CN115032944B - 基于机器视觉的激光焊接控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉的激光焊接控制方法，涉及机器视觉领域。主要包括：采集待焊接焊缝的表面图像，并对表面图像进行灰度化以及边缘检测获得边缘图像；根据边缘图像中焊缝区域的中心线确定初始焊接路径，对初始焊接路径进行基于最小二乘的分段直线拟合获得初始拟合路径；分别获得初始拟合路径上每一线段的拟合评价值；分别对拟合评价值小于预设阈值的初始拟合路径中的相邻线段，在初始焊接路径中的线段进行多元线性回归曲线拟合，以获得拟合后的目标拟合路径；以目标拟合路径对待焊接的焊缝进行激光焊接。本发明实施例能够保证对焊缝的焊接效果的同时较少焊接枪的移动距离，从而提高焊接效率。

Description

基于机器视觉的激光焊接控制方法
技术领域
本发明涉及机器视觉领域，具体涉及一种基于机器视觉的激光焊接控制方法。
背景技术
激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，主要应用于微、小型零件的精密焊接中。激光焊接通过激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，并通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化形成特定的熔池，以达到焊接的目的。
激光焊接时一般将焊接点确定在焊缝的中心线位置，从而使焊缝两侧受热均匀，然而，在实际焊接过程中，待焊接焊缝的两侧边缘可能较为复杂，尤其是对于一定长度内包括多个起伏的边缘，采用现有技术中将焊缝的中心线作为焊接路径进行焊接的方式，会造成焊接枪在焊接的过程中在一定焊接长度内可能出现频繁波动，影响焊接效率。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种基于机器视觉的激光焊接控制方法，能够对待焊接焊缝进行焊接的同时，通过待焊焊缝的中心线确定初始焊接路径，并对初始焊接路径进行分段直线拟合，以对分段直线拟合结果进行调整获得调整后的目标拟合路径，以所获得目标拟合路径进行激光焊接，相较于直接利用中心线进行焊接，可以避免焊接枪在一定长度内存在多个起伏的焊缝处发生频繁波动，保证对焊缝的焊接效果的同时较少焊接枪的移动距离，从而提高焊接效率。
避免激光焊接过程中焊接枪的抖动造成的局部焊接时长过长，从而获得更好的激光焊接效果。
本发明提供了一种基于机器视觉的激光焊接控制方法，包括：
采集待焊接焊缝的表面图像，并对表面图像进行灰度化以及边缘检测获得边缘图像。
根据边缘图像中焊缝区域的中心线确定初始焊接路径，建立平面直角坐标系，并在平面直角坐标系中，对初始焊接路径进行基于最小二乘的分段直线拟合获得初始拟合路径，所述平面直角坐标系横轴平行于初始焊接路径的首尾点的连线进行建立，所述初始拟合路径中包括多个首尾相连的线段。
将位于初始焊接路径上与初始拟合路径的点横坐标相等的点，作为初始拟合路径中每一点的对应点，根据初始拟合路径中每一线段中每一点与其对应点的距离，分别获得初始拟合路径上每一线段的拟合评价值。
对拟合评价值小于预设阈值的初始拟合路径中的相邻线段，在初始焊接路径中的对应部分进行多元线性回归曲线拟合，将多元线性回归曲线拟合后的路径与初始拟合路径中不小于预设阈值的线段进行连接获得目标拟合路径。
以目标拟合路径对待焊接的焊缝进行激光焊接。
进一步的，基于机器视觉的激光焊接控制方法中，根据初始拟合路径中每一线段中每一点与其对应点的距离，分别获得初始拟合路径上每一线段的拟合评价值，包括：
获得初始拟合路径中每一线段上各点与其对应点的距离的方差，将方差的倒数作为初始拟合路径上每一线段的拟合评价值。
进一步的，基于机器视觉的激光焊接控制方法中，获得初始拟合路径后，所述方法还包括：将初始拟合路径中在平面直角坐标系中斜率的差值的绝对值小于预设差值阈值的相邻线段进行合并。
进一步的，基于机器视觉的激光焊接控制方法中，对表面图像进行灰度化以及边缘检测获得边缘图像前，所述方法进一步包括：对表面图像进行分割使其中焊缝以外的像素点的像素值为0。
进一步的，基于机器视觉的激光焊接控制方法中，对表面图像进行分割是通过DNN实现的。
进一步的，基于机器视觉的激光焊接控制方法中，对表面图像进行灰度化以及边缘检测获得边缘图像后，所述方法进一步包括：对边缘图像进行形态学开运算获得新的边缘图像。
本发明提供了一种基于机器视觉的激光焊接控制方法，相比于现有技术，本发明的有益效果在于：通过待焊焊缝的中心线确定初始焊接路径，并对初始焊接路径进行分段直线拟合，以对分段直线拟合结果进行调整获得调整后的目标拟合路径，以所获得目标拟合路径进行激光焊接，相较于直接利用中心线进行焊接，可以避免焊接枪在一定长度内存在多个起伏的焊缝处发生频繁波动，保证对焊缝的焊接效果的同时较少焊接枪的移动距离，从而提高焊接效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中基于机器视觉的激光焊接控制方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中待焊接焊缝的边缘图像的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本发明实施例的目的在于：在对待焊接焊缝进行激光焊接前，确定出较为合适的激光焊接过程的焊接路径，保证对焊缝进行焊接的同时，避免在焊接过程中因激光焊接枪出现频繁抖动而造成的焊接效果不佳。
为此，本发明实施例提供了一种基于机器视觉的激光焊接控制方法，如图1所示，包括：
步骤S101、采集待焊接焊缝的表面图像，并对表面图像进行灰度化以及边缘检测获得边缘图像。
本发明实施例中首先通过图像采集设备采集待焊接焊缝的表面图像，所获得的表面图像为RGB图像，RGB是一种颜色标准，通过对红(R)、绿(G)、蓝(B)三个颜色通道的变化以及它们相互之间的叠加来得到各式各样的颜色，RGB即是代表红、绿、蓝三个通道的颜色。
其次，对表面图像进行灰度化以及边缘检测，获得待焊接焊缝对应的边缘图像，进行灰度化的目的在于去除颜色对后续过程的干扰，同时减少不必要的计算量。
图像边缘是图像最基本的特征，所谓边缘(Edge) 是指图像局部特性的不连续性。灰度或结构等信息的突变处称之为边缘。例如，灰度级的突变、颜色的突变、纹理结构的突变等。边缘是一个区域的结束，也是另一个区域的开始，利用该特征可以分割图像。图像的边缘有方向和幅度两种属性。边缘通常可以通过一阶导数或二阶导数检测得到。一阶导数是以最大值作为对应的边缘的位置，而二阶导数则以过零点作为对应边缘的位置。
一阶导数的边缘算子进行边缘检测的过程包括：通过模板作为核与图像的每个像素点做卷积和运算，然后选取合适的阈值来提取图像的边缘。常见的一阶导数的边缘算子有：Roberts算子，Prewitt算子，Sobel算子，Canny算子等。二阶导数的边缘算子进行边缘检测的过程依据于二阶导数过零点这一特性，常见的有二阶导数的边缘算子有Laplacian 算子。
作为一个示例，本发明实施例中采用Canny算子进行边缘检测。
可选的，对表面图像进行灰度化以及边缘检测获得边缘图像前，还可以对表面图像进行分割使其中焊缝以外的像素点的像素值为0，同时对于表面图像的分割可以通过DNN（Deep Neural Networks，深度神经网络）实现。
可选的，对表面图像进行灰度化以及边缘检测获得边缘图像后，还可以对边缘图像进行形态学开运算获得新的边缘图像，如此，可以获得分界更为明显的边缘。
步骤S102、根据边缘图像中焊缝区域的中心线确定初始焊接路径，建立平面直角坐标系，并在平面直角坐标系中，对初始焊接路径进行基于最小二乘的分段直线拟合获得初始拟合路径，所述平面直角坐标系横轴平行于初始焊接路径的首尾点的连线进行建立，所述初始拟合路径中包括多个首尾相连的线段。
在激光焊接过程中为获得较好的激光焊接效果，通常采用沿待焊接焊缝的边缘的中心线进行焊接的方式，然而如图2所示为本发明实施例中待焊接焊缝的边缘图像的示意图，对于这种边缘情况较为复杂的焊缝，继续采用此种做法可能会导致焊接枪在焊接过程中出现频繁抖动，造成有些部位的焊接停留时间较长，影响焊接效果，需要说明的是，尤其是在一些存在裂纹需要进行焊接的工件中可能存在此种待焊接焊缝。
因此，本发明实施例将根据边缘图像中焊缝区域的中心线确定初始焊接路径，并对初始焊接路径进行调整，本发明实施例中心线指的是焊缝的两条边缘之间各相邻的中心点的连线。
为便于后续过程中对初始焊接路径进行分段直线拟合，本发明实施例建立平面直角坐标系，同时，为便于计算，本发明实施例中平面直角坐标系的横轴平行于初始焊接路径的首尾点的连线进行建立。
在平面直角坐标系中，对初始焊接路径进行基于最小二乘的分段直线拟合获得初始拟合路径，同时，在进行分段直线拟合的过程中，首先确定拟合过程中的断点数，即拟合后所获得的初始拟合路径中包括多个首尾相连的线段之间的断点数，本发明实施例中断点指的是相邻两条线段的交点。
分别获得初始焊接路径上每一点处的斜率，从而根据初始焊接路径上每一处的斜率确定断点数，从初始焊接路径在平面直角坐标系中从左至右首个点开始，分别计算首个点以后每一个点的斜率，与首个点的斜率的差值，在差值在预先设定的误差允许范围内的情况下，继续寻找下一个点，直至差值不在预先设定的误差允许范围内，将使得差值不在预先设定的误差允许范围内的点作为断点，并计算该首个断点的斜率与首个断点的下一个点的斜率之间的差值，按照断点的确定方法，继续确定下一个断点，以寻找出初始焊接路径中所有的断点。
然后，对初始焊接路径在相邻两断点间的部分进行最小二乘直线拟合，获得拟合之后经过相邻两断点的线段，并以此完成对所有相邻两断点之间的线段的拟合，获得拟合后的初始拟合路径。
步骤S103、将位于初始焊接路径上与初始拟合路径的点横坐标相等的点，作为初始拟合路径中每一点的对应点，根据初始拟合路径中每一线段中每一点与其对应点的距离，分别获得初始拟合路径上每一线段的拟合评价值。
由于进行分段直线拟合后所获得的初始拟合路径中，仍有可能存在与初始焊接路径中存在较大差异的部分，因此本发明实施例中将继续对所获得的初始拟合路径进行调整。
根据初始拟合路径中每一线段中每一点与其对应点的距离，分别获得初始拟合路径上每一线段的拟合评价值，包括：获得初始拟合路径中每一线段上各点与其对应点的距离的方差，将方差的倒数作为初始拟合路径上每一线段的拟合评价值。
本发明实施例中所获得拟合评价值用于评价初始拟合路径处的拟合效果，即初始拟合路径中某一线段的拟合评价值越大，该线段对于其在初始焊接路径上的对应部分的拟合效果越好。
对于初始拟合路径中拟合评价值大于或等于预设阈值的线段，可以将其直接作为最终的焊接路径，其中间的一些点的一些起伏变化对焊接的影响不大，不必对其进行调整，对于不满足该条件的直线，说明该直线段与原始轨迹吻合效果较差，存在原始轨迹有位置存在起伏波动较大，若是继续以此进行焊接，可能会导致焊接效果较差，因此需要找出拟合较差直线进行适当调整以保证焊接质量。
步骤S104、对拟合评价值小于预设阈值的初始拟合路径中的相邻线段，在初始焊接路径中的对应部分进行多元线性回归曲线拟合，将多元线性回归曲线拟合后的路径与初始拟合路径中不小于预设阈值的线段进行连接获得目标拟合路径。
对于拟合评价值小于预设阈值的初始拟合路径中的相邻线段，说明该部分中焊接边缘的变化较大，需要对其进行调整，因此对于该部分线段对应的初始焊接路径中的部分进行曲线拟合，使其焊接轨迹光滑以便于焊接时防止频繁抖动。
步骤S105、以目标拟合路径对待焊接的焊缝进行激光焊接。
本发明实施例中所获得的目标拟合路径，相较于直接对原有的初始焊接路径进行多元线性回归拟合，避免了对与直线较为接近的部分进行曲线拟合，所带来的不必要的拟合误差，即对焊缝的后续焊接过程的不良影响，使得所需进行多元线性回归曲线拟合的范围更具有针对性，从而保证焊缝两侧焊接均匀的同时，尽量减少拟合带来的误差。
综上所述，本发明提供了一种基于机器视觉的激光焊接控制方法，通过待焊焊缝的中心线确定初始焊接路径，并对初始焊接路径进行分段直线拟合，以对分段直线拟合结果进行调整获得调整后的目标拟合路径，以所获得目标拟合路径进行激光焊接，相较于直接利用中心线进行焊接，可以避免焊接枪在一定长度内存在多个起伏的焊缝处发生频繁波动，保证对焊缝的焊接效果的同时较少焊接枪的移动距离，从而提高焊接效率。
本发明中涉及诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
还需要指出的是，在本发明的方法和系统中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本公开的等效方案。
上述实施例仅仅是为清楚地说明所做的举例，并不构成对本发明的保护范围的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于机器视觉的激光焊接控制方法，其特征在于，包括：
采集待焊接焊缝的表面图像，并对表面图像进行灰度化以及边缘检测获得边缘图像；
根据边缘图像中焊缝区域的中心线确定初始焊接路径，建立平面直角坐标系，并在平面直角坐标系中，对初始焊接路径进行基于最小二乘的分段直线拟合获得初始拟合路径，所述平面直角坐标系横轴平行于初始焊接路径的首尾点的连线进行建立，所述初始拟合路径中包括多个首尾相连的线段；
将位于初始焊接路径上与初始拟合路径的点横坐标相等的点，作为初始拟合路径中每一点的对应点，获得初始拟合路径中每一线段上各点与其对应点的距离的方差，将方差的倒数作为初始拟合路径上每一线段的拟合评价值；
对拟合评价值小于预设阈值的初始拟合路径中的相邻线段，在初始焊接路径中的对应部分进行多元线性回归曲线拟合，将多元线性回归曲线拟合后的路径与初始拟合路径中不小于预设阈值的线段进行连接获得目标拟合路径；
以目标拟合路径对待焊接的焊缝进行激光焊接。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获得初始拟合路径后，所述方法还包括：将初始拟合路径中在平面直角坐标系中斜率的差值的绝对值小于预设差值阈值的相邻线段进行合并。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对表面图像进行灰度化以及边缘检测获得边缘图像前，所述方法进一步包括：对表面图像进行分割使其中焊缝以外的像素点的像素值为0。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对表面图像进行分割是通过DNN实现的。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对表面图像进行灰度化以及边缘检测获得边缘图像后，所述方法进一步包括：对边缘图像进行形态学开运算获得新的边缘图像。
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