CN112238304B - 一种基于图像视觉识别焊缝的机械臂自动焊接小批量定制异型桥梁钢模板方法 - Google Patents

一种基于图像视觉识别焊缝的机械臂自动焊接小批量定制异型桥梁钢模板方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及机器人智能焊接技术领域，尤其是一种基于图像视觉识别焊缝的机械臂自动焊接小批量定制异型桥梁钢模板方法，具体步骤如下：步骤A、检测用焊接路径的生成；步骤B、图像快速获取；步骤C、计算焊缝的实际位置信息；步骤D、实际焊接路径的生成；步骤E、焊接。本发明根据已生成的焊接路径快速扫描一遍实际的焊接工件A,焊接工件B，期间CCD摄像机拍摄包含有实际焊缝区域的图像，然后分析图像中焊缝的边界与轮廓进行特征点的检测和提取，获取图像中所需的特征点坐标，进行图像立体匹配，就可以计算出焊缝的实际位置坐标，本发明的机械臂焊机根据新生成的焊接路径开始焊接，实现高质量、高效率的全自动焊接。

Description

一种基于图像视觉识别焊缝的机械臂自动焊接小批量定制异 型桥梁钢模板方法
技术领域
本发明涉及机器人智能焊接技术领域，尤其涉及一种基于图像视觉识别焊缝的机械臂自动焊接小批量定制异型桥梁钢模板方法。
背景技术
在桥梁钢模板的生产过程中，焊接是必不可少的一道工序，随着生产的发展，对产品的焊接质量要求越来越高，同时为了减轻工人的工作强度，机器人焊接开始进入人们视线，世界上应用的大量焊接机器人总的来说对焊接条件的要求非常严格，其相关的工艺参数和焊接路径都是需要预先设置的，而且焊接效果一般。在国内市场上很多传统企业，由于市场定制品多，批量小，可借用焊接路径编程的可能性小，而焊接路径编程工作量相对就很大，如果再增加变位机联动，增加一轴或多轴，而且很多焊接时候还需要边变位边操作的动态配合，编程的工作量和编程难度就更大。
机器人焊接自动化是焊接技术发展的一种趋势，目前国内大量的焊接机器人不具备焊缝实时跟踪控制功能，在实际焊接过程中常常因为被焊工件之间由于变形、加工误差或装配误差等等导致的实际相对位置与规划的焊接路径有偏差而最终影响焊缝成形的质量，难以满足高质量的要求，所以大多数情况下都仍然使用人工焊接以及人工纠偏的方法，难以满足高效率的要求。为了缩短桥梁的生产周期，满足现代化社会高质量、高效率的发展需求，迫切需要一种全自动的焊接方法来替代手工焊接。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于图像视觉识别焊缝的机械臂自动焊接小批量定制异型桥梁钢模板方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
设计一种基于图像视觉识别焊缝的机械臂自动焊接小批量定制异型桥梁钢模板方法，具体步骤如下：
步骤A、检测用焊接路径的生成：根据计算机的三维建模软件导入焊接工件A以及焊接工件B，并根据焊接工件A以及焊接工件B的三维模型信息与相对位置信息，可在三维建模软件中生成焊缝相应焊接路径的G代码；
步骤B、图像快速获取：在实际中，将焊接工件A以及焊接工件B按模型摆放位置摆放，但由于变形、加工误差或装配误差导致的实际相对位置与规划的焊接路径有偏差，需在机械臂焊机装上CCD摄像机用来检测真实的焊缝信息，根据步骤A中生成的焊接路径G代码控制机械臂焊机运动，此时CCD摄像机镜头保护装置自动打开，在机械臂焊机的快速扫描过程中拍摄包含有实际焊缝区域的图像；
步骤C、计算焊缝的实际位置信息：需从目标图像的像素信息上求解出目标的实际三维信息，因此，需要确定四种不同的坐标系，具体如下：
(1)、世界坐标系(ow-xwywzw)、
(2)、相机坐标系(oc-xcwczc)、
(3)、图像坐标系(o-uv)、
(4)、焦平面坐标系(ou-xuyu)，
通过对CCD摄像机拍摄的二维图像信息进行预处理和目标特征点检测提取，获取图像中所需特征点坐标，然后在相机处于不同位置时拍摄的照片上进行特征点匹配，再根据坐标之间的相互转换关系计算出目标在世界坐标系(ow-xwywzw)下的位置坐标；
机械臂焊机的移动过程中，从不同的方向对同一目标进行拍摄，得到的两幅二维图像，特征点P在拍摄第一幅图像上位置为(u1，v1)，在拍摄第二幅图像上位置为(u2，v2)，CCD摄像机的焦距为f，拍摄两幅图像CCD位移为B，通过相似三角形的性质计算出特征点P到相机的距离
Figure BDA0002135005140000031
步骤D、实际焊接路径的生成：根据计算出的实际焊缝在世界坐标系(owxwywzw)下的位置坐标与现有的焊接路径规划工艺规则库进行匹配，选出最优的焊接路径并生成相应的G代码；
通过图像信息的获取特征点在焦平面的坐标信息(xu，yu)和其距离镜头的深度信息L，然后通过公式
Figure BDA0002135005140000032
其中Nx，Ny是焦平面上横向u，纵向v轴单位长度的像素个数，u0，v0是图像坐标系的主点坐标，然后根据小孔成像原理特征点P在相机坐标系(xc，yc，zc)可通过公式
Figure BDA0002135005140000033
求得，最后根据公式
Figure BDA0002135005140000034
便可求出特征点的实际坐标，然后再换算成机械臂焊机的坐标，其中R为旋转矩阵，T为平移矩阵；
步骤E、焊接：根据最优焊接路径的G代码控制机械臂焊机进行焊接，CCD摄像机镜头保护装置闭合，防止焊接过程中CCD摄像机受到损坏。
本发明提出的一种基于图像视觉识别焊缝的机械臂自动焊接小批量定制异型桥梁钢模板方法，有益效果在于：本发明根据计算机的三维建模软件导入焊接工件A,焊接工件B，摆放至正确的相对位置，计算机根据被焊工件三维模型的尺寸信息生成一条焊接路径，然后装有CCD摄像机的机械臂焊机根据已生成的焊接路径快速扫描一遍实际的焊接工件A,焊接工件B，期间CCD摄像机拍摄包含有实际焊缝区域的图像，然后分析图像中焊缝的边界与轮廓进行特征点的检测和提取，获取图像中所需的特征点坐标，进行图像立体匹配，就可以计算出焊缝的实际位置坐标。通过与现有的工艺规则库对比生成最优的焊接路径，机械臂焊机根据新生成的焊接路径开始焊接，实现高质量、高效率的全自动焊接。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于图像视觉识别焊缝的机械臂自动焊接小批量定制异型桥梁钢模板方法的机械臂焊机和CCD摄像机的安装结构示意图。
图2为本发明提出的一种基于图像视觉识别焊缝的机械臂自动焊接小批量定制异型桥梁钢模板方法的四种坐标系转化关系图。
图3为本发明提出的一种基于图像视觉识别焊缝的机械臂自动焊接小批量定制异型桥梁钢模板方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。
参照图1-3，一种基于图像视觉识别焊缝的机械臂自动焊接小批量定制异型桥梁钢模板方法，具体步骤如下：
步骤A、检测用焊接路径的生成：根据计算机的三维建模软件导入焊接工件A以及焊接工件B，并根据焊接工件A以及焊接工件B的三维模型信息与相对位置信息，可在三维建模软件中生成焊缝相应焊接路径的G代码；
步骤B、图像快速获取：在实际中，将焊接工件A以及焊接工件B按模型摆放位置摆放，但由于变形、加工误差或装配误差导致的实际相对位置与规划的焊接路径有偏差，需在机械臂焊机120装上CCD摄像机100用来检测真实的焊缝信息，根据步骤A中生成的焊接路径G代码控制机械臂焊机120运动，此时CCD摄像机镜头保护装置110自动打开，在机械臂焊机120的快速扫描过程中拍摄包含有实际焊缝区域的图像；
步骤C、计算焊缝的实际位置信息：需从目标图像的像素信息上求解出目标的实际三维信息，因此，需要确定四种不同的坐标系，具体如下：
(1)、世界坐标系(ow-xwywzw)、
(2)、相机坐标系(oc-xcwczc)、
(3)、图像坐标系(o-uv)、
(4)、焦平面坐标系(ou-xuyu)，
通过对CCD摄像机100拍摄的二维图像信息进行预处理和目标特征点检测提取，获取图像中所需特征点坐标，然后在相机处于不同位置时拍摄的照片上进行特征点匹配，再根据坐标之间的相互转换关系计算出目标在世界坐标系(ow-xwywzw)下的位置坐标；
机械臂焊机120的移动过程中，从不同的方向对同一目标进行拍摄，得到的两幅二维图像，特征点P在拍摄第一幅图像上位置为(u1，v1)，在拍摄第二幅图像上位置为(u2，v2)，CCD摄像机100的焦距为f，拍摄两幅图像CCD位移为B，通过相似三角形的性质计算出特征点P到相机的距离
Figure BDA0002135005140000061
步骤D、实际焊接路径的生成：根据计算出的实际焊缝在世界坐标系(owxwywzw)下的位置坐标与现有的焊接路径规划工艺规则库进行匹配，选出最优的焊接路径并生成相应的G代码；
通过图像信息的获取特征点在焦平面的坐标信息(xu，yu)和其距离镜头的深度信息L，然后通过公式
Figure BDA0002135005140000062
其中Nx，Ny是焦平面上横向u，纵向v轴单位长度的像素个数，u0，v0是图像坐标系的主点坐标，然后根据小孔成像原理特征点P在相机坐标系(xc，yc，zc)可通过公式
Figure BDA0002135005140000071
求得，最后根据公式
Figure BDA0002135005140000072
便可求出特征点的实际坐标，然后再换算成机械臂焊机120的坐标，其中R为旋转矩阵，T为平移矩阵；
步骤E、焊接：根据最优焊接路径的G代码控制机械臂焊机120进行焊接，CCD摄像机镜头保护装置110闭合，防止焊接过程中CCD摄像机100受到损坏。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于图像视觉识别焊缝的机械臂自动焊接小批量定制异型桥梁钢模板方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤A、检测用焊接路径的生成：根据计算机的三维建模软件导入焊接工件A以及焊接工件B，并根据焊接工件A以及焊接工件B的三维模型信息与相对位置信息，可在三维建模软件中生成焊缝相应焊接路径的G代码；
步骤B、图像快速获取：在实际中，将焊接工件A以及焊接工件B按模型摆放位置摆放，但由于变形、加工误差或装配误差导致的实际相对位置与规划的焊接路径有偏差，需在机械臂焊机(120)装上CCD摄像机(100)用来检测真实的焊缝信息，根据步骤A中生成的焊接路径G代码控制机械臂焊机(120)运动，此时CCD摄像机镜头保护装置(110)自动打开，在机械臂焊机(120)的快速扫描过程中拍摄包含有实际焊缝区域的图像；
步骤C、计算焊缝的实际位置信息：需从目标图像的像素信息上求解出目标的实际三维信息，因此，需要确定四种不同的坐标系，具体如下：
(1)、世界坐标系(ow-xwywzw)、
(2)、相机坐标系(oc-xcwczc)、
(3)、图像坐标系(o-uv)、
(4)、焦平面坐标系(ou-xuyu)，
通过对CCD摄像机(100)拍摄的二维图像信息进行预处理和目标特征点检测提取，获取图像中所需特征点坐标，然后在相机处于不同位置时拍摄的照片上进行特征点匹配，再根据坐标之间的相互转换关系计算出目标在世界坐标系(ow-xwywzw)下的位置坐标；
机械臂焊机(120)的移动过程中，从不同的方向对同一目标进行拍摄，得到的两幅二维图像，特征点P在拍摄第一幅图像上位置为(u1，v1)，在拍摄第二幅图像上位置为(u2，v2)，CCD摄像机(100)的焦距为f，拍摄两幅图像CCD位移为B，通过相似三角形的性质计算出特征点P到相机的距离
Figure FDA0002135005130000021
步骤D、实际焊接路径的生成：根据计算出的实际焊缝在世界坐标系(owxwywzw)下的位置坐标与现有的焊接路径规划工艺规则库进行匹配，选出最优的焊接路径并生成相应的G代码；
通过图像信息的获取特征点在焦平面的坐标信息(xu，yu)和其距离镜头的深度信息L，然后通过公式
Figure FDA0002135005130000022
其中Nx，Ny是焦平面上横向u，纵向v轴单位长度的像素个数，u0，v0是图像坐标系的主点坐标，然后根据小孔成像原理特征点P在相机坐标系(xc，yc，zc)可通过公式
Figure FDA0002135005130000023
求得，最后根据公式
Figure FDA0002135005130000024
便可求出特征点的实际坐标，然后再换算成机械臂焊机(120)的坐标，其中R为旋转矩阵，T为平移矩阵；
步骤E、焊接：根据最优焊接路径的G代码控制机械臂焊机(120)进行焊接，CCD摄像机镜头保护装置(110)闭合，防止焊接过程中CCD摄像机(100)受到损坏。
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