CN113042953B - 一种复杂焊缝跟踪装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复杂焊缝跟踪装置及方法，包括与焊枪轴线平行的步进电机，步进电机朝向远离焊枪的一侧连接激光三维视觉传感器，焊枪固定连接有齿圈，齿圈与齿轮啮合，步进电机的输出轴连接齿轮，通过步进电机带动齿轮旋转，将旋转运动经齿轮和齿圈的啮合传递，使激光三维视觉传感器绕焊枪的轴线旋转完成焊缝跟踪过程。在激光三维视觉传感器围绕焊枪旋转时，由步进电机转轴上的齿轮带动步进电机和激光三维视觉传感器围绕焊枪旋转，而焊枪本身保持不动，克服了机器人曲线焊缝跟踪同时调节焊枪和激光三维视觉传感器的不足，提高了焊枪本身的稳定性，可以应用在双丝焊和高效焊等焊接方法中。

Description

一种复杂焊缝跟踪装置及方法

技术领域

本发明涉及焊接工程领域，具体为一种复杂焊缝跟踪装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

焊接是制造业常用的制造手段，自动焊接过程通常存在焊缝跟踪视觉检测系统，用于在焊接过程中实时追踪检测焊缝轨迹确保产品质量。传统的焊缝跟踪视觉检测系统一般将视觉传感器和焊枪固定在焊缝上方，视觉传感器相对于焊枪的角度和位置是固定的，大部分用于直线焊缝的跟踪过程，而这种焊枪与视觉传感器位置相对固定的组合装置无法实现视觉传感器角度的可控调整，这就使得在曲线焊缝跟踪过程中，视觉传感器拍摄的图像容易丢失焊缝，使得视觉采集装置无法实时观测到焊缝的形状及位置状态，也就无法通过控制系统对焊枪的位置进行纠偏和调整。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种复杂焊缝跟踪装置及方法，利用焊枪末端固定的电机带动视觉传感器沿焊枪轴线旋转，确保焊缝处于视觉传感器拍摄范围，应对曲线焊缝图像丢失的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种复杂焊缝跟踪装置，包括与焊枪轴线平行的步进电机，步进电机朝向远离焊枪的一侧连接激光三维视觉传感器，焊枪固定连接有齿圈，齿圈与齿轮啮合，步进电机的输出轴连接齿轮，通过步进电机带动齿轮旋转，将旋转运动经齿轮和齿圈的啮合传递，使步进电机和激光三维视觉传感器绕焊枪的轴线旋转，确保焊缝处于激光三维视觉传感器拍摄范围。

焊枪位于焊缝上方空间。

焊枪、步进电机和激光三维视觉传感器的轴线均垂直于焊缝所在平面且互相平行。

激光三维视觉传感器取景面的几何中心点，在激光三维视觉传感器围绕焊枪轴线转动时，落在以焊枪为圆心的圆上。

焊枪通过旋转轴与步进电机连接，旋转轴的两端分别与焊枪和步进电机转动连接。

本发明的第二个方面提供基于上述装置实现焊缝跟踪的方法，包括以下步骤：

步骤1：获取焊缝图像；

步骤2：处理图像，获取焊缝边缘信息和激光三维视觉传感器中心点坐标信息；

步骤3：根据激光三维视觉传感器视野内的焊缝偏离激光三维视觉传感器中心的距离，计算出激光三维视觉传感器中心调节至焊缝位置需要旋转的角度；

步骤4：将角度信息转化为电信号，传递给步进电机从而控制步进电机的旋转方向和转速，使步进电机围绕焊枪旋转，带动激光三维视觉传感器围绕焊枪旋转，完成焊缝跟踪过程。

步骤1之前，还具有坐标系转换过程，具体为：先将像素坐标转化为激光三维视觉传感器坐标，再由激光三维视觉传感器坐标转化为焊枪坐标。

与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、由齿轮，齿圈和步进电机组成的旋转装置，组件购买方便，操作简单，成本较低，可以广泛用于工业生产当中。

2、在激光三维视觉传感器围绕焊枪旋转时，由步进电机转轴上的齿轮带动步进电机和激光三维视觉传感器围绕焊枪旋转，而焊枪本身保持不动，克服了机器人曲线焊缝跟踪同时调节焊枪和激光三维视觉传感器的不足，提高了焊枪本身的稳定性，可以应用在双丝焊和高效焊等焊接方法中。

3、装置体积小，调节灵活，在焊缝跟踪过程中具有很强的避障能力，可适用于大部分位置和方位的焊接。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施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是本发明一个或多个实施例提供的整体结构示意图；

图2是本发明一个或多个实施例提供的激光三维视觉传感器坐标到焊枪坐标的转换关系示意图；

图3是本发明一个或多个实施例提供的焊缝与激光三维视觉传感器中心点坐标的位置关系示意图；

图1中：1.焊枪，2.齿圈，3.钨极，4.齿轮，5.激光三维视觉传感器，6.步进电机，7.旋转轴；

图3中：31.焊缝位置，32.激光三维视觉传感器取景面，33.焊枪位置。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术中所描述的，焊枪与视觉传感器位置相对固定的组合装置无法实现视觉传感器角度调整，这就使得在曲线焊缝跟踪过程中，视觉传感器拍摄的图像容易丢失焊缝。

而关于这类问题，现有技术CN103418950A工业焊接机器人焊缝跟踪过程位姿自动调整方法中，利用旋转矩阵可使焊接机器人在曲线焊缝跟踪过程中实现视觉传感器角度的调整，但是由于它的焊枪与视觉传感器安装在机器人末端，相对位置固定，且共用一个控制系统，这就使得机器人在焊缝跟踪过程中调整角度时，不可避免地影响到焊枪的位置和角度，从而给焊接过程带来不利影响。特别是在双丝或多丝等高效焊的焊接过程中，焊枪的旋转对焊接稳定性和焊接过程造成很大的影响，因此以下实施方式中提出的焊缝跟踪装置可以克服该现有技术中基于跟踪的需要而非工艺需要，必须旋转焊枪影响焊接质量的弊病。

实施例一：

如图1所示，一种复杂焊缝跟踪装置，包括与焊枪1轴线平行的步进电机6，焊枪1通过旋转轴7与步进电机6连接，步进电机6朝向远离焊枪1的一侧安装激光三维视觉传感器5，焊枪1固定连接有齿圈2，齿圈2与齿轮4啮合，步进电机6的输出轴连接齿轮4，通过步进电机6带动齿轮4旋转，将旋转运动经齿轮4和齿圈2的啮合传递，使激光三维视觉传感器5绕焊枪1的轴线旋转完成焊缝跟踪过程。

焊枪1固定在焊缝上方，焊枪1末端具有钨极3，钨极3位于焊缝上方设定距离处且靠近焊缝，焊枪1和步进电机6及激光三维视觉传感器5的轴线均垂直于焊缝所在的工作台且互相平行，确保激光三维视觉传感器5的中心点在围绕焊枪1轴线转动时的轨迹稳定在以焊枪1为圆心的圆上，方便进行准确的角度调节，并保持焊枪1自身的位置状态不受影响。

焊枪1和步进电机6通过旋转轴7连接，旋转轴7是一个支架，在步进电机6围绕焊枪1旋转的过程中，旋转轴7的使用，可以使步进电机6进行旋转时更为稳定、顺畅。

焊缝跟踪过程工作原理为：在激光三维视觉传感器5开始捕捉焊接图像时，通过对焊接图像进行处理，提取焊缝特征信息，获得偏转角度信息，将角度信息转化为电信号，将电信号发送给步进电机6使其按照一定的时间步长，对激光三维视觉传感器5相对于焊枪1轴线的角度进行调节。

激光三维视觉传感器5可以围绕焊枪进行旋转，可以应用于曲线焊缝跟踪过程，根据曲线焊缝在激光三维视觉传感器5中视觉中的位置，调整激光三维视觉传感器5的旋转角度，对焊接过程中的焊缝进行全程捕捉。

激光三维视觉传感器5不限制具体的类型，本实施例中，激光三维视觉传感器5可以为三维激光视觉传感器也可以为工业相机，能够获得完整的焊缝图像并且图像中包含有像素坐标信息即可。

由齿轮，齿圈和步进电机组成的旋转装置，组件购买方便，操作简单，成本较低，可以广泛用于工业生产当中。

在激光三维视觉传感器5围绕焊枪旋转时，由步进电机转轴上的齿轮带动步进电机和激光三维视觉传感器5围绕焊枪旋转，而焊枪本身保持不动，克服了机器人曲线焊缝跟踪同时调节焊枪和激光三维视觉传感器5的不足，提高了焊枪本身的稳定性，可以应用在双丝焊和高效焊等焊接方法中。

装置体积小，调节灵活，在焊缝跟踪过程中具有很强的避障能力，可适用于大部分位置和方位的焊接。

实施例二：

本实施例提供基于实施例一的装置实现复杂焊缝跟踪的方法，包括以下步骤：

步骤1：获取焊缝图像；

步骤2：处理图像，获取焊缝边缘信息和激光三维视觉传感器5中心点坐标信息；

步骤3：根据激光三维视觉传感器5视野内的焊缝偏离激光三维视觉传感器5中心的距离，计算出激光三维视觉传感器5中心调节至焊缝位置需要旋转的角度；

步骤4：将角度信息转化为电信号，传递给步进电机从而控制步进电机的旋转方向和转速，使步进电机围绕焊枪旋转，带动激光三维视觉传感器围绕焊枪旋转，完成焊缝跟踪过程。

本实施例中，以三维激光视觉传感器作为激光三维视觉传感器5举例说明，具体如下：

对采集到的焊缝图片进行图像处理，提取到清晰的焊缝边缘信息，观察焊缝边缘与三维激光视觉传感器中心点坐标的位置关系；

根据三维激光视觉传感器视野内的焊缝偏离三维激光视觉传感器中心的距离，求出三维激光视觉传感器中心调节至焊缝上需要旋转的角度；

将角度信息转化为电信号，传递给步进电机从而控制步进电机的旋转方向和转速，通过步进电机上的齿轮和焊枪上的齿圈的啮合运动，在保持焊枪位置不动的情况下，使步进电机围绕焊枪旋转，连带着步进电机上的三维激光视觉传感器也围绕焊枪旋转角度，完成一个三维激光视觉传感器角度调整过程。

焊接过程开始前，先对装置进行标定，将像素坐标系转化为焊枪坐标系，先将像素坐标转化为三维激光视觉传感器坐标，再由三维激光视觉传感器坐标转化为焊枪坐标。其中像素坐标与三维激光视觉传感器坐标的标定关系与传统直线焊缝跟踪标定关系相同，此处主要分析三维激光视觉传感器坐标到焊枪坐标的转化，便于指导焊枪移动和三维激光视觉传感器偏转。

如图2所示，设焊枪坐标系用O_nX_nY_nZ_n表示，三维激光视觉传感器坐标系用O_mX_mY_mZ_m，可将三维激光视觉传感器坐标系与焊枪坐标系的位置关系看作固定距离为L并成θ夹角的线性关系。焊缝轨迹上一点，在视觉传感器坐标系下坐标为(x₁,y₁,z₁)，在焊枪坐标系下坐标为(x,y,z)，由于z₁与z差值为常数(焊枪与焊缝之间的高度值/三维激光视觉传感器与焊缝之间的高度值，两个高度的差值是固定的)，在此不做讨论，所以三维激光视觉传感器坐标系与焊枪坐标系的转换关系表示为：

X＝Lcosθ+X₁sinθ+Y₁cosθ

Y＝Lsinθ+Y₁cosθ-X₁cosθ

在曲线焊缝跟踪过程中，三维激光视觉传感器围绕焊枪进行旋转装置的焊缝跟踪原理如下：

三维激光视觉传感器与焊枪之间存在固定距离，焊接还未开始时，三维激光视觉传感器先到达焊缝起点先捕捉到焊缝图像，对采集到的焊缝图像进行图像处理，提取焊缝特征信息，将焊缝信息发送给控制器，将这组信息存入缓存中，用于两个方面：一是及时的调整三维激光视觉传感器的角度，二是指导后续的焊枪移动。

调整焊枪角度的过程如下：从三维激光视觉传感器开始捕捉焊接图像时，需要及时按照一定的时间步长，对三维激光视觉传感器角度进行调节，使焊缝处于三维激光视觉传感器中心位置。

具体调节方法为，先对采集到的焊缝图片进行图像处理，提取到清晰的焊缝边缘信息，通过焊缝边缘与三维激光视觉传感器中心点坐标的位置关系，判断三维激光视觉传感器是否需要进行角度调节。

如图3所示，激光三维视觉传感器取景面32的中心点坐标设为O，本实施例中为三维激光视觉传感器的中心点坐标设为O，焊枪被认为是一个点坐标落在焊缝位置31所在的曲线上，则焊枪位置33处坐标点设为Q，当三维激光视觉传感器视野内的焊缝偏离三维激光视觉传感器中心O一定距离时，过三维激光视觉传感器中心坐标垂直于三维激光视觉传感器与焊枪连线OQ方向做垂线，与曲线焊缝交于一点P，连接PQ点，角OQP即为三维激光视觉传感器需要旋转的角度。

将图像像素坐标内的O点和P点转换到空间坐标内，求出在空间坐标下三维激光视觉传感器中心点O与交点P的距离OP，利用OP与三维激光视觉传感器中心到焊枪的距离OQ之比，通过反正切函数计算出三维激光视觉传感器中心旋转到焊缝上需要调节的角度OQP。

将角度信息通过控制系统转化为电信号，将电信号传送给步进电机从而控制步进电机的旋转方向和速度，通过步进电机上的齿轮和焊枪上的齿圈的啮合运动，焊枪位置保持不变，使步进电机围绕焊枪旋转，连带着步进电机上的三维激光视觉传感器也围绕焊枪旋转角度，完成一个三维激光视觉传感器角度调整过程。

焊缝图像指导焊枪移动的过程如下：随着装置沿焊缝移动，焊枪逐渐到达焊缝起点开始焊接，此时三维激光视觉传感器已经采集到了从焊缝起点到三维激光视觉传感器当前位置的焊缝图像，由图像得到此段焊缝像素坐标信息，将像素坐标信息根据标定关系转化为空间坐标，当焊枪开始移动时，通过空间坐标内焊枪位置坐标和之前焊缝图像标定得到的焊缝位置坐标的比较处理，得到焊枪需要移动的方向和距离，将移动信息通过控制系统转化为焊枪的移动指令，使焊枪按照焊缝轨迹移动。

总的焊缝跟踪过程如下：

当焊接过程还未开始时，焊枪还未到达焊缝起点，在向焊缝起点移动的过程中，先由三维激光视觉传感器观测焊缝图像，进行三维激光视觉传感器角度调节过程。

焊接过程开始之后，焊枪移动过程和三维激光视觉传感器角度调节过程同时进行，划分合适的时间步长(确保调节频率可使三维激光视觉传感器一直捕捉到焊缝信息)，当焊枪移动一个时间步长后，由三维激光视觉传感器拍摄到的焊缝所处位置与三维激光视觉传感器中心点的偏差情况，根据之前所述的调节角度计算方法，对三维激光视觉传感器进行角度调整，使得调节后的三维激光视觉传感器中心坐标落在焊缝上，方便之后的三维激光视觉传感器观测过程。

在此过程中焊枪继续根据控制系统的输出信号保持移动，直到到达下一个时间步长，进行三维激光视觉传感器角度调整，如此循环下去，一直到达焊缝终点。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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。凡在本发明的精神和原则之内，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 (8)

1.一种基于复杂焊缝跟踪装置实现焊缝跟踪的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：获取焊缝图像；

步骤2：处理图像，获取焊缝边缘信息和激光三维视觉传感器中心点坐标信息；

步骤3：根据激光三维视觉传感器视野内的焊缝偏离激光三维视觉传感器中心的距离，计算出激光三维视觉传感器中心调节至焊缝位置需要旋转的角度；

步骤4：将角度信息转化为电信号，传递给步进电机从而控制步进电机的旋转方向和转速，使步进电机围绕焊枪旋转，带动激光三维视觉传感器围绕焊枪旋转，完成焊缝跟踪过程；

其中，三维激光视觉传感器的中心点坐标设为O，焊枪为落在焊缝位置所在的曲线上的一个点，坐标为Q，过O点垂直于三维激光视觉传感器与焊枪连线OQ方向做垂线，与曲线焊缝交于一点P，连接PQ点，角OQP为三维激光视觉传感器需要旋转的角度；

将焊缝图像像素坐标内的O点和P点转换到空间坐标内，获得O点与P点的距离OP，利用OP与三维激光视觉传感器中心到焊枪的距离OQ之比，通过反正切函数计算出角OQP，即三维激光视觉传感器中心旋转到焊缝上需要调节的角度；

其中，复杂焊缝跟踪装置包括与焊枪轴线平行的步进电机，步进电机朝向远离焊枪的一侧连接激光三维视觉传感器，焊枪固定连接有齿圈，齿圈与齿轮啮合，步进电机的输出轴连接齿轮，通过步进电机带动齿轮旋转，将旋转运动经齿轮和齿圈的啮合传递，使步进电机和激光三维视觉传感器绕焊枪的轴线旋转，确保焊缝处于激光三维视觉传感器拍摄范围。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述焊枪位于焊缝上方空间。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述焊枪、步进电机和激光三维视觉传感器的轴线均垂直于焊缝所在平面。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述焊枪、步进电机和激光三维视觉传感器的轴线相互平行。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述激光三维视觉传感器取景面的几何中心点，在激光三维视觉传感器围绕焊枪轴线转动时，落在以焊枪为圆心的圆上。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述焊枪通过旋转轴与步进电机连接。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述旋转轴的两端分别与焊枪和步进电机转动连接。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1之前，还具有坐标系转换过程，具体为：先将像素坐标转化为激光三维视觉传感器坐标，再由激光三维视觉传感器坐标转化为焊枪坐标。

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