CN106475664B - 一种稳定的精密视觉焊缝跟踪系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种稳定的精密视觉焊缝跟踪系统，包括安装于移动平台上的焊枪、激光器、双靶面成像装置、处理器和控制器；激光器，采用结构光投射在待焊装配缝周围；双靶面成像装置，在同一时刻采集焊区图像信号；处理器，对被待焊装配缝调制后的结构光图像处理，并通过控制器，控制移动平台粗调，同时，处理器依据图像融合获得的成像特征参数，同时依据激光器、双靶面成像装置、待焊装配缝之间的相对位姿参数，实时获得焊枪的空间位姿偏离参数，并通过控制器精调焊枪的相对空间位姿。本发明的有益效果在于，采用对移动平台粗调与对焊枪精调的同时，引入激光器发射结构光于待焊装配缝处，抵抗了弧光闪烁的影响，使跟踪系统更加稳定和精密。

Description

一种稳定的精密视觉焊缝跟踪系统

技术领域

本发明涉及焊接领域，尤其涉及一种稳定的精密视觉焊缝跟踪系统。

背景技术

高速MAG焊在船舶、轨道交通、海工装备、核电等大型装备制造中有着广泛的应用，高速MAG焊精密焊缝跟踪是实现该类大型装备实现智能焊接的一项关键技术。视觉焊缝跟技术具有获取信息全面、无接触、进度高、相应快等等优点，在激光焊、TIG焊、MAG焊的焊缝跟踪中有一定的工业应用。

为减少焊接过程中弧光对成像的干扰，目前主要采用基于结构光辅助式模式：在熔池前区一定距离的待焊焊缝上投射线结构光，相机获取被待焊焊缝坡口调制后的结构光图像，经过图像处理获取感兴趣特征参数，结合相机成像参数得到焊缝轨迹。然而，焊接过程中存在热变形、磁力偏吹、焊丝弯曲等因素，这种超前焊缝跟踪方式使得焊接过程中发生焊偏。为消除这些因素带来的超前误差，部分研究工作者采用优化成像的方式减少结构光与熔池之间的距离，但弧光干扰严重，后期图像处理复杂，稳定性差；另一部分研究者采用高动态相机直接对熔池及其前区焊缝成像，但在高速MAG焊中能获取的焊缝较短，难以及时计算出偏离量引导焊枪运动。因此，结合高速MAG研究出一套精密的复合式视觉焊缝跟踪系统具有重要的应用价值。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述问题，本发明采用的技术方案在于，提供一种稳定的精密视觉焊缝跟踪系统，包括安装于移动平台上的焊枪、激光器、双靶面成像装置、处理器和控制器；所述激光器，用于采用结构光投射在熔池前区相连的待焊装配缝周围；所述双靶面成像装置，包括第一相机和第二相机，所述双靶面成像装置用于在同一时刻，利用其内的两个相机在不同成像参数下采集焊区高动态范围的图像信号；所述处理器，分别与所述控制器、双靶面成像装置相连，一方面，所述处理器对所述双靶面成像装置采集到的被待焊装配缝调制后的结构光图像进行处理，并将处理信息传输给所述控制器，在线粗略的规划移动平台的运动轨迹；另一方面，所述处理器对所述双靶面成像装置采集到熔池图像、被待焊装配缝调制后的结构光图像进行融合，并获得成像特征参数，同时所述处理器依据所述激光器、双靶面成像装置、待焊装配缝之间的相对位姿参数，换算出熔池中心相对所述待焊装配缝的偏离量，实时获得所述焊枪的空间位姿偏离参数，传输给所述控制器，精细调整所述焊枪的相对空间位姿。

进一步，所述激光器采用四条线结构光投射在熔池前区相连的待焊装配缝周围，且相邻线结构光两两垂直，形成矩形。

进一步，所述双靶面成像装置还包括半反光透镜，所述第一相机和第二相机成90°设置且所述半反光透镜设置于所述第一相机和第二相机的角平分线上。

进一步，在所述第一相机和所述第二相机的透光方向上设有滤光结构，且所述滤光结构设置于所述半反光透镜的上方，所述滤光结构用于滤去部分波段的弧光干扰。

进一步，在所述第一相机和所述第二相机的透光方向上还设有减光结构，且所述减光结构设置于所述半反光透镜的上方，所述减光结构用于减少光亮的进入。

进一步，固定所述双靶面成像装置的安装底板上设有滑槽或滑道，所述双靶面成像装置中的相机安装盒能够相对所述滑槽或滑道的任意一位置移动。

进一步，所述相机安装盒通过紧固件固定于所述安装底板上。

进一步，在所述双靶面成像装置的底部设有阻隔镜片，用于阻挡焊接过程中的焊渣对所述半反半透镜、第一相机和第二相机的损害。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：1、本发明的视觉焊缝跟踪系统，采用对所述移动平台粗调整与对所述焊枪精细调整的同时，结合在精密调整焊枪的过程中，引入所述激光器发射结构光于熔池前区相连的待焊装配缝处，使得采集图像在弧光影响下图像中的感兴趣特征较为稳定，在一定程度上抵抗了弧光闪烁对成像质量的影响，使焊缝跟踪系统在焊接过程中更加稳定、更加精密；2、在所述第一相机和所述第二相机的透光方向上设有滤光结构，用于滤去部分波段的弧光干扰，使成像效果更好；3、在所述安装底板上设有滑槽或滑道，双靶面成像装置中的相机安装盒能够在所述滑槽或滑道的任意一位置移动，在实际应用中，根据不同的焊接工艺来调整所述第一相机或所述第二相机的位置，获得合理的成像区域；4、在所述双靶面成像装置的底部设有阻隔镜片，用于阻挡焊接过程中的焊渣对所述第一相机、第二相机和半反半透镜造成的损害。

附图说明

图1为本发明一种稳定的精密视觉焊缝跟踪系统的结构示意图；

图2为本发明双靶面成像装置的结构示意图；

图3为本发明双靶面成像装置第一相机采集的成像结果；

图4为本发明图像融合的工作原理图；

图5为本发明固定双靶面成像装置的安装底板的结构示意图；

图6为本发明双靶面成像装置第二相机采集的成像结果；

图7为本发明实施例六中数值模拟后的光强动态比分布；

图8为本发明实施例六中滤光后的光强动态比分布；

图9为本发明实施例六中光强动态比在相机成像面中的分布。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

实施例一

请参阅图1，其为本发明一种稳定的精密视觉焊缝跟踪系统的结构示意图。

如图1，一种稳定的精密视觉焊缝跟踪系统，包括焊枪1、控制器2、激光器3、双靶面成像装置4和处理器5，所述焊枪1、控制器2、激光器3、双靶面成像装置4和处理器5安装于移动平台6上，其中，所述控制器2和处理器5不限于安装在移动平台6上，只需保证控制器2和处理器5与其它各部件之间连接即可。

所述激光器3，用于采用结构光31投射在熔池7前区相连的待焊装配缝8的周围；所述双靶面成像装置4，包括第一相机41和第二相机42,所述双靶面成像装置4用于在同一时刻，利用其内的两个相机在不同成像参数下采集焊区高动态范围的图像信号；所述处理器5，分别与所述控制器2和双靶面成像装置4相连，一方面，所述处理器5对所述双靶面成像装置4采集到的被待焊装配缝调制后的结构光图像进行处理，并将处理信息传输给所述控制器2，在线粗略的规划移动平台的运动轨迹，另一方面，所述处理器5对所述双靶面成像装置4采集到熔池图像、被待焊装配缝调制后的结构光图像进行融合，同时所述处理器5依据所述激光器3、双靶面成像装置4、待焊装配缝8之间的相对位姿参数，换算出熔池7的中心相对所述待焊装配缝8的偏离量，实时获得所述焊枪1的空间位姿偏离参数，传输给所述控制器2，精细调整所述焊枪1的相对空间位姿。

上述所述激光器3可以采用多条线结构光31投射在熔池7前区相连的待焊装配缝8的周围，形成四边形、五边形以及其他的多边形，如图1所示，本实施例中，优选所述激光器3采用四条线结构光31投射在熔池前区相连的待焊装配缝8的周围，且相邻线结构光31两两垂直，形成矩形，这样设置，有利于加快所述处理器5对所述线结构光特征的提取速率。

本发明的视觉焊缝跟踪系统，采用对所述移动平台6粗调整与对所述焊枪1精细调整的同时，结合在精密调整焊枪的过程中，引入所述激光器3发射结构光31于熔池前区相连的待焊装配缝8处，使得采集图像在弧光影响下图像中的感兴趣特征较为稳定，在一定程度上抵抗了弧光闪烁对成像质量的影响，使焊缝跟踪系统在焊接过程中更加稳定、更加精密。

请参阅图2，其为本发明双靶面成像装置的结构示意图。

如图2所示，一种双靶面成像装置4，包括第一相机41、第二相机42、半反光透镜43以及相机安装盒44，相机安装盒44固定于安装底板45上，所述第一相机41和所述第二相机42分别固定在各自对应的所述相机安装盒44内，所述第一相机41和第二相机42成90°设置且所述半反光透镜43设置于所述第一相机41和第二相机42的角平分线上。

在所述第一相机41和所述第二相机42的成像参数确定后，在同一时刻，利用所述第一相机41和所述第二相机42对所述熔池7和熔池7前区相连的待焊装配缝8进行成像，如图2所示，待监测目标反射的光到达半反半透镜43，一部分光线411直接透过所述半反光透镜43，在所述第一相机41中成像，一部分光线421被所述半反光透镜43反射后，在所述第二相机42中成像，同一时刻在两个相机中获得两幅图像，在所述第一相机41和所述第二相机42获得的成像结果如图3和图6所示，所述第一相机41中，所述熔池7所在的区域呈现白茫茫的一片，熔池7前区相连的待焊装配缝8清晰可见，且所述待焊装配缝8较长，在所述第二相机42中，所述熔池7的形貌清晰可见，所述熔池7前区相连的待焊装配缝8隐约可以看到很短的一部分。

在此基础上，所述处理器5采用图像融合技术，利用同时获取地两幅图源中冗余、互补信息进行融合，得到更适合于计算机处理的图像，其中，图像融合的工作原理如图4所示，定义A为亮度较大的目标体1，即熔池7的区域，定义B为亮度较小的目标体2，即熔池7前区相连的待焊装配缝8。

如图4所示，首先对所述第一相机41和所述第二相机42获取的图像b，c进行处理，分别提取感兴趣特征A、B，如图d,e所示；其次，依据所述第一相机41的成像特点及图像配准的方法对感兴趣特征B做空间变换，如图f所示，将感兴趣特征B转换到所述第二相机42的图像坐标系中，如图g所示；接着，基于数组运算的方式对图e的图幅进行调整，维持了图e与图g对应数组大小一致性，便于后期的融合计算；最后，依据并行融合算法，将感兴趣特征B，A融合到图i中，获得图像成像参数，为实现焊接过程中焊枪运动轨迹时候纠偏提供依据。

实施例二

如上所述的一种稳定的精密视觉焊缝跟踪系统，本实施例与其不同之处在于，如图2所示，在所述双靶面成像装置4的底部设有阻隔镜片46，用于阻挡焊接过程中的焊渣对所述第一相机41、所述第二相机42和所述半反光透镜43造成的损害，其中，所述阻隔镜片46的材质要求待监测目标反射的光能够穿过所述阻隔镜片46到达所述半反光透镜43，以免影响成像效果。

实施例三

如上所述的一种稳定的精密视觉焊缝跟踪系统，本实施例与其不同之处在于，如图2所示，在所述第一相机41和所述第二相机42的透光方向上设有滤光结构47，且所述滤光结构47设置于所述半反光透镜43的上方，所述滤光结构47用于滤去部分波段的弧光干扰。

进一步，在所述第一相机41和/或所述第二相机42的透光方向上还设有减光结构48，且所述减光结构48设置于所述半反光透镜43的上方，所述减光结构48用于减少光亮进入所述第一相机41和/或所述第二相机42，获得合理的曝光量。是否需要设置所述减光结构48需根据所述第一相机41或所述第二相机42成像的实际情况决定，如图3和图6所示，本实施例中，在所述第一相机41的透光方向上依次设有滤光结构47和减光结构48，在所述第二相机42的透光方向上只设有滤光结构47，以达到较佳的成像效果。

其中，所述滤光结构47和减光结构48的设置顺序并没有限制，可以使光路先通过所述滤光结构47，后通过所述减光结构48，也可以使光路先通过所述减光结构48，再通过所述滤光结构47。

实施例四

如上所述的一种稳定的精密视觉焊缝跟踪系统，本实施例与其不同之处在于，如图5所示，在所述安装底板45上设有滑槽451或滑道451，所述相机安装盒44能够在所述滑槽451或滑道451的任意一位置移动。

本实施例中，所述相机安装盒44通过紧固件固定于所述滑槽451或滑道451上，所述紧固件包括螺丝491和螺母492，所述螺丝491穿过所述相机安装盒44和所述滑槽451或滑道451，用所述螺母492锁紧。在实际应用中，根据不同的焊接工艺，调整所述第一相机41或所述第二相机42的位置，获得合理的成像区域。调整时，只需将所述螺母492松开，将所述螺丝491相对所述滑槽451或滑道451移动到指定位置，最后将所述螺母492锁紧即可，其中，所述紧固件的结构不仅仅限于此，还可以是其他锁紧的结构。

实施例五

如上所述的一种稳定的精密视觉焊缝跟踪系统的跟踪方法为：

(1)确定双靶面成像参数：建立激光器3、弧光和自然光在复合光照条件下的复合光照模型并采用试验测试修正，结合成像过程中两个相机的响应函数，采用数值模拟的方式，结合获得熔池7及其前区待焊装配缝8在弧光亮、暗时沿着待焊装配缝方向的光强动态比分布，并结合相机自身的光强动态比参数和感兴趣参数确定双靶面成像装置中两个相机视场中心的相对距离和视场的大小参数；

(2)所述激光器3发射结构光31投射在熔池7前区相连的待焊装配缝8的周围；

(3)待焊装配缝处反射的光在两个成像参数不同的相机中成像，同一时刻获得两幅图像，所述处理器5对采集到的被待焊装配缝8调制后的结构光图像进行处理，并将处理信息传输给所述控制器2，在线粗略的规划移动平台的运动轨迹；

(4)所述处理器5对所述双靶面成像装置4采集到的熔池图像、被待焊装配缝8调制后的结构光图像进行融合，并获得成像特征参数，同时所述处理器5依据所述激光器3、双靶面成像装置4、待焊装配缝8之间的相对位姿，换算出熔池7的中心相对所述待焊装配缝8的偏离量，实时获得所述焊枪1的空间位姿偏离参数，传输给所述控制器2，精细调整所述焊枪1的相对空间位姿，保证焊枪以适当的姿态沿着待焊装配缝8施焊。上述所述步骤(1)中，两个所述相机成90°设置且半反光透镜43设置于两个所述相机的角平分线上，这样，会使成像效果更好。

上述所述步骤(2)中，所述激光器采用四条结构光31投射在熔池前区相连的待焊装配缝8的周围，且相邻结构光31两两垂直，形成矩形，这样设置，有利于加快在后期所述处理器5对所述结构光特征的提取速率，使焊接更加精密。

实施例六

如上所述的一种稳定的精密视觉焊缝跟踪方法，本实施例与其不同之处，在于，上述所述步骤(1)中，在两个所述相机的透光方向上分别设置参数不同的滤光结构，用于减少弧光的干扰。

在确定成像参数时，需结合成像过程中滤光结构的响应函数，参数的具体确定过程如图7至图9所示：首先，以无穷远处光照为基准，建立弧光、熔池、激光器、自然光照下沿待焊装配缝方向(熔池处为距离原点)的光强动态比分布模型(结合试验进行修正)并进行模拟计算，其光强动态比分布如图7所示；其次，根据光谱分析结果可知，在MAG焊中，650nm时候弧光影响最弱，故选择650nm，带宽为50nm的滤光结构进行，建立滤光后的光照动态比模型并进行数值模拟计算，其光强动态比分布如图8所示；最后，结合相机光谱相应函数，得到滤光后的光照在相机成像面中的分布函数，如图9所示，再结合相机固有动态比，感兴趣特征所在区域，调整辅助激光线的位置、相机的视场大小、双靶面成像视场的中心距离等参数，在感兴趣特征一直在视场的前提下保证在整个焊接过程中的光照动态比都不超过相机的固有动态比。

实施例七

如上所述的一种稳定的精密视觉焊缝跟踪方法，本实施例与其不同之处，在于，上述所述步骤(1)中，在两个所述相机的透光方向上分别设置参数不同的减光结构，用于减少光亮的进入，获得合理的曝光量。

采用数学建模及数值模拟相结合的方式确定双靶面成像参数时，也需结合减光结构的相应参数。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种稳定的精密视觉焊缝跟踪系统，包括安装于移动平台上的焊枪，其特征在于，还包括安装于移动平台上的激光器、双靶面成像装置、处理器和控制器；

所述激光器采用四条线结构光投射在熔池前区相连的待焊装配缝周围，且相邻线结构光两两垂直，形成矩形；

所述双靶面成像装置，包括第一相机和第二相机，所述双靶面成像装置用于在同一时刻，利用所述第一相机和所述第二相机在不同成像参数下采集焊区高动态范围的图像信号，所述第一相机和所述第二相机适于对所述熔池和熔池前区相连的待焊装配缝进行成像；在所述第一相机的透光方向上依次设有滤光结构和减光结构，在所述第二相机的透光方向上只设有滤光结构；且所述减光结构和所述滤光结构均设置于半反光透镜的上方，所述减光结构用于减少光亮的进入，所述滤光结构用于滤去部分波段的弧光干扰；

所述处理器分别与所述控制器、双靶面成像装置相连，所述处理器适于对所述双靶面成像装置采集到的被待焊装配缝调制后的结构光图像进行处理，并将处理信息传输给所述控制器，在线粗略的规划移动平台的运动轨迹；

所述处理器还适于对所述双靶面成像装置采集到熔池图像、被待焊装配缝调制后的结构光图像进行融合，并获得成像特征参数，同时所述处理器依据所述激光器、双靶面成像装置、待焊装配缝之间的相对位姿参数，换算出熔池中心相对所述待焊装配缝的偏离量，实时获得所述焊枪的空间位姿偏离参数，传输给所述控制器，精细调整所述焊枪的相对空间位姿。

2.根据权利要求1所述的稳定的精密视觉焊缝跟踪系统，其特征在于，所述双靶面成像装置还包括半反光透镜，所述第一相机和第二相机成90°设置且所述半反光透镜设置于所述第一相机和第二相机的角平分线上。

3.根据权利要求2所述的稳定的精密视觉焊缝跟踪系统，其特征在于，固定所述双靶面成像装置的安装底板上设有滑槽或滑道，所述双靶面成像装置中的相机安装盒能够相对所述滑槽或滑道的任意一位置移动。

4.根据权利要求3所述的稳定的精密视觉焊缝跟踪系统，其特征在于，所述相机安装盒通过紧固件固定于所述安装底板上。

5.根据权利要求2-4任一所述的稳定的精密视觉焊缝跟踪系统，其特征在于，在所述双靶面成像装置的底部设有阻隔镜片，用于阻挡焊接过程中的焊渣对所述半反光透镜、第一相机和第二相机的损害。

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