CN111390351A - 焊枪位姿实时变化的自动焊接装置及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种焊枪位姿实时变化的自动焊接装置及焊接方法，属于焊接自动化领域。龙门式三轴焊接平台由刚体支架、焊接平台操作区、三轴龙门式组合模组、焊枪旋转机构四部分组成，并设有绝对坐标系O‑XYZ；三轴龙门式组合模组分为含有X轴辅助导轨的X主轴模组、Y轴模组、Z轴模组；焊接平台操作区固定在刚体支架中部，X主轴模组、X轴辅助导轨固定在钢体支架上部，Y轴模组的两端分别滑动连接在X主轴模组、X轴辅助导轨上，Z轴模组滑动连接在Y轴模组上；焊枪旋转机构刚性固定在Z轴模组正下方。优点在于：自动实时识别焊缝轨迹，自动控制焊枪运动，去除人工示教，增加焊接装置的灵活性，提高焊接效率。

Description

焊枪位姿实时变化的自动焊接装置及焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接自动化、焊接轨迹自动识别技术领域，特别涉及熔化极气体保护焊轨迹识别技术，尤指一种焊枪位姿实时变化的自动焊接装置及焊接方法。

背景技术

在焊接自动化领域，由于机器人施焊能够保证较高的焊接质量和焊接效率，被广泛的应用于各种焊接场合，但是绝大多数焊接机器人多为基于人工示教的机器人：

(1)人工示教在一定程度上增加焊前准备时间，严重限制机器人或自动化化设备焊接效率；

(2)由于焊接机器人无法感知安装误差或焊接热变形产生的误差，基于人工示教焊接机器人或焊接设备难以保证焊接精度；目前很多研究者采用焊接偏差识别技术，比如激光焊缝跟踪技术，电弧传感器技术等识别偏差，在焊接过程中校核偏差，但是该技术未能完全剔除人工示教工序；

(3)人工示教使得焊接机器人的灵活性不强，对于成批量焊件，基于人工示教的焊接机器人配合焊接偏差识别技术，精确工件夹具工装，只需一次人工示教，最大可能的保证焊接精度，提高焊接效率；但是对于非单件生产，甚至一些大型焊件，为保证焊接精度，需要繁琐的人工示教。

目前为了解决焊接机器人灵活性不强，人工示教繁琐等技术问题，较为合适的方式是采用焊缝轨迹识别技术，拟合焊缝轨迹曲线反馈给焊接机器人，但是当涉及到焊枪位姿实时变化(焊枪不仅要平移移动，还要实时改变位姿)的焊缝轨迹识别时，由于曲线识别技术，控制算法等原因，限制了焊缝轨迹识别技术在空间曲线焊缝(焊枪位姿实时变化，比如钢管，圆筒环缝焊接)的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种焊枪位姿实时变化的自动焊接装置及焊接方法，解决了现有技术存在的上述问题。特别适合于焊枪位姿只在与某一平面(如本发明装置XY平面，焊枪位姿只在XY平面内变化，在Z轴方向内不发生改变)平行的平面内实时改变的焊缝轨迹识别自动化焊接。本发明在移动的相对坐标系下，分段式拟合焊缝轨迹曲线，通过对拟合的小段焊缝轨迹曲线进行处理，获取焊枪平移运动控制参数以及焊枪位姿变化控制参数，后将该参数转化为各轴运动控制信息，进行焊枪运动自动控制，无需人工示教，装置自行识别焊缝轨迹，自动焊接，极大提高了焊接效率，为涉及焊枪位姿实时变化的空间曲线焊缝进行轨迹识别自动化焊接提供了可能性。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

焊枪位姿实时变化的自动焊接装置，包括工控机、龙门式三轴焊接平台、激光视觉传感器5、图像采集卡、焊枪7、焊机、运动控制柜；所述龙门式三轴焊接平台由刚体支架、焊接平台操作区、三轴龙门式组合模组、焊枪旋转机构9四部分组成，并设有绝对坐标系O-XYZ；三轴龙门式组合模组分为含有X轴辅助导轨的X主轴模组、Y轴模组、Z轴模组；焊接平台操作区固定在刚体支架中部，X主轴模组、X轴辅助导轨固定在钢体支架上部，Y轴模组的两端分别滑动连接在X主轴模组、X轴辅助导轨上，Z轴模组滑动连接在Y轴模组上；焊枪旋转机构9刚性固定在Z轴模组正下方；三轴龙门式组合模组采用研磨滚珠丝杠重复定位精度为0.02mm；三轴龙门式组合模组应用三个伺服电机自动控制，分别为X主轴伺服电机1、Y轴伺服电机2、Z轴伺服电机3。

所述的焊枪旋转机构9由焊枪角度旋转轴8、焊枪旋转机构上壳体21、伺服电机固定板22、连接轴23、螺栓24、限位环25、焊枪角度旋转轴后端套环26、轴承27组成；焊枪角度旋转轴8采用一旋转伺服电机4自动控制，旋转伺服电机4与Z轴下端的伺服电机固定板22刚性连接，伺服电机固定板22内部有一轴承27，轴承27外径与伺服电机固定板22过盈配合固定，且伺服电机固定板在轴承下端处有一凸台，凸台限制轴承27受力下移，轴承27内径与连接轴23上端外径过盈配合，且连接轴23上部存在凸台，使焊枪角度旋转轴8、焊枪7、激光视觉传感器5重力作用到轴承27上，防止焊枪角度旋转轴8、焊枪7、激光视觉传感器5由于重力作用下移；连接轴23下部有螺纹孔，上部为空心内径与旋转伺服电机4的转轴通过键紧密连接，焊枪角度旋转轴后端套环26通过键连接到连接轴23下部，限位环25通过螺栓24连接到连接轴23下部，限制焊枪角度旋转轴8、焊枪7、激光视觉传感器5下移；焊枪7通过焊枪固定卡扣固定到焊枪角度旋转轴8后端；焊枪角度旋转轴8上的旋转伺服电机4的旋转中心线与Z轴模组上的滚珠丝杠中心线重合，焊枪通过焊枪角度旋转轴8以Z轴滚珠丝杠轴线为中心可做360°旋转。

所述的激光视觉传感器5内部包含CCD相机18、线激光发生器14；激光视觉传感器5通过激光视觉传感器固定角座20固定连接到焊枪角度旋转轴8一侧，焊枪7通过焊枪固定卡扣刚性固定连接在焊枪角度旋转轴8另一侧；激光视觉传感器5、焊枪7、焊枪角度旋转轴8刚性固定，焊枪7通过焊枪固定卡扣的松紧调节焊枪端部与CCD相机18镜头中心的距离；CCD相机18光轴线、焊枪7下端导出焊丝轴线、线激光发生器14光轴线位于同一平面，CCD相机18光轴线与焊枪7下端导出焊丝轴线在该面上平行、线激光发生器14光轴线与CCD相机18光轴线的夹角通过角度调节旋钮12调节，使激光线调节到CCD相机视野中心；线激光发生器14产生的激光线强度和线宽通过控制柜手动调节，且线激光发生器14产生的激光线必须与龙门式三轴焊接平台的Z轴方向平行。

所述的CCD相机18通过相机固定卡扣19固定到激光视觉传感器5的壳体上，CCD相机传感线通过CCD相机传感线接头10与工控机相连接；线激光发生器14置于线激光发生器固定环16内；CCD相机18通过千兆网接口与图像采集卡相连接，将实时采集到的焊缝图像输入图像采集卡，图像采集卡输出端与工控机通过千兆网接口相连接，将图像依次传输给工控机，提取焊缝坡口中心点坐标信息；线激光发生器14的通断线路通过固态继电器与运动控制卡的I/O开关连接，通过运动控制卡的I/O开关通断控制线激光发生器14的通断。

本发明的另一目的在于提供一种焊枪位姿实时变化的自动焊接方法，包括以下步骤：

S1、运动参数标定：

S1.1、焊枪、焊枪角度旋转轴、旋转伺服电机(4)刚性固定，组成一体，通过标定获取焊枪端口到旋转伺服电机转轴轴线的距离b；

S1.2、求取dh关于v函数；

焊缝坡口中心点高度方向平行于XY平面；焊缝坡口中心点高度方向变化值dh与坡口中心点在CCD相机成像的像素o-uv坐标系v轴坐标值变化存在对应关系；坡口中心点在CCD相机成像的像素o-uv坐标系v轴坐标值与坡口中心点到CCD相机的镜头中心点距离d’有关，d’是关于v的函数，实际上d’很难测量，但是当d’在小范围内出现波动时，由d’波动带来的高度差dh与坡口中心点在CCD相机成像的像素o-uv坐标系v轴坐标值呈线性关系：

dh＝a’v+c’；

a’、c’为此一元函数的常数；

dh＝a’v+c’函数测定方法：

步骤一：安装焊枪和激光视觉传感器，使焊枪垂直于Z轴，平行于XY平面，调整焊枪，确定焊枪端点到焊缝距离d，在实际焊接过程中d为一定值，范围在5-10mm；在焊接台上，竖直放置一标准待焊件(6)，激光线垂直焊缝打在标准待焊接件表面；且激光线必须与龙门式三轴焊接平台的Z轴方向平行；

步骤二：将此刻的坡口中心点在CCD相机成像的像素o-uv坐标系v轴坐标值对应的dh设定为0，也即当焊枪端点到焊缝距离为d时，dh＝0；

调整Z轴模组使焊枪在焊缝高度上移动，移动间隔为0.1mm，移动范围为-4mm～4mm，每一次移动后工控机经过图像处理，求取坡口中心点在CCD相机成像的像素o-uv坐标系v轴坐标值；

步骤三：拟合坡口中心点在CCD相机成像的像素坐标系o-uv的坐标v与dh的线性曲线，求取dh＝a’v+c’线性方程；

S1.3、求取dl关于du函数；

焊缝坡口中心点横向方向为Z轴方向，坡口中心点到CCD相机的镜头中心点距离d’一定时，坡口中心点在横向方向上变化的实际距离量dl与对应的坡口中心点在CCD相机成像的像素o-uv坐标系u轴坐标值变化量du成正比，即：

dl＝k×du；

k为正比例系数；

坡口中心点到CCD相机的镜头中心点距离d’变化时，k值也会变化，由于实际上d’很难测量，但是d’产生高度差dh时，k值也会相应变化，dh与k呈现一元线性关系；

k＝a×dh+c；

故：dl＝(a×(a’v+c’)+c)×du；

dl＝(a×(a’v+c’)+c)×du函数测定方法：

步骤一：调整焊枪端点到焊缝距离为d，设定dh＝0；

步骤二：调整Z轴模组使焊枪在焊缝横向方向上移动，移动间隔为0.1mm，移动范围为-4mm～4mm，移动后工控机经过图像处理，求取对应的du，根据此80个数据，依据平均值求取k0，求取k0值后，使焊枪在焊缝横向方向上回归原位置；

调整Z轴模组使焊枪在焊缝高度方向上移动，移动间隔为0.1mm，移动范围为-4mm～4mm，再次调整Z轴模组使焊枪在焊缝横向方向上移动，移动间隔为0.1mm，移动范围为-4mm～4mm，移动后工控机经过图像处理，求取对应的du，根据此80个数据，依据平均值求取k1，求取k1值后，使焊枪在横向方向上回归原位置；

步骤三：重复以上动作，拟合k＝a×dh+c曲线，求取a、c的值，经过转换得：

dl＝(a×(a’v+c’)+c)×du；

S2、焊缝轨迹自动识别，自动焊接；

S2.1、将圆筒环缝焊接件、螺旋型焊缝焊件固定到焊接平台；

S2.2、通过工控机手动调节功能，调整焊枪端点在起弧点处到焊缝距离为d；

S2.3、启动线激光发生器，线激光发生器产生的线激光平行焊接平台的Z轴方向，通过工控机沿自动化焊接平台基坐标X轴或Y轴方向移动焊枪使激光线到起弧点，以Y轴方向为例，记录该路径1；

S2.4、确定相机的拍摄帧数s，启动CCD相机，同时焊枪沿着路径1以焊接速度V_焊开始反向向起弧点移动；移动过程中线激光发生器产生的线激光不断扫掠未施焊的焊缝，CCD相机不断拍摄带有激光线焊缝图片；

S2.5、通过图像处理技术实时对带有激光线焊缝图片进行处理；提取焊缝图片中焊缝边缘两特征点像素坐标(u¹，v¹)和(u²，v²)，对其求取中心点获得坡口中心点像素坐标(u，v)；

S2.6、运动过程中，CCD相机获取的坡口中心点为一系列离散的点：0，1，2，3，4......n......，其对应的像素坐标为(u0，v0)，(u1，v1)，(u2，v2)，(u3，v3)，(u4，v4)......(un，vn).......，其中(u0，v0)对应为起弧点处；

S2.7、设定时间段T，则在该段时间内相机拍摄图片数目为w，若w＝3，即在T时间段内，相机拍摄的图片个数为3个：

w＝T×s＝3；

依据时间T，系统自动将焊缝轨迹划分为j(j＝1，2，3，4......)个小段；

设定相对坐标系o”-str，r轴与Z轴平行，st平面与XY平面平行，坐标原点o”设置在每时间段T内的起始点处，特有的当j＝1时，坐标原点o”与起弧点重合；

设定相对坐标系o”’-x’y’，x’，y’，z’分别与X，Y，Z轴平行，坐标原点o”’与o”重合；

设定相对坐标系o’-xyz，x，y，z分别与X，Y，Z轴平行，坐标原点o’位于Z轴转轴轴线上，与o”’连线平行于XY平面；

当j增加1时变为j+1时，相对坐标系o”-str的坐标原点自动移动到第j个时间段T内第2点处，则第j+1个时间段T的相对坐标系o”-str的坐标原点位置为第j个时间段T内的第2点位置；

S2.8、将整个焊接运动，分为三部分：Z轴运动控制、焊枪角度旋转轴运动控制、XY平面运动控制；等价为r轴方向运动控制、焊枪角度旋转轴运动控制、st平面运动控制；

S2.8.1、焊枪在r轴方向运动控制；

焊枪在r轴方向与焊缝Z轴方向平行，焊枪在r轴方向运动控制，实质是焊枪在Z轴方向上控制，两者等效；焊枪在r轴方向上运动为匀速直线运动，运动路径为第j时间段T内焊缝路径在Z轴上的投影线段；

分别求取第j时间段T内第2点与第0点的du₂；求取第j时间段T内第2点的v₂值；

将v₂和du₂代入公式dl＝(a×(a’v+c’)+c)×du，即可求得第j时间段T内第2点在r轴上的坐标r_2j；

焊枪在r轴方向上的运动速度为：

S2.8.2、焊枪在st平面运动控制；

st平面与XY平面平行，焊枪在st平面方向上运动为匀速圆周运动，运动路径为第j时间段T内焊缝路径在st平面上的投影圆弧曲线；拟合第j时间段T内焊缝路径在st平面上的投影圆弧曲线；

求投影圆弧曲线在t轴上的坐标值t_ij；

对于j＝1时：分别求取0，1，2的v_i值依次代入公式dh＝a’v+c’，即可求得0，1，2点在o-st面上t的坐标t_i1；

对于j＝2时：取第2个时间段T内的0，1，2点与第1个时间段T内的0，1，2的对应v坐标差dv，依据&h＝a’dv得每一个点&h_i2值，根据&h_i2、第1个时间段T内的0，1，2点在o-st面上t的坐标t_i1确定第2个时间段T内的0，1，2点在o-st面上t的坐标t_i2，t_i2＝t_i1+&h_i2；

对于j>2时：取第j个时间段T内的0，1，2点与第j-1个时间段T内的0，1，2的对应v坐标差dv、依据&h＝a’dv得每一个点&h_ij值，根据&h_ij、第j-1个时间段T内的0，1，2点在o-st面上t的坐标t_i(j-1)确定第j个时间段T内的0，1，2点在o-st面上t的坐标t_ij，t_ij＝t_i(j-1)+&h_ij；

求投影圆弧曲线在s轴上的坐标值q_ij；

当j＝1时，焊枪以V_焊沿着Y轴方向进入焊缝，则q₀₁＝0，q₁₁＝V_焊×T/2，q₂₁＝V_焊×T；

当j>1时：第j个T时间段内的3个点在s轴坐标值为q_ij；可得：

V_stj为焊枪在st平面匀速圆周运动速度，V_stj＝(V² _焊-V² _rj)^1/2,该公式仅有一个未知数q_ij，且q_ij>0，存在唯一解，通过计算机相应求解程序求得q_ij；特有的q_0j＝0；

拟合投影圆弧曲线：

第一步：求第j时间段T内焊缝路径在st平面上的投影圆弧曲线的扇角β_j：

第二步：求第j时间段T内焊缝路径在o”-str坐标系相对于o”-XY坐标系夹角ɑ_j：

当j＝1时：ɑ₁＝0；

当j>1时：ɑ_j＝ɑ_j-1+β_j；

第三步：将第j个T时间段内的3个点在o”-st坐标系坐标值(t_ij，q_ij)转化为在o”’-x’y’坐标系坐标值(x’_ij，y’_ij)；

转换公式为：

第四步：将第j个T时间段内的3个点在o”’-x’y’坐标系坐标值(x’_ij，y’_ij)转化为在o’-xy坐标系坐标值(x_ij，y_ij)；

转换公式为：

第五步：根据三点确定一定圆公式拟合第j个T时间段内的3个点在o’-xy坐标圆弧曲线C_j，原点坐标以及半径R：

确定第j个T时间段内Z轴在XY平面内做匀速圆周运动的线速度V；

计算公式为：

其中；

S2.8.3、焊枪角度旋转轴运动控制；

确定第j个T时间段内旋转伺服电机转速n_j；

S2.9、将第j个T时间段r轴方向上的运动速度为V_rj以及坐标r_2j、圆弧曲线Cj以及匀速圆周运动的线速度V、旋转伺服电机转速n传递给下方控制器，从而能够使焊枪始终沿着焊缝轨迹行走，且焊枪始终在焊缝轨迹的法线方向，正对焊缝，从而自动识别焊缝轨迹，自动焊接；

S2.10、设定起弧停留时间t_起，焊枪沿着路径1以焊接速度V_焊开始反向运动到起弧点后，焊枪停留时间为t_起，此间过滤掉CCD相机在t_起拍摄的图片，后焊接速度V_焊分成两部分：Z轴在第1个T时间段内在Z轴方向上，从第0点以V_Z1速度向着第2点运动；Z轴在第1个t时间段内在相对坐标系o’-xy内，从o点以速度V沿着曲线C1做匀速圆周运动；旋转伺服电机以n₁转速匀速转动；

S2.11、当第1个T时间结束时，焊枪运动到第1个时间段T内的第2点，此时相对坐标系o’-xy、o”-str的坐标原点自动移动到第2点处，以此作为第2个时间段T的运动控制的相对坐标系o’-xy、o”-str，焊枪在第1个时间段T运动中，系统已经自动得出第2个时间段T的V_r2、V、r₂₂、C₂、n₂，根据这些参数反馈给下方控制器，自动控制第2个时间段T内的焊枪运动；

S3、反复进行步骤S2，直到熄弧点；

S4、熄弧点控制，当CCD相机检测到激光线在像素位置发生突变时，此位置为焊缝边缘，但该点不是熄弧点，焊缝边缘与熄弧点之间间距约为2-5mm，输入间距值q，假定CCD相机从熄弧点到焊缝边缘为直线运动，且运动速度为V_焊，则熄弧点到焊缝边缘之间共有q/V_焊×s个检测点，倒推熄弧点位置，当焊枪到熄弧点时，CCD相机，激光器停止运作，设定熄弧时间t_熄，熄弧时间一结束，熄弧，焊枪运动停止。

本发明的有益效果在于：

1、无需焊前对焊枪运动程序人工编辑，该焊接装置自动实时识别焊缝轨迹，自动控制焊枪运动，去除人工示教，增加焊接装置的灵活性，提高焊接效率。

2、本发明提供一种分段式焊缝轨迹识别技术，采用一种边焊接边拟合焊缝中心曲线的方式，分段式焊缝轨迹识别，避免较大累计偏差的产生，保证较高的焊缝精度。

3、本装置特别适合于圆筒，钢管环缝焊接，也特别适合于具有高度差的环焊缝；本发明改变传统焊接使圆筒相对于焊枪转动焊接模式，减去使圆筒旋转的附加设备。

4、本发明在移动的相对坐标系下，分段式焊缝轨迹识别，利用CCD相机获取的后一小段焊缝轨迹各坡口中心点像素坐标，与前一段对比，对前一段焊缝轨迹的拟合的坐标曲线修正，将其作为后一段焊缝轨迹的拟合的坐标曲线，通过对拟合的小段焊缝轨迹曲线进行处理，获取焊枪平移运动控制参数以及焊枪位姿变化控制参数，后将该参数转化为各轴运动控制信息，进行焊枪运动自动控制；简化了相机标定、机床坐标系标定、坐标矩阵转化等复杂工序，减弱对机床绝对坐标系的依赖性，增加了该系统的灵活性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的焊枪位姿实时变化的自动焊接装置结构示意图；

图2为本发明的激光视觉传感器内部结构示意图；

图3为本发明的焊枪旋转机构结构示意图；

图4为本发明的焊枪位姿实时变化的自动焊接装置控制示意图；

图5为本发明的焊缝轨迹自动识别分段式XY平面运动模型示意图；

图6为本发明的焊缝轨迹自动识别分段式XY平面焊枪运动控制方法示意图。

图中：1、X主轴伺服电机；2、Y轴伺服电机；3、Z轴伺服电机；4、旋转伺服电机；5、激光视觉传感器；6、待焊件；7、焊枪；8、焊枪角度旋转轴；9、焊枪旋转机构；10、CCD相机传感线接头；11、线激光发生器传感线接头；12、角度调节旋钮；13、固紧螺帽；14、线激光发生器；15、普通透光片；16、线激光发生器固定环；17、旅滤光片；18、CCD相机；19、相机固定卡扣；20、激光视觉传感器固定角座；21、焊枪旋转机构上壳体；22、伺服电机固定板；23、连接轴；24；螺栓；25、限位环；26、焊枪角度旋转轴后端套环；27、轴承。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图6所示，本发明的焊枪位姿实时变化的自动焊接装置，包括工控机、龙门式三轴焊接平台、激光视觉传感器5、图像采集卡、焊枪7、焊机、运动控制柜，待焊件6旋转在焊接平台上；本发明提供一种焊缝轨迹自动识别方法，在移动的相对坐标系下，分段式拟合焊缝轨迹曲线，通过对拟合的小段焊缝轨迹曲线进行处理，获取焊枪平移运动控制参数以及焊枪位姿变化控制参数，后将该参数转化为各轴运动控制信息，进行焊枪运动自动控制，无需人工示教，装置自行识别焊缝轨迹，自动焊接，极大提高了焊接效率，为涉及焊枪位姿实时变化的空间曲线焊缝进行轨迹识别自动化焊接提供了可能性。

参见图1至图4所示，所述龙门式三轴焊接平台由刚体支架、焊接平台操作区、三轴龙门式组合模组、焊枪旋转机构9四部分组成，并设有绝对坐标系O-XYZ；三轴龙门式组合模组分为含有X轴辅助导轨的X主轴模组、Y轴模组、Z轴模组；焊接平台操作区固定在刚体支架中部，X主轴模组、X轴辅助导轨固定在钢体支架上部，Y轴模组的两端分别滑动连接在X主轴模组、X轴辅助导轨上，Z轴模组滑动连接在Y轴模组上；焊枪旋转机构9刚性固定在Z轴模组正下方；三轴龙门式组合模组采用研磨滚珠丝杠重复定位精度为0.02mm；三轴龙门式组合模组应用三个伺服电机自动控制，分别为X主轴伺服电机1、Y轴伺服电机2、Z轴伺服电机3。

所述的焊枪旋转机构9由焊枪角度旋转轴8、焊枪旋转机构上壳体21、伺服电机固定板22、连接轴23、螺栓24、限位环25、焊枪角度旋转轴后端套环26、轴承27组成；焊枪角度旋转轴8采用一旋转伺服电机4自动控制，旋转伺服电机4与Z轴下端的伺服电机固定板22刚性连接，伺服电机固定板22内部有一轴承27，轴承27外径与伺服电机固定板22过盈配合固定，且伺服电机固定板在轴承下端处有一凸台，凸台限制轴承27受力下移，轴承27内径与连接轴23上端外径过盈配合，且连接轴23上部存在凸台，使焊枪角度旋转轴8、焊枪7、激光视觉传感器5重力作用到轴承27上，防止焊枪角度旋转轴8、焊枪7、激光视觉传感器5由于重力作用下移；连接轴23下部有螺纹孔，上部为空心内径与旋转伺服电机4的转轴通过键紧密连接，焊枪角度旋转轴后端套环26通过键连接到连接轴23下部，限位环25通过螺栓24连接到连接轴23下部，限制焊枪角度旋转轴8、焊枪7、激光视觉传感器5下移；焊枪7通过焊枪固定卡扣固定到焊枪角度旋转轴8后端；焊枪角度旋转轴8上的旋转伺服电机4的旋转中心线与Z轴模组上的滚珠丝杠中心线重合，焊枪通过焊枪角度旋转轴8以Z轴滚珠丝杠轴线为中心可做360°旋转。

所述的激光视觉传感器5内部包含CCD相机18、线激光发生器14；CCD相机18通过相机固定卡扣19固定到激光视觉传感器的壳体上，CCD相机传感线通过CCD相机传感线接头10与工控机相连接；线激光发生器14通过线激光发生器传感线接头11与工控机相连接，控制机自动控制CCD相机18与线激光发生器14的工作；线激光发生器14置于线激光发生器固定环16内，线激光发生器固定环16内径略大于线激光发生器14外径，并在线激光发生器固定环壁处开有螺栓通孔，线激光器角度调节旋钮螺栓旋入线激光发生器固定环壁处螺栓通孔，处于拧紧状态，线激光发生器14被固定在线激光发生器固定环16内；固紧螺帽13为一对，共两个，分别位于激光视觉传感器壳体内外两侧，待线激光器角度调节螺栓调整好线激光发生器角度后，旋紧两个固紧螺帽13，旋向方向相反，将线激光器角度调节旋钮12螺栓、线激光发生器固定环16、线激光发生器14整体刚性固定在激光视觉传感器壳体上；CCD相机镜头正下方存在滤光片17，线激光发生器14下方存在透光孔，其透光孔上为普通透光片15即可，滤光片允许透过的光波长依据线激光发生器产生的线激光波长选定，如线激光波长650nm，滤光片允许通过波长650nm±10nm；激光视觉传感器14通过激光视觉传感器固定角座20固定连接到焊枪角度旋转轴8一侧，焊枪7通过焊枪固定卡扣刚性固定连接在焊枪角度旋转轴8另一侧；激光视觉传感器5、焊枪7、焊枪角度旋转轴8刚性固定，焊枪7可通过焊枪固定卡扣的松紧调节焊枪端部与CCD相机18镜头中心的距离；CCD相机18光轴线、焊枪7下端导出焊丝轴线、线激光发生器14光轴线位于同一平面，CCD相机18光轴线与焊枪7下端导出焊丝轴线在该面上平行、线激光发生器14光轴线与CCD相机18光轴线的夹角可以通过角度调节旋钮12调节，使激光线调节到CCD相机视野中心；线激光发生器14产生的激光线强度和线宽可通过控制柜手动调节，且线激光发生器14产生的激光线必须与龙门式三轴焊接平台的Z轴方向平行。

本发明的焊枪位姿实时变化的自动焊接装置，特别适合于焊枪位姿只在与某一平面(如本发明装置XY平面，焊枪位姿只在XY平面内变化，在Z轴方向内不发生改变)平行的平面内实时改变的焊缝轨迹识别自动化焊接。

所述的CCD相机18通过相机固定卡扣19固定到激光视觉传感器5的壳体上，CCD相机传感线通过CCD相机传感线接头10与工控机相连接；线激光发生器14置于线激光发生器固定环16内；CCD相机18通过千兆网接口与图像采集卡相连接，将实时采集到的焊缝图像输入图像采集卡储存并转化，图像采集卡输出端与工控机通过千兆网接口相连接，将图像依次传输给工控机进行图像处理，提取焊缝坡口中心点坐标信息；线激光发生器14的通断线路通过固态继电器与运动控制卡的I/O开关连接，通过运动控制卡的I/O开关通断控制线激光发生器14的通断。

焊接启动开关线路通过固态继电器与运动控制卡的I/O开关连接，通过运动控制卡的I/O开关通断控制焊接起弧和熄弧，熔化极气体保护焊的送丝自动控制通过焊机自动控制，无需再通过工控机控制。

参见图5至图6所示，本发明主要核心思想是将整个运动控制分为Z轴运动控制、焊枪角度旋转轴运动控制、XY平面运动控制。其中焊枪角度旋转轴运动控制与XY平面运动控制通过焊缝轨机识别获取控制运动参数最为困难，获取控制参数主要方法为：移动相对坐标系o”-str下，分段式焊缝轨迹识别，并将每小段焊缝轨迹自动转化为相对坐标系o”-str下o”-st平面内匀速圆周运动和o”-r轴上匀速直线运动；在o”-st平面内利用CCD相机获取的后一小段焊缝轨迹各坡口中心点像素坐标，与前一段对比，对前一段焊缝轨迹的拟合的坐标曲线修正，将其作为后一段焊缝轨迹的拟合的o”-st坐标曲线，再对拟合的小段焊缝轨迹曲线进行处理，获取各伺服电机控制参数，后将该参数转化为各轴运动控制信息，进行焊枪运动自动控制。

该系统自行在相对坐标系下控制焊枪运动，由于把前一小段焊缝轨迹的末端作为后一下段焊缝轨迹的运动起点，降低了运动的震动，增加运动的平稳性；该控制算法简化了相机标定、机床坐标系标定、坐标矩阵转化等复杂工序，减弱对机床绝对坐标系的依赖性，增加了该系统的灵活性

参见图4至图6所示，本发明的焊枪位姿实时变化的自动焊接方法，包括以下步骤：

S1、运动参数标定：

S1.1、焊枪、焊枪角度旋转轴、旋转伺服电机(4)刚性固定，组成一体，通过标定获取焊枪端口到旋转伺服电机转轴轴线的距离b；

S1.2、求取dh关于v函数；

焊缝坡口中心点高度方向平行于XY平面；焊缝坡口中心点高度方向变化值dh与坡口中心点在CCD相机成像的像素o-uv坐标系v轴坐标值变化存在对应关系；坡口中心点在CCD相机成像的像素o-uv坐标系v轴坐标值与坡口中心点到CCD相机的镜头中心点距离d’有关，d’是关于v的函数，实际上d’很难测量，但是当d’在小范围内出现波动时，由d’波动带来的高度差dh与坡口中心点在CCD相机成像的像素o-uv坐标系v轴坐标值呈线性关系：

dh＝a’v+c’；

a’、c’为此一元函数的常数；

dh＝a’v+c’函数测定方法：

步骤一：安装焊枪和激光视觉传感器，使焊枪垂直于Z轴，平行于XY平面，调整焊枪，确定焊枪端点到焊缝距离d，在实际焊接过程中d为一定值，范围在5-10mm；在焊接台上，竖直放置一标准待焊件(6)，激光线垂直焊缝打在标准待焊接件表面；且激光线必须与龙门式三轴焊接平台的Z轴方向平行；

步骤二：将此刻的坡口中心点在CCD相机成像的像素o-uv坐标系v轴坐标值对应的dh设定为0，也即当焊枪端点到焊缝距离为d时，dh＝0；

调整Z轴模组使焊枪在焊缝高度上移动，移动间隔为0.1mm，移动范围为-4mm～4mm，每一次移动后工控机经过图像处理，求取坡口中心点在CCD相机成像的像素o-uv坐标系v轴坐标值；

步骤三：拟合坡口中心点在CCD相机成像的像素坐标系o-uv的坐标v与dh的线性曲线，求取dh＝a’v+c’线性方程；

S1.3、求取dl关于du函数；

焊缝坡口中心点横向方向为Z轴方向，坡口中心点到CCD相机的镜头中心点距离d’一定时，坡口中心点在横向方向上变化的实际距离量dl与对应的坡口中心点在CCD相机成像的像素o-uv坐标系u轴坐标值变化量du成正比，即：

dl＝k×du；

k为正比例系数；

坡口中心点到CCD相机的镜头中心点距离d’变化时，k值也会变化，由于实际上d’很难测量，但是d’产生高度差dh时，k值也会相应变化，dh与k呈现一元线性关系；

k＝a×dh+c；

故：dl＝(a×(a’v+c’)+c)×du；

dl＝(a×(a’v+c’)+c)×du函数测定方法：

步骤一：调整焊枪端点到焊缝距离为d，设定dh＝0；

步骤二：调整Z轴模组使焊枪在焊缝横向方向上移动，移动间隔为0.1mm，移动范围为-4mm～4mm，移动后工控机经过图像处理，求取对应的du，根据此80个数据，依据平均值求取k0，求取k0值后，使焊枪在焊缝横向方向上回归原位置；

调整Z轴模组使焊枪在焊缝高度方向上移动，移动间隔为0.1mm，移动范围为-4mm～4mm，再次调整Z轴模组使焊枪在焊缝横向方向上移动，移动间隔为0.1mm，移动范围为-4mm～4mm，移动后工控机经过图像处理，求取对应的du，根据此80个数据，依据平均值求取k1，求取k1值后，使焊枪在横向方向上回归原位置；

步骤三：重复以上动作，拟合k＝a×dh+c曲线，求取a、c的值，经过转换得：

dl＝(a×(a’v+c’)+c)×du；

S2、焊缝轨迹自动识别，自动焊接；

S2.1、将圆筒环缝焊接件、螺旋型焊缝焊件固定到焊接平台；

S2.2、通过工控机手动调节功能，调整焊枪端点在起弧点处到焊缝距离为d；

S2.3、启动线激光发生器，线激光发生器产生的线激光平行焊接平台的Z轴方向，通过工控机沿自动化焊接平台基坐标X轴或Y轴方向移动焊枪使激光线到起弧点，以Y轴方向为例，记录该路径1；

S2.4、确定相机的拍摄帧数s，启动CCD相机，同时焊枪沿着路径1以焊接速度V_焊开始反向向起弧点移动；移动过程中线激光发生器产生的线激光不断扫掠未施焊的焊缝，CCD相机不断拍摄带有激光线焊缝图片；

S2.5、通过图像处理技术实时对带有激光线焊缝图片进行处理；提取焊缝图片中焊缝边缘两特征点像素坐标(u¹，v¹)和(u²，v²)，对其求取中心点获得坡口中心点像素坐标(u，v)；

S2.6、运动过程中，CCD相机获取的坡口中心点为一系列离散的点：0，1，2，3，4......n......，其对应的像素坐标为(u0，v0)，(u1，v1)，(u2，v2)，(u3，v3)，(u4，v4)......(un，vn).......，其中(u0，v0)对应为起弧点处；

S2.7、设定时间段T，则在该段时间内相机拍摄图片数目为w，若w＝3，即在T时间段内，相机拍摄的图片个数为3个：

w＝T×s＝3；

依据时间T，系统自动将焊缝轨迹划分为j(j＝1，2，3，4......)个小段；

设定相对坐标系o”-str，r轴与Z轴平行，st平面与XY平面平行，坐标原点o”设置在每时间段T内的起始点处，特有的当j＝1时，坐标原点o”与起弧点重合；

设定相对坐标系o”’-x’y’，x’，y’，z’分别与X，Y，Z轴平行，坐标原点o”’与o”重合；

设定相对坐标系o’-xyz，x，y，z分别与X，Y，Z轴平行，坐标原点o’位于Z轴转轴轴线上，与o”’连线平行于XY平面；

当j增加1时变为j+1时，相对坐标系o”-str的坐标原点自动移动到第j个时间段T内第2点处，则第j+1个时间段T的相对坐标系o”-str的坐标原点位置为第j个时间段T内的第2点位置；

S2.8、将整个焊接运动，分为三部分：Z轴运动控制、焊枪角度旋转轴运动控制、XY平面运动控制；等价为r轴方向运动控制、焊枪角度旋转轴运动控制、st平面运动控制；

S2.8.1、焊枪在r轴方向运动控制；

焊枪在r轴方向与焊缝Z轴方向平行，焊枪在r轴方向运动控制，实质是焊枪在Z轴方向上控制，两者等效；焊枪在r轴方向上运动为匀速直线运动，运动路径为第j时间段T内焊缝路径在Z轴上的投影线段；

分别求取第j时间段T内第2点与第0点的du₂；求取第j时间段T内第2点的v₂值；

将v₂和du₂代入公式dl＝(a×(a’v+c’)+c)×du，即可求得第j时间段T内第2点在r轴上的坐标r_2j；

焊枪在r轴方向上的运动速度为：

S2.8.2、焊枪在st平面运动控制；

st平面与XY平面平行，焊枪在st平面方向上运动为匀速圆周运动，运动路径为第j时间段T内焊缝路径在st平面上的投影圆弧曲线；拟合第j时间段T内焊缝路径在st平面上的投影圆弧曲线；

求投影圆弧曲线在t轴上的坐标值t_ij；

对于j＝1时：分别求取0，1，2的v_i值依次代入公式dh＝a’v+c’，即可求得0，1，2点在o-st面上t的坐标t_i1；

对于j＝2时：取第2个时间段T内的0，1，2点与第1个时间段T内的0，1，2的对应v坐标差dv，依据&h＝a’dv得每一个点&h_i2值，根据&h_i2、第1个时间段T内的0，1，2点在o-st面上t的坐标t_i1确定第2个时间段T内的0，1，2点在o-st面上t的坐标t_i2，t_i2＝t_i1+&h_i2；

对于j>2时：取第j个时间段T内的0，1，2点与第j-1个时间段T内的0，1，2的对应v坐标差dv、依据&h＝a’dv得每一个点&h_ij值，根据&h_ij、第j-1个时间段T内的0，1，2点在o-st面上t的坐标t_i(j-1)确定第j个时间段T内的0，1，2点在o-st面上t的坐标t_ij，t_ij＝t_i(j-1)+&h_ij；

求投影圆弧曲线在s轴上的坐标值q_ij；

当j＝1时，焊枪以V_焊沿着Y轴方向进入焊缝，则q₀₁＝0，q₁₁＝V_焊×T/2，q₂₁＝V_焊×T；

当j>1时：第j个T时间段内的3个点在s轴坐标值为q_ij；可得：

V_stj为焊枪在st平面匀速圆周运动速度，V_stj＝(V² _焊-V² _rj)^1/2,该公式仅有一个未知数q_ij，且q_ij>0，存在唯一解，通过计算机相应求解程序求得q_ij；特有的q_0j＝0；

拟合投影圆弧曲线：

第一步：求第j时间段T内焊缝路径在st平面上的投影圆弧曲线的扇角β_j：

第二步：求第j时间段T内焊缝路径在o”-str坐标系相对于o”-XY坐标系夹角ɑ_j：

当j＝1时：ɑ₁＝0；

当j>1时：ɑ_j＝ɑ_j-1+β_j；

第三步：将第j个T时间段内的3个点在o”-st坐标系坐标值(t_ij，q_ij)转化为在o”’-x’y’坐标系坐标值(x’_ij，y’_ij)；

转换公式为：

第四步：将第j个T时间段内的3个点在o”’-x’y’坐标系坐标值(x’_ij，y’_ij)转化为在o’-xy坐标系坐标值(x_ij，y_ij)；

转换公式为：

第五步：根据三点确定一定圆公式拟合第j个T时间段内的3个点在o’-xy坐标圆弧曲线C_j，原点坐标以及半径R：

确定第j个T时间段内Z轴在XY平面内做匀速圆周运动的线速度V；

计算公式为：

其中；

S2.8.3、焊枪角度旋转轴运动控制；

确定第j个T时间段内旋转伺服电机转速n_j；

S2.9、将第j个T时间段r轴方向上的运动速度为V_rj以及坐标r_2j、圆弧曲线Cj以及匀速圆周运动的线速度V、旋转伺服电机转速n传递给下方控制器，从而能够使焊枪始终沿着焊缝轨迹行走，且焊枪始终在焊缝轨迹的法线方向，正对焊缝，从而自动识别焊缝轨迹，自动焊接；

S2.10、设定起弧停留时间t_起，焊枪沿着路径1以焊接速度V_焊开始反向运动到起弧点后，焊枪停留时间为t_起，此间过滤掉CCD相机在t_起拍摄的图片，后焊接速度V_焊分成两部分：Z轴在第1个T时间段内在Z轴方向上，从第0点以V_Z1速度向着第2点运动；Z轴在第1个t时间段内在相对坐标系o’-xy内，从o点以速度V沿着曲线C1做匀速圆周运动；旋转伺服电机以n₁转速匀速转动；

S2.11、当第1个T时间结束时，焊枪运动到第1个时间段T内的第2点，此时相对坐标系o’-xy、o”-str的坐标原点自动移动到第2点处，以此作为第2个时间段T的运动控制的相对坐标系o’-xy、o”-str，焊枪在第1个时间段T运动中，系统已经自动得出第2个时间段T的V_r2、V、r₂₂、C₂、n₂，根据这些参数反馈给下方控制器，自动控制第2个时间段T内的焊枪运动；

S3、反复进行步骤S2，直到熄弧点；

S4、熄弧点控制，当CCD相机检测到激光线在像素位置发生突变时，此位置为焊缝边缘，但该点不是熄弧点，焊缝边缘与熄弧点之间间距约为2-5mm，输入间距值q，假定CCD相机从熄弧点到焊缝边缘为直线运动，且运动速度为V_焊，则熄弧点到焊缝边缘之间共有q/V_焊×s个检测点，倒推熄弧点位置，当焊枪到熄弧点时，CCD相机，激光器停止运作，设定熄弧时间t_熄，熄弧时间一结束，熄弧，焊枪运动停止。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种焊枪位姿实时变化的自动焊接装置，其特征在于：包括工控机、龙门式三轴焊接平台、激光视觉传感器(5)、图像采集卡、焊枪(7)、焊机、运动控制柜；所述龙门式三轴焊接平台由刚体支架、焊接平台操作区、三轴龙门式组合模组、焊枪旋转机构(9)四部分组成，并设有绝对坐标系O-XYZ；三轴龙门式组合模组分为含有X轴辅助导轨的X主轴模组、Y轴模组、Z轴模组；焊接平台操作区固定在刚体支架中部，X主轴模组、X轴辅助导轨固定在钢体支架上部，Y轴模组的两端分别滑动连接在X主轴模组、X轴辅助导轨上，Z轴模组滑动连接在Y轴模组上；焊枪旋转机构(9)刚性固定在Z轴模组正下方；三轴龙门式组合模组采用研磨滚珠丝杠重复定位精度为0.02mm；三轴龙门式组合模组应用三个伺服电机自动控制，分别为X主轴伺服电机(1)、Y轴伺服电机(2)、Z轴伺服电机(3)。

2.根据权利要求1所述的焊枪位姿实时变化的自动焊接装置，其特征在于：所述的焊枪旋转机构(9)由焊枪角度旋转轴(8)、焊枪旋转机构上壳体(21)、伺服电机固定板(22)、连接轴(23)、螺栓(24)、限位环(25)、焊枪角度旋转轴后端套环(26)、轴承(27)组成；焊枪角度旋转轴(8)采用一旋转伺服电机(4)自动控制，旋转伺服电机(4)与Z轴下端的伺服电机固定板(22)刚性连接，伺服电机固定板(22)内部有一轴承(27)，轴承(27)外径与伺服电机固定板(22)过盈配合固定，且伺服电机固定板在轴承下端处有一凸台，凸台限制轴承(27)受力下移，轴承(27)内径与连接轴(23)上端外径过盈配合，且连接轴(23)上部存在凸台，使焊枪角度旋转轴(8)、焊枪(7)、激光视觉传感器(5)重力作用到轴承(27)上，防止焊枪角度旋转轴(8)、焊枪(7)、激光视觉传感器(5)由于重力作用下移；连接轴(23)下部有螺纹孔，上部为空心内径与旋转伺服电机(4)的转轴通过键紧密连接，焊枪角度旋转轴后端套环(26)通过键连接到连接轴(23)下部，限位环(25)通过螺栓(24)连接到连接轴(23)下部，限制焊枪角度旋转轴(8)、焊枪(7)、激光视觉传感器(5)下移；焊枪(7)通过焊枪固定卡扣固定到焊枪角度旋转轴(8)后端；焊枪角度旋转轴(8)上的旋转伺服电机(4)的旋转中心线与Z轴模组上的滚珠丝杠中心线重合，焊枪通过焊枪角度旋转轴(8)以Z轴滚珠丝杠轴线为中心可做360°旋转。

3.根据权利要求1所述的焊枪位姿实时变化的自动焊接装置，其特征在于：所述的激光视觉传感器(5)内部包含CCD相机(18)、线激光发生器(14)；激光视觉传感器(5)通过激光视觉传感器固定角座(20)固定连接到焊枪角度旋转轴(8)一侧，焊枪(7)通过焊枪固定卡扣刚性固定连接在焊枪角度旋转轴(8)另一侧；激光视觉传感器(5)、焊枪(7)、焊枪角度旋转轴(8)刚性固定，焊枪(7)通过焊枪固定卡扣的松紧调节焊枪端部与CCD相机(18)镜头中心的距离；CCD相机(18)光轴线、焊枪(7)下端导出焊丝轴线、线激光发生器(14)光轴线位于同一平面，CCD相机(18)光轴线与焊枪(7)下端导出焊丝轴线在该面上平行、线激光发生器(14)光轴线与CCD相机(18)光轴线的夹角通过角度调节旋钮(12)调节，使激光线调节到CCD相机视野中心；线激光发生器(14)产生的激光线强度和线宽通过控制柜手动调节，且线激光发生器(14)产生的激光线必须与龙门式三轴焊接平台的Z轴方向平行。

4.根据权利要求3所述的焊枪位姿实时变化的自动焊接装置，其特征在于：所述的CCD相机(18)通过相机固定卡扣(19)固定到激光视觉传感器(5)的壳体上，CCD相机传感线通过CCD相机传感线接头(10)与工控机相连接；线激光发生器(14)置于线激光发生器固定环(16)内；CCD相机(18)通过千兆网接口与图像采集卡相连接，将实时采集到的焊缝图像输入图像采集卡，图像采集卡输出端与工控机通过千兆网接口相连接，将图像依次传输给工控机，提取焊缝坡口中心点坐标信息；线激光发生器(14)的通断线路通过固态继电器与运动控制卡的I/O开关连接，通过运动控制卡的I/O开关通断控制线激光发生器(14)的通断。

5.一种焊枪位姿实时变化的自动焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、运动参数标定：

S1.1、焊枪、焊枪角度旋转轴、旋转伺服电机(4)刚性固定，组成一体，通过标定获取焊枪端口到旋转伺服电机转轴轴线的距离b；

S1.2、求取dh关于v函数；

焊缝坡口中心点高度方向平行于XY平面；焊缝坡口中心点高度方向变化值dh与坡口中心点在CCD相机成像的像素o-uv坐标系v轴坐标值变化存在对应关系；坡口中心点在CCD相机成像的像素o-uv坐标系v轴坐标值与坡口中心点到CCD相机的镜头中心点距离d’有关，d’是关于v的函数，实际上d’很难测量，但是当d’在小范围内出现波动时，由d’波动带来的高度差dh与坡口中心点在CCD相机成像的像素o-uv坐标系v轴坐标值呈线性关系：

dh＝a’v+c’；

a’、c’为此一元函数的常数；

dh＝a’v+c’函数测定方法：

步骤一：安装焊枪和激光视觉传感器，使焊枪垂直于Z轴，平行于XY平面，调整焊枪，确定焊枪端点到焊缝距离d，在实际焊接过程中d为一定值，范围在5-10mm；在焊接台上，竖直放置一标准待焊件(6)，激光线垂直焊缝打在标准待焊接件表面；且激光线必须与龙门式三轴焊接平台的Z轴方向平行；

步骤二：将此刻的坡口中心点在CCD相机成像的像素o-uv坐标系v轴坐标值对应的dh设定为0，也即当焊枪端点到焊缝距离为d时，dh＝0；

调整Z轴模组使焊枪在焊缝高度上移动，移动间隔为0.1mm，移动范围为-4mm～4mm，每一次移动后工控机经过图像处理，求取坡口中心点在CCD相机成像的像素o-uv坐标系v轴坐标值；

步骤三：拟合坡口中心点在CCD相机成像的像素坐标系o-uv的坐标v与dh的线性曲线，求取dh＝a’v+c’线性方程；

S1.3、求取dl关于du函数；

焊缝坡口中心点横向方向为Z轴方向，坡口中心点到CCD相机的镜头中心点距离d’一定时，坡口中心点在横向方向上变化的实际距离量dl与对应的坡口中心点在CCD相机成像的像素o-uv坐标系u轴坐标值变化量du成正比，即：

dl＝k×du；

k为正比例系数；

坡口中心点到CCD相机的镜头中心点距离d’变化时，k值也会变化，由于实际上d’很难测量，但是d’产生高度差dh时，k值也会相应变化，dh与k呈现一元线性关系；

k＝a×dh+c；

故：dl＝(a×(a’v+c’)+c)×du；

dl＝(a×(a’v+c’)+c)×du函数测定方法：

步骤一：调整焊枪端点到焊缝距离为d，设定dh＝0；

步骤二：调整Z轴模组使焊枪在焊缝横向方向上移动，移动间隔为0.1mm，移动范围为-4mm～4mm，移动后工控机经过图像处理，求取对应的du，根据此80个数据，依据平均值求取k0，求取k0值后，使焊枪在焊缝横向方向上回归原位置；

调整Z轴模组使焊枪在焊缝高度方向上移动，移动间隔为0.1mm，移动范围为-4mm～4mm，再次调整Z轴模组使焊枪在焊缝横向方向上移动，移动间隔为0.1mm，移动范围为-4mm～4mm，移动后工控机经过图像处理，求取对应的du，根据此80个数据，依据平均值求取k1，求取k1值后，使焊枪在横向方向上回归原位置；

步骤三：重复以上动作，拟合k＝a×dh+c曲线，求取a、c的值，经过转换得：

dl＝(a×(a’v+c’)+c)×du；

S2、焊缝轨迹自动识别，自动焊接；

S2.1、将圆筒环缝焊接件、螺旋型焊缝焊件固定到焊接平台；

S2.2、通过工控机手动调节功能，调整焊枪端点在起弧点处到焊缝距离为d；

S2.3、启动线激光发生器，线激光发生器产生的线激光平行焊接平台的Z轴方向，通过工控机沿自动化焊接平台基坐标X轴或Y轴方向移动焊枪使激光线到起弧点，以Y轴方向为例，记录该路径1；

S2.4、确定相机的拍摄帧数s，启动CCD相机，同时焊枪沿着路径1以焊接速度V_焊开始反向向起弧点移动；移动过程中线激光发生器产生的线激光不断扫掠未施焊的焊缝，CCD相机不断拍摄带有激光线焊缝图片；

S2.5、通过图像处理技术实时对带有激光线焊缝图片进行处理；提取焊缝图片中焊缝边缘两特征点像素坐标(u¹，v¹)和(u²，v²)，对其求取中心点获得坡口中心点像素坐标(u，v)；

S2.6、运动过程中，CCD相机获取的坡口中心点为一系列离散的点：0，1，2，3，4......n......，其对应的像素坐标为(u0，v0)，(u1，v1)，(u2，v2)，(u3，v3)，(u4，v4)......(un，vn).......，其中(u0，v0)对应为起弧点处；

S2.7、设定时间段T，则在该段时间内相机拍摄图片数目为w，若w＝3，即在T时间段内，相机拍摄的图片个数为3个：

w＝T×s＝3；

依据时间T，系统自动将焊缝轨迹划分为j(j＝1，2，3，4......)个小段；

设定相对坐标系o”-str，r轴与Z轴平行，st平面与XY平面平行，坐标原点o”设置在每时间段T内的起始点处，特有的当j＝1时，坐标原点o”与起弧点重合；

设定相对坐标系o”’-x’y’，x’，y’，z’分别与X，Y，Z轴平行，坐标原点o”’与o”重合；

设定相对坐标系o’-xyz，x，y，z分别与X，Y，Z轴平行，坐标原点o’位于Z轴转轴轴线上，与o”’连线平行于XY平面；

当j增加1时变为j+1时，相对坐标系o”-str的坐标原点自动移动到第j个时间段T内第2点处，则第j+1个时间段T的相对坐标系o”-str的坐标原点位置为第j个时间段T内的第2点位置；

S2.8、将整个焊接运动，分为三部分：Z轴运动控制、焊枪角度旋转轴运动控制、XY平面运动控制；等价为r轴方向运动控制、焊枪角度旋转轴运动控制、st平面运动控制；

S2.8.1、焊枪在r轴方向运动控制；

焊枪在r轴方向与焊缝Z轴方向平行，焊枪在r轴方向运动控制，实质是焊枪在Z轴方向上控制，两者等效；焊枪在r轴方向上运动为匀速直线运动，运动路径为第j时间段T内焊缝路径在Z轴上的投影线段；

分别求取第j时间段T内第2点与第0点的du₂；求取第j时间段T内第2点的v₂值；

将v₂和du₂代入公式dl＝(a×(a’v+c’)+c)×du，即可求得第j时间段T内第2点在r轴上的坐标r_2j；

焊枪在r轴方向上的运动速度为：

S2.8.2、焊枪在st平面运动控制；

st平面与XY平面平行，焊枪在st平面方向上运动为匀速圆周运动，运动路径为第j时间段T内焊缝路径在st平面上的投影圆弧曲线；拟合第j时间段T内焊缝路径在st平面上的投影圆弧曲线；

求投影圆弧曲线在t轴上的坐标值t_ij；

对于j＝1时：分别求取0，1，2的v_i值依次代入公式dh＝a’v+c’，即可求得0，1，2点在o-st面上t的坐标t_i1；

对于j＝2时：取第2个时间段T内的0，1，2点与第1个时间段T内的0，1，2的对应v坐标差dv，依据&h＝a’dv得每一个点&h_i2值，根据&h_i2、第1个时间段T内的0，1，2点在o-st面上t的坐标t_i1确定第2个时间段T内的0，1，2点在o-st面上t的坐标t_i2，t_i2＝t_i1+&h_i2；

对于j>2时：取第j个时间段T内的0，1，2点与第j-1个时间段T内的0，1，2的对应v坐标差dv、依据&h＝a’dv得每一个点&h_ij值，根据&h_ij、第j-1个时间段T内的0，1，2点在o-st面上t的坐标t_i(j-1)确定第j个时间段T内的0，1，2点在o-st面上t的坐标t_ij，t_ij＝t_i(j-1)+&h_ij；

求投影圆弧曲线在s轴上的坐标值q_ij；

当j＝1时，焊枪以V_焊沿着Y轴方向进入焊缝，则q₀₁＝0，q₁₁＝V_焊×T/2，q₂₁＝V_焊×T；

当j>1时：第j个T时间段内的3个点在s轴坐标值为q_ij；可得：

V_stj为焊枪在st平面匀速圆周运动速度，V_stj＝(V² _焊-V² _rj)^1/2,该公式仅有一个未知数q_ij，且q_ij>0，存在唯一解，通过计算机相应求解程序求得q_ij；特有的q_0j＝0；

拟合投影圆弧曲线：

第一步：求第j时间段T内焊缝路径在st平面上的投影圆弧曲线的扇角β_j：

第二步：求第j时间段T内焊缝路径在o”-str坐标系相对于o”-XY坐标系夹角ɑ_j：

当j＝1时：ɑ₁＝0；

当j>1时：ɑ_j＝ɑ_j-1+β_j；

第三步：将第j个T时间段内的3个点在o”-st坐标系坐标值(t_ij，q_ij)转化为在o”’-x’y’坐标系坐标值(x’_ij，y’_ij)；

转换公式为：

第四步：将第j个T时间段内的3个点在o”’-x’y’坐标系坐标值(x’_ij，y’_ij)转化为在o’-xy坐标系坐标值(x_ij，y_ij)；

转换公式为：

第五步：根据三点确定一定圆公式拟合第j个T时间段内的3个点在o’-xy坐标圆弧曲线C_j，原点坐标以及半径R：

确定第j个T时间段内Z轴在XY平面内做匀速圆周运动的线速度V；

计算公式为：

其中；

S2.8.3、焊枪角度旋转轴运动控制；

确定第j个T时间段内旋转伺服电机转速n_j；

S2.9、将第j个T时间段r轴方向上的运动速度为V_rj以及坐标r_2j、圆弧曲线Cj以及匀速圆周运动的线速度V、旋转伺服电机转速n传递给下方控制器，从而能够使焊枪始终沿着焊缝轨迹行走，且焊枪始终在焊缝轨迹的法线方向，正对焊缝，从而自动识别焊缝轨迹，自动焊接；

S2.10、设定起弧停留时间t_起，焊枪沿着路径1以焊接速度V_焊开始反向运动到起弧点后，焊枪停留时间为t_起，此间过滤掉CCD相机在t_起拍摄的图片，后焊接速度V_焊分成两部分：Z轴在第1个T时间段内在Z轴方向上，从第0点以V_Z1速度向着第2点运动；Z轴在第1个t时间段内在相对坐标系o’-xy内，从o点以速度V沿着曲线C1做匀速圆周运动；旋转伺服电机以n₁转速匀速转动；

S2.11、当第1个T时间结束时，焊枪运动到第1个时间段T内的第2点，此时相对坐标系o’-xy、o”-str的坐标原点自动移动到第2点处，以此作为第2个时间段T的运动控制的相对坐标系o’-xy、o”-str，焊枪在第1个时间段T运动中，系统已经自动得出第2个时间段T的V_r2、V、r₂₂、C₂、n₂，根据这些参数反馈给下方控制器，自动控制第2个时间段T内的焊枪运动；

S3、反复进行步骤S2，直到熄弧点；

S4、熄弧点控制，当CCD相机检测到激光线在像素位置发生突变时，此位置为焊缝边缘，但该点不是熄弧点，焊缝边缘与熄弧点之间间距约为2-5mm，输入间距值q，假定CCD相机从熄弧点到焊缝边缘为直线运动，且运动速度为V_焊，则熄弧点到焊缝边缘之间共有q/V_焊×s个检测点，倒推熄弧点位置，当焊枪到熄弧点时，CCD相机，激光器停止运作，设定熄弧时间t_熄，熄弧时间一结束，熄弧，焊枪运动停止。

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