CN117773334B - 一种汽车天窗框自动焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动焊接技术领域，具体涉及一种汽车天窗框自动焊接装置。该装置利用子区域之间灰度值的相对复杂程度设置初始焊接路径。在焊接过程中，分析初始焊接路径中相邻子区域之间差异获得区域匹配系数，进而获得每个未焊接子区域的路径匹配系数，结合实时焊接子区域与每个未焊接子区域之间的相似度获得初始焊接效率增益，通过实时焊接子区域与相邻未焊接子区域之间的区域匹配系数对初始焊接效率增益进行调整，获得最终焊接效率增益并调整初始焊接路径，根据修正焊接路径进行自动焊接。本发明通过动态调整焊接路径避免了自动焊接过程中焊接参数的频繁变化，增加了焊接效率。

Description

一种汽车天窗框自动焊接装置

技术领域

本发明涉及自动焊接技术领域，具体涉及一种汽车天窗框自动焊接装置。

背景技术

汽车天窗框焊接是汽车制造过程中的重要流程，现代化焊接流程中可直接利用机器人施行自动的激光焊接，通过规定焊接机器人的焊接路径，机器人可移动机械臂按照规定的焊接路径进行自动焊接。

由于焊接过程中焊接场景较为复杂，机器人为了能够对汽车天窗框进行有效焊接，会在每个焊接位置自适应改变焊接参数，现有技术中对于焊接路径的调整并未考虑到焊接区域的复杂性以及焊接区域之间的关联性，导致焊接路径设置不合理，自动焊接过程中机器人会频繁调整焊接参数，影响焊接效率。

发明内容

为了解决现有技术中对于自动焊接路径设置不合理进而影响自动焊接效率的技术问题，本发明的目的在于提供一种汽车天窗框自动焊接装置，所采用的技术方案具体如下：

本发明提出了一种汽车天窗框自动焊接装置，所述装置包括：

初始焊接路径规划模块，用于获取激光焊接前的待焊接汽车天窗框的表面图像，在所述表面图像上划分多个子区域，根据子区域之间灰度值的相对复杂程度对子区域进行排序，获得初始焊接路径；

焊接过程分析模块，用于根据所述初始焊接路径对待焊接汽车天窗框进行自动焊接；在所述初始焊接路径中，根据相邻子区域之间的差异获得区域匹配系数；根据每个未焊接子区域与邻域内其他未焊接子区域之间的区域匹配系数，获得每个未焊接子区域的路径匹配系数；根据实时焊接子区域与每个未焊接子区域之间的相似度，以及所述路径匹配系数，获得实时焊接子区域相对于每个未焊接子区域之间的初始焊接效率增益；根据实时焊接子区域与其相邻未焊接子区域之间的区域匹配系数调整所述初始焊接效率增益，获得最终焊接效率增益；

焊接路径修正模块，用于根据所述最终焊接效率增益对所述初始焊接路径中未焊接子区域的位置进行排序，获得修正焊接路径并进行焊接。

进一步地，所述相对复杂程度的获取方法包括：

获得每个子区域内灰度值的混乱程度；获得每个子区域与每个其他子区域之间的混乱程度差值，将每个子区域的混乱程度差值求平均，获得每个子区域的所述相对复杂程度。

进一步地，所述初始焊接路径获取方法包括：

根据所述相对复杂程度将所述子区域进行升序排序，获得所述初始焊接路径。

进一步地，所述区域匹配系数的获取方法包括：

将所述相邻子区域之间平均灰度值的差异作为第一差异；

将每个子区域中灰度中位数与平均灰度值的差异作为每个子区域的特征差异，将相邻子区域之间的特征差异的差异作为第二差异；

根据所述第一差异和所述第二差异获得所述区域匹配系数，所述第一差异和所述第二差异均与所述区域匹配系数呈负相关关系。

进一步地，所述路径匹配系数的获取方法包括：

将每个未焊接子区域与邻域内其他未焊接子区域之间的区域匹配系数平均值作为所述路径匹配系数。

进一步地，所述初始焊接效率增益的获取方法包括：

获取实时焊接子区域与每个未焊接子区域之间的图像余弦相似度，将所述图像余弦相似度与对应所述未焊接子区域的所述路径匹配系数的比值进行归一化，获得所述初始焊接效率增益。

进一步地，所述最终焊接效率增益的获取方法包括：

获取实时焊接子区域与其相邻未焊接子区域之间的区域匹配系数与所述初始焊接效率增益的比值，并进行负相关映射并归一化，获得所述最终焊接效率增益。

进一步地，所述修正焊接路径的获取方法包括：

将实时焊接子区域与每个未焊接子区域之间的最终焊接效率增益的最大值作为特征值，判断所述特征值是否满足修正条件，若满足修正条件，则将所述特征值对应的未焊接子区域作为所述实时焊接子区域的下一个焊接子区域。

进一步地，若所述特征值大于预设判断阈值，则判断满足修正条件。

进一步地，所述混乱程度为所述子区域内灰度值的信息熵。

本发明具有如下有益效果：

本发明实施例首先根据汽车天窗框表面信息的复杂度进行初始焊接路径的获取，即根据初始焊接路径进行焊接能够具有较好的焊接效率。对初始焊接路径进行进一步的调整，在焊接过程中，利用路径匹配系数表征未焊接子区域邻域的焊接路径的合适程度，进一步获得实时焊接子区域与每个未焊接子区域之间的初始焊接效率增益，利用初始焊接效率增益表征实时焊接子区域与对应未焊接子区域之间的匹配度，若初始焊接效率增益较大则说明实时焊接子区域的下一个焊接区域更适合为对应的未焊接子区域，进一步考虑到初始焊接路径中实时焊接子区域对应的相邻未焊接子区域之间的区域匹配系数，获得最终焊接效率增益。即若实时焊接子区域与相邻未焊接子区域之间匹配度较低，但是与其他未焊接子区之间的初始焊接效率增益较大，则说明此时更适合修正焊接路径，通过修正焊接路径能够获得更合理、焊接效率更高的修正焊接路径，进而执行焊接操作即可增加整个焊接流程的效率，保证汽车天窗框的焊接质量。

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和优点，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的介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明一个实施例所提供的一种汽车天窗框自动焊接装置结构框图。

具体实施方式

为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种汽车天窗框自动焊接装置，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的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。

下面结合附图具体的说明本发明所提供的一种汽车天窗框自动焊接装置的具体方案。

请参阅图1，其示出了本发明一个实施例提供的一种汽车天窗框自动焊接装置结构框图，该装置包括：初始焊接路径规划模块101，焊接过程分析模块102，焊接路径修正模块103。

初始焊接路径规划模块101用于获取激光焊接前的待焊接汽车天窗框的表面图像，在表面图像上划分多个子区域，根据子区域之间灰度值的相对复杂程度对子区域进行排序，获得初始焊接路径。

在本发明实施例中，初始焊接路径规划模块101具体包括高清摄像头，通过高清摄像头采集整个待焊接汽车天窗框的全景信息，获得表面图像。

因为在汽车天窗的自动焊接过程中，焊接机器人的焊接参数的调节复杂度成线性变化的方式能够降低焊接过程的操作复杂性，因此对应的焊接路径也需要从简单场景逐步变化到复杂场景的顺序进行设置。因此首先将表面图像划分为多个子区域，即每个子区域表示汽车天窗框上的一部分局部区域，通过规划子区域的焊接顺序即可获得焊接路径。对于汽车天窗框而言，需要焊接的位置上存在大量的纹理信息，如裂纹、缝隙等纹理，这些纹理会产生不同的灰度值分布和大小，因此在图像上焊接环境越复杂，则对应的灰度值越复杂，因此根据子区域之间灰度值的相对复杂度对子区域进行排序，获得初始焊接路径。即相对复杂度越大说明子区域相对于其他子区域而言越具有明显的灰度值复杂特征，在焊接路径上越需要靠后。

在本发明一个实施例中，子区域大小设置为5×5大小，在表面图像上进行均匀分割，获得所有子区域。

优选地，相对复杂程度的获取方法包括：获得每个子区域内灰度值的混乱程度；获得每个子区域与每个其他子区域之间的混乱程度差值，将每个子区域的混乱程度差值求平均，获得每个子区域的相对复杂程度。若某个子区域的混乱程度总是小于其他子区域的混乱程度，则对应的混乱程度差值总为负值，经过求平均后其相对复杂程度也为负值，即相对复杂程度越小说明对应子区域内的焊接环境越不复杂，相对于其他子区域而言，该子区域越需要提前进行焊接；反之，若某个子区域的混乱程度总是大于其他子区域的混乱程度，则对应的混乱程度差值总为较大的正值，经过求平均后其相对复杂程度也为较大的正值，则说明相对复杂程度越大说明对应在企业内的焊接环境越复杂，相对于其他子区域而言，该子区域越需要滞后进行焊接。在本发明一个实施例中，相对复杂程度用公式表示为：

；其中，/>为第/>个子区域的相对复杂程度，/>为除第/>个子区域之外的其他子区域的数量，/>为第/>个子区域内灰度值的混乱程度，/>第/>个其他子区域内灰度值的混乱程度。

在本发明一个实施例中，混乱程度为所述子区域内灰度值的信息熵，信息熵越大说明子区域内的灰度值分布越混乱。信息熵的计算公式为本领域技术人员熟知的技术手段，在此不做赘述。

在本发明一个实施例中，因为相对复杂程度越大说明对应子区域越不需要优先焊接，因此根据相对复杂程度将子区域进行升序排序即可获得初始焊接路径，即从小到大进行排序，越靠前的子区域越需要优先焊接。

焊接过程分析模块102，用于根据初始焊接路径对待焊接汽车天窗框进行自动焊接；在初始焊接路径中，根据相邻子区域之间的差异获得区域匹配系数；根据每个未焊接子区域与邻域内其他未焊接子区域之间的区域匹配系数，获得每个未焊接子区域的路径匹配系数；根据实时焊接子区域与每个未焊接子区域之间的相似度，以及路径匹配系数，获得实时焊接子区域相对于每个未焊接子区域之间的初始焊接效率增益；根据实时焊接子区域与其相邻未焊接子区域之间的区域匹配系数调整初始焊接效率增益，获得最终焊接效率增益。

由于初始焊接路径是仅根据焊接之前的表面图像进行获取的，在焊接过程中，因为各种因素的影响可能会改变某些子区域表面的焊接环境，例如随着焊接过程的高温和振动，改变某些子区域表面的纹理和结构。因此为了获得更为准确的焊接路径，需要在焊接过程中动态地对焊接路径就行修正和调整。

在沿着初始焊接路径的自动焊接的焊接过程中，首先可根据相邻子区域之间的差异获得区域匹配系数，区域匹配系数能够代表初始焊接路径上相邻子区域之间的匹配程度，匹配程度越大说明相邻两次的焊接过程所需的焊接参数越接近，则说明初始焊接路径的规划越合理，越不需要进行修正。

优选地，在本发明一个实施例中，区域匹配系数的获取方法包括：

将相邻子区域之间平均灰度值的差异作为第一差异。将每个子区域中灰度中位数与平均灰度值的差异作为每个子区域的特征差异，将相邻子区域之间的特征差异的差异作为第二差异。根据第一差异和第二差异获得区域匹配系数，第一差异和第二差异均与区域匹配系数呈负相关关系。即第一差异和第二差异越小，说明相邻两个子区域之间越相似，区域匹配系数越大。在本发明一个实施例中，区域匹配系数的公式表示为：

；其中，/>为第/>个子区域与第/>个子区域的区域匹配系数，/>为自然常数，/>为第/>个子区域内的平均灰度值，/>为第/>个子区域的平均灰度值，/>为第/>个子区域内的最大灰度值，/>为第/>个子区域内的最小灰度值，/>为第/>个子区域内的最大灰度值，/>为第/>个子区域内的最小灰度值。

在区域匹配系数的公式中，通过计算相邻两个子区域之间的特征差异比值与正整数1的差异表征两个子区域之间的第二差异，即比值越接近与1，说明两个子区域之间的特征差异越接近，第二差异越小；比值与1的差异越大，说明两个子区域之间的特征差异越大，第二差异越大。将第一差异和第二差异相乘后利用以自然常数为底数的指数函数进行负相关映射并归一化，获得区域匹配系数。即两个子区域之间的灰度值的特征信息相似度越大说明两个子区域越匹配。其中第一差异通过平均灰度值表征两个子区域之间的整体环境差异，第二差异通过特征差异表征两个子区域之间的环境趋势差异，通过两个维度的差异获取的区域匹配系数能够准确的标准两个子区域之间的匹配关系。

需要说明的是，在本发明其他实施例中，也可采用其他基础数学运算表征差异、相似度、负相关、归一化等，其内容均为本领域技术人员熟知的技术手段，在此不做限定及赘述。

对于每个未焊接子区域而言，其可视为前一个子区域的下一个焊接子区域，也可视为后一个焊接子区域的前一个子区域，即每个焊接子区域在焊接过程中对应前后两个子区域，因此可根据每个未焊接子区域与邻域内其他未焊接子区域之间的区域匹配系数，获得每个未焊接子区域的路径匹配系数，路径匹配系数越大说明未焊接子区域与邻域内的未焊接子区域对应的局部焊接路径越合理，越不需要进行修正。

优选地，在本发明一个实施例中将每个未焊接子区域与邻域内其他未焊接子区域之间的区域匹配系数平均值作为路径匹配系数。

对于实时的焊接过程而言，需要考虑到实时焊接子区域的下一个焊接子区域是否为最合适的焊接子区域，为了避免焊接参数的频繁改变，需要保证下一个焊接子区域与实时焊接子区域最为匹配，并且需要保证不会影响下一个焊接子区域对应的局部路径的焊接效率，因此需要根据实时焊接子区域与每个未焊接子区域之间的相似度，以及未焊接子区域对应的路径匹配系数获得实时焊接子区域相对于每个未焊接子区域之间的初始焊接效率增益。初始焊接效率增益越大说明对应未焊接子区域作为实时焊接子区域的下一个焊接子区域而言具有更好的焊接效率，此时修正焊接路径为更高效率的焊接路径修正方法。

优选地，在本发明一个实施例中，初始焊接效率增益的获取方法包括：

获取实时焊接子区域与每个未焊接子区域之间的图像余弦相似度，将图像余弦相似度与对应未焊接子区域的路径匹配系数的比值进行归一化，获得初始焊接效率增益。即图像余弦相似度越大说明实时焊接子区域与未焊接子区域之间的焊接环境越相似，而路径匹配系数越小，说明在初始焊接路径中未焊接子区域对应的局部焊接路径并非最优路径，因此初始焊接效率增益越大，未焊接子区域为实时焊接子区域的下一个焊接子区域的概率越大；反之，若未焊接子区域的路径匹配系数较大，则说明在初始焊接路径中该部分的局部焊接路径已经为较为合适的路径，不适合再进行修正，因此实时焊接子区域相对于该未焊接子区域的初始焊接效率增益也就越小。

需要说明的是，图像在计算机中可视为一个矩阵，因此可通过对比两个子区域对应的图像矩阵之间的余弦相似度表征两个子区域之间的相似度，余弦相似度的具体计算方法为本领域技术人员熟知的技术手段，在此不做赘述。

在本发明实施例中，归一化可选择最大最小值归一化或者双曲正切函数映射归一化等多种归一化方法，其均为本领域技术人员熟知的技术手段，在此不做限定及赘述。

进一步考虑到对于实时焊接子区域而言，若在原本的初始焊接路径下，其下一个相邻的未焊接路径与其存在较高的匹配关系，则说明实时焊接子区域所在的局部焊接路径为高效率的焊接路径，不需要再进行路径修正，因此在分析实时焊接子区域与每个未焊接子区域之间的焊接效率增益时，还需要考虑到实时焊接子区域与其相邻未焊接子区域之间的区域匹配系数，根据实时焊接子区域与其相邻未焊接子区域之间的区域匹配系数调整初始焊接效率增益，获得最终焊接效率增益。最终焊接效率增益越大，说明实时焊接子区域的下一个焊接子区域越需要进行调整。

优选地，在本发明一个实施例中，最终焊接效率增益的获取方法包括：

获取实时焊接子区域与其相邻未焊接子区域之间的区域匹配系数与初始焊接效率增益的比值，并进行负相关映射并归一化，获得最终焊接效率增益。本发明一个实施例中最终焊接效率增益用公式表示为：

；其中第/>个子区域为实时焊接子区域，/>为实时焊接子区域与第/>个未焊接子区域之间的最终焊接效率增益，/>为自然常数，/>为实时焊接子区域与第/>个未焊接子区域之间的初始焊接效率增益，/>为实时焊接子区域与相邻的未焊接子区域之间的区域匹配系数。

在最终焊接效率增益公式中，初始焊接效率增益越大，实时焊接子区域与相邻的未焊接子区域之间的区域匹配系数越小，则说明实时焊接子区域与第个未焊接子区域之间的最终焊接效率增益越大。在本发明其他实施例中也可选用其他负相关映射并归一化的方法，其内容为本领域技术人员熟知的技术手段，在此不做限定及赘述。

焊接路径修正模块103，用于根据最终焊接效率增益对初始焊接路径中未焊接子区域的位置进行排序，获得修正焊接路径并进行焊接。

最终焊接效率增益表为实时焊接子区域的下一个焊接子区域的筛选指标，根据最终焊接效率增益能够选择出实时焊接子区域的下一个焊接子区域，即实现对初始焊接路径中未焊接子区域的位置进行排序，在每次实时焊接过程中均需要进行同样过程的分析，进而实现动态的修正过程，即所获得的修正焊接路径同样也为一条动态调整的路径，通过不断动态调整焊接路径，直至完成自动焊接。

优选地，在本发明一个实施例中，修正焊接路径的获取方法包括：

将实时焊接子区域与每个未焊接子区域之间的最终焊接效率增益的最大值作为特征值，判断特征值是否满足修正条件，若满足修正条件，则将特征值对应的未焊接子区域作为实时焊接子区域的下一个焊接子区域，进而实现修正焊接路径的获取。在本发明一个实施例中，若特征值大于预设判断阈值，则判断满足修正条件。因为本发明一个实施例中最终焊接效率增益经过了归一化处理，因此将判断阈值设置为0.7。

综上所述，本发明实施例利用子区域之间灰度值的相对复杂程度设置初始焊接路径。在焊接过程中，分析初始焊接路径中相邻子区域之间差异获得区域匹配系数，进而获得每个未焊接子区域的路径匹配系数，结合实时焊接子区域与每个未焊接子区域之间的相似度获得初始焊接效率增益，通过实时焊接子区域与相邻未焊接子区域之间的区域匹配系数对初始焊接效率增益进行调整，获得最终焊接效率增益并调整初始焊接路径，根据修正焊接路径进行自动焊接。本发明通过动态调整焊接路径避免了自动焊接过程中焊接参数的频繁变化，增加了焊接效率。

需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

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。

Claims (5)

1.一种汽车天窗框自动焊接装置，其特征在于，所述装置包括：

初始焊接路径规划模块，用于获取激光焊接前的待焊接汽车天窗框的表面图像，在所述表面图像上划分多个子区域，根据子区域之间灰度值的相对复杂程度对子区域进行排序，获得初始焊接路径；

焊接过程分析模块，用于根据所述初始焊接路径对待焊接汽车天窗框进行自动焊接；在所述初始焊接路径中，根据相邻子区域之间的差异获得区域匹配系数；根据每个未焊接子区域与邻域内其他未焊接子区域之间的区域匹配系数，获得每个未焊接子区域的路径匹配系数；根据实时焊接子区域与每个未焊接子区域之间的相似度，以及所述路径匹配系数，获得实时焊接子区域相对于每个未焊接子区域之间的初始焊接效率增益；根据实时焊接子区域与其相邻未焊接子区域之间的区域匹配系数调整所述初始焊接效率增益，获得最终焊接效率增益；

焊接路径修正模块，用于根据所述最终焊接效率增益对所述初始焊接路径中未焊接子区域的位置进行排序，获得修正焊接路径并进行焊接；

相对复杂程度的获取方法包括：

获得每个子区域内灰度值的混乱程度；获得每个子区域与每个其他子区域之间的混乱程度差值，将每个子区域的混乱程度差值求平均，获得每个子区域的所述相对复杂程度；

所述初始焊接路径获取方法包括：

根据所述相对复杂程度将所述子区域进行升序排序，获得所述初始焊接路径；

所述区域匹配系数的获取方法包括：

将所述相邻子区域之间平均灰度值的差异作为第一差异；

将每个子区域中灰度中位数与平均灰度值的差异作为每个子区域的特征差异，将相邻子区域之间的特征差异的差异作为第二差异；

根据所述第一差异和所述第二差异获得所述区域匹配系数，所述第一差异和所述第二差异均与所述区域匹配系数呈负相关关系；

初始焊接效率增益的获取方法包括：

获取实时焊接子区域与每个未焊接子区域之间的图像余弦相似度，将所述图像余弦相似度与对应所述未焊接子区域的所述路径匹配系数的比值进行归一化，获得所述初始焊接效率增益；

所述最终焊接效率增益的获取方法包括：

获取实时焊接子区域与其相邻未焊接子区域之间的区域匹配系数与所述初始焊接效率增益的比值，并进行负相关映射并归一化，获得所述最终焊接效率增益。

2.根据权利要求1所述的一种汽车天窗框自动焊接装置，其特征在于，所述路径匹配系数的获取方法包括：

将每个未焊接子区域与邻域内其他未焊接子区域之间的区域匹配系数平均值作为所述路径匹配系数。

3.根据权利要求1所述的一种汽车天窗框自动焊接装置，其特征在于，所述修正焊接路径的获取方法包括：

将实时焊接子区域与每个未焊接子区域之间的最终焊接效率增益的最大值作为特征值，判断所述特征值是否满足修正条件，若满足修正条件，则将所述特征值对应的未焊接子区域作为所述实时焊接子区域的下一个焊接子区域。

4.根据权利要求3所述的一种汽车天窗框自动焊接装置，其特征在于，若所述特征值大于预设判断阈值，则判断满足修正条件。

5.根据权利要求1所述的一种汽车天窗框自动焊接装置，其特征在于，所述混乱程度为所述子区域内灰度值的信息熵。