CN113385779A - 双目四线视觉传感的大折角焊缝跟踪及障碍物预测系统 - Google Patents

双目四线视觉传感的大折角焊缝跟踪及障碍物预测系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及双目四线视觉传感的大折角焊缝跟踪及障碍物预测系统,应用于焊接自动化、焊缝跟踪领域。本发明的技术要点是：本系统由交叉四线型激光视觉系统、单线型激光位移传感系统、一个智能视觉处理的计算机系统、两个工业广角镜头、两套减光及滤光系统、支架、箱体、盖板组成。本系统通过交叉四线型激光视觉系统得出全位姿大折角工件的类焊缝轨迹；通过智能视觉处理的计算机系统对交叉四线型激光视觉系统的同步扫描激光线，通过工业镜头的拍摄、减光及滤光系统对光线的处理，得出大折角工件的装配间隙；同时通过单线型激光位移传感系统得出横向距离数据；通过智能视觉处理的计算机系统对全位姿大折角工件的类焊缝轨迹、大折角工件的装配间隙以及横向距离数据的数据处理融合实现大折角工件的焊缝跟踪及障碍物预测。

Description

双目四线视觉传感的大折角焊缝跟踪及障碍物预测系统
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体的说，是双目四线视觉传感的大折角焊缝跟踪及障碍物预测系统。
背景技术
焊接技术在机械制造技术领域是一个很重要的研究领域，随着智能化时代的到来，焊接技术逐渐趋向智能化、自动化发展。目前，在焊接自动控制技术领域，焊接的自动化已经成为焊接技术的主流发展趋势，同时焊接的自动化与智能化一直以来都是一个难点，有很多因素都会影响自动化焊接焊后的质量，不仅包括焊缝的厚度、表面处理、焊接材料等焊接的内在因素，同时还包括焊接方法、焊接速度、工件位置检测等重要信息。尤其是焊枪在焊接过程中的姿态调整，焊接路径上障碍物的预测是焊接自动化技术中急切需要解决的问题。
随着焊接技术的发展，目前视觉传感也得到相应的发展，应用于焊缝跟踪的传感器有许多种，传统激光传感器的应用已经不能满足先进焊缝跟踪技术的需求，需要开发更加智能、误差更小、工作更可靠、功能更丰富的传感器来调整焊枪姿态进而实现焊缝的精准跟踪。
为了实现焊接自动化和智能化，实现实时的自动获取焊缝的定位信息，已经研发出许多传感技术，根据传感器的特性可以分为接触式传感器和非接触式传感器，其中接触式传感器可分为机械式和机电式；非接触式传感器可分为直接式传感器和附加式传感器，直接式传感器包括电弧传感，而附加式传感器包括射流式、电磁感应式、光电式和超声式。通过反复比较，光电式传感器具有非接触测量，精度高，实时性好等特点，能很好的适应现代化焊接生产的需求，故成为当今焊接技术领域应用最广泛的传感器之一。如专利号“201611078254.0”的“一种基于激光距离传感器的角焊缝自动焊接控制方法及装置”利用自动焊接控制器对激光距离传感器输出信号进行数据采样；如专利号“201910387603.4”的“一种基于点激光距离传感器的焊缝跟踪系统和方法”通过固定于滑块上的点激光距离传感器和加速度传感器对坡口区域进行扫描，系统提取出特征点的激光发射点到坡口的垂直距离信号和滑块的滑动距离信号，利用特征点距离差值法和反三角函数计算出焊缝左右、上下偏差和焊枪工作角偏差，实现焊缝的精准跟踪。
综上所述，为了通过焊接速度优化提高焊接质量，本发明设计了双目四线视觉传感的大折角焊缝跟踪及障碍物预测系统，该系统可以实现焊枪位姿的实时调整，并且实现水平方向上的障碍物预测功能，提高焊接质量的同时避免焊枪与障碍物相互碰撞。
发明内容
本发明提供了双目四线视觉传感的大折角焊缝跟踪及障碍物预测系统，旨在解决现有技术中存在的技术问题之一，实现焊枪位姿的实时调整和水平方向上的障碍物预测功能，提高焊接质量的同时解决了焊枪与障碍物相互碰撞等问题。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案：它包含交叉四线型激光视觉系统、单线型激光位移传感系统、一个智能视觉处理的计算机系统、两个工业广角镜头、两套减光及滤光系统、支架、箱体、盖板组成。
其中，所述的箱体分为箱体左腔、箱体右上腔、箱体右中腔、箱体右下腔，所述一个智能视觉处理的计算机系统中的面阵CCD智能系统1和面阵CCD智能系统2且相互之间成一定角度安装于箱体左腔和箱体右中腔，通过盖板压紧，盖板与箱体通过螺钉连接，盖板中部设有电缆孔连接箱体各腔；所述一字线激光器1和一字线激光器2与所述十字线激光器依次安装在箱体右下腔(一字线激光器1在前，且一字线激光器2与十字线激光器保持中轴线平行)；所述一字线激光器3安装在右上腔，所述两个工业镜头分别设在所述两个面阵CCD智能系统前端以调节所述工业CCD相机的光学参数。其中，所述箱体安装在距离焊枪枪头末端h1处，所述箱体右侧三个腔体高度均为h2，所述大折角的角度为α，所述靠右侧两个激光器中轴线与焊枪中轴线夹角为β。
本实施例中工作原理如下：
所述的面阵CCD智能系统由图像采集卡、工业摄像机以及智能图像处理系统组成；所述减光及滤光系统由20％减光片和660nm的滤光片组成；其中所述位于箱体左腔的所述基于面阵CCD智能系统采集通过位于箱体右下腔的所述一字线激光器1和一字线激光器2与所述十字线激光器投射至大折角工件上反射后通过所述减光及滤光系统的激光线，通过图像处理可提取各特征点的坐标，结合直射式激光三角测距法得出箱体与工件高度为h3，通过计算可得焊枪距离工件高度为h3-h1；根据已知夹角β，通过计算欧拉角等参数数据，可得焊枪在空间中与各坐标轴角度偏移量，从而得实时焊枪姿态，通过socket message通讯模块实现与焊接机器人数据的实时通讯，对比预先规划的焊接姿态与焊接路径及工艺要求，做出实时响应，进而实现焊枪位姿的实时调整及焊缝跟踪。
所述位于箱体右中腔的面阵CCD智能系统采集通过位于箱体右上腔的所述一字线激光器3投射至障碍物上反射后通过所述减光及滤光系统的一字型激光线以及所述十字线激光器投射的十字型激光线，通过图像处理可提取各特征点的坐标，结合斜射式激光三角测距法得出箱体与障碍物水平距离为L1。根据上述已知数据，通过计算可得焊枪与大折角工件角点的水平距离L2,其中L2＝L1-L3，其中L3＝(h3+1.5h2)/tanθ(θ与α互补),进而计算得出L2＝L1-(h3+1.5h2)/tanθ。通过socket通讯模块实现与焊接机器人数据的实时通讯，对比预先规划的焊接姿态与焊接路径及工艺要求，做出实时响应，进而实现焊枪在水平方向上的障碍物预测。
本发明明显优势是：本发明提出一种双目四线视觉传感的大折角焊缝跟踪及障碍物预测系统，该方法采用的两个面阵CCD智能系统之间相辅相成，并把数据通过智能计算系统进行处理并分析坐标数据，得到焊枪实时位姿及焊枪距离大折角工件的水平距离；通过socket通讯模块与焊接机器人建立的通讯，达到实时调整焊枪位姿的目的且同时实现水平方向上的障碍物预测功能。
附图说明
图1是双目四线视觉传感的大折角焊缝跟踪及障碍物预测系统流程图。
图2是双目四线视觉传感的大折角焊缝跟踪及障碍物预测系统的焊缝跟踪的机械图。
图中：1—大折角工件，2—机器人焊枪，3—系统箱体。
图3是双目四线视觉传感的大折角焊缝跟踪及障碍物预测系统的内部结构图。
图中：1—面阵CCD智能系统1，2—工业广角镜头1，3—减光及滤光系统1，4—面阵CCD智能系统2，5—一字线传感器1，6—一字线传感器2，7—十字线传感器，8—工业广角镜头2，9—减光及滤光系统2，10—一字线传感器3，11—支架，12—箱体，13—盖板，14—电缆孔。
图4是应用于大折角工件(α＝90°)实施例示意图。
图5是应用于大折角工件(90°<α<180°)实施例示意图。
具体实施方式
为了更好地表达整个发明的技术方案与有益效果，下面结合附图和实施案例对本发明做进一步详细说明。本发明的实施方式不限于此。
首先介绍一下三角测距原理：
激光三角测距法主要是通过激光器发射的一束激光以一定的入射角度照射被测目标，激光在目标表面发生反射和散射，在另一角度通过减光及滤光系统，利用透镜对反射激光汇聚成像，光斑成像在CCD的智能视觉系统上。当被测物体沿激光方向发生移动时，位置传感器上的光斑将产生移动，其位移大小对应被测物体的移动距离，通过算法设计，由光斑位移距离计算出被测物体与基线的距离值。
本实施例中的双目四线视觉传感的大折角焊缝跟踪及障碍物预测系统，如图3所述，它主要包括1、面阵CCD智能系统1，2、工业广角镜头1，3、减光及滤光系统1，4、面阵CCD智能系统2，5、一字线传感器1，6、一字线传感器2，7、十字线传感器，8、工业广角镜头2，9、减光及滤光系统2，10、一字线传感器3，11、支架，12、箱体，13、盖板，14、电缆孔。结合图3可以看出，其中箱体12分为箱体左腔、箱体右上腔、箱体右中腔、箱体右下腔；所述一个智能视觉处理的计算机系统的两个面阵CCD智能系统与箱体固连且相互之间成一定角度分别安装于箱体左腔和箱体右中腔并通过电缆连接，通过盖板压紧，盖板与箱体通过螺钉连接，盖板中部设有电缆孔连接箱体各腔；所述三个一字线激光器中的两个激光器与所述十字线激光器依次安装在箱体右下腔(一字线激光器在前)，且靠右侧两个激光器始终保持中轴线平行；所述另一个一字线激光器安装在右上腔，所述工业镜头设在所述面阵CCD智能系统前端以调节所述工业CCD相机的光学参数。
现将本发明实施例的工作原理叙述如下：
双目四线视觉传感的大折角焊缝跟踪及障碍物预测系统，其结构特征在于：它主要包括交叉四线型激光视觉系统、单线型激光位移传感系统、一个智能视觉处理的计算机系统、两个工业广角镜头、两套减光及滤光系统、支架、箱体、盖板。双目四线视觉传感的大折角焊缝跟踪及障碍物预测系统整体上结构紧凑，安装在同一箱体内，在实现同样功能的情况下，避免了在焊枪上安装过多设备的繁琐。其特征在于：所述的激光器投射至大折角工件上的激光线会产生相应的畸变特征，这些特征图像通过所述减光及滤光系统及工业镜头被面阵CCD智能系统获取，通过图像处理可提取各特征点的坐标，从而通过数据处理系统得出类焊缝轨迹，从而实现大折角工件的焊缝跟踪；通过分析坐标数据可得3个空间位姿参数，通过socket message通讯模块实现与焊接机器人数据的实时通讯，进而实现焊枪位姿的实时调整。与此同时，所述水平方向的激光器投射至障碍物上的激光线产生相应的畸变特征，这些特征图像通过所述减光及滤光系统及工业镜头被水平方向面阵CCD智能系统获取，通过图像处理可提取各特征点的坐标，从而通过算法得到水平方向面阵CCD智能系统与障碍物之间的水平距离，通过已知大折角工件的角度、箱体安装在焊枪上相对于工件的几何参数、箱体内部两个面阵CCD智能系统之间的几何关系，通过几何计算得出焊枪距离大折角工件的水平距离，进而实现水平方向上的障碍物预测功能。
实施例说明：如图5所示，所述系统应用于大折角工件(90°<α<180°)，两个一字线激光器投射的激光线条相互平行，十字线激光器投射的激光线与另外这两条激光线垂直相交形成激光平面，经过反射，通过所述减光及滤光系统及工业镜头被面阵CCD智能系统获取，通过图像处理并分析坐标数据，与机器人建立实时通讯，实现焊缝跟踪及位姿调整。同理，水平方向面阵CCD智能系统获取激光线反射图像，通过图像处理并分析坐标数据，利用三角测距原理得到水平方向面阵CCD智能系统与障碍物之间的水平距离，与机器人建立实时通讯，进而实现水平方向上的障碍物预测功能。
以上公开的仅是本发明的具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何领域的技术人员能思之变化都应纳入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.双目四线视觉传感的大折角焊缝跟踪及障碍物预测系统，其特征在于：所述的双目四线视觉传感的大折角焊缝跟踪及障碍物预测系统超前于焊枪固连，且包括一套交叉四线型激光视觉系统、单线型激光位移传感系统、一个智能视觉处理的计算机系统、两个工业广角镜头、两套减光及滤光系统、支架、箱体、盖板；所述交叉四线型激光视觉系统、单线型激光位移传感系统、一个智能视觉处理的计算机系统、两个工业广角镜头、两套减光及滤光系统、支架安装于系统箱体内。所述一个智能视觉处理的计算机系统包含面阵CCD智能系统1和面阵CCD智能系统2且相互之间成一定角度安装；所述交叉四线型激光视觉系统包括一字激光器1、一字激光器2及十字激光器且安装在同一腔体，并通过与智能视觉处理的计算机系统配合实现焊缝的实时跟踪以及焊枪姿态调整；所述单线型激光位移传感系统包括一字激光器4且安装在水平方向的面阵CCD智能系统之上；并通过与智能视觉处理的计算机系统配合实现水平方向上的障碍物预测功能。
2.根据权利要求1所述的双目四线视觉传感的大折角焊缝跟踪及障碍物预测系统，其特征在于：所述的交叉四线型激光视觉系统投射至大折角工件上的激光线会产生相应的畸变特征，这些特征图像通过所述减光及滤光系统及工业镜头被面阵CCD智能系统1获取，通过图像处理可提取各特征点的坐标值，进而实现大折角工件的焊缝跟踪；通过分析坐标数据可得3个空间位姿参数，通过socket message通讯模块实现与焊接机器人控制柜的数据实时通讯，对比预先规划的焊接姿态与焊接路径及工艺要求，做出实时响应，进而实现焊枪位姿的实时调整。
3.根据权利要求1所述的双目四线视觉传感的大折角焊缝跟踪及障碍物预测系统，其特征在于：所述的单线型激光位移传感系统投射至障碍物上的激光线配合所述交叉四线型激光视觉系统中十字激光器投射的激光线，产生相应的畸变特征，这些特征图像通过所述减光及滤光系统及工业镜头被水平方向面阵CCD智能系统2获取，通过图像处理可提取各特征点的坐标，从而通过算法得到水平方向面阵CCD智能系统2与障碍物之间的水平距离，通过已知大折角工件的角度、箱体安装在焊枪上相对于工件的几何参数、箱体内部两个面阵CCD智能系统之间的几何关系，通过几何计算得出焊枪距离大折角工件的水平距离，通过socket message通讯模块实现与焊接机器人控制柜的数据实时通讯，对比预先规划的焊接姿态与焊接路径及工艺要求，做出实时响应，进而实现水平方向上的障碍物预测功能。
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