一种激光视觉引导的焊接轨迹自动跟踪系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种激光视觉引导的焊接轨迹自动跟踪系统，包括具有图像处理装置的嵌入式工控机、激光视觉传感器，焊接机器人，配套焊接设备及工件夹持工作台，激光视觉传感器通过激光传感器固定元件在焊接方向上超前平行安装于焊枪上，焊枪通过焊枪固定元件安装在焊接机器人的末端法兰盘上，所述的嵌入式工控机与激光视觉传感器电路连接。本发明专利技术还公开了一种激光视觉引导的焊接轨迹自动跟踪方法。本发明专利技术无需事先示教的过程，通过实时检测跟踪提高了焊接生产效率及自适应能力；同时避免了超前检测引起的跟踪滞后问题，解决了传感器与焊枪距离过近时强烈的弧光辐射、高温、烟尘等因素导致特征图像耦合大量噪声，从而制约系统实时性及跟踪精度的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及焊接轨迹自动跟踪领域，特别涉及一种激光视觉引导的焊接轨迹自动跟踪系统及方法。
技术介绍
随着自动化技术的发展，焊接机器人在工业领域得到了广泛应用，已成为主要的焊接自动化装备。目前机器人焊接方法主要以“示教再现”模式为主，即用户引导机器人，机器人在导引过程中自动记忆示教的每个动作的位置、姿态、运动参数、焊接参数等，并自动生成一个连续执行全部操作的程序。完成示教后，只需给机器人一个起动命令，机器人通过示教编程存储起来的工作程序重复完成预期焊接工作。但在焊接过程中由于各种因素的影响，如振动、加工误差、夹具装夹精度和工件热变形等引起实际焊缝路径偏离示教轨迹，从而造成焊接质量下降甚至失效。而且若对每一次焊接工件都进行一次示教，大大降低了焊接效率。因而要求焊接机器人能够实时检测出焊缝的偏差，自动调整焊接轨迹，实现自适应和高精度的焊接。为解决该问题，各种焊接传感器如电弧传感、接触传感、超声波传感、视觉传感应运而生。其中电弧传感由于电流变化和电弧长度之间的精确模型较难建立，影响了焊缝信号检测的精度；接触式传感要求对应不同型式的坡口使用不同的探头，探头磨损大、易变形，且难以克服固点障碍；超声波传感要求传感器贴近工件，因此受焊接方法和工件尺寸等的严格限制，且需考虑外界震动、传播时间等因素，对金属表面状况要求高，使其应用范围受到限。视觉传感具有非接触特性、获取信息丰富等优点，使用CCD摄像机拍摄焊缝图像，图像易受到电弧等噪声的严重干扰而退化，导致特征提取不易。为解决该问题，采用基于激光视觉的焊缝跟踪系统，利用单色性、相干性和方向性均非常好的激光，作为外加辅助光源来获取表征焊缝结构的激光条纹，该技术结合了计算机视觉与激光三维视觉测量技术，具有获取信息丰富、焊缝特征明显、抗干扰能力强等优点。但在焊接过程中，由于激光视觉传感器超前于焊枪，激光条纹与熔池有一定间距，该间距越小则更易实现精确的跟踪控制，从而使得跟踪精度越高。然而该间距≤30mm后，受电弧光、烟尘和飞溅等因素的干扰，特别是在焊接电流超过300A中后，现场采集到的跟踪图像中往往覆盖有大量噪声，导致特征信号不明显甚至被淹没，使得实际跟踪精度难以达到系统的理论精度。从含有强烈噪声干扰的图像中识别出焊缝，快速、准确获取其位置是实时焊缝跟踪中重要的问题，现有的算法多数只从形态学方面进行特征提取，难以适应焊枪与传感器距离太短的焊接环境。本专利技术因此托出，设计了能够实时检测并跟踪焊缝路径的激光视觉引导的焊接轨迹自动跟踪系统，充分利用采集图像中激光光带及背景噪声的空间一致性，提出了能够持续有效地从噪声污染的图像中获得焊缝特征的基于概率连续模型的焊缝跟踪方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种激光视觉引导的焊接轨迹自动跟踪系统，旨在解决焊接机器人“示教再现”式焊接效率低、通用性差、灵活性低的问题，同时解决了现有自动化焊缝识别方法自适应能力差的问题，实现精确的自动化焊接。本专利技术的另一目的是提供一种激光视觉引导的焊接轨迹自动跟踪中能够持续有效地从噪声污染的图像中获得焊缝特征的跟踪方法。本专利技术的第一目的通过下述技术方案来实现：一种激光视觉引导的焊接轨迹自动跟踪系统，包括具有图像处理装置的嵌入式工控机、激光视觉传感器，焊接机器人，配套焊接设备及工件夹持工作台，工件固定在夹持工作台上，所述激光视觉传感器通过激光传感器固定元件在焊接方向上超前平行安装于焊枪上，焊枪通过焊枪固定元件安装在焊接机器人的末端法兰盘上，激光视觉传感器和焊枪通过焊接机器人各轴的运动而改变其在空间的位置，所述配套焊接设备为焊接提供能量及材料，所述的嵌入式工控机与激光视觉传感器电路连接，用于根据激光视觉传感器获取的图像识别跟踪对象并准确确定其位置，将所计算得到的位置偏差传输给焊接机器人的控制器，实时修正焊枪运动轨迹，实现精确的在线自动焊接。进一步地，所述激光视觉传感器包括黑色氧化处理的传感器外壳、相机、透光性隔板、激光发生器，所述相机和激光发生器固定在传感器外壳内，所述透光性隔板固定在传感器外壳上且位于所述相机和激光发生器前端。进一步地，所述的透光性隔板采用透光率为90％～95％聚碳酸酯板。进一步地，所述的相机采用CMOS相机，所述的CMOS相机高速采集携带焊缝信息的特征条纹图像，并实时通过千兆工业以太网接口将图像数据传输到嵌入式工控机的图像处理装置。进一步地，所述的激光发生器为三线激光发生器，其波长为645～655nm，功率为30～35mW，三道线激光投射在焊缝表面形成表征焊缝轮廓特征的结构光条纹，能够在焊接现场弧光和烟尘严重干扰将特征条纹与噪声界定开来。本专利技术的另一目的采用如下技术方案实现：一种基于所述系统的激光视觉引导的焊接轨迹自动跟踪方法，包括步骤：S1、调整焊接机器人的空间位置和姿态，使固定激光视觉传感器的焊枪处于初始焊接位置，且激光线处于相机视场范围内，又要保证在连续自动焊缝识别及跟踪过程中，工件不会与激光视觉传感器发生干涉；S3、焊接开始前激光视觉传感器中的相机先采集特征条纹图像并发送到图像处理装置，通过调用Halcon软件的库函数进行初始化检测及定位，得到焊缝起始位置；S4、焊接开始后激光视觉传感器的相机以20K采样频率连续采集图像，并发送至图像处理装置进行处理计算；S5、进行当前时刻焊缝位置预测，根据上一时刻焊缝的状态信息zt-1，使用服从高斯分布的运动模型p(zt|zt-1)＝N(zt；zt-1,Ψ)进行粒子滤波来预测候选状态，并存储所有状态时的图像特征值用于最佳统计决策，模型中Ψ为对角协方差矩阵，其元素对应仿射变换参数的方差；S6、进行焊缝位置更新修正，利用直至当前时刻t的所有观测值y1:t＝{y1,y2,...,yt本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光视觉引导的焊接轨迹自动跟踪系统，其特征在于：包括具有图像处理装置的嵌入式工控机(1)、激光视觉传感器(4)，焊接机器人(5)，配套焊接设备(6)及工件夹持工作台(2)，工件(3)固定在夹持工作台(2)上，所述激光视觉传感器(4)通过激光传感器固定元件在焊接方向上超前平行安装于焊枪上，焊枪通过焊枪固定元件安装在焊接机器人(5)的末端法兰盘上，所述配套焊接设备6)为焊接提供能量及材料，所述的嵌入式工控机(1)与激光视觉传感器(4)电路连接，用于根据激光视觉传感器(4)获取的图像识别跟踪对象并准确确定其位置，将所得到的位置偏差传输给焊接机器人(5)的控制器，实时修正焊枪运动轨迹，实现精确的在线自动焊接。

【技术特征摘要】
1.一种激光视觉引导的焊接轨迹自动跟踪系统，其特征在于：包括具有图像处理装置的嵌入式工控机(1)、激光视觉传感器(4)，焊接机器人(5)，配套焊接设备(6)及工件夹持工作台(2)，工件(3)固定在夹持工作台(2)上，所述激光视觉传感器(4)通过激光传感器固定元件在焊接方向上超前平行安装于焊枪上，焊枪通过焊枪固定元件安装在焊接机器人(5)的末端法兰盘上，所述配套焊接设备6)为焊接提供能量及材料，所述的嵌入式工控机(1)与激光视觉传感器(4)电路连接，用于根据激光视觉传感器(4)获取的图像识别跟踪对象并准确确定其位置，将所得到的位置偏差传输给焊接机器人(5)的控制器，实时修正焊枪运动轨迹，实现精确的在线自动焊接。2.根据权利要求1所述的激光视觉引导的焊接轨迹自动跟踪系统，其特征在于：所述激光视觉传感器(4)包括黑色氧化处理的传感器外壳(41)、相机(42)、透光性隔板(43)、激光发生器(44)，所述相机(42)和激光发生器(44)固定在传感器外壳(41)内，所述透光性隔板43)固定在传感器外壳(41)上且位于所述相机(42)和激光发生器(44)前端。3.根据权利要求2所述的激光视觉引导的焊接轨迹自动跟踪系统，其特征在于：所述的透光性隔板(43)采用透光率为90％～95％的聚碳酸酯板。4.根据权利要求2所述的激光视觉引导的焊接轨迹自动跟踪系统，其特征在于：所述的相机(42)采用CMOS相机，所述的CMOS相机高速采集携带焊缝信息的特征条纹图像...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹焱飚，周卫林，王研博，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44