CN114519745A - 激光焊接中焊缝跟踪仪与三轴焊接平台外部参数标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光焊接中焊缝跟踪仪与三轴焊接平台外部参数标定方法。其步骤为:控制激光器在焊接平台上移动使其在标定块上表面击打光斑，记录击打光斑时焊缝跟踪仪在焊接平台坐标系的三维坐标；利用焊缝跟踪仪采集光斑图像并处理、计算光斑中心的二维图像坐标；利用焊缝跟踪仪拍摄放置在标定块上表面的标定板图像，识别标定板上标志点位置从而推算标定块上光斑的三维坐标；根据光斑中心在焊缝跟踪仪坐标系下的坐标以及对应的在焊接平台坐标系下的坐标，计算两个坐标系之间的旋转R和平移矩阵T，完成标定。本发明方法能有效的标定出焊缝跟踪仪与三轴焊接平台之间的外部参数，标定方法简单，易于操作，标定精度高，能实现对焊接平台三个自由度的精确校正。

Description

激光焊接中焊缝跟踪仪与三轴焊接平台外部参数标定方法

技术领域

本发明涉及激光焊接技术和计算机视觉技术领域,具体的说是激光焊接中焊缝跟踪仪与三轴焊接平台外部参数标定方法。

背景技术

三轴焊接平台进行焊接过程中，使用焊缝跟踪仪测量得到的焊缝位置信息是在跟踪仪坐标系下，而对三轴焊接平台进行运动参数校正时，需要将跟踪仪坐标系下测得的焊缝位置坐标转换到焊接平台坐标系下，因此需要首先对跟踪仪和焊接平台进行外部参数标定，以获得两个坐标系之间的位置转换关系。

由于激光焊接不同于其他焊接方式：首先，其焊点位置在激光器的焦点上，无法直接测得焊点处的坐标值；其次，当激光器聚焦时，焊点的面积非常小，因此校正参数允许的误差非常小，否则会出现焊点偏离焊缝导致焊接失败。

目前，对焊缝跟踪仪和焊接平台进行参数标定时采用如下方式：1)一般是通过手工测量跟踪仪的跟踪点与焊点之间的距离以获得焊接提前量；2)仅对焊接平面上垂直于焊缝方向的偏差进行运动参数的校正。然而，这种方法测量精度较低，并且只适用于平面直线焊缝的跟踪，对于需要在垂直于焊接平面方向进行高度调整的情况则不适用。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种激光焊接中焊缝跟踪仪与三轴焊接平台外部参数标定方法，该方法能实现跟踪仪与激光焊接平台之间的外部参数的标定，使得跟踪仪获得焊缝位置能转换到焊接平台坐标系下，从而实现对焊接过程中焊缝位置参数x,y,z三个自由度的实时调整，实现激光焊接的精确控制。该方法实施方便、标定精度高。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

激光焊接中焊缝跟踪仪与三轴焊接平台外部参数标定方法，包括以下步骤：

控制激光器在焊接平台上移动使其在标定块上表面击打光斑，并记录光斑在焊接平台坐标系的三维位置坐标{P_li}；

利用焊缝跟踪仪采集光斑图像并处理、计算光斑中心的二维图像坐标位置；

利用焊缝跟踪仪拍摄标定板图像，通过识别标定板上标志点位置确定标定板平面在跟踪仪坐标系下的位置坐标；

根据标定板与标定块的位置关系进一步确定光斑中心在焊缝跟踪仪坐标系下的三维坐标{P_ti}；

根据光斑中心在焊缝跟踪仪坐标系下的坐标{P_ti}，以及对应的在三轴焊接平台坐标系下的三维坐标值{P_li}，计算跟踪仪坐标系与三轴焊接平台坐标系之间的旋转R和平移矩阵T，完成外部参数的标定。

所述该方法是基于标定系统实现的，该标定系统包括：焊接平台、激光器、焊缝跟踪仪、标定块、标定板；

所述焊接平台为三轴直线模组，所述焊缝跟踪仪、激光器分别固定安装在三轴直线模组的末端、且二者相对位置不变，调节激光器焦点与焊接平台坐标原点重合，焊接平台移动的坐标即为光斑在焊接平台下的坐标；

所述标定块有两个阶梯上表面，高度差为h，放置在焊接平台的运动范围内，且当焊接平台处于原点位置时焊缝跟踪仪能拍摄到标定块被击打的光斑图像；

所述标定板表面设有若干圆形标志点且相邻圆点中心等距，所述标志点用于确定标定板坐标轴的方向。

所述激光器在标定块上表面击打光斑的步骤包括：

控制焊缝跟踪仪、激光器在焊接平台上移动；当移动到标定块上方时，打开激光器发射激光，在标定块每个阶梯表面击打光斑，并且击打光斑过程中保持激光器聚焦。

所述标定块两个阶梯上表面共击打至少3个光斑。

所述击打光斑过程中保持激光器聚焦包括：通过控制激光器在焊接平台上升或降落h高度，使得激光器保持在待加工表面聚焦。

所述进行图像处理并计算光斑中心的二维坐标位置的步骤包括：

通过图像增强、边缘提取处理获取光斑轮廓；通过椭圆拟合计算光斑几何中心。

所述通过识别标定板上标志点位置确定标定板平面在跟踪仪坐标系下的位置坐标的步骤包括：

对采集的标定板图像进行图像增强、边缘提取处理获取标志点轮廓，通过椭圆拟合计算标志点中心位置，从而确定标定板平面在跟踪仪坐标系下的三维位置坐标。

所述图像增强、边缘提取处理的步骤包括：

所述图像增强为对获取的图像进行去噪，以减少噪声的影响；

所述边缘提取为：首先设置阈值参数进行像素级边缘提取，对所有边缘进行过滤去除非目标边缘像素；其次进行亚像素边缘提取，以获得边缘信息用于边缘图形拟合。

所述根据标定板与标定块的位置关系进一步确定标定块上光斑所在表面的三维坐标的步骤包括：

根据标定板厚度值以及其在焊缝跟踪仪坐标系下的位置坐标，计算标定块上光斑所在表面的平面方程，据此计算光斑中心在焊缝跟踪仪坐标系下的三维位置坐标。

所述外部参数是指从跟踪仪坐标系到焊接平台坐标系的变换矩阵，使用旋转矩阵R和平移矩阵T表示。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明所述的一种激光焊接中焊缝跟踪仪与三轴焊接平台外部参数标定方法能有效的实现焊缝跟踪仪与焊接平台坐标系之间的位置参数的标定。

2.本发明所述的一种激光焊接中焊缝跟踪仪与三轴焊接平台外部参数标定方法能实现跟踪仪坐标值到焊接平台坐标值的直接转换，从而对焊接平台实现x,y,z方向三个自由度运动参数的精确校正。

3.本发明所述的一种激光焊接中焊缝跟踪仪与三轴焊接平台外部参数标定方法使用的标定块加工简单、成本低，标定方法易于操作和实现。

4.本发明所述的一种激光焊接中焊缝跟踪仪与三轴焊接平台外部参数标定方法标定具有较高的标定精度。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明方法中使用的三维标定块示意图；

图3为本发明方法中使用的平面标定板示意图；

图4为本发明方法中标定的三轴焊接平台示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方法做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

激光焊接中焊缝跟踪仪与三轴焊接平台外部参数标定过程中是基于如下系统实现的：焊接平台、激光器、焊缝跟踪仪、标定块、标定板。焊缝跟踪仪由一部工业CCD相机和线结构光激光器组成。

如图2所示，本实施例中所使用的三维标定块具有较高的加工精度，上表面具有两个阶梯平面，且两个上表面之间的高度差h已知。标定块一般为金属材质，例如铝合金，激光器可在其表面留下便于进行图像检测的圆斑。

如图3所示，本实施例中所使用的二维标定板，厚度已知，表面为圆点，所有圆点中心之间的距离均相等，其中五个大圆点(作为标志点)用于确定标定板的坐标系和对其他所有圆点进行标记排序。

如图4所示，本实施例中采用三维焊接平台，焊缝跟踪仪固定在三轴焊接平台末端，激光器也固定在三轴焊接平台末端，且与激光器末端位置关系保持不变。

标定时需首先将激光器对焦，定义当各运动轴位于初始位置时，激光器焦点与三轴平台坐标系原点重合，坐标轴方向与三根轴的运动方向一致。此时三轴平台的运动参数与激光器焦点的运动参数一致。

参照附图2-4，本发明所述一种激光焊接中焊缝跟踪仪与三轴焊接平台外部参数标定方法的具体实施步骤如下：

步骤1：如图4所示，将焊缝跟踪仪安装在三轴焊接平台末端的固定位置，保持跟踪仪与焊接平台末端(激光器末端)相对位置关系不变。当焊接平台移动时，跟踪仪与激光器末端可以同时移动且保持相对静止，此时应当调节激光器至聚焦状态，当三根运动轴位于初始位置时，定义激光器焦点与焊接平台坐标原点重合，坐标系的x,y,z方向与轴的运动方向一致。定义激光器焦点与焊接平台坐标原点重合的目的在于，焊接平台的运动参数与激光焦点的运动参数一致，此时，焊接平台运动的xy值就可以认为是激光焦点(也就是光斑)在平台坐标系下的坐标值。

步骤2：将三维标定块放置在三轴焊接平台的运动范围内，且当跟踪仪处于焊接平台原点位置时，跟踪仪能拍摄获取到标定块的上表面图像。如图2所示三维标定块表面具有两个阶梯，高度差h已知。

步骤3：将焊接运动平台移动到标定块上方，打开激光器以较低的输出功率(既不会破坏标定块表面，又能在其上留下光斑，例如500瓦)发射激光，在标定块表面留下圆形光斑，此时需保持激光器聚焦，也就是当激光器从标定块的一个阶梯移动到另一个阶梯时，Z轴方向移动的距离值应与h相同；

步骤4：重复步骤3，在标定块每个阶梯表面至少加工一个光斑，两个表面总共至少加工3个光斑，并记录每个位置的三轴焊接平台的三维坐标值(x_li，y_li，z_li)；例如对于图2中的3个光斑加工过程中的三轴焊接平台的坐标分别为：(x_l1，y_l1，z_l1)、(x_l2，y_l2，z_l2)、(x_l3，y_l3，z₁₃)，z_l1＝z_l2，z_l3＝z_l1+h。

步骤5：运动平台击打完光斑以后，返回原点位置，使用跟踪仪获取标定块表面所有光斑的图像，并通过图像增强、边缘提取、椭圆拟合等计算跟踪仪坐标系下的光斑的几何中心坐标值，即光斑中心在跟踪仪图像坐标系下的二维坐标值。

其中图像增强包含图像平滑，以去除噪声增强光斑边缘；进行边缘提取时，首先使用Canny算子提取像素级边缘，然后使用伪Zernike矩的亚像素边缘检测算法进行亚像素边缘提取，从而获得高精度的圆斑图像中心坐标，该算法同样适用于步骤6中的标定板圆点中心识别。

步骤6：将如图所示的平面标定板放置于标定块表面，使用跟踪仪获取标定板图像数据(此时跟踪仪仍然在原点位置)，对标定板进行识别，获取跟踪仪坐标系下的各个标志点坐标，然后利用已知的跟踪仪内参计算标定板的平面方程。

步骤7：根据标定板平面方程、标定板厚度推算标定块两个阶梯上表面的平面方程，据此计算光斑在跟踪仪坐标系下的三维坐标值{P_ti}。

步骤8：根据光斑中心在跟踪仪坐标系下的三维坐标值{P_ti}以及对应的三轴焊接平台在每个光斑位置击打时的三维坐标值{P_li}，计算跟踪仪坐标系与三轴焊接平台坐标系之间的旋转R和平移矩阵T，完成外部参数的标定。光斑在焊接平台下的坐标值为{P_li}(i＝0，1，2，3...，n)，在跟踪仪坐标系下的坐标值为{P_ti}(i＝0，1，2，3...，n)，其中，i为光斑序列号，n为光斑总个数，其具体运算过程如下：

(1)首先计算点集{P_li}的几何重心

然后计算点集{P_ti}几何重心

(2)分别计算各点与几何中心的坐标差值Q_li＝P_li-P_lo，Q_ti＝P_ti-P_to；

(3)计算矩阵

(4)对矩阵M进行SVD分解M＝UΛV^T

(5)计算值X＝VU^T，若det(X)＝1，则R＝X；若det(X)＝-1，则R＝V′U^T，其中V′等于V第三列的符号取反。

(6)计算平移矩阵T＝P_lo-RP_to。

本发明设计了一种三维标定块以及标定方法，对激光焊接中的焊缝跟踪仪与三轴焊接平台进行外部参数标定，以获得跟踪仪坐标系与三轴平台坐标系之间的转换矩阵。该方法操作简单，标定精度可达0.08mm，可以实现对焊接平台三个自由度下的精确运动参数校正。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.激光焊接中焊缝跟踪仪与三轴焊接平台外部参数标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

控制激光器在焊接平台上移动使其在标定块上表面击打光斑，并记录光斑在焊接平台坐标系的三维位置坐标{P_li}；

利用焊缝跟踪仪采集光斑图像并处理、计算光斑中心的二维图像坐标位置；

利用焊缝跟踪仪拍摄标定板图像，通过识别标定板上标志点位置确定标定板平面在跟踪仪坐标系下的位置坐标；

根据标定板与标定块的位置关系进一步确定光斑中心在焊缝跟踪仪坐标系下的三维坐标{P_ti}；

根据光斑中心在焊缝跟踪仪坐标系下的坐标{P_ti}，以及对应的在三轴焊接平台坐标系下的三维坐标值{P_li}，计算跟踪仪坐标系与三轴焊接平台坐标系之间的旋转R和平移矩阵T，完成外部参数的标定。

2.根据权利要求1所述的激光焊接中焊缝跟踪仪与三轴焊接平台外部参数标定方法，其特征在于，所述该方法是基于标定系统实现的，该标定系统包括：焊接平台、激光器、焊缝跟踪仪、标定块、标定板；

所述焊接平台为三轴直线模组，所述焊缝跟踪仪、激光器分别固定安装在三轴直线模组的末端、且二者相对位置不变，调节激光器焦点与焊接平台坐标原点重合，焊接平台移动的坐标即为光斑在焊接平台下的坐标；

所述标定块有两个阶梯上表面，高度差为h，放置在焊接平台的运动范围内，且当焊接平台处于原点位置时焊缝跟踪仪能拍摄到标定块被击打的光斑图像；

所述标定板表面设有若干圆形标志点且相邻圆点中心等距，所述标志点用于确定标定板坐标轴的方向。

3.根据权利要求1所述的激光焊接中焊缝跟踪仪与三轴焊接平台外部参数标定方法，其特征在于，所述激光器在标定块上表面击打光斑的步骤包括：

控制焊缝跟踪仪、激光器在焊接平台上移动；当移动到标定块上方时，打开激光器发射激光，在标定块每个阶梯表面击打光斑，并且击打光斑过程中保持激光器聚焦。

4.根据权利要求3所述的激光焊接中焊缝跟踪仪与三轴焊接平台外部参数标定方法，其特征在于，所述标定块两个阶梯上表面共击打至少3个光斑。

5.根据权利要求3所述的激光焊接中焊缝跟踪仪与三轴焊接平台外部参数标定方法，其特征在于，所述击打光斑过程中保持激光器聚焦包括：通过控制激光器在焊接平台上升或降落h高度，使得激光器保持在待加工表面聚焦。

6.根据权利要求3所述的激光焊接中焊缝跟踪仪与三轴焊接平台外部参数标定方法，其特征在于，所述进行图像处理并计算光斑中心的二维坐标位置的步骤包括：

通过图像增强、边缘提取处理获取光斑轮廓；通过椭圆拟合计算光斑几何中心。

7.根据权利要求1所述的激光焊接中焊缝跟踪仪与三轴焊接平台外部参数标定方法，其特征在于，所述通过识别标定板上标志点位置确定标定板平面在跟踪仪坐标系下的位置坐标的步骤包括：

对采集的标定板图像进行图像增强、边缘提取处理获取标志点轮廓，通过椭圆拟合计算标志点中心位置，从而确定标定板平面在跟踪仪坐标系下的三维位置坐标。

8.根据权利要求6或7所述的激光焊接中焊缝跟踪仪与三轴焊接平台外部参数标定方法，其特征在于，所述图像增强、边缘提取处理的步骤包括：

所述图像增强为对获取的图像进行去噪，以减少噪声的影响；

所述边缘提取为：首先设置阈值参数进行像素级边缘提取，对所有边缘进行过滤去除非目标边缘像素；其次进行亚像素边缘提取，以获得边缘信息用于边缘图形拟合。

9.根据权利要求1所述的激光焊接中焊缝跟踪仪与三轴焊接平台外部参数标定方法，其特征在于，所述根据标定板与标定块的位置关系进一步确定标定块上光斑所在表面的三维坐标的步骤包括：

根据标定板厚度值以及其在焊缝跟踪仪坐标系下的位置坐标，计算标定块上光斑所在表面的平面方程，据此计算光斑中心在焊缝跟踪仪坐标系下的三维位置坐标。

10.根据权利要求1所述的激光焊接中焊缝跟踪仪与三轴焊接平台外部参数标定方法，其特征在于，所述外部参数是指从跟踪仪坐标系到焊接平台坐标系的变换矩阵，使用旋转矩阵R和平移矩阵T表示。

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