CN111618396A - 基于视觉表征的多层多道焊接装置及焊接方法 - Google Patents

基于视觉表征的多层多道焊接装置及焊接方法 Download PDF

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CN111618396A CN202010636948.1A CN202010636948A CN111618396A CN 111618396 A CN111618396 A CN 111618396A CN 202010636948 A CN202010636948 A CN 202010636948A CN 111618396 A CN111618396 A CN 111618396A
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Abstract

本发明涉及一种基于视觉表征的多层多道焊接装置及焊接方法，属于焊接自动化领域。包括行走本体、行走导轨、3D激光轮廓传感器、焊枪；通过3D激光轮廓传感器扫描焊缝，获取施焊轨迹与焊枪位姿；通过行走伺服电机控制行走本体、焊枪、3D激光轮廓传感器在行走导轨上运动；通过z轴伺服电机控制焊枪在焊缝深度方向上运动；通过y轴伺服电机控制焊枪在焊缝横向方向上运动；通过焊枪位姿控制伺服电机控制焊枪位姿；优点在于：本装置利用每层各道等高等面积焊道截面规划模型与移动坐标系下分段式实时识别焊接轨迹模型在焊接过程中自主实时规划各层各道施焊轨迹与焊枪位姿，无需人工示教，智能自主控制多层多道施焊过程。

Description

基于视觉表征的多层多道焊接装置及焊接方法
技术领域
本发明涉及焊接自动化领域，特别涉及视觉传感技术以及熔化极气体保护焊施焊轨迹识别技术，尤指一种基于视觉表征的多层多道焊接装置及焊接方法。
背景技术
多层多道焊接技术广泛用于石油管道、压力容器、船舶、航空等中厚板结构件焊接，传统熔化极气体保护焊多层多道施焊设备：
(1)对于每道焊缝，焊枪位姿以及焊丝端点在焊缝横向方向、焊缝深度方向上位置需要人工人眼定位，反复调整，此工序自动化程度低，效率低。
(2)每道焊缝焊接时，焊接方向上的行走路径需要人工不断示教，该工序增加焊接工时。
传统上的多层多道焊接技术往往未达到对整个施焊过程的路径自主规划与智能控制，为此焊接工作者提出一种多层多道焊路径规划技术：主要思路为采用等截面积填充策略、等高填充等策略根据未施焊焊缝坡口的截面形状规划后续焊接过程焊枪位置、姿态等，但是该技术也有不足之处：
(1)采用等截面积填充策略、等高填充等策略在施焊前规划焊缝路径主要将每道焊缝截面简化为平行四边形，梯形，三角形等理想形状填充预定焊缝进而通过规划处理预设定焊缝路径；一者该理想形状与实际各道焊缝截面形态不符，二者通过其预设定的焊缝路径与理想焊接路径不符，很难保证焊接过程的稳定和焊缝质量。
(2)该预先规划多层多道焊路径规划技术，只是对焊缝截面上焊丝端点位置以及位姿较好确定，即对每道焊缝在焊接方向上的行走路径还是要依靠人工示教与离线编程，其未能到达焊接设备实时自主设定的功效。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于视觉表征的多层多道焊接装置及焊接方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明适用于对接焊缝，不仅适用于V形坡口、双V形坡口，还适用于Y形坡口、U形坡口、X形坡口、K形坡口。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
基于视觉表征的多层多道焊接装置，包括行走本体、行走导轨、3D激光轮廓传感器8、焊枪11，行走本体安装于行走导轨之上，3D激光轮廓传感器8安装于行走本体内的y轴导轨6之上，焊枪11刚性固定于行走本体内的焊枪位姿控制伺服电机14输出轴上；通过3D激光轮廓传感器8在焊接时实时扫描焊缝，获取焊接区域3D轮廓；通过行走伺服电机4控制行走本体、焊枪11、3D激光轮廓传感器8在行走导轨上运动；通过z轴伺服电机2控制焊枪11在焊缝深度方向上运动；通过y轴伺服电机3控制焊枪11在焊缝横向方向上运动；通过焊枪位姿控制伺服电机14控制焊枪位姿。
所述的行走本体包括z轴伺服电机2、y轴伺服电机3、行走伺服电机4、焊枪位姿控制伺服电机14、z轴导轨5、y轴导轨6、减速机7、3D激光轮廓传感器8、车架9、加紧滑轮12、驱动轮组13，所述y轴导轨6安装于车架9，z轴导轨5安装于y轴导轨6，焊枪11刚性固定于焊枪位姿控制伺服电机14输出轴上，可实现角度旋转，焊枪位姿控制伺服电机14刚性固定于z轴导轨5下端，3D激光轮廓传感器8安装于y轴导轨6，行走伺服电机4通过减速机7安装于车架9，车架9通过加紧滑轮12与驱动轮组13安装于行走导轨；y轴导轨6轴心平行于焊缝横向方向，y轴伺服电机3带动y轴导轨6的丝杠旋转，使得z轴导轨5、焊枪11、3D激光轮廓传感器8平行焊缝横向方向运动；z轴导轨5轴心平行于焊缝深度方向，z轴伺服电机2带动z轴导轨5的丝杠旋转，使得z轴导轨5、焊枪位姿控制伺服电机14、焊枪11平行焊缝深度方向运动；焊枪位姿控制伺服电机14控制焊枪11施焊位姿。
所述的行走导轨包含柔性软轨1及开关磁铁座10，所述开关磁铁座10通过螺栓与柔性软轨1固定，通过磁性吸附于待焊件表面，行走导轨平行于焊缝，行走伺服电机4带动驱动轮组13使得行走本体沿着焊接方向行走。
所述的3D激光轮廓传感器8安装于y轴导轨6，位于焊前位置，包括CCD工业相机15、线激光发生器16；安装保证CCD相机15的光轴线垂直向下，即与焊缝深度方向平行，线激光发生器16的光轴线与CCD相机15的光轴线之间具有固定夹角；CCD工业相机15正下方设置有滤光片18，线激光发生器16产生的线激光透过激光线窗口17，打在焊缝表面，CCD工业相机15通过滤光片18拍摄带有激光线的焊缝图像。
本发明的另一目的在于提供一种基于视觉表征的多层多道焊接方法，包括以下步骤：
S1、系统参数标定；
S2、分段式实时焊缝三维轮廓提取；
S3、施焊轨迹智能识别与智能控制；
S4、施焊流程。
步骤S2所述的分段式实时焊缝三维轮廓提取，具体是：
S2.1、在施焊过程中，一字激光线在焊接前方垂直投射于待施焊区域表面，CCD工业相机以帧数f在T时间内不断拍摄带有激光线的焊缝图像，经过图像处理，得到f*T张图像处理过后的带有激光中心条纹的图片；
S2.2、图像处理后每张图片上的激光中心条纹各像素点坐标(xu，yv)都对应相机坐标系下的实际坐标(xp，yp，zp)，转换矩阵关系为：
Figure BDA0002569994710000031
通过矩阵关系转化，即获取相机坐标系下的空间激光中心条纹精确形状与位置；
S2.3、依次对f*T张图片上的激光中心条纹进行坐标转化，后经过三维模拟成像，形成一组在相机坐标系下在焊接方向上的f*T个相互平行的空间曲线。
步骤S3所述的施焊轨迹智能识别与智能控制，具体包括：
S3.1、各道焊缝焊枪位姿实时确定与焊丝端点在焊缝横向方向、焊缝深度方向上位置实时确定；
S3.2、各道焊缝在焊接方向上的行走轨迹精确控制。
步骤S3.1所述的各道焊缝焊枪位姿实时确定与焊丝端点在焊缝横向方向、焊缝深度方向上位置实时确定，具体是：
S3.1.1、焊前参数输入
多层多道焊缝接头可划分为打底焊，填充焊，盖面焊三个部分，当板厚、坡口尺寸、坡口形状、材质确定后，坡口填充金属量固定，即焊缝层数与焊道数固定，根据坡口参数与焊接工艺输入其每道焊接参数；
施焊之前，根据板厚、坡口尺寸、坡口形态、材质输入焊丝直径d、每层施焊道数、每层焊接电流I、每层焊接电压U、每层送丝速度Vs、每层焊接速度V焊，其中每层各道焊缝截面积dA，由公式dA＝πd2Vs/4V焊得出；
S3.1.2、求取rn，tnk，dθ：
为能够在焊接过程中实时精确确定各道焊缝焊枪位姿与焊丝端点在焊缝横向方向、焊缝深度方向上位置，设计每层各道等高等面积焊道截面规划模型，每层各道等高等面积焊道截面规划模型基本原则为各层之间焊道高度不一，每层各焊道具备等高等面积特性；
每层各焊道具备等高等面积模型，各层焊缝理论高度H1≠H2......≠Hn，采用焊接顺序为层间一致，从左往右焊，设定一坐标系o-rt，坐标原点为坡口底端中心，r纵轴平行于焊缝深度方向，t横轴平行于焊缝横向方向；
第一：rn各层各道焊丝端点在焊缝截面纵坐标求取
rn＝Hc(n-1)+Hn (n＝1、2、3......)
其中：
Hc(n-1)为第n-1层实际测量高度；
Hn为第n层理论高度；
第n-1层实际测量高度Hc(n-1)测量原理：3D激光轮廓传感器在焊枪施焊情况下实时扫描各层施焊后激光线图像，后由左向右通过逐点扫查，依据二阶差分法：
Figure BDA0002569994710000051
其中：
D(t)为t的二阶差分值；
dt为差分范围；
得出每层焊缝各个特征点：t(n-1)1、t(n-1)2、t(n-1)3......t(n-1)w，其坐标系o-rt下纵坐标为r(n-1)1、r(n-1)2、r(n-1)3......r(n-1)w，则：
Figure BDA0002569994710000052
第二：tnk各层各道焊丝端点在焊缝截面横坐标求取
Figure BDA0002569994710000053
其中：
L为焊缝坡口宽度；
H为焊缝坡口深度；
m为各层焊道数目；
第三：dθ各层各道焊枪位姿为求取
Figure BDA0002569994710000054
步骤S3.2所述的各道焊缝在焊接方向上的行走轨迹精确控制，具体是：
启动3D激光轮廓传感器，线激光发生器产生的线激光平行y轴，即焊缝横向方向，打在焊缝表面，且确定相机的拍摄帧数f，即施焊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工业相机不断拍摄带有激光线焊缝图片；
为能够在焊接过程中焊接装置达到边施焊，边自主识别与设定焊枪行走轨迹功效，设计移动坐标系下分段式实时识别焊接轨迹模型；
相机的拍摄帧数f，设定时间节点T，在T时间内相机的拍摄图像个数为f*T，时间节点将每道焊缝施焊路径规划q(q＝1、2、3......)个小段路径，定义每个小段路径起始点处CCD工业相机光心为该小段路径的坐标系(o-xyz)原点，经过图像处理、步骤S1、步骤S2得到第q段路径下产生的在o-rt坐标下的f*T个焊缝截面轮廓曲线，结合步骤S3，获得第q段路径下第e(e＝1、2、3......f*T)个焊缝截面上在焊丝端点的坐标：
xe＝xo；
ye＝yo+tnk；
ze＝zo+rn；
其中：
xo、yo、zo代表o-rt坐标系原点o在o-xyz坐标系下坐标值；
e＝1、2、3......f*T；
通过最小二乘法曲线拟合，将e个(x1、y1、z1)，(x2、y2、z2)......(xe、ye、ze)空间坐标点拟合成第q段路径下焊丝端点行走轨迹曲线Lq；
将Lq曲线通过信息转化传递给z轴伺服电机、y轴伺服电机、行走伺服电机进行焊枪行走控制，将dθ传递给焊枪位姿控制伺服电机进行焊枪位姿控制。
步骤S4所述的施焊流程，具体是：
S4.1、装置安装，焊枪在焊缝横向方向运动的有效行程大于焊缝宽度；
S4.2、开启系统，并焊前参数输入，后将激光线移动至起弧点；
S4.3、焊枪以焊接速度V焊开始行走，并向起弧点运功，该段路径行走过程中，3D激光轮廓传感器不断扫查焊缝，通过步骤S1、步骤S2、步骤S3系统自动获取当下焊道焊接轨迹第1段施焊小路径行走的曲线L1与焊枪位姿dθ，焊枪到达起弧点，并停留T起时间，T起为起弧停留时间；T起时间后，焊丝端点依据第1段施焊小路径行走的曲线L1与焊枪位姿dθ以焊接速度向第2段施焊小路径起点行走；
S4.4、在第1段施焊小路径行走过程中，通过焊接方向前端的3D激光轮廓传感器获取第2段施焊小路径行走的曲线L2与焊枪位姿dθ，焊丝端点依据第2段施焊小路径行走的曲线L2与焊枪位姿dθ以焊接速度向第3段施焊小路径起点行走；
S4.5、如此反复，直到熄弧点，焊枪到达熄弧点时停留T熄时间，T熄为熄弧停留时间；T熄时间后，熄弧，该道焊缝自动施焊结束；
S4.6、装置退回原位，以相同形式进行下一道焊接，直至所有焊道施焊结束。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的基于视觉表征的多层多道焊接装置在施焊过程中自动实时识别并规划各层各道施焊轨迹以及焊枪位姿，各道焊缝施焊控制自主切换，为一键式启动焊接装置，自动控制焊枪运动，去除多层多道焊人工反复示教，很大程度上提高多层多道施焊接效率。
2、本发明的每层各道等高等面积焊道截面规划模型，保证在施焊过程中精确确定各道焊缝焊枪实时位姿与焊丝端点在焊缝横向方向、焊缝深度方向上实时位置，焊接精度可达0.02mm。
3、本发明的移动坐标系下分段式实时识别焊接轨迹模型在施焊情况下将焊枪行走路径规划化为多数个小路径，避免累计偏差，特别适合于边施焊边识别并规划施焊轨迹智能焊接装置研制。
4、本发明的焊接装置重量轻，随手可提，便捷安装拆卸，自我坐标设定，极其适合户外自动焊接，实用性强。特别适合于直线焊缝，圆筒全位置焊缝，同时也适用于窄间隙焊缝，也特别适合于具有较高度差的焊缝。
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为本发明的基于视觉表征的多层多道焊接装置的结构示意图；
图2为本发明的基于视觉表征的多层多道焊接装置行走本体的结构示意图；
图3为本发明的3D激光轮廓传感器内部的结构示意图；
图4为本发明的图像处理流程示意图；
图5为本发明的每层各道等高等面积焊道截面规划模型示意图；
图6为本发明的移动坐标系下分段式实时识别焊接轨迹模型示意图。
图中：1、柔性软轨；2、z轴伺服电机；3、y轴伺服电机；4、行走伺服电机；5、z轴导轨；6、y轴导轨；7、减速机；8、3D激光轮廓传感器；9、车架；10、开关磁铁座；11、焊枪；12、加紧滑轮；13、驱动轮组；14、焊枪位姿控制伺服电机；15、CCD工业相机；16、线激光发生器；17、激光线窗口；18、滤光片。
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3所示，本发明的基于视觉表征的多层多道焊接装置，包括行走本体、行走导轨、3D激光轮廓传感器、焊枪，行走本体安装于行走导轨之上，3D激光轮廓传感器8安装于行走本体内的y轴导轨6之上，焊枪11刚性固定于行走本体内的焊枪位姿控制伺服电机14输出轴上；3D激光轮廓传感器扫描焊缝，获取施焊轨迹与焊枪位姿，后装置将焊接轨迹信号转换为相应电信号并传输给行走本体执行电机；行走本体执行电机包括z轴伺服电机2、y轴伺服电机3、行走伺服电机4、焊枪位姿控制伺服电机14；行走伺服电机4控制行走本体、焊枪11、3D激光轮廓传感器8在行走导轨上运动；通过z轴伺服电机2控制焊枪11在焊缝深度方向上运动；通过y轴伺服电机3控制焊枪11在焊缝横向方向上运动；通过焊枪位姿控制伺服电机14控制焊枪位姿；本装置在焊接过程中自主实时规划各层各道施焊轨迹与焊枪位姿，无需人工示教，智能自主控制多层多道施焊过程。
所述的行走本体包括z轴伺服电机2、y轴伺服电机3、行走伺服电机4、焊枪位姿控制伺服电机14、z轴导轨5、y轴导轨6、减速机7、3D激光轮廓传感器8、车架9、加紧滑轮12、驱动轮组13，所述y轴导轨6安装于车架9，z轴导轨5安装于y轴导轨6，焊枪11刚性固定于焊枪位姿控制伺服电机14输出轴上，可实现角度旋转，焊枪位姿控制伺服电机14刚性固定于z轴导轨5下端，3D激光轮廓传感器8安装于y轴导轨6，行走伺服电机4通过减速机7安装于车架9，车架9通过加紧滑轮12与驱动轮组13安装于行走导轨；y轴导轨6轴心平行于焊缝横向方向，y轴伺服电机3带动y轴导轨6的丝杠旋转，使得z轴导轨5、焊枪11、3D激光轮廓传感器8平行焊缝横向方向运动；z轴导轨5轴心平行于焊缝深度方向，z轴伺服电机2带动z轴导轨5的丝杠旋转，使得z轴导轨5、焊枪位姿控制伺服电机14、焊枪11平行焊缝深度方向运动；焊枪位姿控制伺服电机14控制焊枪11施焊位姿。
所述的行走导轨包含柔性软轨1及开关磁铁座10，所述开关磁铁座10通过螺栓与柔性软轨1固定，通过磁性吸附于待焊件表面，行走导轨平行于焊缝，行走伺服电机4带动驱动轮组13使得行走本体沿着焊接方向行走。
参见图3所示，3D激光轮廓传感器8安装于y轴导轨6，位于焊前位置，包括CCD工业相机15、线激光发生器16；安装保证CCD相机15的光轴线垂直向下，即与焊缝深度方向平行，线激光发生器16的光轴线与CCD相机15的光轴线之间具有固定夹角；CCD工业相机15正下方设置有滤光片18，线激光发生器16产生的线激光透过激光线窗口17，打在焊缝表面，CCD工业相机15通过滤光片18，拍摄带有激光线的焊缝图像。
本发明的基于视觉表征的多层多道焊接装置焊接轨迹自动智能焊接原理是：3D激光轮廓传感器8通过参数标定，将拍摄图像各像素点上的像素坐标信息转化为实际坐标信息，后通过每层各道等高等面积焊道截面规划模型实时确定各道焊缝焊枪位姿与焊丝端点在焊缝横向方向、焊缝深度方向上位置，后通过移动坐标系下分段式实时识别焊接轨迹模型实时拟合并规划各道焊缝在焊接方向上的行走轨迹，达到多层多道焊接轨迹与焊枪位姿自动识别，智能控制焊接过程，去除人工反复示教的弊端；具体细节为：3D激光轮廓传感器8拍摄带有激光线的焊缝图像，将图像通过CCD工业相机数据线传输给便捷式笔记本电脑，CCD工业相机数据线与笔记本接口为USB3.0接口，便捷式笔记本电脑通过图像处理软件程序，对所有传输的图片进行处理，利用每层各道等高等面积焊道截面规划模型实时确定各道焊缝焊枪位姿与焊丝端点在焊缝横向方向、焊缝深度方向上位置，后利用移动坐标系下分段式实时识别焊接轨迹模型实时拟合并规划各道焊缝在焊接方向上的行走轨迹，便捷式笔记本电脑依据焊后将运动各参数传输给运动控制卡，运动控制卡将对其将对其进行信息转化，将轨迹信息转化为电信号，依据相应参数控制焊接行走本体各伺服电机控制器进行运作，至此达到多层多道智能自主焊接目的。
参见图1至图6所示，本发明的基于视觉表征的多层多道焊接装置的焊接方法，包括一下步骤，即系统参数标定、分段式实时焊缝三维轮廓提取、施焊轨迹智能识别与智能控制。施焊流程：
S1、系统参数标定：
S1.1、将焊缝区域中一点P在CCD工业相机拍摄的图片上的像素坐标(xu，yv)转化为相机坐标系下的实际坐标(xp，yp，zp)；包含相机内参数标定、光平面方程标定；
相机内参标定：相机内参采用Halcon开发相机标定程序标定，相机内参标定后通过像平面二维坐标(xu，yv)，获得相机坐标系下的P点二维坐标(Xu，Yv)，转换矩阵为W1：
转换公式为：
Figure BDA0002569994710000101
光平面方程标定：采用直接标定法标定光平面方程，光平面方程与相机坐标系下二维坐标(Xu，Yv)联立并结合黄金分割法求得p点在相机坐标系下三维坐标(xp，yp，zp)，相机坐标系(o-xyz)原点为CCD工业相机光心，转换矩阵为W2；
转换公式为：
Figure BDA0002569994710000102
得：
Figure BDA0002569994710000111
S1.2、确定相机坐标系下焊丝端点坐标
焊丝端点在相机坐标系o-xyz下为s点，通过手眼标定，焊枪下伸出的焊丝端点坐标为(xs，ys，zs+h)，坐标原点为CCD工业相机光心，其中h为焊丝干伸长。
S2、分段式实时焊缝三维轮廓提取：
S2.1、在施焊过程中，一字激光线在焊接前方垂直投射于待施焊区域表面，CCD工业相机以帧数f在T时间内不断拍摄带有激光线的焊缝图像，经过图像处理，得到f*T张图像处理过后的带有激光中心条纹的图片；
S2.2、图像处理后每张图片上的激光中心条纹各像素点坐标(xu，yv)都对应相机坐标系下的实际坐标(xp，yp，zp)，转换矩阵关系为：
Figure BDA0002569994710000112
通过矩阵关系转化，即获取相机坐标系下的空间激光中心条纹精确形状与位置；
S2.3、依次对f*T张图片上的激光中心条纹进行坐标转化，后经过三维模拟成像，形成一组在相机坐标系下在焊接方向上的f*T个相互平行的空间曲线。
S3、施焊轨迹智能识别与智能控制；
包含两大方面：各道焊缝焊枪位姿实时确定与焊丝端点在焊缝横向方向、焊缝深度方向上位置实时确定；各道焊缝在焊接方向上的行走轨迹精确控制。
S3.1、各道焊缝焊枪位姿实时确定与焊丝端点在焊缝横向方向、焊缝深度方向上位置实时确定；
S3.1.1、焊前参数输入
多层多道焊缝接头可划分为打底焊，填充焊，盖面焊三个部分，当板厚、坡口尺寸、坡口形状、材质确定后，坡口填充金属量固定，即焊缝层数与焊道数固定，根据坡口参数与焊接工艺输入其每道焊接参数，参见表1；
表1焊前参数输入
Figure BDA0002569994710000121
施焊之前，根据当板厚、坡口尺寸、坡口形态、材质等输入焊丝直径d、每层施焊道数(其中第1层施焊道数为1，第1层施焊道数为2，其余每层施焊道数均根据焊接工艺自行设定)、每层焊接电流I、每层焊接电压U、每层送丝速度Vs、每层焊接速度V焊，其中每层各道焊缝截面积dA，由公式dA＝πd2Vs/4V焊得出。
S3.1.2、求取rn，tnk，dθ：
为能够在焊接过程中实时精确确定各道焊缝焊枪位姿与焊丝端点在焊缝横向方向、焊缝深度方向上位置，设计每层各道等高等面积焊道截面规划模型，每层各道等高等面积焊道截面规划模型基本原则为各层之间焊道高度不一，每层各焊道具备等高等面积特性，参见附图说明中图5；
每层各焊道具备等高等面积模型，各层焊缝理论高度H1≠H2......≠Hn，采用焊接顺序为层间一致，从左往右焊，设定一坐标系o-rt，坐标原点为坡口底端中心，r纵轴平行于焊缝深度方向，t横轴平行于焊缝横向方向；
第一：rn各层各道焊丝端点在焊缝截面纵坐标求取
rn＝Hc(n-1)+Hn (n＝1、2、3......)
其中：
Hc(n-1)为第n-1层实际测量高度；
Hn为第n层理论高度；
第n-1层实际测量高度Hc(n-1)测量原理：3D激光轮廓传感器在焊枪施焊情况下实时扫描各层施焊后激光线图像，后由左向右通过逐点扫查，依据二阶差分法：
Figure BDA0002569994710000131
其中：
D(t)为t的二阶差分值；
dt为差分范围；
得出每层焊缝各个特征点：t(n-1)1、t(n-1)2、t(n-1)3......t(n-1)w，其坐标系o-rt下纵坐标为r(n-1)1、r(n-1)2、r(n-1)3......r(n-1)w，则：
Figure BDA0002569994710000132
第二：tnk各层各道焊丝端点在焊缝截面横坐标求取
Figure BDA0002569994710000133
其中：
L为焊缝坡口宽度；
H为焊缝坡口深度；
m为各层焊道数目；
第三：dθ各层各道焊枪位姿为求取
Figure BDA0002569994710000134
S3.2、各道焊缝在焊接方向上的行走轨迹精确控制
启动3D激光轮廓传感器，线激光发生器产生的线激光平行y轴，即焊缝横向方向，打在焊缝表面，且确定相机的拍摄帧数f，即施焊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工业相机不断拍摄带有激光线焊缝图片；
为能够在焊接过程中焊接装置达到边施焊，边自主识别与设定焊枪行走轨迹功效，本发明提供一种移动坐标系下分段式实时识别焊接轨迹模型，参见附图说明中图6；
相机的拍摄帧数f，设定时间节点T，在T时间内相机的拍摄图像个数为f*T，时间节点将每道焊缝施焊路径等规划q(q＝1、2、3......)个小段路径，定义每个小段路径起始点处CCD工业相机光心为该小段路径的坐标系(o-xyz)原点，经过图像处理、步骤S1、步骤S2得到第q段路径下产生的在o-rt坐标下的f*T个焊缝截面轮廓曲线，结合步骤S3，获得第q段路径下第e(e＝1、2、3......f*T)个焊缝截面上在焊丝端点的坐标：
xe＝xo；
ye＝yo+tnk；
ze＝zo+rn；
其中：
xo、yo、zo代表o-rt坐标系原点o在o-xyz坐标系下坐标值；
e＝1、2、3......f*T；
通过最小二乘法曲线拟合，将e个(x1、y1、z1)，(x2、y2、z2)......(xe、ye、ze)空间坐标点拟合成第q段路径下焊丝端点行走轨迹曲线Lq；
将Lq曲线通过信息转化传递给z轴伺服电机、y轴伺服电机、行走伺服电机进行焊枪行走控制，将dθ传递给焊枪位姿控制伺服电机进行焊枪位姿控制。
S4、施焊流程
S4.1、装置安装，焊枪在焊缝横向方向运动的有效行程大于焊缝宽度；
S4.2、开启系统，并焊前参数输入，后将激光线移动至起弧点；
S4.3、焊枪以焊接速度V焊开始行走，并向起弧点运功，该段路径行走过程中，3D激光轮廓传感器不断扫查焊缝，通过步骤S1、步骤S2、步骤S3系统自动获取当下焊道焊接轨迹第1段施焊小路径行走的曲线L1与焊枪位姿dθ，焊枪到达起弧点，并停留T起时间，T起为起弧停留时间；T起时间后，焊丝端点依据第1段施焊小路径行走的曲线L1与焊枪位姿dθ以焊接速度向第2段施焊小路径起点行走；
S4.4、在第1段施焊小路径行走过程中，通过焊接方向前端的3D激光轮廓传感器获取第2段施焊小路径行走的曲线L2与焊枪位姿dθ，焊丝端点依据第2段施焊小路径行走的曲线L2与焊枪位姿dθ以焊接速度向第3段施焊小路径起点行走；
S4.5、如此反复，直到熄弧点，焊枪到达熄弧点时停留T熄时间，T熄为熄弧停留时间；T熄时间后，熄弧，该道焊缝自动施焊结束；
S4.6、装置退回原位，以相同形式进行下一道焊接，直至所有焊道施焊结束。
本发明基于视觉表征的多层多道焊接装置重量轻盈，安装过后，无需人工反复示教，一键式启动。
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 (10)

1.一种基于视觉表征的多层多道焊接装置，其特征在于：包括行走本体、行走导轨、3D激光轮廓传感器(8)、焊枪(11)，行走本体安装于行走导轨之上，3D激光轮廓传感器(8)安装于行走本体内的y轴导轨(6)之上，焊枪(11)刚性固定于行走本体内的焊枪位姿控制伺服电机(14)输出轴上；通过3D激光轮廓传感器(8)在焊接时实时扫描焊缝，获取焊接区域3D轮廓；通过行走伺服电机(4)控制行走本体、焊枪(11)、3D激光轮廓传感器(8)在行走导轨上运动；通过z轴伺服电机(2)控制焊枪(11)在焊缝深度方向上运动；通过y轴伺服电机(3)控制焊枪(11)在焊缝横向方向上运动；通过焊枪位姿控制伺服电机(14)控制焊枪位姿。
2.根据权利要求1所述的基于视觉表征的多层多道焊接装置，其特征在于：所述的行走本体是：y轴导轨(6)安装于车架(9)，z轴导轨(5)安装于y轴导轨(6)，焊枪(11)刚性固定于焊枪位姿控制伺服电机(14)输出轴上，实现角度旋转，焊枪位姿控制伺服电机(14)刚性固定于z轴导轨(5)下端，3D激光轮廓传感器(8)安装于y轴导轨(6)，行走伺服电机(4)通过减速机(7)安装于车架(9)，车架(9)通过加紧滑轮(12)与驱动轮组(13)安装于行走导轨；y轴导轨(6)轴心平行于焊缝横向方向，y轴伺服电机(3)带动y轴导轨(6)的丝杠旋转，使得z轴导轨(5)、焊枪(11)、3D激光轮廓传感器(8)平行焊缝横向方向运动；z轴导轨(5)轴心平行于焊缝深度方向，z轴伺服电机(2)带动z轴导轨(5)的丝杠旋转，使得z轴导轨(5)、焊枪位姿控制伺服电机(14)、焊枪(11)平行焊缝深度方向运动；焊枪位姿控制伺服电机(14)控制焊枪(11)施焊位姿。
3.根据权利要求2所述的基于视觉表征的多层多道焊接装置，其特征在于：所述的行走导轨包含柔性软轨(1)及开关磁铁座(10)，所述开关磁铁座(10)通过螺栓与柔性软轨(1)固定，通过磁性吸附于待焊件表面，行走导轨平行于焊缝，行走伺服电机(4)带动驱动轮组(13)使得行走本体沿着焊接方向行走。
4.根据权利要求1所述的基于视觉表征的多层多道焊接装置，其特征在于：所述的3D激光轮廓传感器(8)安装于y轴导轨(6)，位于焊前位置，包括CCD工业相机(15)、线激光发生器(16)；安装保证CCD相机(15)的光轴线垂直向下，即与焊缝深度方向平行，线激光发生器(16)的光轴线与CCD相机(15)的光轴线之间具有固定夹角；CCD工业相机(15)正下方设置有滤光片(18)，线激光发生器(16)产生的线激光透过激光线窗口(17)，打在焊缝表面，CCD工业相机(15)通过滤光片(18)拍摄带有激光线的焊缝图像。
5.一种利用权利要求1-4任意一项所述的基于视觉表征的多层多道焊接装置实现的焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、系统参数标定；
S2、分段式实时焊缝三维轮廓提取；
S3、施焊轨迹智能识别与智能控制；
S4、施焊流程。
6.根据权利要求5所述的基于视觉表征的多层多道焊接方法，其特征在于：步骤S2所述的分段式实时焊缝三维轮廓提取，具体是：
S2.1、在施焊过程中，一字激光线在焊接前方垂直投射于待施焊区域表面，CCD工业相机以帧数f在T时间内不断拍摄带有激光线的焊缝图像，经过图像处理，得到f*T张图像处理过后的带有激光中心条纹的图片；
S2.2、图像处理后每张图片上的激光中心条纹各像素点坐标(xu，yv)都对应相机坐标系下的实际坐标(xp，yp，zp)，转换矩阵关系为：
Figure FDA0002569994700000021
通过矩阵关系转化，即获取相机坐标系下的空间激光中心条纹精确形状与位置；
S2.3、依次对f*T张图片上的激光中心条纹进行坐标转化，后经过三维模拟成像，形成一组在相机坐标系下在焊接方向上的f*T个相互平行的空间曲线。
7.根据权利要求5所述的基于视觉表征的多层多道焊接方法，其特征在于：步骤S3所述的施焊轨迹智能识别与智能控制，具体包括：
S3.1、各道焊缝焊枪位姿实时确定与焊丝端点在焊缝横向方向、焊缝深度方向上位置实时确定；
S3.2、各道焊缝在焊接方向上的行走轨迹精确控制。
8.根据权利要求7所述的基于视觉表征的多层多道焊接方法，其特征在于：步骤S3.1所述的各道焊缝焊枪位姿实时确定与焊丝端点在焊缝横向方向、焊缝深度方向上位置实时确定，具体是：
S3.1.1、焊前参数输入
多层多道焊缝接头可划分为打底焊，填充焊，盖面焊三个部分，当板厚、坡口尺寸、坡口形状、材质确定后，坡口填充金属量固定，即焊缝层数与焊道数固定，根据坡口参数与焊接工艺输入其每道焊接参数；
施焊之前，根据板厚、坡口尺寸、坡口形态、材质输入焊丝直径d、每层施焊道数、每层焊接电流I、每层焊接电压U、每层送丝速度Vs、每层焊接速度V焊，其中每层各道焊缝截面积dA，由公式dA＝πd2Vs/4V焊得出；
S3.1.2、求取rn，tnk，dθ：
为能够在焊接过程中实时精确确定各道焊缝焊枪位姿与焊丝端点在焊缝横向方向、焊缝深度方向上位置，设计每层各道等高等面积焊道截面规划模型，每层各道等高等面积焊道截面规划模型基本原则为各层之间焊道高度不一，每层各焊道具备等高等面积特性；
每层各焊道具备等高等面积模型，各层焊缝理论高度H1≠H2......≠Hn，采用焊接顺序为层间一致，从左往右焊，设定一坐标系o-rt，坐标原点为坡口底端中心，r纵轴平行于焊缝深度方向，t横轴平行于焊缝横向方向；
第一：rn各层各道焊丝端点在焊缝截面纵坐标求取
rn＝Hc(n-1)+Hn(n＝1、2、3......)
其中：
Hc(n-1)为第n-1层实际测量高度；
Hn为第n层理论高度；
第n-1层实际测量高度Hc(n-1)测量原理：3D激光轮廓传感器在焊枪施焊情况下实时扫描各层施焊后激光线图像，后由左向右通过逐点扫查，依据二阶差分法：
Figure FDA0002569994700000041
其中：
D(t)为t的二阶差分值；
dt为差分范围；
得出每层焊缝各个特征点：t(n-1)1、t(n-1)2、t(n-1)3......t(n-1)w，其坐标系o-rt下纵坐标为r(n-1)1、r(n-1)2、r(n-1)3......r(n-1)w，则：
Figure FDA0002569994700000042
第二：tnk各层各道焊丝端点在焊缝截面横坐标求取
Figure FDA0002569994700000043
其中：
L为焊缝坡口宽度；
H为焊缝坡口深度；
m为各层焊道数目；
第三：dθ各层各道焊枪位姿为求取
Figure FDA0002569994700000044
9.根据权利要求7所述的基于视觉表征的多层多道焊接方法，其特征在于：步骤S3.2所述的各道焊缝在焊接方向上的行走轨迹精确控制，具体是：
启动3D激光轮廓传感器，线激光发生器产生的线激光平行y轴，即焊缝横向方向，打在焊缝表面，且确定相机的拍摄帧数f，即施焊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工业相机不断拍摄带有激光线焊缝图片；
为能够在焊接过程中焊接装置达到边施焊，边自主识别与设定焊枪行走轨迹功效，设计移动坐标系下分段式实时识别焊接轨迹模型；
相机的拍摄帧数f，设定时间节点T，在T时间内相机的拍摄图像个数为f*T，时间节点将每道焊缝施焊路径规划q(q＝1、2、3......)个小段路径，定义每个小段路径起始点处CCD工业相机光心为该小段路径的坐标系(o-xyz)原点，经过图像处理、步骤S1、步骤S2得到第q段路径下产生的在o-rt坐标下的f*T个焊缝截面轮廓曲线，结合步骤S3，获得第q段路径下第e(e＝1、2、3......f*T)个焊缝截面上在焊丝端点的坐标：
xe＝xo；
ye＝yo+tnk；
ze＝zo+rn；
其中：
xo、yo、zo代表o-rt坐标系原点o在o-xyz坐标系下坐标值；
e＝1、2、3......f*T；
通过最小二乘法曲线拟合，将e个(x1、y1、z1)，(x2、y2、z2)......(xe、ye、ze)空间坐标点拟合成第q段路径下焊丝端点行走轨迹曲线Lq；
将Lq曲线通过信息转化传递给z轴伺服电机、y轴伺服电机、行走伺服电机进行焊枪行走控制，将dθ传递给焊枪位姿控制伺服电机进行焊枪位姿控制。
10.根据权利要求5所述的基于视觉表征的多层多道焊接方法，其特征在于：步骤S4所述的施焊流程，具体是：
S4.1、装置安装，焊枪在焊缝横向方向运动的有效行程大于焊缝宽度；
S4.2、开启系统，并焊前参数输入，后将激光线移动至起弧点；
S4.3、焊枪以焊接速度V焊开始行走，并向起弧点运功，该段路径行走过程中，3D激光轮廓传感器不断扫查焊缝，通过步骤S1、步骤S2、步骤S3系统自动获取当下焊道焊接轨迹第1段施焊小路径行走的曲线L1与焊枪位姿dθ，焊枪到达起弧点，并停留T起时间，T起为起弧停留时间；T起时间后，焊丝端点依据第1段施焊小路径行走的曲线L1与焊枪位姿dθ以焊接速度向第2段施焊小路径起点行走；
S4.4、在第1段施焊小路径行走过程中，通过焊接方向前端的3D激光轮廓传感器获取第2段施焊小路径行走的曲线L2与焊枪位姿dθ，焊丝端点依据第2段施焊小路径行走的曲线L2与焊枪位姿dθ以焊接速度向第3段施焊小路径起点行走；
S4.5、如此反复，直到熄弧点，焊枪到达熄弧点时停留T熄时间，T熄为熄弧停留时间；T熄时间后，熄弧，该道焊缝自动施焊结束；
S4.6、装置退回原位，以相同形式进行下一道焊接，直至所有焊道施焊结束。
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