仅保留所需要的8个孔显示出来的连通域，再接着对此8个分离的连通域进行边缘检测，得到8个类椭圆的白色边缘，将边缘横坐标小于该类椭圆中心横坐标的坐标点向左平移内捏合片的厚度距离，反之，向右平移内捏合片的厚度距离，最后将此坐标点按照焊接逆时针顺序依次传输给机器人示教控制器。

本发明在焊接初始点视觉定位中，首先对摄像机进行标定，测量待焊接工件的左上角点距离摄像机所采集的ROI区域的最上端位置，然后对应计算出该角点在图像空间中的高度，最后在该图像空间高度从左往右横向扫描到第一个白色像素坐标点，该点为焊接的初始点。

本发明焊缝坐标依次顺序输出中，刚开始为从上往下进行焊接，从初始点依次以每100个像素的步长纵向递增，同时以该点从左往右横向搜索100个像素的宽度得到第二个白色像素坐标点，该坐标点为第二个焊接点，接着依次直到纵向递增100个像素的同时从左往右横向不能搜索到白色坐标点，此时作为焊接点的最大坐标点，紧接着开始按照上述方式从下往上进行搜索得到最小焊接点，此过程中需要从右往左进行扫描，防止焊点重复扫描，然后再从上往下，从右往左搜索到初始点位置，至此第一个焊孔焊缝焊接结束。最后，将图像坐标系的横向坐标点平移整个ROI区域宽度的八分之一，重复第一个焊孔的焊缝点搜索方式进行焊点坐标查找。

本发明不仅能够降低人力成本，在人性化方面，还可以让工作人员从恶劣的环境，劳动强度大的工业生产中解脱出来；在产品质量保证方面，完全可以避免传统人工操作过程中对产品质量监督引入的主观因素，使得产品质量有质的飞跃；在生产效率方面，本发明让焊接机器人显得更加智能，应用更加广泛，比手工操作或者单纯示教机器人更精确更标准，动作执行快捷并且永不疲劳，可大大的提高劳动生产率；是生产成本方面，由于细微高精度焊缝工件工艺不能保证绝对标准，所以只能用传统的人工进行焊接，本发明能很大程度的减少聘请焊接工人的成本。

Claims (2)

1.一种基于机器视觉的不锈钢非均匀细微多焊缝视觉检测系统，其特征在于，包括图像处理子系统和焊接平台子系统；所述图像处理子系统包括摄像机和计算机，所述摄像机固定安装在焊接工件正上方，与焊接工件表面垂直，所述计算机与摄像机以及焊接机器人示教控制器连接；所述焊接平台子系统包括三个LED光源，机械架和两根导轨，其中两个LED光源分别固定安装在焊接工件两侧，另一个LED光源固定安装在焊接工件正上方，三个LED光源与摄像机均与机械架刚性连接，机械架安装在导轨上，并能够沿导轨移动。

2.一种基于机器视觉的不锈钢非均匀细微多焊缝视觉检测方法，使用如权利要求1所述的系统，其特征在于，具体步骤如下：

1）打开三个LED光源，通过摄像机拍摄一幅完整的焊接工件表面图像，并将图像传输到计算机；

2）计算机对拍摄的图像依次进行中值滤波，即将每一像素点的灰度值设置为该点3*3邻域窗口内的所有像素点灰度值的中值；采用固定阈值方法将图像二值化为只有黑、白两种像素的图像，采用Canny算子对上述二值化图像进行边缘检测，查找连通域并统计每个连通域边缘白色像素点个数，按照统计结果以及最初设定的最大最小数值去除伪连通域，最后再平移内捏合片的实际距离，得到正确的焊接点坐标，最后将焊接点坐标实时传输到焊接机器人示教控制器。