CN112191993B - 一种氩弧焊焊缝跟踪系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氩弧焊焊缝跟踪系统及方法，包括控制系统以及与所述控制系统电连接的焊接机器人、视觉传感系统、焊接电源；所述控制系统包括图像处理模块、焊枪路径设置模块、焊枪姿态调整模块和焊接专家模块；所述焊枪路径设置模块用于根据输入的焊接条件设定焊枪路径，并通过所述焊接专家模块设置焊接参数；所述视觉传感系统用于获取焊缝图像信息；所述图像处理模块用于对所述焊缝图像信息进行图像处理，提取焊缝边界，并根据边界拟合函数计算熔池中心点和焊缝中心线的偏差值；所述焊枪姿态调整模块根据所述偏差值调整焊枪姿态，使焊枪始终对准焊缝中心线，从而提高自动焊接的精度。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体是一种氩弧焊焊缝跟踪系统及方法。
背景技术
焊接是制造业领域重要的加工技术，具有工作条件恶劣、工作量大及质量要求高等诸多特点。电弧焊和激光焊是焊接工业中较常见的焊接工艺方法，以电弧和激光束作为被控对象实现焊接自动控制是焊接自动化的一个重要手段。其中，精确的焊缝跟踪是保证焊接质量的前提，即在整个焊接过程中必须控制激光束或者电弧使其始终与焊缝对中，否则就会造成报废。
传统焊接环境下，焊接工作存在劳动强度大、焊接质量不稳定和焊接效率低等问题。自动焊接技术具有焊接效率高、焊接质量稳定等优点，还可降低焊工得职业病的危险，因而在焊接领域得到越来越多的重视和应用。
自动焊接技术需要在焊接时需要获得焊缝实时位置和尺寸信息，以及时控制焊枪位置，保证焊枪对中，提高焊缝的稳定性。由于焊接是一门复杂的热加工工艺技术，工件在焊接过程中会产生热变形，并且在焊接过程中会出现强烈的辐射、弧光、烟尘、飞溅等干扰，使得在焊接过程中实现焊缝位置的精确检测相当困难。
机器视觉检查设备作为工业自动化系统的重要组成部分，是一种用于工业现场，检测产品是否合格的设备，具有检测速度快、精度高、非接触、自动化程度高等一系列优势，该技术近年来被广泛用于轻工业、电子、半导体、制药和机械等众多领域，能够很好的满足现在加工制造业对检测的要求。机器视觉技术不但可以在传统加工制造业中代替人工作业，提高工业生产自动化水平、控制产品质量、提高劳动生产率，而且在许多常规检测方面无法实现的领域也起到有效的作用。而目前，国内外采用的焊缝跟踪系统大多都是基于传统PC的机器视觉系统，但是其成本过高，适应性差，不合适大规模推广。
公开号为CN110480127A的专利公开了一种基于结构光视觉传感的焊缝跟踪系统及方法；所述系统包括龙门架，焊接工作台以及焊炬，所述的系统包括激光视觉传感器焊缝跟踪纠偏轴以及上位机；所述的方法包括以下步骤：由激光视觉传感器采集焊缝图像，并将焊缝图像传送到上位机，上位机对焊缝图像进行处理，提取出焊缝中心线以及中心线特征点，根据中心线特征点计算出焊炬与焊缝中心的偏差量，根据偏差控制焊缝跟踪纠偏轴运动，实现焊缝的实时跟踪。该专利中的图像处理算法和计算偏差量的算法较为复杂，计算速度慢，且其采用激光视觉传感器来采集焊缝图像，成本较高，图像处理更复杂。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种氩弧焊焊缝跟踪系统及方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种氩弧焊焊缝跟踪系统，包括控制系统以及与所述控制系统电连接的焊接机器人、视觉传感系统、焊接电源；
所述控制系统包括图像处理模块、焊枪路径设置模块、焊枪姿态调整模块和焊接专家模块；
所述焊枪路径设置模块用于根据输入的焊接条件设定焊枪路径，并通过所述焊接专家模块设置焊接参数；
所述视觉传感系统用于获取焊缝图像信息；
所述图像处理模块用于对所述焊缝图像信息进行图像处理，提取焊缝边界，并根据边界拟合函数计算熔池中心点和焊缝中心线的偏差值；
所述焊枪姿态调整模块根据所述偏差值调整焊枪姿态，使焊枪始终对准焊缝中心线；
所述焊接机器人包括机械臂和焊枪，所述焊枪安装在机械臂的夹持端，所述机械臂与控制系统电连接。
具体地，所述视觉传感系统包括CCD相机，所述CCD相机的物镜上依次设有减光片、滤光片和防溅透镜；通过设置减光片可以防止强弧光损伤CCD相机成像元件；通过设置滤光片，可以避免弧光影响成像效果；通过设置防溅透镜，可以避免焊接过程中产生的飞溅损伤镜片或CCD相机，起到一定的保护作用。
与上述跟踪系统相对应的，本发明还提供了一种氩弧焊焊缝跟踪方法，包括以下步骤：
系统初始化，通过焊接专家模块确定焊接参数；
根据输入的焊接条件，通过焊枪路径设置模块设定焊接路径；
开始焊接，同时通过视觉传感系统获取焊缝图像信息，并将获取的焊缝图像信息传输给图像处理模块；
通过图像处理模块从焊缝图像中选取成像最好的图片，并从成像最好的图片上提取图像边界线，并根据边界拟合函数计算熔池中心点和焊缝中心线的偏差值；
根据所述偏差值，通过焊枪姿态调整模块纠正焊枪位置；
焊接结束，关闭系统。
具体地，所述视觉传感系统的采集帧率为50fps，所述焊枪姿态调整模块对焊枪的调整周期为0.1s，在所述焊枪姿态调整模块的每两次调整间隔时间内，所述视觉传感系统采集的图像为5张，通过如下公式从5张图像中选取成像最好的一张图片：
Pgrey＝f(d)，d∈dab (1)
Gaverage＝(|G1|+|G2|+|G3|+|G4|)/4 (2)
其中，Pgrey是沿着ab线的像素灰度值，G1、G2、G3和G4是沿ab线方向上像素灰度值的峰值梯度；ab线在熔池最宽处截取；Gaverage为G1、G2、G3和G4的绝对值的平均值，Gaverage的值越大，表示图像成像质量越好。
具体地，计算熔池中心点和焊缝中心线的偏差值的方法为：
根据图像处理模块提取的焊缝图像的边界线，分别拟合焊缝左右边界的函数f1(x)和f2(x)，公式如下：
f1(x)＝k1x+c1 (3)
f2(x)＝k2x+c2 (4)
根据左右边界的函数计算焊缝中心线的函数f(x)，公式如下：
计算熔池中心点距离焊缝中心线的偏差值E，公式如下：
其中，k1、k2分别为左右边界函数中的斜率；c1、c2为常数；Px、Py分别为熔池中心点在图像坐标系上的横坐标和纵坐标；图像坐标系的Y轴与焊缝中心线平行，X轴与Y轴垂直。
进一步地，根据所述偏差值纠正焊枪位置的方法为：
将熔池中心点的纵坐标Py代入(5)式，求出对应的焊缝中心线上的横坐标Px’，然后比较Px’和Px，若Px’-Px＞0，则焊枪向X轴正方向偏移距离E；若Px’-Px＜0，则焊枪向X轴负方向偏移距离E。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明通过设置减光片、滤光片实现物理去噪，从而降低对图像处理算法的要求，能快速计算熔池中心点到焊缝中心线的偏差值，从而实现高精度跟踪；(2)本发明成本低，适合推广；市面上的跟踪系统价格昂贵，推广受阻，而本发明较低的成本使得在推广上更具优势。
附图说明
图1为本发明实施例中一种氩弧焊焊缝跟踪系统的架构图；
图2为本发明实施例中视觉传感系统的结构示意图；
图3为本发明实施例中一种氩弧焊焊缝跟踪方法的流程图；
图4为本发明实施例中对焊缝图像进行图像处理的示意图；
图中：1、控制系统；2、焊接机器人；3、视觉传感系统；3-1、CCD相机；3-2、物镜；3-3、减光片；3-4、滤光片；3-5、防溅透镜；4、焊接电源。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例提供了一种氩弧焊焊缝跟踪系统，包括控制系统1以及与所述控制系统1电连接的焊接机器人2、视觉传感系统3、焊接电源4；所述焊接机器人2、视觉传感系统3、焊接电源4通过TCP/IP协议与控制系统1交互数据；
所述控制系统1包括图像处理模块、焊枪路径设置模块、焊枪姿态调整模块和焊接专家模块；
所述焊枪路径设置模块用于根据输入的焊接条件设定焊枪路径，并通过所述焊接专家模块设置焊接参数；
所述视觉传感系统3用于获取焊缝图像信息；
所述图像处理模块用于对所述焊缝图像信息进行图像处理，提取焊缝边界，并根据边界拟合函数计算熔池中心点和焊缝中心线的偏差值；
所述焊枪姿态调整模块根据所述偏差值调整焊枪姿态，使焊枪始终对准焊缝中心线；
所述焊接机器人2包括机械臂和焊枪，所述焊枪安装在机械臂的夹持端，所述机械臂与控制系统1电连接。
具体地，所述焊接专家模块内存储有焊接专家库，输入焊接要求(如材质等)后，可以通过查询焊接专家库，确定焊接参数(如焊枪输出功率等)；所述焊枪路径设置模块通过测量焊缝位置坐标来规划焊接轨迹。
具体地，如图2所示，所述视觉传感系统3包括CCD相机3-1，所述CCD相机3-1的物镜3-2上依次设有减光片3-3、滤光片3-4和防溅透镜3-5；通过设置减光片3-3可以防止强弧光损伤CCD相机3-1成像元件；通过设置滤光片3-4，可以避免弧光影响成像效果；通过设置防溅透镜3-5，可以避免焊接过程中产生的飞溅损伤镜片或CCD相机3-1，起到一定的保护作用。
具体地，本实施例中，所述CCD相机3-1的分辨率为1280×1024，采集帧率峰值为50fps，所述滤光片3-4为660nm的窄带滤光片3-4。
如图3、4所示，与上述跟踪系统相对应的，本实施例还提供了一种氩弧焊焊缝跟踪方法，包括以下步骤：
系统初始化，通过焊接专家模块确定焊接参数；
根据输入的焊接条件，通过焊枪路径设置模块设定焊接路径；
开始焊接，同时通过视觉传感系统3获取焊缝图像信息，并将获取的焊缝图像信息传输给图像处理模块；
通过图像处理模块从焊缝图像中选取成像最好的图片，并从成像最好的图片上提取图像边界线，并根据边界拟合函数计算熔池中心点和焊缝中心线的偏差值；
根据所述偏差值，通过焊枪姿态调整模块纠正焊枪位置；
焊接结束，关闭系统。
具体地，所述视觉传感系统3的采集帧率为50fps，所述焊枪姿态调整模块对焊枪的调整周期为0.1s，在所述焊枪姿态调整模块的每两次调整间隔时间内，所述视觉传感系统3采集的图像为5张，通过如下公式从5张图像中选取成像最好的一张图片：
Pgrey＝f(d)，d∈dab (1)
Gaverage＝(|G1|+|G2|+|G3|+|G4|)/4 (2)
其中，Pgrey是沿着ab线的像素灰度值，G1、G2、G3和G4是沿ab线方向上像素灰度值的峰值梯度；ab线在熔池最宽处截取，ab线上的像素灰度值阀值为40，即高于40的像素显示，低于40的不显示，得到图像的灰度曲线，再对灰度曲线进行求导，得到4个峰值G1、G2、G3和G4；Gaverage为G1、G2、G3和G4的绝对值的平均值，Gaverage的值越大，表示图像成像质量越好。
具体地，计算熔池中心点和焊缝中心线的偏差值的方法为：
根据图像处理模块提取的焊缝图像的边界线，分别拟合焊缝左右边界的函数f1(x)和f2(x)，公式如下：
f1(x)＝k1x+c1 (3)
f2(x)＝k2x+c2 (4)
根据左右边界的函数计算焊缝中心线的函数f(x)，公式如下：
计算熔池中心点距离焊缝中心线的偏差值E，公式如下：
其中，k1、k2分别为左右边界函数中的斜率；c1、c2为常数；Px、Py分别为熔池中心点在图像坐标系上的横坐标和纵坐标；图像坐标系的Y轴与焊缝中心线平行，X轴与Y轴垂直。
进一步地，根据所述偏差值纠正焊枪位置的方法为：
将熔池中心点的纵坐标Py代入(5)式，求出对应的焊缝中心线上的横坐标Px’，然后比较Px’和Px，若Px’-Px＞0，则焊枪向X轴正方向偏移距离E；若Px’-Px＜0，则焊枪向X轴负方向偏移距离E。
本实施例中，所述焊接机器人2采用发那科6自由度机器人；所述焊接电源4采用林肯AC交流电源。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (2)
1.一种氩弧焊焊缝跟踪方法，用于一种氩弧焊焊缝跟踪系统，其特征在于，所述跟踪系统包括：控制系统以及与所述控制系统电连接的焊接机器人、视觉传感系统、焊接电源；
所述控制系统包括图像处理模块、焊枪路径设置模块、焊枪姿态调整模块和焊接专家模块；
所述焊枪路径设置模块用于根据输入的焊接条件设定焊枪路径，并通过所述焊接专家模块设置焊接参数；
所述视觉传感系统用于获取焊缝图像信息；
所述图像处理模块用于对所述焊缝图像信息进行图像处理，提取焊缝边界，并根据边界拟合函数计算熔池中心点和焊缝中心线的偏差值；
所述焊枪姿态调整模块根据所述偏差值调整焊枪姿态，使焊枪始终对准焊缝中心线；
所述焊接机器人包括机械臂和焊枪，所述焊枪安装在机械臂的夹持端，所述机械臂与控制系统电连接；
所述跟踪方法包括以下步骤：
系统初始化，通过焊接专家模块确定焊接参数；
根据输入的焊接条件，通过焊枪路径设置模块设定焊接路径；
开始焊接，同时通过视觉传感系统获取焊缝图像信息，并将获取的焊缝图像信息传输给图像处理模块；
所述视觉传感系统的采集帧率为50fps，所述焊枪姿态调整模块对焊枪的调整周期为0.1s，在所述焊枪姿态调整模块的每两次调整间隔时间内，所述视觉传感系统采集的图像为5张，通过如下公式从5张图像中选取成像最好的一张图片：
Pgrey＝f(d),d∈dab (1)
Gaverage＝(|G1|+|G2|+|G3|+|G4|)/4 (2)
其中，Pgrey是沿着ab线的像素灰度值，G1、G2、G3和G4是沿ab线方向上像素灰度值的峰值梯度；ab线在熔池最宽处截取；Gaverage为G1、G2、G3和G4的绝对值的平均值，Gaverage的值越大，表示图像成像质量越好；
通过图像处理模块从焊缝图像中选取成像最好的图片，并从成像最好的图片上提取图像边界线，并根据边界拟合函数计算熔池中心点和焊缝中心线的偏差值；
计算熔池中心点和焊缝中心线的偏差值的方法为：
根据图像处理模块提取的焊缝图像的边界线，分别拟合焊缝左右边界的函数f1(x)和f2(x)，公式如下：
f1(x)＝k1x+c1 (3)
f2(x)＝k2x+c2 （4）
根据左右边界的函数计算焊缝中心线的函数f(x)，公式如下：
计算熔池中心点距离焊缝中心线的偏差值E，公式如下：
其中，k1、k2分别为左右边界函数中的斜率；c1、c2为常数；Px、Py分别为熔池中心点在图像坐标系上的横坐标和纵坐标；图像坐标系的Y轴与焊缝中心线平行，X轴与Y轴垂直；
根据所述偏差值，通过焊枪姿态调整模块纠正焊枪位置；
根据所述偏差值纠正焊枪位置的方法为：
将熔池中心点的纵坐标Py代入(5)式，求出对应的焊缝中心线上的横坐标Px’，然后比较Px’和Px，若Px’-Px>0，则焊枪向X轴正方向偏移距离E；若Px’-Px<0，则焊枪向X轴负方向偏移距离E；
焊接结束，关闭系统。
2.根据权利要求1所述的一种氩弧焊焊缝跟踪方法，其特征在于，所述视觉传感系统包括CCD相机，所述CCD相机的物镜上依次设有减光片、滤光片和防溅透镜。
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| CN112191993A (zh) | 2021-01-08 |
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