CN114559157A - 一种基于机器视觉的焊缝轨迹自主寻位装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于机器视觉的焊缝轨迹自主寻位装置、系统及方法，其中一种基于机器视觉的焊缝轨迹自主寻位装置包括伸缩机构和焊缝寻位器，所述焊缝寻位器与焊接机器人的激光焊接头通过所述伸缩机构连接。本发明的所述焊缝寻位器通过所述伸缩机构相对于所述激光焊接头的坐标系，可在Z轴方向移动；同时所述焊缝寻位器内的测距传感器相对于所述激光焊接头的坐标系，可在X轴和Y轴方向移动，使所述测距传感器可以扫描采集所述激光焊接头的三维轮廓数据，解决了测距传感器扫描激光束在T形接头焊缝周围多重反射形成盲区问题，具备焊缝轨迹测量及焊缝轨迹的起止点位置测量功能。

Description

一种基于机器视觉的焊缝轨迹自主寻位装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及自动化焊接领域，特别是涉及一种基于机器视觉的焊缝轨迹自主寻位装置、系统及方法。

背景技术

现代航空航天、轨道交通、船舶等广泛采用带筋壁板制造技术，带筋壁板结构整体化制造的最佳手段是采用焊接制造，带筋壁板通常为T型接头结构，T型接头结构的激光焊接质量和效率直接影响了这些行业的发展速度和激光焊接应用推广。特别是针对航空钛合金带筋壁板激光焊接难度最大，激光焊接因光斑直径小，激光焊接速度高，可达7米/分钟以上，为提高加工效率，改善工艺性，并且减少由于路径误差、热变形、安装误差等引起的各种焊接误差，提高焊接精度，则要求对焊缝轨迹精确度及焊缝轨迹起止点的位置精确度要求小于0.1mm，否则会造成焊漏、损伤蒙皮等焊接缺陷。

公告号为CN103317213B的发明提出了一种在机器人末端安装测距传感器，通过机器人沿寻位方向运行，按照固定时间读取测距传感器，在相邻2次检测差值达到一定阈值时使机器人停止运行并记录该特征点坐标，实现非接触式的薄板搭接焊缝寻位方法。该方法的主要问题是机器人运行轨迹精度差、从启动到停止运行速度不均匀，按固定时间采集坐标精度低，且无法解决测距传感器扫描激光束在T形接头焊缝周围多重反射形成盲区问题，只适用于搭接焊缝，不具备焊缝轨迹的起止点位置测量功能。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于机器视觉的焊缝轨迹自主寻位装置、系统及方法。

第一方面，本发明的实施例提出一种基于机器视觉的焊缝轨迹自主寻位装置，包括伸缩机构和焊缝寻位器，所述焊缝寻位器与焊接机器人的激光焊接头通过所述伸缩机构连接；所述焊缝寻位器通过所述伸缩机构相对于所述激光焊接头的坐标系，可在Z轴方向移动；所述焊缝寻位器内的测距传感器相对于所述激光焊接头的坐标系，可在X轴和Y轴方向移动。

进一步地，所述伸缩机构包括Z轴直线模组，所述Z轴直线模组包括Z轴模组底座、Z轴模组滑板座以及Z轴驱动电机，所述Z轴模组底座安装于所述激光焊接头一侧，所述Z轴模组滑板座活动连接所述Z轴模组底座，并通过设置在所述Z轴模组底座一端的所述Z轴驱动电机驱动，所述焊缝寻位器安装于所述Z轴模组滑板座上。

进一步地，所述伸缩机构还包括Z轴限位传感器，所述Z轴限位传感器设置在所述Z轴模组底座上。

进一步地，所述焊缝寻位器包括测距传感器、X轴直线模组和Y轴直线模组；所述测距传感器与所述Y轴直线模组连接，所述测距传感器通过所述Y轴直线模组相对于所述激光焊接头的坐标系，可在Y轴方向移动；所述Y轴直线模组与所述X轴直线模组连接，所述Y轴直线模组通过所述X轴直线模组相对于所述激光焊接头的坐标系，可在X轴方向移动。

进一步地，所述X轴直线模组包括X轴模组底座、X轴模组滑板座以及X轴驱动电机，所述X轴模组底座安装于所述伸缩机构上，所述X轴模组滑板座活动连接所述X轴模组底座，并通过设置在所述X轴模组底座一端的所述X轴驱动电机驱动。

进一步地，所述Y轴直线模组包括Y轴模组底座、Y轴模组滑板座以及Y轴驱动电机，所述Y轴模组底座安装于所述X轴模组滑板座上，所述Y轴模组滑板座活动连接所述Y轴模组底座，并通过设置在所述Y轴模组底座一端的所述Y轴驱动电机驱动，所述测距传感器安装于所述Y轴模组滑板座上。

进一步地，所述焊缝寻位器还包括X轴限位传感器和Y轴限位传感器；所述X轴限位传感器设置在所述X轴模组底座上；所述Y轴限位传感器设置在所述Y轴模组底座上。

第二方面，提供了一种基于机器视觉的焊缝轨迹自主寻位系统，包括焊接机器人、机器人控制器、伺服控制器以及计算机，所述焊接机器人的激光焊接头上设置有所述的一种基于机器视觉的焊缝轨迹自主寻位装置，所述计算机分别连接所述机器人控制器、伺服控制器以及焊缝轨迹自主寻位装置的测距传感器，所述机器人控制器连接所述焊接机器人，所述伺服控制器连接所述焊缝轨迹自主寻位装置的Z轴驱动电机、X轴驱动电机以及Y轴驱动电机。

进一步地，还包括一组所述焊接机器人，并与第一组所述焊接机器人对称设置。

第三方面，提供了一种基于机器视觉的焊缝轨迹自主寻位方法，包括步骤：

系统标定；

编写机器人定位焊缝截面轮廓扫描程序；

T形接头焊缝截面轮廓图像生成；

T形接头焊缝截面轮廓图像预处理；

采用霍夫变换算法获得图像直线集合；

T形接头焊缝截面轮廓直线精确拟合；

编写加强筋边缘轮廓扫描程序；

T形接头加强筋边缘轮廓图像生成；

采用高斯拉普拉斯边缘检测算子确定焊缝轨迹起始点位置；

焊缝轨迹生成。

综上，本发明的所述焊缝寻位器通过所述伸缩机构相对于所述激光焊接头的坐标系，可在Z轴方向移动；同时所述焊缝寻位器内的测距传感器相对于所述激光焊接头的坐标系，可在X轴和Y轴方向移动，使所述测距传感器可以扫描采集所述激光焊接头的三维轮廓数据，解决了测距传感器扫描激光束在T形接头焊缝周围多重反射形成盲区问题，具备焊缝轨迹测量及焊缝轨迹的起止点位置测量功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种基于机器视觉的焊缝轨迹自主寻位装置的结构示意图；

图2是一种基于机器视觉的焊缝轨迹自主寻位装置的剖视示意图；

图3是图1的焊缝寻位器（不包括防护罩）的结构示意图；

图4是图1的焊缝寻位器的正向剖视的结构示意图；

图5是图1的焊缝寻位器的侧向剖视的结构示意图；

图6是一种基于机器视觉的焊缝轨迹自主寻位系统的结构示意图；

图7是一种基于机器视觉的焊缝轨迹自主寻位方法的流程示意图；

图8是T形接头的焊缝截面轮廓图像示意图；

图9是T形接头的加强筋边缘轮廓图像示意图；

图中：1、焊缝轨迹自主寻位装置；2、焊接机器人；3、机器人控制器；4、伺服控制器；5、计算机；6、激光焊接头；10、伸缩机构；11、焊缝寻位器；100、Z轴模组底座；101、Z轴模组滑板座；102、Z轴驱动电机；103、Z轴限位传感器；110、测距传感器；111、X轴模组底座；112、X轴模组滑板座；113、X轴驱动电机；114、Y轴模组底座；115、Y轴模组滑板座；116、Y轴驱动电机；117、X轴限位传感器；118、Y轴限位传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

请参阅图1，本发明的实施例提出一种基于机器视觉的焊缝轨迹自主寻位装置，包括伸缩机构10和焊缝寻位器11，所述焊缝寻位器11与焊接机器人2的激光焊接头6通过所述伸缩机构10连接，所述焊接机器人2的激光焊接头6包括激光器和送丝机，沿所述焊接机器人2的轨迹运行方向，设置顺序依次为所述焊缝寻位器11在前，所述送丝机在中间，所述激光器在后，通过所述焊缝寻位器11对待焊工件焊缝沿固定轨迹扫描，所述送丝机将焊丝供给到所述激光器形成的能量光束上进行熔融焊接，以满足高精度焊接要求。

其中，所述焊缝寻位器11通过所述伸缩机构10相对于所述激光焊接头6的坐标系，可在Z轴方向移动；所述焊缝寻位器11内的测距传感器110相对于所述激光焊接头6的坐标系，可在X轴和Y轴方向移动。从上述实施例可知，该技术方案的目的主要是使所述测距传感器110可以相对于所述激光焊接头6的坐标系改变位置，因此不限于本实施例提供的包括所述伸缩机构10和焊缝寻位器11，只要能使所述测距传感器110可以相对于所述激光焊接头6的坐标系改变位置的技术方案均应纳入本申请的保护范围。通过所述测距传感器110可以相对于所述激光焊接头6的坐标系改变位置，使所述测距传感器110可以扫描采集所述激光焊接头6的三维轮廓数据，解决了测距传感器110扫描激光束在T形接头焊缝周围多重反射形成盲区问题，具备焊缝轨迹测量及焊缝轨迹的起止点位置测量功能。

请参阅图2，作为一种优选实施方式，所述伸缩机构10包括Z轴直线模组，其中直线模组为现有的伸缩机构10形式，但不限于直线模组的形式，还可以是液压伸缩杆、气动伸缩杆等的形式，直线模组有几种叫法，例如线性模组、直角坐标机器人、直线滑台等，是继直线导轨、直线运动模组、滚珠丝杆直线传动机构的自动化升级单元。可以通过各个单元的组合实现负载的直线、曲线运动，使轻负载的自动化更加灵活、定位更加精准。

其中，所述Z轴直线模组包括Z轴模组底座100、Z轴模组滑板座101以及Z轴驱动电机102，所述Z轴模组底座100安装于所述激光焊接头6一侧，所述Z轴模组滑板座101活动连接所述Z轴模组底座100，并通过设置在所述Z轴模组底座100一端的所述Z轴驱动电机102驱动，所述焊缝寻位器11安装于所述Z轴模组滑板座101上，具体驱动形式可以是，所述Z轴驱动电机102的转轴与丝杠通过联轴器连接，所述丝杠螺纹连接所述Z轴模组滑板，当所述Z轴驱动电机102正/反转动时，带动所述丝杠转动，从而使所述Z轴模组滑板做直线运动往复运动，实现所述焊缝寻位器11在Z轴方向的往复运动。

请参阅图1，作为一种优选实施方式，所述伸缩机构10还包括Z轴限位传感器103，所述Z轴限位传感器103设置在所述Z轴模组底座100上，用于检测所述焊缝寻位器11的Z轴坐标变化，具体的可以是，由多个光电感应器件依次沿所述Z轴模组底座100的边缘设置，然后将遮挡件设置在所述Z轴模组滑板座101上，当所述Z轴模组滑板座101移动时，带动所述遮挡件遮挡设置在不同位置的光电感应器件，来实现位置的限定，起到保护作用，在Z轴运行超出安全极限位置时报警并停止Z轴运行。所述Z轴限位传感器103的具体形式可以不限于上述方式，机械式的限位传感器等也应纳入本申请的保护范围。

请参阅图3~图5，作为一种优选实施方式，所述焊缝寻位器11包括测距传感器110、X轴直线模组和Y轴直线模组；所述测距传感器110与所述Y轴直线模组连接，所述测距传感器110通过所述Y轴直线模组相对于所述激光焊接头6的坐标系，可在Y轴方向移动；所述Y轴直线模组与所述X轴直线模组连接，所述Y轴直线模组通过所述X轴直线模组相对于所述激光焊接头6的坐标系，可在X轴方向移动，在所述测距传感器110、X轴直线模组和Y轴直线模组外可以设置防护罩进行保护，在所述测距传感器110位置可以安装高纯石英材质的观察窗，供所述测距传感器110的光线通过。特别说明的是所述X轴直线模组和Y轴直线模组使所述测距传感器110分别可以在X轴方向和Y轴方向运动，即所述X轴直线模组和Y轴直线模组的安装方向在空间上是相互垂直的，而所述X轴直线模组和Y轴直线模组的位置可以互换。其中直线模组为现有的伸缩机构10形式，但不限于直线模组的形式，还可以是液压伸缩杆、气动伸缩杆等的形式，直线模组有几种叫法，例如线性模组、直角坐标机器人、直线滑台等，是继直线导轨、直线运动模组、滚珠丝杆直线传动机构的自动化升级单元。可以通过各个单元的组合实现负载的直线、曲线运动，使轻负载的自动化更加灵活、定位更加精准。

请参阅图3~图5，作为一种优选实施方式，所述X轴直线模组包括X轴模组底座111、X轴模组滑板座112以及X轴驱动电机113，所述X轴模组底座111可以通过法兰安装于所述伸缩机构10上，具体的为所述伸缩机构10的所述Z轴模组滑板座101上，所述X轴模组滑板座112活动连接所述X轴模组底座111，并通过设置在所述X轴模组底座111一端的所述X轴驱动电机113驱动，具体驱动形式可以是，所述X轴驱动电机113的转轴与丝杠通过带传动方式连接，还可以加入张紧轮，调节传送带松紧，带传动包括皮带传动和同步带传动等，在此不做限定，所述丝杠螺纹连接所述X轴模组滑板，当所述X轴驱动电机113正/反转动时，带动所述丝杠转动，从而使所述X轴模组滑板做直线运动往复运动。

请参阅图3~图5，作为一种优选实施方式，所述Y轴直线模组包括Y轴模组底座114、Y轴模组滑板座115以及Y轴驱动电机116，所述Y轴模组底座114安装于所述X轴模组滑板座112上，所述Y轴模组滑板座115活动连接所述Y轴模组底座114，并通过设置在所述Y轴模组底座114一端的所述Y轴驱动电机116驱动，所述测距传感器110安装于所述Y轴模组滑板座115上，具体驱动形式可以是，所述Y轴驱动电机116的转轴与丝杠通过带传动方式连接，还可以加入张紧轮，调节传送带松紧，带传动包括皮带传动和同步带传动等，在此不做限定，所述丝杠螺纹连接所述Y轴模组滑板，当所述Y轴驱动电机116正/反转动时，带动所述丝杠转动，从而使所述Y轴模组滑板做直线运动往复运动，实现所述测距传感器110在Y轴方向做直线运动往复运动。

请参阅图3~图5，作为一种优选实施方式，所述焊缝寻位器11还包括X轴限位传感器117和Y轴限位传感器118；所述X轴限位传感器117设置在所述X轴模组底座111上，用于检测所述测距传感器110的X轴坐标变化，具体的可以是，由多个光电感应器件依次沿所述X轴模组底座111的边缘设置，然后将遮挡件设置在所述X轴模组滑板座112上，当所述X轴模组滑板座112移动时，带动所述遮挡件遮挡设置在不同位置的光电感应器件，来实现位置的限定，起到保护作用，在X轴运行超出安全极限位置时报警并停止X轴运行。所述X轴限位传感器117的具体形式可以不限于上述方式，机械式的限位传感器等也应纳入本申请的保护范围；所述Y轴限位传感器118设置在所述Y轴模组底座114上，用于检测所述测距传感器110的Y轴坐标变化，具体的可以是，由多个光电感应器件依次沿所述Y轴模组底座114的边缘设置，然后将遮挡件设置在所述Y轴模组滑板座115上，当所述Y轴模组滑板座115移动时，带动所述遮挡件遮挡设置在不同位置的光电感应器件，来实现位置的限定，起到保护作用，在Y轴运行超出安全极限位置时报警并停止Y轴运行。所述Y轴限位传感器118的具体形式可以不限于上述方式，机械式的限位传感器等也应纳入本申请的保护范围。

请参阅图6，第二方面，提供了一种基于机器视觉的焊缝轨迹自主寻位系统，包括焊接机器人2、机器人控制器3、伺服控制器4以及计算机5，所述焊接机器人2的激光焊接头6上设置有所述的一种基于机器视觉的焊缝轨迹自主寻位装置1。所述计算机5分别连接所述机器人控制器3、伺服控制器4以及焊缝轨迹自主寻位装置1的测距传感器110，所述机器人控制器3连接所述焊接机器人2，所述伺服控制器4连接所述焊缝轨迹自主寻位装置1的Z轴驱动电机102、X轴驱动电机113以及Y轴驱动电机116，其中Z轴驱动电机102、X轴驱动电机113以及Y轴驱动电机116均采用伺服电机，伺服电机配备有编码器，可以用于检查Z轴驱动电机102、X轴驱动电机113以及Y轴驱动电机116所驱动的所述测距传感器110的坐标变化情况。所述计算机5对所述机器人控制器3和所述伺服控制器4发出指令，分别控制所述焊接机器人2动作和所述焊缝轨迹自主寻位装置1的Z轴驱动电机102、X轴驱动电机113以及Y轴驱动电机116动作，所述焊缝轨迹自主寻位装置1的测距传感器110对待焊工件焊缝沿固定轨迹扫描，并将信息输送给所述计算机5进行运算处理。

请参阅图6，作为一种优选实施方式，还包括一组所述焊接机器人2，并与第一组所述焊接机器人2对称设置，该组焊接机器人2也包括了上述焊接机器人2的全部特征，并且可以共用一台所述计算机5发出指令，两所述焊接机器人2对T型接头结构的焊件进行同步焊接，确保了焊接质量。

请参阅图7，第三方面，提供了一种基于机器视觉的焊缝轨迹自主寻位方法，包括步骤：

系统标定：对焊接机器人2DH参数进行标定确定机器人基坐标系，对焊接机器人2末端的测距传感器110TCP进行标定，确定测距传感器110坐标系，从而得到焊接机器人2基坐标系与焊接机器人2末端测距传感器110坐标系的旋转转换矩阵

和平移转换矩阵

,测距传感器110TCP坐标

在机器人基坐标系中的坐标

可根据公式计算得到：

=

。

编写机器人定位焊缝截面轮廓扫描程序：在待焊工件T形接头焊缝轨迹上按一定距离逐点设置N个测量点(

，

，……

)（请参阅图6），根据扫描程序由焊接机器人2夹持测距传感器110依次在待焊工件扫描测量点的法向与T形接头焊缝两边约45度位置定位，然后测距传感器110中的Z轴驱动电机102驱动测距传感器110伸出到测量位，使T形接头焊缝截面轮廓处于测距传感器110的测量范围内，测量完毕Z轴退回常驻位，避免测距传感器110在焊接时与工装夹具及工件干涉，X轴驱动电机113驱动测距传感器110沿T形接头焊缝截面轮廓进行扫描，计算机5采集X轴驱动电机113编码器脉冲信号，由脉冲上升沿触发测距传感器110采集测量距离数据，得到待焊工件扫描测量点处多个离散点组成T形接头焊缝截面轮廓的点云数据。

T形接头焊缝截面轮廓图像生成：计算机5根据测距传感器110机械传动比将伺服电机编码器脉冲序列转换为X轴坐标，将与之对应的T形接头焊缝截面轮廓的点云数据序列作为Z轴，生成笛卡尔坐标系下二值化T形接头焊缝截面轮廓（请参阅图8），线段ab为T形接头焊缝加强筋侧轮廓，线段gh为加强筋固定工装轮廓，线段cd为T形接头焊缝蒙皮侧轮廓，曲线df为蒙皮曲面轮廓。由于蒙皮表面光亮，T形接头构成了直角镜面光学结构，测距传感器110扫描激光束在T形接头焊缝周围多重反射形成不规则干扰曲线bc，T形焊缝实际中心位置m点无法在图像上直接获得。

T形接头焊缝截面轮廓图像预处理：由于工装夹具、蒙皮化铣槽、焊前去氧化层打磨不规则纹路等的干扰，导致测距传感器110有大量无效数据，需要先预处理，否则会严重影响图像质量，甚至会淹没图像中的特征，因此，必须首先对图像进行预处理，采用结合门限法的动态自适应平滑滤波法，滤除噪音的同时很好地保留图像中的细节特征，数学表达式如下：

（其中

原始图像，

为预处理后的图像，

为门限阈值,N为邻域点数）。

采用霍夫变换算法获得图像直线集合：将笛卡尔坐标系中的直线方程：

变换为极坐标系下的形式：

直线上不同的点在参数空间被变换为一族相交的正弦曲线，对图像所有的点作霍夫变换，可以预先设定阈值来定义直线上有多少的点才能认为检测到的是一条直线，统计变换后交于同一点的曲线数量，如果超过了设定的阈值

，则可以认为该交点所表示的极坐标参数对

在笛卡尔坐标系中为一条直线，将极坐标系中的直线方程改为笛卡尔坐标系中的直线方程：

最终所有要检测的直线集合L(n)对应的是参数空间中曲线相交达到设定阈值的那n个点，根据T形接头焊缝两边的夹角在75度至105度之间的几何特征，删除干扰直线hg、ga，找到T形接头焊缝两侧的直线ab、cd。霍夫变换直线检测的优点是抗干扰能力强，对图像中直线的残缺部分、噪声以及其它共存的非直线结构不敏感，能容忍特征边界描述中的间隙，并且相对不受图像噪声的影响；霍夫变换算法的原理导致其时间复杂度和空间复杂度都很高，霍夫变换检测过程中进行了离散化，因此检测精度受参数离散间隔制约，并且在检测过程中只能确定直线方向，丢失了线段的长度信息，所以采用霍夫变换只能先初步检测T形接头焊缝截面轮廓直线的近似值。

T形接头焊缝截面轮廓直线精确拟合：采用最小二乘法线性回归算法拟合线段，最小二乘法的原理是根据已知数据点拟合函数（直线拟合时为直线），使得所有点到这条直线的距离的平方和最小。最小二乘法的缺点是对噪声较敏感，一些噪声，例如测距传感器110扫描激光束在T形接头焊缝周围多重反射形成不规则干扰、蒙皮曲面轮廓、蒙皮化铣槽等，会使拟合出的直线偏离真实T形接头轮廓，因此，需要根据霍夫变换初步检测的T形接头焊缝截面轮廓直线，进一步确定T形接头轮廓有效线段范围，排除噪声干扰的影响，再采用最小二乘法来拟合线段，更精确地检测焊缝。

根据霍夫变换初步找到T形接头焊缝两侧近似直线方程，数学表达式如下：

（其中

）

寻找有效线段端点

、

、

、

，各端点对应的数据点序号分别为

、

、

、

,数学表达式如下：

（其中

为判断有效线段端点门限阈值）。

采用最小二乘法拟合两条有效线段ab及cd的直线方程，数学表达式如下：

根据最小二乘法的原理，得到以下方程组：

根据极值原理：

由上述方程组得到以下方程组：

解上述联立方程组得：

并计算出各测量点

的焊缝中心在测距传感器110坐标系中的坐标

:

(其中n＝1 ,2 ,…,n，表示插补点的序号)。

编写加强筋边缘轮廓扫描程序：在完成焊缝轨迹起始测量点焊缝截面轮廓扫描后，焊接机器人2及Z轴均静止不动,X轴驱动电机113驱动测距传感器110定位到T型接头焊缝上方1.5mm的加强筋边缘位置，Y轴驱动电机116驱动测距传感器110沿T形接头焊缝加强筋边缘轮廓进行扫描，Y轴扫描轨迹与T形接头焊缝轨迹平行，计算机5采集Y轴驱动电机116编码器脉冲信号，由脉冲上升沿触发测距传感器110采集测量距离数据，得到待焊工件起始测量点A点处多个离散点组成T形接头加强筋边缘轮廓的点云数据。

T形接头加强筋边缘轮廓图像生成：计算机5根据测距传感器110机械传动比将伺服电机编码器脉冲序列转换为Y轴坐标，将与之对应的T形接头加强筋边缘轮廓的点云数据序列作为Z轴，生成笛卡尔坐标系下二值化加强筋边缘轮廓（请参阅图9），线段ab为T形接头加强筋侧轮廓，线段cd为T形接头蒙皮侧轮廓,线段bc为加强筋的边缘，b点是焊缝轨迹的起始点位置。

采用高斯拉普拉斯边缘检测算子确定焊缝轨迹起始点位置：加强筋边缘属于阶跃性边缘,由于噪声点对边缘检测有一定影响，采用高斯拉普拉斯边缘提取算子计算图像梯度，把高斯平滑滤波器和拉普拉斯锐化滤波器结合起来，先平滑掉噪音，再进行边缘检测，因为Y轴扫描轨迹与T形接头焊缝轨迹平行，所以只计算Z向梯度，高斯拉普拉斯算子采用1×5模板

进行卷积运算，Z向梯度幅值如下：

边缘位置满足：

（其中

为边缘门限阈值）。

根据设定的阈值

确定加强筋边缘位置线段bc，从而确定焊缝轨迹起始点位置A的Y向坐标；采用同样的方法确定焊缝轨迹终止点B的Y向坐标。因为Y轴扫描轨迹与T形接头焊缝轨迹平行，焊缝轨迹各测量点

在测距传感器110坐标系中的Y向坐标偏移量相同，所以可以根据焊缝轨迹起始点位置A和终止点位置B计算出各测量点

的焊缝中心在测距传感器110坐标系中的Y向坐标

。

焊缝轨迹生成：通过前述系统标定获得的转换矩阵，将检测的焊缝中心

在测距传感器110坐标系中的坐标

转换为机器人基坐标系下的坐标

，通过插补生成焊缝轨迹起止点之间的机器人焊缝轨迹，满足以下方程：

=

(其中n＝1 ,2 ,…,n，表示插补点的序号)。

特征识别算法鲁棒性强，能够滤除复杂结构工件及工装的三维图像干扰，并解决了测距传感器110扫描激光束在T形接头焊缝周围多重反射形成盲区问题，提高了自主生成焊缝轨迹精准度及稳定性，实现免人工示教，提高生产效率50%以上，并提高了零件焊接的质量稳定性。

T形焊缝截面轮廓图像精度高，测量软件采用伺服电机编码器脉冲上升沿触发测距传感器110采集测量距离数据，不会因为机器人或伺服电机运行速度不稳定造成图像畸变。

系统集成度及可靠性高，一套测量装置就可以测量T形接头焊缝中心点位置及焊缝轨迹的起止点位置，产品适用范围广，系统采用高精度微小型伺服运动装置，结构设计紧凑，增强了测量装置的运动可达性，能够适应复杂形状和尺寸的工件及工装，焊缝轨迹的起止点测量不需机器人二次定位，避免了机器人重复定位误差累积，提高了焊缝轨迹测量精度及可靠性。

全程无需工人在机器人工作空间内进行操作，避免人机混合作业，为安全生产提供有力保障。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种基于机器视觉的焊缝轨迹自主寻位装置，其特征在于：包括伸缩机构和焊缝寻位器，所述焊缝寻位器与焊接机器人的激光焊接头通过所述伸缩机构连接；

所述焊缝寻位器通过所述伸缩机构相对于所述激光焊接头的坐标系，可在Z轴方向移动；

所述焊缝寻位器内的测距传感器相对于所述激光焊接头的坐标系，可在X轴和Y轴方向移动。

2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的焊缝轨迹自主寻位装置，其特征在于：所述伸缩机构包括Z轴直线模组，所述Z轴直线模组包括Z轴模组底座、Z轴模组滑板座以及Z轴驱动电机，所述Z轴模组底座安装于所述激光焊接头一侧，所述Z轴模组滑板座活动连接所述Z轴模组底座，并通过设置在所述Z轴模组底座一端的所述Z轴驱动电机驱动，所述焊缝寻位器安装于所述Z轴模组滑板座上。

3.根据权利要求2所述的一种基于机器视觉的焊缝轨迹自主寻位装置，其特征在于：所述伸缩机构还包括Z轴限位传感器，所述Z轴限位传感器设置在所述Z轴模组底座上。

4.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的焊缝轨迹自主寻位装置，其特征在于：所述焊缝寻位器包括测距传感器、X轴直线模组和Y轴直线模组；

所述测距传感器与所述Y轴直线模组连接，所述测距传感器通过所述Y轴直线模组相对于所述激光焊接头的坐标系，可在Y轴方向移动；

所述Y轴直线模组与所述X轴直线模组连接，所述Y轴直线模组通过所述X轴直线模组相对于所述激光焊接头的坐标系，可在X轴方向移动。

5.根据权利要求4所述的一种基于机器视觉的焊缝轨迹自主寻位装置，其特征在于：所述X轴直线模组包括X轴模组底座、X轴模组滑板座以及X轴驱动电机，所述X轴模组底座安装于所述伸缩机构上，所述X轴模组滑板座活动连接所述X轴模组底座，并通过设置在所述X轴模组底座一端的所述X轴驱动电机驱动。

6.根据权利要求5所述的一种基于机器视觉的焊缝轨迹自主寻位装置，其特征在于：所述Y轴直线模组包括Y轴模组底座、Y轴模组滑板座以及Y轴驱动电机，所述Y轴模组底座安装于所述X轴模组滑板座上，所述Y轴模组滑板座活动连接所述Y轴模组底座，并通过设置在所述Y轴模组底座一端的所述Y轴驱动电机驱动，所述测距传感器安装于所述Y轴模组滑板座上。

7.根据权利要求6所述的一种基于机器视觉的焊缝轨迹自主寻位装置，其特征在于：所述焊缝寻位器还包括X轴限位传感器和Y轴限位传感器；

所述X轴限位传感器设置在所述X轴模组底座上；

所述Y轴限位传感器设置在所述Y轴模组底座上。

8.一种基于机器视觉的焊缝轨迹自主寻位系统，其特征在于：包括焊接机器人、机器人控制器、伺服控制器以及计算机，所述焊接机器人的激光焊接头上设置有权利要求1~7任一项所述的一种基于机器视觉的焊缝轨迹自主寻位装置，所述计算机分别连接所述机器人控制器、伺服控制器以及焊缝轨迹自主寻位装置的测距传感器，所述机器人控制器连接所述焊接机器人，所述伺服控制器连接所述焊缝轨迹自主寻位装置的Z轴驱动电机、X轴驱动电机以及Y轴驱动电机。

9.根据权利要求8所述的一种基于机器视觉的焊缝轨迹自主寻位系统，其特征在于：还包括一组所述焊接机器人，并与第一组所述焊接机器人对称设置。

10.一种基于机器视觉的焊缝轨迹自主寻位方法，其特征在于：包括步骤：

系统标定；

编写机器人定位焊缝截面轮廓扫描程序；

T形接头焊缝截面轮廓图像生成；

T形接头焊缝截面轮廓图像预处理；

采用霍夫变换算法获得图像直线集合；

T形接头焊缝截面轮廓直线精确拟合；

编写加强筋边缘轮廓扫描程序；

T形接头加强筋边缘轮廓图像生成；

采用高斯拉普拉斯边缘检测算子确定焊缝轨迹起始点位置；

焊缝轨迹生成。

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