CN108284290B - 基于环形面阵ccd锅炉内环缝的焊枪姿态调节方法 - Google Patents

Abstract

一种基于环形面阵CCD锅炉内环缝的焊枪姿态调节方法，用于锅炉内部圆管焊缝的焊枪姿态调节。该方法经结构光发生装置形成与焊枪轴线同心的圆环形扫描激光，再通过创新性提出的一种像素点成一定夹角放射状排列的面阵CCD接收焊缝周围形态的数据，最后利用矩阵算法得出焊枪的所有姿态角并依据姿态角自适应调节焊枪。本发明具有结构相对小巧紧凑，易于安装以及适用各种位置和各种类型焊缝的起焊点校准焊枪对准焊缝中心和姿态调节。

Description

基于环形面阵CCD锅炉内环缝的焊枪姿态调节方法

技术领域

本发明涉及锅炉内圆管焊接自动化领域，是一种基于环形面阵CCD锅炉内环缝的焊枪姿态调节方法。

背景技术

对于锅炉内圆管焊接，当前世界上尚未实现自动化。我国绝大部分还处于人工进入锅桶内部焊接，普遍焊接效率低，工人工作环境恶劣。为了提升焊接效率和改善工人工作环境，提出一种基于环形面阵CCD锅炉内环缝的焊枪姿态调节方法,对进一步推动焊接生产自动化有着积极作用。目前应用在其他领域中的CCD视觉都具有或多或少的超前性，不能实时检测以焊枪轴心为圆心的邻域上的位置信息。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，更好的推动焊接设备自动化的进程，针对锅炉内管筒焊接生产中起始点定位和焊枪姿态调节由人工校正而存在的焊接效率低、工人工作环境差、定位和校正不准等问题。本发明提出一种基于环形面阵CCD锅炉内环缝的焊枪姿态调节方法，用于锅炉内环缝的焊枪姿态调节。该方法经自主设计结构光发生装置形成与焊枪轴线同心的圆环形扫描激光，再通过创新性提出的一种像素点成一定夹角放射状排列的面阵CCD接收焊缝周围形态的数据，最后利用自主设计的Raytrace-Contrast算法得出焊枪的所有姿态角并依据姿态角自适应调节焊枪。本发明具有结构相对小巧紧凑，易于安装以及适用各种位置和各种类型焊缝的起焊点校准焊枪对准焊缝中心和焊枪姿态调节。其特征主要有以下三点：

第一、本发明采用的系统框图如图1所示，其主要包括与焊枪轴线同心的圆环形扫描激光光路装置、机器人手臂及计算机控制单元、Raytrace-Contrast算法；其中光路装置主要包括结构光发生器和圆环形面阵CCD采集模块；该方法依据所设计光路装置采集以焊枪为中心的圆形邻域上的深度值信息并进行特征提取，通过Raytrace-Contrast算法输出焊枪与焊缝的相对位置及焊枪姿态角给控制单元，控制单元与机器人通信调整机器人手臂来调节焊枪位置与焊枪姿态。

第二、本发明的光路装置主要包括结构光发生器和圆环形面阵CCD采集模块；其中所述的结构光发生器包括固定支架，驱动器，混合伺服电机，带齿轮的滚动轴承，激光支架和激光发生器；驱动器驱动混合伺服电机转动，并通过齿轮传动调动轴承转动，进而控制轴承上的四个激光器旋转，产生以焊枪为轴心的圆形扫描激光；其中所述的圆环形面阵CCD采集模块包括聚焦透镜、圆环形面阵CCD和CCD驱动器；圆环形面阵CCD的像素点排列方式与普通的面阵CCD的矩阵式排列不同，其排列方式如同线阵CCD感光条呈固定夹角的圆环阵列式排列。

第三、本发明提出的Raytrace-Contrast算法是：首先对圆环形面阵CCD进行顺时针序号标记；通过CCD采样并用质心法求出深度值矩阵S与校核数据P比较，若S与P相等则不需要调节，若S与P不相等则对S进行差分分析得出焊缝特征点的位置K；然后运用K与校核时特征点K1进行比较得出焊枪空间位置偏差角ε，若ε不为0，则通过PID调节直至ε等于0；当ε＝0时通过图像与几何关系得出焊枪平面位置姿态角最后通过控制单元与机器人手臂结合调节焊枪直至姿态角等于0。

本发明明显优势是：本发明提出一种基于环形面阵CCD锅炉内环缝的焊枪姿态调节方法，该方法采用的圆环形面阵CCD，其排列方式如同线阵CCD感光条呈固定夹角的圆环阵列式排列，各像素列之间相互独立并行输出到数据采集卡进行处理，得出原始数据矩阵。因此，其数据采集处理速度快效率高。以及该方法采用的质心法计算的深度值较为稳定准确，自主设计的Raytrace-Contrast算法可以与控制模块自适应调节焊枪姿态，采用的装置可以实时反映出以焊枪为轴心的圆形邻域上的深度值信息。

附图说明

图1是焊枪姿态调节方法的系统框图

图2是系统装置的结构示意图

图3是圆环形面阵CCD结构示意图

图4是锅炉内环缝焊枪姿态示意图

图5是Raytrace-Contrast算法框图

图6是对准焊枪中心方法示意图

图7是求解焊枪姿态角示意图

具体实施方式

为了更好的表达整个发明的技术方案与优势，下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

其系统结构部分是：本发明基于的系统装置结构示意图如图2所示。该系统装置包括焊枪1、传感器外壳2、带轴承齿轮3、激光发生器4、伺服步进电机5、电机轴上小齿轮6、圆环形像素条放射排列的面阵CCD 7、成像透镜8和激光光线9。其中圆环形面阵CCD的像素点排列方式与普通的面阵CCD的矩阵式排列不同，其排列方式如同线阵CCD感光条呈固定夹角的圆环阵列式排列，结构如图3所示。

其调节姿态方法是：焊枪姿态调节方法的系统框图如图1所示。首先控制系统控制伺服驱动驱动伺服电机，电机旋转带动四个正交排列的激光器旋转，继而在工件上生成以焊枪轴心为圆心的环形激光环。然后，圆环形面阵CCD对环形激光进行采样得出原始数据矩阵M：

M＝{X₁,X₂,X₃,X₃……X_N}

——其中，X_N为第N个像素条的感光位置。

并将原始数据输送给计算机控制系统进行处理得出深度值矩阵S，推导公式如下：

测距公式为：s_n＝f(x_n)

则，深度值矩阵为：

S_N＝{s₁,s₂,s₃,s₄……s_n}

——其中，f(x_n)为通过测距标定数据拟合的测距公式。

得出深度值矩阵之后，通过Raytrace-Contrast算法得出姿态偏差。最后，依据姿态偏差调节机器人手臂，调节焊枪姿态，而焊枪姿态的变动引起光路姿态的变化，继而影响环形激光形状，并反馈到圆环形面阵CCD采集数据上，如此闭环反馈循环之后，直至焊枪姿态与校核位置相同。其中锅炉内环缝焊枪姿态示意图如图4所示，Raytrace-Contrast算法的框图如图5所示。

其对准焊枪中心的方法是：通过对所得的深度值矩阵进行差分分析，得出焊缝特征点的位置K(X_i,X_j)，然后与校核时特征点位置K₁(X_i′,X_j′)进行比较，得出焊枪空间位置偏差角ε：

ε＝aver(|X_i-X_i'|+|X_j-X_j'|)θ

其中，X_i、X_j为第i、j个像素条的感光序号，θ为像素条夹角。

最后通过PID调节控制焊枪移动到焊缝中心位置，即当ε＝0时，焊枪对准焊缝，具体示意图如图6所示。

其焊枪平面位置姿态角的求解方法是：求解姿态角示意图如图7所示。由于焊枪的倾斜使得激光圆环由圆形变成椭圆形，因此激光光线最长的方向代表了焊枪的朝向。因此，设深度值矩阵S_N最大值为S_a，最大值所对应的对称端为S_b，则公式如下：

S_a＝max(S₁,S₂,S₃,S₄......S_n)

设激光安装的旋转直径为D₀，则由几何关系知，焊枪姿态角为：

Claims (3)

1.一种基于环形面阵CCD锅炉内环缝的焊枪姿态调节方法，用于锅炉内部圆管焊缝的焊枪姿态调节，其特征在于：该方法采用的系统主要包括与焊枪轴线同心的圆环形扫描激光光路装置、机器人手臂及计算机控制单元、矩阵算法；其中光路装置主要包括结构光发生器和圆环形面阵CCD采集模块；该方法依据矩阵算法与计算机控制单元及机器人手臂结合自适应调节焊枪位置与焊枪姿态。

2.根据权利要求1所述的一种基于环形面阵CCD锅炉内环缝的焊枪姿态调节方法，其特征在于：与焊枪轴线同心的圆环形扫描激光光路装置主要包括结构光发生器和圆环形面阵CCD采集模块；其中所述的结构光发生器包括固定支架，驱动器，混合伺服电机，带齿轮的滚动轴承，激光支架和激光发生器；驱动器驱动混合伺服电机转动，并通过齿轮传动调动轴承转动，进而控制轴承上的四个激光器旋转，产生以焊枪为轴心的圆形扫描激光；其中所述的圆环形面阵CCD采集模块包括聚焦透镜、圆环形面阵CCD和CCD驱动器；圆环形面阵CCD的像素点排列方式与普通的面阵CCD的矩阵式排列不同，其排列方式如同线阵CCD感光条呈固定夹角的圆环阵列式排列。

3.根据权利要求1所述的一种基于环形面阵CCD锅炉内环缝的焊枪姿态调节方法，其特征在于：矩阵算法首先对圆环形面阵CCD进行顺时针序号标记；通过CCD采样并用质心法求出深度值矩阵S与校核数据矩阵P比较，若S与P相等则不需要调节，若S与P不相等则对S进行差分分析得出焊缝特征点的位置K；然后运用K与校核时特征点K₁进行比较得出焊枪空间位置偏差角ε，若ε不为0，则通过PID调节直至ε等于0；当ε=0时通过图像与几何关系得出焊枪平面位置姿态角φ，最后通过控制单元与机器人手臂结合调节焊枪直至姿态角φ等于0。