CN114211168A - 一种基于图像相减的平面焊缝轨迹纠偏的方法 - Google Patents

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CN114211168A
CN114211168A CN202210154228.0A CN202210154228A CN114211168A CN 114211168 A CN114211168 A CN 114211168A CN 202210154228 A CN202210154228 A CN 202210154228A CN 114211168 A CN114211168 A CN 114211168A
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方成刚
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    • B25J9/1697Vision controlled systems

Abstract

本发明公开了一种基于图像相减的平面焊缝轨迹纠偏的方法,采用视觉技术获取焊缝初始信息;采用视觉技术实时获取焊接过程中的焊缝图像与焊缝偏移量;采用图像相减的方法获取焊枪实时偏移量;计算PLC脉冲参数;焊枪通过驱动装置的引导到达正确焊缝位置。本发明采用视觉技术工业相机来获取焊缝信息,通过图像相减方法来获取焊接过程中焊缝的实时偏移量,将焊缝信息精确到了像素级,在实现焊缝实时纠偏的前提下,进一步提高了焊接质量,最终通过十字滑台引领焊枪到正确位置,大大降低了焊接成本;通过开发的焊接交互界面,操作人员可以实时预览到焊缝偏移状况,通过输入参数直接控制焊枪纠偏的速度,改善了操作人员的工作环境,提高了工作效率。

Description

一种基于图像相减的平面焊缝轨迹纠偏的方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域,具体地说,涉及一种基于图像相减的平面焊缝轨迹纠偏的控制方法和系统。
背景技术
随着焊接技术的快速发展,很多平面焊接场合可以实现自动化焊接,但在某些场景中仍然需要人工焊接,难点主要有焊缝的形状较为复杂、非标准几何形状等,并且人工焊接时焊接质量得不到保证;而且在实际焊接中,工件装夹误差、焊接热变形误差等问题还会导致实际焊缝位置偏离理论焊缝位置,大大降低了焊接质量。
目前,针对人工焊接复杂的焊缝轨迹、焊缝实际位置偏移等问题,解决办法主要是焊接机器人结合焊缝跟踪器,常见的焊缝跟踪器受限制于焊接方式,并且机器人和焊缝跟踪器价格都比较昂贵、对操作人员的技术要求也较高。
发明内容
本发明的目的是为了解决平面焊接复杂焊缝形状、焊接过程中实际焊缝位置偏离理论焊缝位置的问题,提出了一种基于图像相减的平面焊缝轨迹纠偏的方法,旨在采用视觉技术采集初始焊缝信息作为模板,并在实际焊接过程中实时采集焊缝图像与模板进行图像相减获取焊缝偏移量,将偏移量转换成PLC脉冲信号,通过十字滑台来引导焊枪到达焊缝正确位置。采用本发明,达到了焊缝轨迹的实时纠偏,降低焊接成本,提高焊接质量的目的。
为了达到上述目的,本发明的技术方案是:
一种基于图像相减的平面焊缝轨迹纠偏的方法,该方法包括以下步骤:
S1、采用视觉技术获取焊缝初始信息;
S1-1、采用工业相机获取原始焊缝图像;
S1-2、为了去除焊接现场灰尘等噪声,并使图像锐度尽可能不变,便于焊缝轮廓提取,采用高斯滤波对原始焊缝图像进行去噪处理;
二维高斯函数,即高斯低通滤波器的传递函数如下:
Figure 794576DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure 42018DEST_PATH_IMAGE002
为原始焊缝图像各像素点坐标;
其中
Figure 112742DEST_PATH_IMAGE003
为高斯分布的标准差,
Figure 166149DEST_PATH_IMAGE003
取值越大,图像越模糊,
Figure 943612DEST_PATH_IMAGE003
取值越小,图像越尖锐;
S1-3、为了将焊缝作为目标凸显,对图像进行二值化处理,采用Otsu自适应阈值对去噪后的图像进行二值化;
Figure 424272DEST_PATH_IMAGE004
其中
Figure 716713DEST_PATH_IMAGE005
为去噪后焊缝图像各点的灰度值;
其中
Figure 511494DEST_PATH_IMAGE006
为二值化之后焊缝图像各点的灰度值;
其中
Figure 205780DEST_PATH_IMAGE007
为Otsu自适应阈值法计算出的图像最佳阈值;
S1-4、为了提取焊缝轮廓信息,并保留焊缝边缘锐度,保证焊接质量,采用Canny算子提取焊缝轮廓;
得到各像素点的梯度大小和方向后,遍历各像素,判断该像素梯度大小在该梯度方向上是否是其领域中的局部最大值:
Figure 857341DEST_PATH_IMAGE008
其中G为像素点梯度大小;
Figure 338876DEST_PATH_IMAGE009
其中
Figure 734085DEST_PATH_IMAGE010
为设置的两个梯度阈值,大于最大阈值的为确定的焊缝边缘,小于最小的为非边缘,如果介于最大最小之间,但与确定边缘部分相连,则视为焊缝边缘的一部分,反之则视为非边缘;
S1-5、获得焊缝位置信息;
提取焊缝像素点坐标,将获得的焊缝像素坐标点数据进行NURBS曲线拟合,得到平滑的焊缝曲线作为焊缝模板
Figure 282878DEST_PATH_IMAGE011
,提高焊接质量。NURBS曲线方程为:
Figure 308603DEST_PATH_IMAGE012
其中
Figure 575636DEST_PATH_IMAGE013
为焊缝曲线控制顶点;
其中
Figure 774537DEST_PATH_IMAGE014
为权因子;
其中为K次B样条基函数,由节点矢量
Figure 177836DEST_PATH_IMAGE015
按Cox-de Boor递推公式定义:
Figure 374462DEST_PATH_IMAGE016
S2、采用视觉技术实时获取焊接过程中的焊缝图像与焊缝偏移量;
S2-1、根据步骤S1中图像处理实时获取焊接过程中焊缝轮廓,并将其用NURBS曲线拟合为
Figure 128792DEST_PATH_IMAGE017
;
S2-2、根据步骤S1中获得的焊缝模板曲线
Figure 865803DEST_PATH_IMAGE011
,选取某端点作为焊接起点(原点),并建立坐标系与焊枪坐标系统一,将焊接实时获得的焊缝轮廓曲线
Figure 326872DEST_PATH_IMAGE018
中选取两点标定在焊缝模板所在坐标系中,其中一点为焊接起点,另一点为最靠近起点的点;
S3、采用图像相减的方法获取焊枪实时偏移量;
S3-1、在步骤S2焊枪坐标系中,将
Figure 756716DEST_PATH_IMAGE011
Figure 732762DEST_PATH_IMAGE018
焊缝轮廓进行图像相减得到焊缝的偏移图像;
Figure 709683DEST_PATH_IMAGE019
S3-2、计算焊缝实时的偏移量;
Figure 353154DEST_PATH_IMAGE020
Figure 688321DEST_PATH_IMAGE021
其中
Figure 354925DEST_PATH_IMAGE022
为焊缝在x方向上的偏移量;
其中
Figure 433740DEST_PATH_IMAGE023
为焊缝在y方向上的偏移量;
其中
Figure 931717DEST_PATH_IMAGE024
为物理距离(mm)与像素距离之间的比值;
S4、计算PLC脉冲参数;
根据步骤S3中获取的焊缝偏移量,得到焊枪偏移距离与脉冲数之间的关系、焊枪移动速度与脉冲频率之间的关系:
Figure 375468DEST_PATH_IMAGE025
Figure 591686DEST_PATH_IMAGE026
其中n(mm)为丝杠导程;
其中
Figure 474191DEST_PATH_IMAGE027
为电机的步距角;
其中
Figure 764358DEST_PATH_IMAGE028
为x、y方向上的脉冲数;
Figure 706906DEST_PATH_IMAGE029
其中
Figure 144841DEST_PATH_IMAGE030
为脉冲发送频率;
其中
Figure 1676DEST_PATH_IMAGE031
为滑台带动焊枪的移动速度;
S5、焊枪通过驱动装置的引导到达正确焊缝位置;
驱动装置由PLC、电机驱动器通过发送脉冲数目、频率、方向信号控制其运动距离、速度、方向,所述驱动装置包括十字滑台(丝杠结构)、步进电机;
根据步骤S4中得到的脉冲数、脉冲频率,通过PLC发送,步进电机带动十字滑台工作,将焊枪引领到正确焊缝位置。
为了实现复杂焊缝形状的焊接、焊缝轨迹的实时纠偏,降低焊接成本,本发明采用视觉技术工业相机预先获取焊缝位置信息作为模板,并采用图像相减获取焊缝偏移量,通过十字滑台引领焊枪到正确位置,并基于上述开发了一个焊接交互界面系统。采用该界面系统,在实际焊接过程中可以实时观察到焊缝偏移情况,并通过输入参数可以直接控制焊枪纠偏的移动速度等。
为了达到上述目的,本发明的技术方案是:
视觉显示模块,用于操作人员在焊接过程中预览焊缝模板与焊缝的实时变化情况;
参数显示模块,用于操作人员在焊接过程中实时关注焊料使用程度,更进一步地,所述参数显示模块包括:
已用焊料量(%);
焊料剩余量(%);
参数输入模块,用于操作人员根据实际焊接需要输入移动速度,更进一步地,所述参数输入模块包括:
滑台速度(m/s);
焊接速度(m/s);
按钮控制模块,用于操作人员在实际焊接过程中控制各装置的启停,更进一步地,所述按钮控制模块包括:
启动相机、焊枪复位、送料、抽料、清零、紧急停止;
报警功能,用于防止操作人员误操作、出现故障等提示,更进一步地,所述报警功能包括:
相机未检测到焊缝;
参数输入超出上下限;
焊丝长度为0;
十字滑台超出限位范围;
本发明的有益之处在于:
该发明采用视觉技术工业相机来获取焊缝信息,通过图像相减方法来获取焊接过程中焊缝的实时偏移量,将焊缝信息精确到了像素级,在实现焊缝实时纠偏的前提下,进一步提高了焊接质量,最终通过十字滑台引领焊枪到正确位置,大大降低了焊接成本;通过开发的焊接交互界面,操作人员可以实时预览到焊缝偏移状况,通过输入参数直接控制焊枪纠偏的速度,改善了操作人员的工作环境,提高了工作效率。
附图说明
图1为焊接示意图;
图2焊缝纠偏流程图;
图3开发界面示意图;
图4开发界面使用示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案更加清楚明白,以下将结合附图详细说明本发明的优选实施方式。
实施例(一):一种基于图像相减的平面焊缝轨迹纠偏的方法
如图1所示,焊缝为复杂曲线,工业相机通过预先拍摄获得原始图像,经过图像处理(去噪、二值化、提取边缘)之后获得焊缝模板,提取焊缝点信息拟合NURBS曲线,选取焊缝端点作为焊接起点,即原点,并建立坐标系,将焊接过程中实时获得的焊缝曲线放到上述坐标系中,两幅焊缝图像进行图像相减获得焊缝的偏移量,将焊缝偏移量转化为PLC脉冲信号发送到电机中,最终通过十字滑台引领焊枪到达正确焊缝位置,达到焊缝实时纠偏的目的。具体步骤如下:
S1、采用视觉技术获取焊缝初始信息:
根据焊接现场情况,选择合适的光源;
根据实际需要的焊接速度、焊接精度要求,调整现场所用工业相机的采集速度(最大帧率、曝光时间等)与之匹配,使之达到焊接精度要求并达到实时监测、实时纠偏的目的,更进一步地,当实际焊接速度为20mm/s,焊接精度要求为1mm,即分辨率(1pixe/mm)时,曝光时间最大为1/20s,可以达到上述焊接精度要求;
根据实际焊缝大小,调整现场所用工业相机的视野大小,更进一步地,相机视野为m×n,当相机跟随焊枪焊接时,焊缝模板图像中的全部焊缝能够始终被相机获取到(或当焊缝过长无法被相机视野全部获取时,每次获取相机视野大小能拍到的焊缝进行焊接,循环上述操作可将整条焊缝焊接完成);
S1-1、采用工业相机获取原始焊缝图像作为模板;
S1-2、为了去除焊接现场灰尘等噪声,并使图像锐度尽可能不变,便于焊缝轮廓提取,采用高斯滤波对原始焊缝图像进行去噪处理;
S1-3、为了将焊缝作为目标凸显,对图像进行二值化处理,采用Otsu自适应阈值对去噪后的图像进行二值化;
S1-4、为了提取焊缝轮廓信息,并保留焊缝边缘锐度,保证焊接质量,采用Canny算子提取焊缝轮廓;
S1-5、获得焊缝位置信息;
提取焊缝像素点坐标
Figure 474246DEST_PATH_IMAGE032
Figure 322116DEST_PATH_IMAGE033
将获得的焊缝像素坐标点数据进行NURBS曲线拟合,得到平滑的焊缝曲线作为焊缝模板
Figure 185030DEST_PATH_IMAGE011
,提高焊接质量。NURBS曲线方程为:
Figure 409338DEST_PATH_IMAGE034
S1-5-1、采用积累弦长参数化法计算节点矢量;
Figure 736414DEST_PATH_IMAGE035
S1-5-2、采用切矢条件确定边界;
Figure 20765DEST_PATH_IMAGE036
其中
Figure 370975DEST_PATH_IMAGE037
为首末两点切矢;
其中
Figure 133394DEST_PATH_IMAGE038
S1-5-3、反求焊缝曲线控制点;
Figure 252660DEST_PATH_IMAGE039
其中
Figure 707912DEST_PATH_IMAGE040
为焊缝曲线控制顶点,
Figure 607735DEST_PATH_IMAGE038
,则:
Figure 173846DEST_PATH_IMAGE041
Figure 646153DEST_PATH_IMAGE042
Figure 272307DEST_PATH_IMAGE043
Figure 659426DEST_PATH_IMAGE044
Figure 701331DEST_PATH_IMAGE045
Figure 857506DEST_PATH_IMAGE046
S2、采用视觉技术实时获取焊接过程中的焊缝图像与焊缝偏移量;
S2-1、根据步骤S1中图像处理实时获取焊接过程中焊缝轮廓,并将其用NURBS曲线拟合为
Figure 654560DEST_PATH_IMAGE017
;
Figure 201079DEST_PATH_IMAGE047
S2-2、根据步骤S1中获得的焊缝模板曲线
Figure 374572DEST_PATH_IMAGE011
,选取某端点作为焊接起点(原点),并建立坐标系,将焊接实时获得的焊缝轮廓曲线
Figure 385253DEST_PATH_IMAGE018
中选取两点标定在焊缝模板所在坐标系中,其中一点为焊接起点,另一点为最靠近起点的点;
S3、采用图像相减的方法获取焊枪实时偏移量;
S3-1、在步骤S2焊枪坐标系中,将、
Figure 290892DEST_PATH_IMAGE018
焊缝轮廓进行图像相减得到焊缝的偏移图像;
Figure 387024DEST_PATH_IMAGE019
S3-2、计算焊缝x、y方向上实时的偏移量;
Figure 833049DEST_PATH_IMAGE020
Figure 400034DEST_PATH_IMAGE021
其中
Figure 538892DEST_PATH_IMAGE024
为物理距离(mm)与像素距离之间的比值
S4、计算PLC脉冲参数;
根据步骤S3中获取的焊缝偏移量,得到焊枪偏移距离与脉冲数之间的关系、焊枪移动速度与脉冲频率之间的关系:
Figure 122320DEST_PATH_IMAGE048
Figure 372036DEST_PATH_IMAGE049
其中n(mm)为丝杠导程,
Figure 294992DEST_PATH_IMAGE027
为电机的步距角,S为脉冲数;
Figure 604751DEST_PATH_IMAGE029
其中
Figure 675475DEST_PATH_IMAGE030
为脉冲频率,其中
Figure 666565DEST_PATH_IMAGE031
为滑台移动速度;
S5、焊枪通过驱动装置的引领到达正确焊缝位置;
根据步骤S4中得到的脉冲数、脉冲频率,通过PLC发送,步进电机带动十字滑台工作,将焊枪引领到正确焊缝位置。
实施例(二):开发界面说明
如图3、图4所示,该焊接操作界面由视觉显示面板和操作面板组成,操作人员可由视觉显示面板实时预览到焊接过程中焊缝偏移情况,由操作面板输入参数直接控制焊枪纠偏的运动速度和焊接速度,实时观察到焊料的使用程度等。具体步骤如下:
S1、点击按钮“启动相机”,采集焊缝模板图像;
S2、采集完毕后,点击按钮“焊枪复位”,将焊枪归原点,焊缝模板图像在坐标系中显示;
S3、点击按钮“送焊丝”,焊枪开始工作,并实时纠偏,视觉显示面板中可预览到实时焊缝与焊缝模板的相对位置情况;
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于图像相减的平面焊缝轨迹纠偏的方法,其特征在于:该方法包括以下步骤:
S1、采用视觉技术获取焊缝初始信息;
S2、采用视觉技术实时获取焊接过程中的焊缝图像与焊缝偏移量;
S3、采用图像相减的方法获取焊枪实时偏移量;
S4、计算PLC脉冲参数;
S5、焊枪通过驱动装置的引导到达正确焊缝位置。
2.根据权利要求1所述一种基于图像相减的平面焊缝轨迹纠偏的方法,其特征在于:所述步骤S1中的采用视觉技术获取焊缝初始信息的具体步骤:
S1-1、采用图像采集装置获取原始焊缝图像;
S1-2、为了去除焊接现场灰尘等噪声,并使图像锐度尽可能不变,便于焊缝轮廓提取,采用高斯滤波对原始焊缝图像进行去噪处理;
二维高斯函数,即高斯低通滤波器的传递函数如下:
Figure 946408DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure 427068DEST_PATH_IMAGE002
为原始焊缝图像各像素点坐标;
其中
Figure 657192DEST_PATH_IMAGE003
为高斯分布的标准差,
Figure 514290DEST_PATH_IMAGE003
取值越大,图像越模糊,
Figure 208576DEST_PATH_IMAGE003
取值越小,图像越尖锐;
S1-3、为了将焊缝作为目标凸显,对图像进行二值化处理,采用Otsu自适应阈值对去噪后的图像进行二值化;
Figure 594558DEST_PATH_IMAGE004
其中
Figure 639875DEST_PATH_IMAGE005
为去噪后焊缝图像各点的灰度值;
其中
Figure 35084DEST_PATH_IMAGE006
为二值化之后焊缝图像各点的灰度值;
其中
Figure 724822DEST_PATH_IMAGE007
为Otsu自适应阈值法计算出的图像最佳阈值;
S1-4、为了提取焊缝轮廓信息,并保留焊缝边缘锐度,保证焊接质量,采用Canny算子提取焊缝轮廓;
得到各像素点的梯度大小和方向后,遍历各像素,判断该像素梯度大小在该梯度方向上是否是其领域中的局部最大值:
Figure 812864DEST_PATH_IMAGE008
其中G为像素点梯度大小;
Figure 79897DEST_PATH_IMAGE009
其中
Figure 13218DEST_PATH_IMAGE010
为设置的两个梯度阈值,大于最大阈值的为确定的焊缝边缘,小于最小的为非边缘,如果介于最大最小之间,但与确定边缘部分相连,则视为焊缝边缘的一部分,反之则视为非边缘;
S1-5、获得焊缝位置信息;
提取焊缝像素点坐标,将获得的焊缝像素坐标点数据进行NURBS曲线拟合,得到平滑的焊缝曲线作为焊缝模板
Figure 118315DEST_PATH_IMAGE011
,提高焊接质量,NURBS曲线方程为:
Figure 377258DEST_PATH_IMAGE012
其中
Figure 866009DEST_PATH_IMAGE013
为焊缝曲线控制顶点,
其中
Figure 806283DEST_PATH_IMAGE014
为权因子,
其中
Figure 329668DEST_PATH_IMAGE015
为K次B样条基函数,由节点矢量
Figure 493933DEST_PATH_IMAGE016
按Cox-de Boor递推公式定义:
Figure 673242DEST_PATH_IMAGE017
3.根据权利要求1所述一种基于图像相减的平面焊缝轨迹纠偏的方法,其特征在于:所述步骤S2中采用视觉技术实时获取焊接过程中的焊缝图像与焊缝偏移量步骤如下:
S2-1、根据步骤S1中图像处理实时获取焊接过程中焊缝轮廓,并将其用NURBS曲线拟合为
Figure 213944DEST_PATH_IMAGE018
S2-2、根据步骤S1中获得的焊缝模板曲线
Figure 591836DEST_PATH_IMAGE011
,选取某端点作为焊接起点或原点,并建立坐标系与焊枪坐标系统一,将焊接实时获得的焊缝轮廓曲线
Figure 927003DEST_PATH_IMAGE019
中选取两点标定在焊缝模板所在坐标系中,其中一点为焊接起点,另一点为最靠近起点的点。
4.根据权利要求1所述一种基于图像相减的平面焊缝轨迹纠偏的方法,其特征在于:所述步骤S3中采用图像相减的方法获取焊枪实时偏移量的步骤如下:
S3-1、在步骤S2焊枪坐标系中,将
Figure 390345DEST_PATH_IMAGE011
Figure 734739DEST_PATH_IMAGE019
焊缝轮廓进行图像相减得到焊缝的偏移图像;
Figure 872197DEST_PATH_IMAGE020
S3-2、计算焊缝实时的偏移量;
Figure 378264DEST_PATH_IMAGE021
Figure 594482DEST_PATH_IMAGE022
其中
Figure 414670DEST_PATH_IMAGE023
为焊缝在x方向上的偏移量,
其中
Figure 767154DEST_PATH_IMAGE024
为焊缝在y方向上的偏移量,
其中
Figure 444123DEST_PATH_IMAGE025
为物理距离与像素距离之间的比值。
5.根据权利要求1所述一种基于图像相减的平面焊缝轨迹纠偏的方法,其特征在于:所述步骤S4中计算PLC脉冲参数的具体步骤为:
根据步骤S3中获取的焊缝偏移量,得到焊枪偏移距离与脉冲数之间的关系、焊枪移动速度与脉冲频率之间的关系:
Figure 882058DEST_PATH_IMAGE026
Figure 302675DEST_PATH_IMAGE027
其中n为丝杠导程;
其中
Figure 509665DEST_PATH_IMAGE028
为电机的步距角;
其中
Figure 623115DEST_PATH_IMAGE029
为x、y方向上的脉冲数;
Figure 689291DEST_PATH_IMAGE030
其中
Figure 913599DEST_PATH_IMAGE031
为脉冲发送频率;
其中
Figure 240675DEST_PATH_IMAGE032
为滑台带动焊枪的移动速度。
6.根据权利要求1所述一种基于图像相减的平面焊缝轨迹纠偏的方法,其特征在于:所述步骤S5中焊枪通过驱动装置的引导到达正确焊缝位置的具体步骤为:
驱动装置由PLC、电机驱动器通过发送脉冲数目、频率、方向信号控制其运动距离、速度、方向,所述驱动装置包括十字滑台、步进电机;
根据步骤S4中得到的脉冲数、脉冲频率,通过PLC发送,步进电机带动十字滑台工作,将焊枪引领到正确焊缝位置。
7.根据权利要求1所述一种基于图像相减的平面焊缝轨迹纠偏的方法,其特征在于:采用焊接交互界面系统,该系统在焊接过程中可以实时观察到焊缝偏移情况,并通过输入参数可以直接控制焊枪纠偏的移动速度;
该系统包括视觉显示模块、参数显示模块、参数输入模块、按钮控制模块;
视觉显示模块,用于操作人员在焊接过程中预览焊缝模板与焊缝的实时变化情况;
参数显示模块,用于操作人员在焊接过程中实时关注焊料使用程度,更进一步地,所述参数显示模块包括:已用焊料量和焊料剩余量;
参数输入模块,用于操作人员根据实际焊接需要输入移动速度,更进一步地,所述参数输入模块包括:滑台速度和焊接速度;
按钮控制模块,用于操作人员在实际焊接过程中控制各装置的启停,更进一步地,所述按钮控制模块包括:启动相机、焊枪复位、送料、抽料、清零、紧急停止。
8.根据权利要求7所述一种基于图像相减的平面焊缝轨迹纠偏的方法,其特征在于:还包括报警模块,用于防止操作人员误操作、出现故障的提示。
9.根据权利要求8所述一种基于图像相减的平面焊缝轨迹纠偏的方法,其特征在于:所述报警功能包括:相机未检测到焊缝;参数输入超出上下限;焊丝长度为0;焊接用的十字滑台超出限位范围。
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