CN115890053B - 内焊机对口方法、装置、内焊机及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种内焊机对口方法、装置、内焊机及存储介质，所属的技术领域为管道焊接技术领域。所述内焊机对口方法包括：利用传感器采集管道轮廓数据，利用管道轮廓数据确定目标停止位置，并控制内焊机运动至目标停止位置；根据管道轮廓数据确定坡口特征点，确定管道坡口在锥头机构坐标系中的坡口位姿信息；利用多自由度调节机构根据坡口位姿信息调节锥头机构的位姿，以使焊接单元的焊炬正对管道坡口的焊缝中心；在管道坡口对应的位置执行管道对口操作。本申请能够使内焊机实现高精度自动化对口，提高焊接质量。
Description
技术领域
本申请涉及管道焊接技术领域，特别涉及一种内焊机对口方法、内焊机对口装置、内焊机及存储介质。
背景技术
推广运用全自动管道焊接技术是工业向数字化、智能化发展的具体体现、也是推进管道建设的有效举措。在石油、天然气等介质的运输管道焊接领域中，考虑到管道施工地形与管道建设经济性，在管道焊接中不可避免的要使用到弯管，为完成对口任务，内焊机在弯曲管道内需调整自身弯曲角度，跟随管道行走以便寻找对口区域。在内焊机对弯管进行作业时，由于管道形状发生变化，内焊机极易出现焊接位置与管道坡口的焊缝位置偏差较大的情况，对口精度较低，往往需要工作人员手动调整，内焊机设备自重较重，通过工作人员手动调整往往需要较长的调整时间，且操作不便。
因此，如何使内焊机实现高精度自动化对口，提高焊接质量是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的是提供一种内焊机对口方法、一种内焊机对口装置、一种内焊机及一种存储介质，能够使内焊机实现高精度自动化对口，提高焊接质量。
为解决上述技术问题，本申请提供一种内焊机对口方法，包括：
检测内焊机焊接单元周侧管道轮廓数据，基于管道轮廓数据判断是否检测到管道端面；
当用于检测管道轮廓数据的传感器与管道端面所处平面满足预设距离时，控制内焊机驱动机构使内焊机停止沿管道轴向驱动；
计算传感器与所述管道端面的位置关系得到位姿信息，通过所述位姿信息调节内焊机锥头机构和机身机构之间的多自由度调节机构，使内焊机锥头机构上的焊接单元正对待焊接坡口并使内焊机与管道相对固定。
进一步的，所述检测内焊机焊接单元周侧管道轮廓数据步骤包括：
通过内焊机锥头机构上的传感器获取管道轮廓数据，
将管道轮廓数据经二值化处理后得到轮廓图像，并与预设坡口轮廓图像比较；
根据比较结果判断是否检测到管道端面。
进一步的，所述传感器为条纹式激光位移传感器，所述传感器用于通过线型激光扫描得到包含管道内周面或管道端面数据的管道轮廓数据。
进一步的，所述当用于检测管道轮廓数据的传感器与管道端面所处平面满足预设距离时，控制内焊机驱动机构使内焊机停止沿管道轴向驱动步骤包括：
当检测到管道端面，且匹配结果大于1时，
计算传感器与管道端面所处平面的位置关系是否达到预设的距离关系，当满足时，控制内焊机驱动机构使内焊机停止沿管道轴向驱动，使得焊接单元停在坡口区域内。
进一步的，所述控制内焊机驱动机构使内焊机停止沿管道轴向驱动步骤之前还包括：
处理管道轮廓数据得到管道轮廓相较于锥头机构的粗差平移、粗差旋转数值；
调节多自由度平台使焊接单元的中轴线与其周侧管道的中轴线同轴。
进一步的，所述计算传感器与所述管道端面的位置关系得到位姿信息，包括：
采集管道的轮廓数据得到轮廓图像，并进行角点检测；得到轮廓图像各顶点的粗差坐标值；
以轮廓图像各顶点的粗差坐标值为初始值，对轮廓数据进行坡口轮廓形状拟合获得轮廓各顶点的精确坐标；
将轮廓各顶点的精确坐标转换为锥头机构坐标系下的坡口特征空间坐标；
通过坡口特征点空间坐标计算出当前坡口所在圆形在锥头机构坐标系下的位置与姿态；
得到位姿信息，所述位姿信息包含坡口与锥头机构之间存在的偏角与偏移数据。
进一步的，所述对轮廓数据进行坡口轮廓形状拟合获得轮廓各顶点的精确坐标步骤包括：
以所述角点的坐标为初始值构建所述轮廓数据对应的坡口轮廓数学模型；
利用最小二乘法的优化目标函数对所述轮廓数学模型进行求解，得到轮廓各顶点的精确坐标。
进一步的，所述通过所述位姿信息调节内焊机锥头机构和机身机构之间的多自由度调节机构，使内焊机锥头机构上的焊接单元正对待焊接坡口并使内焊机与管道相对固定步骤包括：
根据所述位姿信息调节内焊机锥头机构和机身机构之间的多自由度调节机构，通过调节中所述多自由度调节机构中一个或多个电动缸的伸缩量，使锥头机构上的焊接单元中的焊炬正对坡口；
锥头机构位姿调整完毕后，涨紧机构伸出使内焊机与管道相对固定。
本申请还提供了一种内焊机对口装置，包括沿内焊机机头周向分布的涨靴，还包括：
传感器，用于检测内焊机焊接单元周侧管道轮廓数据，基于轮廓数据判断是否检测到管道端面；
控制系统，用于检测轮廓数据的传感器与管道端面所处平面满足预设距离时，控制内焊机驱动机构使内焊机停止沿管道轴向驱动；
所述控制系统还用于计算传感器与所述管道端面的位置关系得到位姿信息，通过所述位姿信息调节内焊机锥头机构和机身之间的多自由度调节机构，使内焊机锥头机构上的焊接单元正对待焊接坡口并使内焊机与管道相对固定。
本申请还提供了一种内焊机，包括锥头机构、机身机构、传感器、多自由度调节机构、存储器和处理器，所述传感器设置于所述锥头机构，所述多自由度调节机构设置于所述锥头机构和所述机身机构之间，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时实现上述内焊机对口方法的步骤。
本申请还提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时实现上述内焊机对口方法执行的步骤。
本申请提供了一种内焊机对口方法，内焊机包括设置于锥头机构的传感器，以及设置于所述锥头机构和机身机构之间的多自由度调节机构，所述内焊机对口方法包括：利用所述传感器采集管道轮廓数据，利用所述管道轮廓数据确定目标停止位置，并控制所述内焊机运动至所述目标停止位置；其中，当所述内焊机运动至所述目标停止位置时，所述锥头机构中的焊接单元运动至坡口区域内；根据所述管道轮廓数据确定坡口特征点，根据所述坡口特征点在锥头机构坐标系的空间坐标确定管道坡口在所述锥头机构坐标系中的坡口位姿信息；利用所述多自由度调节机构根据所述坡口位姿信息调节所述锥头机构的位姿，以使所述焊接单元的焊炬正对所述管道坡口的焊缝中心；在所述管道坡口对应的位置执行管道对口操作。
本申请利用多自由度调节机构根据所述坡口位姿信息调节所述锥头机构的位姿，以使焊接单元的焊炬正对所述管道坡口的焊缝中心。通过上述方式能够在对口场景下使内焊机焊接单元的焊炬自动调整至正对管道坡口焊缝中心的位置，使内焊机实现了高精度的自动化对口，进而提高了焊接质量。本申请同时还提供了一种内焊机对口装置、一种存储介质和一种内焊机，具有上述有益效果，在此不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本申请实施例所提供的一种内焊机对口方法的流程图；
图2为本申请实施例所提供的一种内焊机的结构示意图；
图3为本申请实施例所提供的一种对口过程中焊接单元与坡口的局部放大示意图；
图4为本申请实施例所提供的一种传感器采集的坡口轮廓数据经过下采样转换为图片的示意图；
图5为本申请实施例所提供的一种坡口轮廓进行角点检测的结果示意图；
图6为本申请实施例所提供的一种坡口轮廓拟和结果的示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
下面请参见图1，图1为本申请实施例所提供的一种内焊机对口方法的流程图。
具体步骤可以包括：
S101：检测内焊机焊接单元周侧管道轮廓数据，基于管道轮廓数据判断是否检测到管道端面；
其中，本实施例可以应用于设置有传感器和多自由度调节机构的内焊机，上述内焊机还可以包括锥头机构和机身机构。具体的，上述传感器可以设置于锥头机构的外表面，上述多自由度调节机构可以设置于所述锥头机构和机身机构之间，锥头机构上可以设置有焊接单元、涨靴和涨紧机构。
请参见图2，图2为本申请实施例所提供的一种内焊机的结构示意图，图中示出了锥头机构1、传感器2、多自由度调节机构3、焊接单元9、涨靴8和涨紧机构7和机身机构10，上述机身机构10中包括行走机构4、刹车机构5和柔性前轮6。
本实施例可以在锥头机构1上设置为多个传感器2，进而利用各个传感器2采集位于内焊机焊接单元9周侧对应的管道壁面的轮廓数据，包括管道内壁的轮廓数据和/或管道端面坡口的管道轮廓数据。
在优选的实施例中，所述传感器2为条纹式激光位移传感器，所述传感器2发出的激光条纹照射在在管道上，从而在管道上形成激光轮廓线，采集激光轮廓线的图像进行分析处理，即可获知当前传感器2是否检测到管道端面。
更具体的，机身机构10上的行走机构4带动机身机构10沿着管道朝锥头机构1所在的一侧行进，所述传感器2在锥头机构1上的位置相对于涨紧机构7以及焊接单元9而言处于行进方向的前侧，换言之，所述传感器2相对涨紧机构7以及焊接单元9更远离机身机构10，所述传感器2的激光条纹的出射方向朝向涨靴8以及焊接单元9所在一侧，并且所述传感器2的激光条纹的出射方向倾斜于涨紧机构7的轴向并朝向于涨紧机构7的径向外侧，并且所述传感器2的激光条纹的长度方向处于通过涨紧机构7轴心线的平面内，进一步的，所述传感器2的激光条纹照射区域覆盖焊接单元9所正对的径向外侧区域，从而确保能实时检测并精确的调节锥头机构1的位姿以使焊接单元9精确的正对两个管道之间的焊缝中心。
所述传感器2发出的激光条纹照射在管道上以形成激光轮廓线，锥头机构1相对于管道的位置、姿态不同，则激光条纹照射在管道上时会形成不同形状的激光轮廓线。具体的，锥头机构1上的涨紧机构7的轴心相对于管道轴心的偏转状态不同会形成不同形状的激光轮廓线，例如，以锥头机构1处于管道的直线管段内时进行说明，当涨紧机构7的轴心与管道轴心完全重合时，所述传感器2发出的激光条纹照射在管道的内壁上形成的激光轮廓线呈一条直线，而当涨紧机构7的轴心与管道轴心存在偏差夹角时，此时所述传感器2发出的激光条纹的长度方向倾斜于管道的轴线方向，从而所述传感器2发出的激光条纹在管道的内壁上形成弧形的激光轮廓线，还可以将传感器2实时采集到的激光轮廓图像与预设坡口图像进行匹配比对，进而识别坡口用于进行对口。
在本方法的一个优选实施例中，传感器优选为3个，均匀的沿着周向分布，当前序步骤中传感器的激光图像发生变化呈L形时，根据检测到激光轮廓图像与预设轮廓图像是否匹配判断传感器是否检测到管道坡口端面，具体将每个传感器的轮廓数据通过等比例下采样转化成二值化轮廓图像；将轮廓图像与预设坡口轮廓图像（如标准化坡口图像）进行匹配；若轮廓图像与预存储的坡口轮廓图像匹配（如相似度大于预设值）则可以判断为检测到坡口。
更具体的，三个传感器2形成的激光轮廓线发送给控制器，控制器分析各传感器2形成的激光轮廓线的图像以得到相应的控制参数，所述多自由度调节机构3根据与管道保持同轴的控制参数进行动作，从而使得锥头机构1维持在涨紧机构7的轴心与管道轴心重合的状态，即，维持锥头机构1处于管道截面的正中心，保障管道内焊机顺畅的沿着管道内壁行进。
同时，锥头机构1相对于管道端部的位置不同时会形成不同形状的激光轮廓线，以管道内焊机的锥头机构1保持在涨紧机构7的轴心与管道轴心重合的状态沿着管道行走进行说明，当锥头机构1完全处于直线管段的管道内部或者是涨紧机构7和焊接单元9还完全处于直线管段的管道内部时，所述传感器2发出的激光条纹仅照射在管道的内壁上，从而形成的激光轮廓线呈现为一条直线，而当管道内焊机继续行进至传感器2发出的激光条纹照射到管道端部的坡口时，此时形成的激光轮廓线大致呈L形，激光轮廓线的形状发生了变化，从而能通过分析处理激光轮廓线的图像来判断管道内焊机的锥头机构1相对于管道端口的位置状况，可以是将传感器2实时采集到的激光轮廓图像与预设轮廓图像（预设轮廓图像具体可以是激光条纹照射到管道端部形成的标准的激光轮廓线图像）进行匹配比对，从而判断传感器2是否扫描检测到管道端部，即获知锥头机构1相对于管道端部的位置距离，进而能自动控制行走系统停止，并通过输出参数控制多自由度姿态调节机构调整锥头位姿使得内焊机锥头机构中的焊接单元大致停在坡口区域内。
S102：当用于检测轮廓数据的传感器与管道端面所处平面满足预设距离时，控制内焊机驱动机构使内焊机停止沿管道轴向驱动；
其中，根据管道轮廓数据确定目标停止位置，以便当内焊机运动至目标停止位置时锥头机构中的焊接单元运动至坡口区域（即，管道坡口所在的区域）内。在确定目标停止位置后，可以控制内焊机的行走机构4停止运动，使内焊机的焊接单元和涨靴大致地停在管道坡口附近。
为了提高精度，避免管道内表面凸起对传感器检测图像的干扰，当检测到管道端面的传感器数量大于1时，确定内焊机涨靴基本处于坡口区域。
通过确定坡口所处平面与传感器之间的距离关系控制内焊机停止沿着管道轴向行走。当轮廓图像与预存储的坡口轮廓图像匹配（如相似度大于预设值），当图像匹配的传感器数量大于1时，可以确定多个传感器检测到坡口，避免管道内壁不平整带来的干扰。同时由于传感器和涨靴的相对位置已知且不变，可基本确定涨靴与坡口的相对位置关系，进而控制内焊机的行走机构停止，使得内焊机锥头机构中的焊接单元大致停在坡口区域内。
当图像匹配的传感器数量大于1时，可以确定多个传感器检测到坡口，此时内焊机在管道内出于信号处理的时间差、惯性和/或系统预设控制流程继续行走一段距离，在检测到管道端面坡口和确定管道轮廓数据的传感器与管道端面所处平面满足预设距离的过程中，本系统还处理管道轮廓数据得到管道轮廓相较于锥头机构的位置关系，即在图像匹配过程中还可以通过先确定坡口形状在轮廓图像中大致平移、旋转数值，从而通过调节多自由度平台使焊接单元所在平面与坡口所在平面大致共面、焊接单元的中轴线与其周侧的管道中轴线大致同轴；若此时焊接单元已经位于管道坡口处时，焊接单元的中轴线与坡口的中轴线大致同轴。即在开始角点检测、坡口轮廓形状最优拟合时所匹配的坡口模板图像就基本位于轮廓图像的中央，并通过输出参数控制多自由度姿态调节机构调整锥头机构位姿。如此，多自由度平台不仅可以实现对口，还可以在对口之前调节内焊机相对于管道的位置姿态，当内焊机轴线基本保持与其所位于的管道处轴线基本共线时，自动控制行走系统停止，使得内焊机锥头机构中的焊接单元大致停在坡口区域内；对内焊机行走过程中可能的偏转或管道弯曲场景下内焊机过弯带来的偏移，先进行姿态调节可以使对口更加准确和快速。
当传感器与管道端面所处平面的位置关系达到预设的距离关系时，再通过多自由度调节机构对对口位置进行精调。
在本申请的其他实施例中，检测轮廓数据的传感器与管道端面所处平面是否满足预设距离还可以通过设置在内焊机上的激光测距传感器、图像传感器、磁通传感器等方式实现。在其他可能的实施例中，传感器可以设置在锥头机构上，也可以设置在涨紧机构的涨靴、焊接单元上或其附近，或机身机构上；当位于涨靴、焊接单元上或其附近时，若涨靴、焊接单元恰好从管道的坡口区域伸出时，其与管道内壁之间的距离、图像、光通量、磁通（当管道为金属管道时）均会发生变化，通过传感器检测对应的信号变化，使内焊机停止沿着管道内的轴向移动，使传感器与管道端面所处平面满足一定的距离。
由于内焊机体积较大，自重较重，仅仅通过行走机构驱动内焊机进行对口并不能准确的实现对口，因此本方法在上述各实施例中，均可以先通过该步骤使内焊机平稳的停止在管道内且涨靴大致地位于焊接区域，再通过如下步骤精细调整，实现自动化对口：
S103：计算传感器与所述管道端面的位置关系，通过所述位姿信息调节内焊机锥头机构和机身机构之间的多自由度调节机构，使内焊机锥头机构上的焊接单元正对待焊接坡口并使内焊机与管道相对固定。
其中，在内焊机运动至目标停止位置后，可以从管道轮廓数据中计算出传感器与所述管道端面的位置关系，具体可以通过管道的得到轮廓图像进行角点检测；得到轮廓图像各顶点的粗差坐标值，以轮廓图像各顶点的粗差坐标值为初始值，对轮廓数据进行多关节折线拟合获得轮廓各顶点的精确坐标；将轮廓各顶点的精确坐标转换为锥头机构坐标系下的坡口特征空间坐标，进而确定管道坡口在所述锥头机构坐标系中的坡口位姿信息。所述位姿信息，所述位姿信息包含坡口与锥头机构之间存在的偏角与偏移数据。根据所述位姿信息调节内焊机锥头机构和机身机构之间的多自由度调节机构，通过调节中所述多自由度调节机构中一个或多个电动缸的伸缩量，使锥头机构上的焊接单元中的焊炬正对坡口；锥头机构位姿调整完毕后，涨紧机构伸出使内焊机与管道相对固定。
上述锥头机构坐标系为锥头机构的坐标系，管道坡口为管道中需要进行焊接的部位。
由于使用内焊机的场景一般管道口径较大，而两个管道对接的坡口形成的待焊接区域较窄，内焊机在管道中行走时细微的偏差都可能导致管道无法准确的对口。
在确定坡口位姿信息之后，可以将坡口位姿信息输入至多自由度调节机构，进而利用多自由度调节机构调节所述锥头机构的位姿，以使调整位置后锥头机构上焊接单元的焊炬正对所述管道坡口的焊缝中心。
进一步的，上述多自由度调节机构为包括多个电动缸的六自由度运动平台；相应的，可以通过以下方式调节锥头机构的位姿：将所述坡口位姿信息输入所述多自由度调节机构，利用所述多自由度调节机构根据所述坡口位姿信息改变一个或多个电动缸的伸缩量，以便调节所述锥头机构的位姿。
当位姿调节完毕后，涨靴涨紧管道内周面使焊接单元相对于管道内周面固定。
其中，在使焊接单元的焊炬正对所述管道坡口的焊缝中心之后，位于管道内的涨靴涨紧在管道内壁，另一待焊接管道从锥头机构一侧对接后，另一侧的涨靴伸出涨紧，完成对口操作。在本领域的其他实施例中，在使焊接单元的焊炬正对所述管道坡口的焊缝中心之后，也可以先将另一待焊接管道大致的对准管道坡口后，两组涨靴依次或同时涨紧在管道内壁，此时六自由度平台也可以用于调节两个待焊接管道之间的接口宽度使之适应焊接需求。
通过上述方式能够在该对口场景下使内焊机焊接单元的焊炬自动调整至正对管道坡口焊缝中心的位置，使内焊机实现了高精度的自动化对口，进而提高了焊接质量。
更具体的，可以通过以下方式确定轮廓各顶点的精确坐标：以所述角点的坐标为初始值构建所述轮廓数据对应的坡口轮廓数学模型；利用最小二乘法的优化目标函数对所述轮廓数学模型进行求解，得到轮廓各顶点的精确坐标。
作为对于图1对应的一其他实施例，还可以通过传感器判断内焊机的工作场景。若所述当前工作场景为寻位场景，则内焊机还可以执行以下操作：根据传感器安装校正参数对所有所述传感器采集的管道轮廓数据进行拼接操作和坐标系转换操作，得到锥头机构坐标系下的整体管道轮廓数据；根据所述整体管道轮廓数据确定当前管道在所述锥头机构坐标系下的管道位姿信息；其中，所述当前管道为所述管道轮廓数据对应的管道；利用所述多自由度调节机构根据所述管道位姿信息调节所述锥头机构的位姿，以使所述锥头机构的轴线与所述当前管道的轴线重合。上述整体管道轮廓数据为各个传感器采集的管道轮廓数据的拼接结果，用于描述管道内壁的整体轮廓形状。
具体的，若内焊机设置有M个传感器，则可以按照以下方式确定内焊机的当前工作场景：利用M个所述传感器采集所述管道轮廓数据，并生成每一所述传感器采集的管道轮廓数据对应的二值化轮廓图像；将每一所述传感器对应的二值化轮廓图像与预设坡口轮廓图像进行匹配；若匹配成功的二值化轮廓图像的数量大于或等于N，则判定所述内焊机的当前工作场景为对口场景；若匹配成功的二值化轮廓图像的数量小于N，则判定所述内焊机的当前工作场景为寻位场景，即沿着管道轴向行走的工作场景。其中，0＜N≤M。
上述过程中，将二值化轮廓图像与预设坡口轮廓图像进行匹配，若二值化轮廓图像与预设坡口轮廓图像的部分图像或全部图像的相似度大于预设相似度（如90%），则判定二值化轮廓图像匹配成功。本实施例根据匹配成功的二值化轮廓图像的数量判断当前工作场景为对口场景，还是为寻位场景。为了提高工作场景的检测精度，可以使N=M，以避免管道内壁局部的凸起等带来的干扰。作为一种可行的实施方式，本实施例可以将M个（如，M=3）传感器均匀设置在锥头机构上，以便提高采集管道轮廓数据的全面性。
下面通过在实际应用中的实施例并结合图3~图6说明上述实施例描述的流程。图3为本申请实施例所提供的一种对口过程中焊接单元与坡口的局部放大示意图；图4为本申请实施例所提供的一种传感器采集的坡口轮廓数据经过下采样转换为图片的示意图；图5为本申请实施例所提供的一种坡口轮廓进行角点检测的结果示意图；图6为本申请实施例所提供的一种坡口轮廓拟和结果的示意图。
图3中示出了固定钢管B、坡口区域A、焊接单元9、涨紧机构7。在多传感器采集系统包括条纹式激光位移传感器采集头、传感器控制器和网络通讯模块；对口控制处理流程包括角点检测、坡口轮廓最优拟合、确定传感器矫正系数、坡口特征点拼接、坡口位姿计算、锥头机构系统调节控制系统、控制后涨靴涨紧装置工作、新管安放、控制前涨靴涨紧装置工作。
相关技术中针对弯管对口存在以下两个难点：（1）在弯管坡口整形过程中，由于坡口机安装误差的存在不可避免的使坡口切削面不能与管道轴线垂直；（2）在弯管内对口时，由于锥头机构前轮不能有效的贴合管壁使得锥头机构与管道轴线产生夹角，此时都需要内焊机锥头机构跟随坡口的位姿调整其自身位姿，使得焊接单元中的焊炬能正对焊缝中央。针对上述相关技术中存在的技术问题，本申请提供了一种内焊机自动对口装置及其对口方法，用于提升在对口过程中机身前后运动寻找对口区域时内焊机锥头机构姿态调节的能力，同时上述方案能够后考虑到人员安全、对口质量、设备重量等因素。
具体的，本申请提供的一种内焊机自动对口装置及对口方法，可以应用于对接弯曲管道的管道内焊接场景，该对口装置可灵活调整锥头机构姿态，高适应性的行走于弯管内部，并运用传感器检测系统为多自由度调节机构提供反馈达到精准对口目的。本实施例通过精密的传感器测量系统，为自动对口执行管道轮廓数据采集工作。通过高精度且高灵活性的六自由度运动平台，使得锥头机构可在一定范围内无约束的调整其位置与姿态。通过具备旋转缩放不变性的图像匹配算法能够稳定判别对口场景。通过在图像空间做角点检测可以获得高时效性的稳健角点位置估计。通过基于最小二乘法的轮廓拟合方法可以精确的得出实际坡口的特征点位置。设计出的多传感器采集系统与锥头机构姿态调节系统相结合的产品，可应用于弯曲管道对口焊接作业场景中。
上述内焊机自动对口装置包括：锥头机构、传感器、多自由度调节机构、机身机构。锥头机构包括若干焊接单元和涨紧机构。传感器采用若干激光视觉传感器（如，条纹式激光位移传感器）安装于锥头机构的机架上。多自由度调节机构连接于锥头机构与机身机构之间，多自由度调节机构包括若干电动缸组成。多自由度调节机构通过控制各个电动缸的长度，可以使得锥头机构相对机身结构灵活的偏转和偏移。机身机构包括由行走机构、刹车机构、柔性前轮等机构，其作用为满足内焊机在弯曲管道内前进运动、后退运动、停止运动的需求。
上述内焊机自动对口方法包括如下步骤：
步骤一、使用若干激光视觉传感器（如3个条纹式激光位移传感器）检测内焊机涨靴周侧管道轮廓数据，将各个激光视觉传感器采集的管道轮廓数据分别通过下采样转化成二值化轮廓图像，对二值化轮廓图像与预设坡口轮廓图像进行匹配。
为提升数据场景判别速率，需要对管道轮廓数据进行下采样，同时为防止图像扭曲应按照等比例缩放图像。传感器数据为管道轮廓点的坐标值，则直接建立轮廓坐标值与像素坐标的映射关系，将坐标值所在像素赋1值，背景像素赋0值，得到坡口轮廓的二值化轮廓图像。
二值化的轮廓图像与预设坡口轮廓图像存在平移、旋转、缩放变换，表示横坐标和纵坐标的平移量，表示旋转角度，表示缩放系数。两者变换关系如下：
；
其中，为轮廓图像，为轮廓图像中与模板（预设坡口轮廓图像）对应的部分，为预设坡口轮廓图像，x表示横坐标，y表示纵坐标，对等式两端进行傅里叶变换得到：
；
表示进行傅里叶变换的结果；和表示原图像进行傅里叶变换后的图像坐标系的横坐标与纵坐标，即傅里叶变换后的像素位置，以便表达原图像的频率、波面方向信息；表示自然常数；j表示虚数；T表示预设坡口轮廓图像t进行傅里叶变换的结果。
将上式去掉相位信息，用对数-极坐标表示为：
；
表示去掉相位信息后进行对数-极坐标转换的结果。表示极坐标系下的极径。表示图像的对数-极坐标系中的极角，在本实施例中可以将看做关于未经过旋转变换图像的基准，表示以该图像为基准旋转了。
由通过相位相关算法算出旋转、缩放，将模板图像根据、参数进行变换，再与轮廓图像运用相位相关算法算出平移量。根据平移量、旋转，调节多自由度姿态调节机构，使得坡口轮廓图像处于整张图像中央时锥头机构的轴线也始终保持在管道轴线的附近，避免在锥头机构出管过程中与管壁发生碰撞。
这一过程不仅可以发生在对口方法之前，也可以发生在对口方法过程中，即在判断是否检测到管道端面之后、控制内焊机驱动机构使内焊机停止沿管道轴向驱动之前，通过上述方法得到的平移量、旋转可以作为管道轮廓相较于锥头机构的粗差平移、粗差旋转数值，使内焊机停止之前先进行姿态调节，可以使对口更加准确和快速。
具体根据传感器安装校正参数对所有所述传感器采集的管道轮廓数据进行拼接操作和坐标系转换操作，得到锥头机构坐标系下的整体管道轮廓数据；根据所述整体管道轮廓数据确定当前管道在所述锥头机构坐标系下的管道位姿信息；其中，所述当前管道为所述管道轮廓数据对应的管道；利用所述锥头机构姿态调节机构根据所述管道位姿信息调节所述锥头机构的位姿，以使所述锥头机构的轴线与所述当前管道的轴线重合。上述整体管道轮廓数据为各个传感器采集的管道轮廓数据的拼接结果，用于描述管道内壁的整体轮廓形状。通过预先测量得到的传感器安装矫正系数，在锥头机构坐标系下拼接转换各传感器采集到的管道轮廓数据（即，整体管道轮廓点云数据）；
传感器安装矫正系数是：每个结构安装设计尺寸与每个传感器实际安装误差测量值构成的一个齐次变换矩阵。通过将各个传感器扫描得到的轮廓数据乘以该齐次变换矩阵即可将各个传感器的轮廓数据变换到锥头机构坐标系下 。具体过程如下：
设传感器A采集的管道轮廓数据为，根据安装设计尺寸与安装误差得到齐次变换矩阵：，其中Rot表示旋转变换的矩阵，Rot矩阵由传感器坐标系与锥头机构坐标系对应坐标轴的夹角组成；向量由传感器坐标系原点在锥头机构坐标系下的坐标值组成，表示平移变换。
拼接后的管道轮廓数据表示为：
；
其中表示整体管道轮廓数据, 表示各个传感器采集的管道轮廓数据，对应各个传感器的齐次变换矩阵。
步骤二：根据轮廓图像匹配结果控制内焊机行走机构的停止位置，使锥头机构中的焊接单元平稳的停在坡口区域内。图3示出了坡口区域中焊接单元的停止位置。当图像匹配表明检测到管道端面，且匹配结果大于1时，计算传感器与管道端面所处平面的位置关系是否达到预设的距离关系，当满足时控制内焊机停止行走，使得焊接单元停在坡口区域内。
步骤三：基于停止后的内焊机位置，通过每个传感器采集得到此时的轮廓数据，通过二值化下采样得到轮廓图像（即管道轮廓数据对应的图像）进行角点检测，获得轮廓图像中各特征点的粗差坐标；
使用角点检测算法便可获得稳定的轮廓各特征点的粗差坐标，角点检测结果如图5所示。
以轮廓图像中特征点的粗差坐标值为初始值，对轮廓数据进行最优拟合获得坡口轮廓特征点（即坡口特征点）的精确坐标；
具体的，以所述角点的坐标为初始值对所述管道轮廓数据进行基于最小二乘法的拟合计算得到所述坡口特征点得过程如下：
以所述角点的坐标为初始值构建所述管道轮廓数据对应的坡口轮廓数学模型，坡口轮廓数学模型可表示为：
；
表示直线段的数目；
表示的截距；
表示相邻前后两线段的斜率差，；
表示特征点所在位置的横坐标，；
表示若则，否则；
通过获得的轮廓图像各特征点的粗差坐标，将其转换为作为初始估计值，符号“^”用于区分以上字母的初始值和最终值。
利用最小二乘法的优化目标函数对所述轮廓数学模型进行求解，得到所述坡口特征点的过程如下：
坡口轮廓数学模型是非线性函数，通过建立如下优化函数F（X）：
；
通过求解非线性函数极小值求出的模型参数：。
将拟合结果绘制成图6所示，将函数斜率变化所在点作为坡口特征点。
将各传感器坐标系下的坡口轮廓精确特征点坐标拼接转换到锥头机构坐标系下，得到坡口特征点的空间坐标；
通过测量安装尺寸得到齐次变换矩阵，将各个传感器中的坡口特征点坐标转换到锥头机构坐标系下。
通过坡口特征点的空间坐标计算出当前的管道坡口所在圆形在锥头机构坐标系下的位置与姿态；
记坡口特征点为，当时，即提取到三个坡口特征点A1、A2和A3。使用如下公式获得坡口所在圆形的数据参数：
1. 坡口圆的法向量：
，其中；
2. 圆心坐标：
，其中，；
上式中R1的下角标x、y、z表示各个坐标轴的坐标。
3. 圆半径：
。
根据管道坡口所在平面及轮廓的法向量（即，相对于锥头机构的偏角）与圆心坐标（即，相对于锥头机构的偏移），使用多自由度调节机构（即六自由度运动平台），让锥头机构上的焊接单元中的焊接单元的焊炬能正对坡口焊缝中心。
锥头机构位姿调整完毕后，锥头机构上的后涨紧机构中的涨靴伸出，紧贴管道内壁；安装待对口新管，锥头机构上的前涨紧机构中的涨靴伸出，紧贴管道内壁，对口完毕。
本实施例通过构建非线性优化问题，求解坡口模型参数，能够较好的抑制在传感器器测量过程中引入的随机误差的干扰。同时，使用坡口数学模型，使得坡口特征点的提取精度可高于条纹式激光位移传感器图像分辨率，为内焊机对口精度达到0.2mm以下提供有力保障。
本实施例提供的对口装置基于传感器与多自由度调节机构配合，实现坡口位姿检测并反馈于多自由度调节机构，多自由度调节机构通过正逆运动学解算并控制电动缸的伸缩量，实现控制锥头机构在管道内的位置与姿态，达到焊接要求的灵活对口的效果。本实施例构建了激光视觉传感器测量系统，采集内焊机管道对口作业过程中目标对象的空间位置信息；通过图像数据处理单元完成管道与坡口位姿计算；计算得到的位姿信息反馈给多自由度调节机构，实时调整锥头机构的空间位姿。
本实施例提供的对口方法中，使用坡口的数学模型精确的描述管道坡口的几何形状，与锥头机构之间存在的偏角与偏移，又通过优化方法迭代出坡口或包含部分管道轮廓几何形状的数值解，可以较好的抑制环境干扰因素的随机误差与管道、坡口加工制造误差。
在提取轮廓顶点精准坐标过程中，传统的Douglas-Peucker多边形拟合采用比较各轮廓点相距轮廓的距离数值大小获得部分特殊点，以该特殊点作为多边形轮廓特征点的方法在实际运用中存在以下难点：一方面由于光的反射特性导致在测量两直线相交角的轮廓时，并不能呈现出“锋利”的三角形形状，故实际坡口轮廓角点并不在激光轮廓数据上；另一方面，由于激光传感器视野遮挡、陡峭轮廓边缘模糊、杂散光干扰等影响，轮廓数据总是存在跳变。本实施例使用最小二乘法拟合可有效抑制轮廓数据跳变，同时在轮廓拟合中引入最小二乘法可精确的估计出并不存在于激光轮廓数据上的实际坡口特征点。本实施例在轮廓拟合的过程中需要为特征点设置初始迭代值，通过将坡口轮廓数据在X、Y方向等比例下采样，将轮廓数据转换到图像空间，运用角点检测算法，获得轮廓特征点的粗差估计坐标。这样在降低数据处理量的同时，依然能够获得稳健的坡口特征点坐标的估计值。将估计值带入到坡口轮廓拟合迭代初值中，使得迭代结果能够收敛到坡口特征关节点坐标真实值。本实施例提取坡口顶点，计算坡口所在圆形在锥头机构坐标系下的位置与姿态，并反馈于多自由度调节机构（六自由度运动平台）实时调整锥头机构姿态，极大的增加了对口的灵活性。
本申请实施例所提供的一种内焊机对口装置，所述内焊机对口装置所在的内焊机包括设置于锥头机构的传感器，以及设置于所述锥头机构和机身机构之间的多自由度调节机构，所述内焊机对口装置包括：
沿内焊机机头周向分布的涨靴，
传感器，用于检测内焊机焊接单元周侧管道轮廓数据，基于轮廓数据判断是否检测到管道端面；
控制系统，用于检测轮廓数据的传感器与管道端面所处平面满足预设距离时，控制内焊机驱动机构使内焊机停止沿管道轴向驱动；
所述控制系统还用于计算传感器与所述管道端面的位置关系得到位姿信息，通过所述位姿信息调节内焊机锥头机构和机身之间的多自由度调节机构，使内焊机锥头机构上的焊接单元正对待焊接坡口并使内焊机与管道相对固定。
由于装置部分的实施例与方法部分的实施例相互对应，因此装置部分的实施例请参见方法部分的实施例的描述，这里暂不赘述。
本申请还提供了一种存储介质，其上存有计算机程序，该计算机程序被执行时可以实现上述实施例所提供的步骤。该存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（Read-Only Memory ，ROM）、随机存取存储器（Random Access Memory ，RAM）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本申请还提供了一种内焊机，包括锥头机构、机身机构、传感器、多自由度调节机构、存储器和处理器，所述传感器设置于所述锥头机构，所述多自由度调节机构设置于所述锥头机构和所述机身机构之间，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时实现上述实施例所提供的步骤。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (11)
1.一种内焊机对口方法，其特征在于，
通过内焊机锥头机构上的传感器获取管道轮廓数据，基于管道轮廓数据判断是否检测到管道端面；
当用于检测管道轮廓数据的传感器与管道端面所处平面满足预设距离时，控制内焊机驱动机构使内焊机停止沿管道轴向驱动；
根据所述管道轮廓数据计算传感器与所述管道端面的位置关系得到位姿信息，通过所述位姿信息调节内焊机锥头机构和机身机构之间的多自由度调节机构中一个或多个电动缸的伸缩量，使内焊机锥头机构上的焊接单元正对待焊接坡口并使内焊机与管道相对固定、且维持所述锥头机构处于管道截面的正中心；其中，所述位姿信息包含坡口与锥头机构之间存在的偏角与偏移数据。
2.根据权利要求1所述内焊机对口方法，其特征在于，所述基于管道轮廓数据判断是否检测到管道端面包括：
将管道轮廓数据经二值化处理后得到轮廓图像，并与预设坡口轮廓图像比较；
根据比较结果判断是否检测到管道端面。
3.根据权利要求2所述内焊机对口方法，其特征在于，所述传感器为条纹式激光位移传感器，所述传感器用于通过线型激光扫描得到包含管道内周面或管道端面数据的管道轮廓数据。
4.根据权利要求1所述内焊机对口方法，其特征在于，所述当用于检测管道轮廓数据的传感器与管道端面所处平面满足预设距离时，控制内焊机驱动机构使内焊机停止沿管道轴向驱动步骤包括：
当检测到管道端面，且匹配结果大于1时，
计算传感器与管道端面所处平面的位置关系是否达到预设的距离关系，当满足时，控制内焊机驱动机构使内焊机停止沿管道轴向驱动，使得焊接单元停在坡口区域内。
5.根据权利要求1或4所述内焊机对口方法，其特征在于，所述控制内焊机驱动机构使内焊机停止沿管道轴向驱动步骤之前还包括：
处理管道轮廓数据得到管道轮廓相较于锥头机构的粗差平移、粗差旋转数值；
调节多自由度平台使焊接单元的中轴线与其周侧管道的中轴线同轴。
6.根据权利要求1所述内焊机对口方法，其特征在于，所述计算传感器与所述管道端面的位置关系得到位姿信息，包括：
采集管道的轮廓数据得到轮廓图像，并进行角点检测；得到轮廓图像各顶点的粗差坐标值；
以轮廓图像各顶点的粗差坐标值为初始值，对轮廓数据进行坡口轮廓形状拟合获得轮廓各顶点的精确坐标；
将轮廓各顶点的精确坐标转换为锥头机构坐标系下的坡口特征空间坐标；
通过坡口特征点空间坐标计算出当前坡口所在圆形在锥头机构坐标系下的位置与姿态，得到位姿信息。
7.根据权利要求6所述内焊机对口方法，其特征在于，所述对轮廓数据进行坡口轮廓形状拟合获得轮廓各顶点的精确坐标步骤包括：
以所述角点的坐标为初始值构建所述轮廓数据对应的坡口轮廓数学模型；
利用最小二乘法的优化目标函数对所述轮廓数学模型进行求解，得到轮廓各顶点的精确坐标。
8.根据权利要求1所述内焊机对口方法，其特征在于，所述通过所述位姿信息调节内焊机锥头机构和机身机构之间的多自由度调节机构，使内焊机锥头机构上的焊接单元正对待焊接坡口并使内焊机与管道相对固定步骤包括：
根据所述位姿信息调节内焊机锥头机构和机身机构之间的多自由度调节机构，通过调节所述多自由度调节机构中一个或多个电动缸的伸缩量，使锥头机构上的焊接单元中的焊炬正对坡口；
锥头机构位姿调整完毕后，涨紧机构伸出使内焊机与管道相对固定。
9.一种内焊机对口装置，包括沿内焊机机头周向分布的涨靴，其特征在于，还包括：
传感器，用于通过内焊机锥头机构上的传感器获取管道轮廓数据，基于管道轮廓数据判断是否检测到管道端面；
控制系统，用于检测管道轮廓数据的传感器与管道端面所处平面满足预设距离时，控制内焊机驱动机构使内焊机停止沿管道轴向驱动；
所述控制系统还用于根据所述管道轮廓数据计算传感器与所述管道端面的位置关系得到位姿信息，通过所述位姿信息调节内焊机锥头机构和机身之间的多自由度调节机构中一个或多个电动缸的伸缩量，使内焊机锥头机构上的焊接单元正对待焊接坡口并使内焊机与管道相对固定、且维持所述锥头机构处于管道截面的正中心；其中，所述位姿信息包含坡口与锥头机构之间存在的偏角与偏移数据。
10.一种内焊机，其特征在于，包括锥头机构、机身机构、传感器、多自由度调节机构、存储器和处理器，所述传感器设置于所述锥头机构，所述多自由度调节机构设置于所述锥头机构和所述机身机构之间，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时实现如权利要求1至8任一项所述内焊机对口方法的步骤。
11.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器加载并执行时，实现如权利要求1至8任一项所述内焊机对口方法的步骤。
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