CN114734439B - 平面对接工件焊接轨迹寻位方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及平面对接工件焊接轨迹寻位方法和系统，包括以下步骤：获取待焊接工件所在平面的图像点云信息为初始点云，经预处理后，根据近邻点数将初始点云划分为平面点云和非平面点云；非平面点云经密度阈值过滤得到待焊接工件的边缘点点云，直线拟合边缘点点云得到两组基底；平面点云经聚类得到待焊接工件的平面点云；以待焊接工件的边缘点点云为基底进行基变换，在待焊接工件平面点云中得到工件左右两侧的焊缝边缘点；分别拟合两侧的焊缝边缘点，根据得到的两条拟合曲线获得中间线方程，即为焊缝的拟合方程，经插值处理得到焊接轨迹。利用焊接场景的点云图像，经处理后提取焊缝轨迹，实现对平面对接工件焊缝的寻位，提高了焊接效率。

Description

平面对接工件焊接轨迹寻位方法和系统

技术领域

本发明涉及焊接定位技术领域，具体为平面对接工件焊接轨迹寻位方法和系统。

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。

平面对接工件是指待焊接工件位于平面上，焊缝为对接焊缝的工件，是焊接领域中经常使用的焊接方式，在建筑板材、桥梁、集装箱板、车厢板、大型机械等领域都有应用。在人工焊接的过程中，由于工人的技术等因素，容易导致最终焊接质量难以把控，随着人工成本的增加，生产效率不足难以满足需求。

为了能够解决人工焊接的缺点，机器人自动化焊接被引入。目前常用的自动化焊接方法中，会使用高精度的夹具将工件夹持定位，再通过对机器人进行人工示教以及路径规划。此种方法要求夹具的精度较高，同时平面焊缝的类型也较多，例如直线型、S型、带坡口以及不带坡口等多种类型，则需要根据不同的平面对接焊缝类型进行人工示教，对生产效率的提升作用有限。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供平面对接工件焊接轨迹寻位方法和系统，使用三维相机对焊接场景进行拍摄得到点云图像，经处理后从图像中提取焊缝点云经拟合后得到焊缝轨迹，实现对平面对接工件焊缝的寻位，降低了传统自动化焊接中对高精度夹具的要求，免除了繁琐的人工示教，提高焊接效率。

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平面对接工件焊接轨迹寻位方法和系统，包括以下步骤：

获取待焊接工件所在平面的图像点云信息为初始点云，经预处理后，根据近邻点数将初始点云划分为平面点云和非平面点云；

非平面点云经密度阈值过滤得到待焊接工件的边缘点点云，直线拟合边缘点点云得到两组基底；平面点云经聚类得到待焊接工件的平面点云；

以待焊接工件的边缘点点云为基底进行基变换，在待焊接工件平面点云中得到工件左右两侧的焊缝边缘点；

分别拟合两侧的焊缝边缘点，根据得到的两条拟合曲线获得中间线方程，即为焊缝的拟合方程，经插值处理得到焊接轨迹。

预处理包括，依次以初始点云中的每一个点为圆心，以设定半径进行近邻搜索，得到近邻点数。

根据近邻点数将初始点云划分为平面点云和非平面点云，包括，近邻搜索得到的点数等于点密度与近邻圆面积的乘积，则为平面点云。

根据近邻点数将初始点云划分为平面点云和非平面点云，还包括，近邻搜索得到的点数小于点密度和近邻圆的面积的乘积，则为非平面点云。

非平面点云经密度阈值过滤得到待焊接工件的边缘点点云，包括，通过设定的密度阈值遍历非平面点云，去除点云的边缘点，得到待焊接工件的边缘点点云。

平面点云经聚类得到待焊接工件的平面点云，包括，平面点云通过聚类得到三个聚类平面，根据背景平面的包围盒在水平面上的投影面积，去除平面点云中的背景平面，得到焊接工件的平面点云。

工件左右两侧的焊缝边缘点分别位于焊缝的两侧，形状与焊缝一致，并且相对于焊缝点左右对称。

本发明的第二个方面提供实现上述方法的系统，包括：

预处理模块，被配置为：获取待焊接工件所在平面的图像点云信息为初始点云，经预处理后根据近邻点数将初始点云划分为平面点云和非平面点云；

点云数据处理模块，被配置为：非平面点云经密度阈值过滤得到待焊接工件的边缘点点云，直线拟合边缘点点云得到两组基底；平面点云经聚类得到待焊接工件的平面点云；

坐标变换模块，被配置为：以待焊接工件的边缘点点云为基底进行基变换，在待焊接工件平面点云中得到工件左右两侧的焊缝边缘点；

轨迹拟合模块，被配置为：分别拟合两侧的焊缝边缘点，根据得到的两条拟合曲线获得中间线方程，即为焊缝的拟合方程，经插值处理得到焊接轨迹。

本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的平面对接工件焊接轨迹寻位方法和系统中的步骤。

本发明的第四个方面提供一种计算机设备。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的平面对接工件焊接轨迹寻位方法和系统中的步骤。

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：

利用焊接场景的点云图像，经处理后从图像中提取焊缝点云经拟合后得到焊缝轨迹，实现对平面对接工件焊接轨迹的寻位，降低了传统自动化焊接中对高精度夹具的要求，免除了繁琐的人工示教，能够应对不同类型的平面对接焊缝，提高焊接效率。

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焊缝寻位过程中图像采集示意图；

图2是本发明一个或多个实施例提供的焊缝寻位过程中对工件点云基变换后进行焊缝边缘点定位的示意图；

图3是本发明一个或多个实施例提供的焊缝寻位流程图。

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。

平面对接焊接是将两组处于同一平面的工件侧部以焊接的方式实现连接的过程，形成的焊缝左右两面分别是两工件对接侧的侧面，受限于工件的不同形状，平面对接焊缝的类型较多，例如直线型、S型、带坡口以及不带坡口等多种类型，现有技术中需要根据不同的平面对接焊缝类型进行人工示教从而得到自动焊接的焊缝轨迹，对生产效率的提升作用有限。

因此，以下实施例给出了平面对接工件焊接轨迹寻位方法和系统，使用三维相机对焊接场景进行拍摄得到点云图像，经处理后从图像中提取焊缝点云经拟合后得到焊缝轨迹，实现对平面对接工件焊缝的寻位，降低了传统自动化焊接中对高精度夹具的要求，免除了繁琐的人工示教，提高焊接效率。

实施例一：

如图1-3所示，平面对接工件焊接轨迹寻位方法和系统，包括以下步骤：

获取待焊接工件所在平面的图像点云信息为初始点云，经处理后根据近邻点数将初始点云划分为平面点云和非平面点云；

非平面点云经密度阈值过滤得到待焊接工件的边缘点点云，直线拟合边缘点点云得到两组基底；平面点云经聚类得到待焊接工件的平面点云；

以待焊接工件的边缘点点云为基底进行基变换，在待焊接工件平面点云中得到工件左右两侧的焊缝边缘点；

分别拟合两侧的焊缝边缘点，根据得到的两条拟合曲线获得中间线方程，即为焊缝的拟合方程，经插值处理得到焊接轨迹。

具体的：

步骤S1：点云预处理；

1)近邻点数判断法得到平面点云和非平面点云

面阵结构光相机的视场面是指在相机的工作范围内结构光所覆盖的与相机坐标系xoy平面平行的面，由于光的直线传播，所以视场面的面积与相机到视场面的距离，即视场面在相机坐标系下的z坐标正相关。

如图1所示：

设相机视场的宽度为W，相机视场高度为H，视场面到相机坐标系xoy平面的距离为L。

可求得相机的视场面积S为：

根据面阵结构光相机的分辨率R，可以得到点云平面的密度D为：

对于平面对接焊缝，当相机Z轴垂直于工件平面时，工件点云的平面点点密度满足上述公式。以此时拍摄得到的初始点云中的每一个点为圆心，以半径为R进行近邻搜索，得到近邻点数。如果操作点为平面点，那么点密度乘以近邻圆的面积应该等于近邻搜索得到的点数，如果不是平面点，近邻搜索得到的点数应该小于点密度和近邻圆的面积的乘积。结合相机的标称误差以及拍摄姿势所带来的误差，选取适当的近邻点数范围即可将初始点云分为平面点云和非平面点云。

本实施例中，以平面对接I型焊缝为例，平面点云指待焊接工件的平面点云图像数据中，去除工件的边缘以及背景平面中去除背景边缘后剩余的点云图像数据，非平面点云指工件的边缘点云图像数据以及背景的边缘点云图像数据。

2)非工件点云的去除

通过近邻点数判断法得到的非平面点云包括了原始点云的边缘以及工件的边缘。由于工件的边界点的空间分布比点云的边缘点更加复杂，所以工件点的密度会大于点云边界点，类比上文的平面点近邻判断方法，通过设定的密度阈值对非平面点进行遍历就可以去除初始点云的边缘点，得到工件的边缘点点云。

提取出的平面点云包含了工件平面和背景平面，去除了非平面点后的平面点云是不连通的，通过聚类得到三个聚类平面，再根据背景平面的包围盒在xoy平面上的投影是最大的可以去除平面点云中的背景平面，得到焊接工件的平面点云。

本实施例中，在步骤S1中点云预处理中需要先对点云进行噪点处理，再进行点云下采样稀疏处理。

步骤S2：平面对接焊缝边缘点的提取；

通过步骤S1的处理，可以将焊缝的左右平面单独分出来。得到的左右平面是在笛卡尔坐标系下的，也就是三维矢量空间的基是正交归一化的基底，此时，根据得到的工件边缘点点云的相邻边的方向向量作为X轴基底和Y轴基底，保持Z轴基底不变对左右平面进行基变换得到如图2所示的示意图。

通过工件边界方向与两个平面的包围盒中心连线的方向的关系，可以使得对于每一个y轴上的值，焊缝点都位于x轴上最大的一点，从而对平面点云进行合适步长以及线宽的线状遍历，得到其中x值最大的点，再对得到的点基变换回笛卡尔坐标系，就得到了工件左右两侧平面点云的焊缝边缘点。

本实施例中，在步骤S2中点云基变换的基底有多种选择，考虑到程序的复用性以及程序的效率，通过工件边缘的方向与工件平面包围盒的中心位置关系，使得焊缝边缘点在同一个Y方向上，处于X方向上最大的位置。

步骤S3：焊缝曲线的拟合；

步骤S2得到的左右两侧的焊缝边缘点位于焊缝的两侧，形状与焊缝一致，并且相对于焊缝点左右对称。对左右焊缝边缘点进行曲线拟合，再求两条拟合曲线的中间线方程，则得到焊缝的拟合方程。

步骤S4：焊接轨迹规划；

对求取的焊缝拟合方程进行插值得到焊点并规划焊接轨迹。

上述过程通过分析平面对接工件的几何特征，结合面阵结构光相机生成的点云的特征以及点云的处理方法，给出的焊缝寻位方法主要包括四个阶段：

第一个阶段是点云预处理，结合具体的焊接场景对点云进行滤波和下采样，然后根据近邻点数将点云分为平面点云和非平面点云，对非平面点云再次根据近邻数量去除点边缘，对于平面点云进行聚类根据包围盒大小去除背景平面，从而得到工件左右两侧的点云；

第二个阶段是分别对左右两侧的点云进行基变换，并通过遍历得到焊缝边缘点；

第三个阶段是对得到的左右两侧的焊缝边缘点进行拟合，再根据两条拟合曲线得到焊缝的拟合方程；

第四个阶段是对焊缝的拟合方程进行插值，得到焊接轨迹。

上述过程使用三维视觉对平面对接工件的对接型焊缝位置进行定位，免去了繁琐的人工示教，提高焊接效率。

普适性强，针对平面对接工件的焊接，对一定范围内不同尺寸的平面对接工件以及不论是直线焊缝还是曲线焊缝，带坡口或不带坡口焊缝都适用。

定位精度高，本实施例使用的3D相机精度在±0.1mm以内，曲线焊缝提取精度≤2mm，直线焊缝提取精度≤1mm，可以保证焊接的精度。

实施例二：

本实施例提供了实现上述方法的系统，包括：

预处理模块，被配置为：获取待焊接工件所在平面的图像点云信息为初始点云，经处理后根据近邻点数将初始点云划分为平面点云和非平面点云；

点云数据处理模块，被配置为：非平面点云经密度阈值过滤得到待焊接工件的边缘点点云，直线拟合边缘点点云得到两组基底；平面点云经聚类得到待焊接工件的平面点云；

坐标变换模块，被配置为：以待焊接工件的边缘点点云为基底进行基变换，在待焊接工件平面点云中得到工件左右两侧的焊缝边缘点；

轨迹拟合模块，被配置为：分别拟合两侧的焊缝边缘点，根据得到的两条拟合曲线获得中间线方程，即为焊缝的拟合方程，经插值处理得到焊接轨迹。

上述系统利用焊接场景的点云图像，经处理后从图像中提取焊缝点云经拟合后得到焊缝轨迹，实现对平面对接工件焊缝的寻位，降低了传统自动化焊接中对高精度夹具的要求，免除了繁琐的人工示教，提高焊接效率。

实施例三

本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例一中提出的平面对接工件焊接轨迹寻位方法和系统中的步骤。

本实施例中的计算机程序所执行的平面对接工件焊接轨迹寻位方法和系统中，利用焊接场景的点云图像，经处理后从图像中提取焊缝点云经拟合后得到焊缝轨迹，实现对平面对接工件焊缝的寻位，降低了传统自动化焊接中对高精度夹具的要求，免除了繁琐的人工示教，提高焊接效率。

实施例四

本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行所述程序时实现如上述实施例一提出的平面对接工件焊接轨迹寻位方法和系统中的步骤。

本实施例处理器执行的平面对接工件焊接轨迹寻位方法和系统中，利用焊接场景的点云图像，经处理后从图像中提取焊缝点云经拟合后得到焊缝轨迹，实现对平面对接工件焊缝的寻位，降低了传统自动化焊接中对高精度夹具的要求，免除了繁琐的人工示教，提高焊接效率。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

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 (6)

1.平面对接工件焊接轨迹寻位方法，其特征在于：包括以下步骤：

获取待焊接工件所在平面的图像点云信息为初始点云，经预处理后，根据近邻点数将初始点云划分为平面点云和非平面点云；

非平面点云经密度阈值过滤得到待焊接工件的边缘点点云，直线拟合边缘点点云得到两组基底；平面点云经聚类得到待焊接工件的平面点云；

以待焊接工件的边缘点点云为基底进行基变换，在待焊接工件平面点云中得到工件左右两侧的焊缝边缘点；

分别拟合两侧的焊缝边缘点，根据得到的两条拟合曲线获得中间线方程，即为焊缝的拟合方程，经插值处理得到焊接轨迹；

预处理包括，依次以初始点云中的每一个点为圆心，以设定半径进行近邻搜索，得到近邻点数；

根据近邻点数将初始点云划分为平面点云和非平面点云，包括，近邻搜索得到的点数等于点密度与近邻圆面积的乘积，则为平面点云；近邻搜索得到的点数小于点密度和近邻圆的面积的乘积，则为非平面点云；

非平面点云经密度阈值过滤得到待焊接工件的边缘点点云，包括，通过设定的密度阈值遍历非平面点云，去除点云的边缘点，得到待焊接工件的边缘点点云。

2.如权利要求1所述的平面对接工件焊接轨迹寻位方法，其特征在于：平面点云经聚类得到待焊接工件的平面点云，包括，平面点云通过聚类得到三个聚类平面，根据背景平面的包围盒在水平面上的投影面积，去除平面点云中的背景平面，得到焊接工件的平面点云。

3.如权利要求1所述的平面对接工件焊接轨迹寻位方法，其特征在于：所述工件左右两侧的焊缝边缘点分别位于焊缝的两侧，形状与焊缝一致，并且相对于焊缝点左右对称。

4.平面对接工件焊接轨迹寻位系统，其特征在于：包括：

预处理模块，被配置为：获取待焊接工件所在平面的图像点云信息为初始点云，经预处理后根据近邻点数将初始点云划分为平面点云和非平面点云；

点云数据处理模块，被配置为：非平面点云经密度阈值过滤得到待焊接工件的边缘点点云，直线拟合边缘点点云得到两组基底；平面点云经聚类得到待焊接工件的平面点云；

坐标变换模块，被配置为：以待焊接工件的边缘点点云为基底进行基变换，在待焊接工件平面点云中得到工件左右两侧的焊缝边缘点；

轨迹拟合模块，被配置为：分别拟合两侧的焊缝边缘点，根据得到的两条拟合曲线获得中间线方程，即为焊缝的拟合方程，经插值处理得到焊接轨迹；

预处理包括，依次以初始点云中的每一个点为圆心，以设定半径进行近邻搜索，得到近邻点数；

根据近邻点数将初始点云划分为平面点云和非平面点云，包括，近邻搜索得到的点数等于点密度与近邻圆面积的乘积，则为平面点云；近邻搜索得到的点数小于点密度和近邻圆的面积的乘积，则为非平面点云；

非平面点云经密度阈值过滤得到待焊接工件的边缘点点云，包括，通过设定的密度阈值遍历非平面点云，去除点云的边缘点，得到待焊接工件的边缘点点云。

5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-3中任一项所述的平面对接工件焊接轨迹寻位方法中的步骤。

6.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-3中任一项所述的平面对接工件焊接轨迹寻位方法中的步骤。