專利名稱：焊縫自主跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種用于焊接技術(shù)領(lǐng)域的焊縫跟蹤方法，具體是一種焊縫自主跟蹤方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在工業(yè)主要工作在示教再現(xiàn)的工作模式，在焊接新工件前需要依靠大量的人力對(duì)焊縫進(jìn)行示教，這一點(diǎn)在小批量生產(chǎn)時(shí)尤為明顯。另一方面示教的機(jī)器人不能感知工件尺寸、裝夾位置等的變化，當(dāng)這些因素變化時(shí)，焊接質(zhì)量會(huì)下降。因此，依靠視覺(jué)自動(dòng)的生成焊縫坐標(biāo)具有重要的意義，能夠提高生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量，并有助于提高機(jī)器人弧焊的智能化水平。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，熊震宇等人在《焊接學(xué)報(bào)》(2003，Vol24，No.537-41)上發(fā)表的“基于旋轉(zhuǎn)電弧傳感的空間位置曲線焊縫跟蹤”。文中以理想狀態(tài)的旋轉(zhuǎn)電弧傳感信號(hào)處理方法為基礎(chǔ)，研究了平焊、橫焊及立焊位置焊縫偏差的識(shí)別方法。采用了模糊控制方法，設(shè)計(jì)了機(jī)器人焊縫跟蹤控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有了空間曲線焊縫的自動(dòng)跟蹤的優(yōu)點(diǎn)。但也有如下的不足，需要提前示教一條直線軌跡，且因?yàn)橹辉诤附訒r(shí)調(diào)整焊槍，調(diào)整過(guò)程會(huì)反映到焊道中去，會(huì)影響跟蹤精度和焊道成型。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種焊縫自主跟蹤方法，使其能夠自動(dòng)的生成曲線焊縫或折線焊縫在機(jī)器人基坐標(biāo)系下坐標(biāo)，且焊縫曲線可以是閉合的，另外能夠在焊接時(shí)自動(dòng)的把CCD攝像機(jī)調(diào)整到合適的取像位置，具有很高的實(shí)用價(jià)值。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明在自然光下，在把焊槍導(dǎo)引到焊縫的起始點(diǎn)后，使用焊縫斜前方CCD攝像機(jī)，不斷的獲取槍尖前方一小段焊縫的圖像，在主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理獲取槍尖與焊縫間的偏差以及這小段焊縫的角度等信息，根據(jù)這些信息控制機(jī)器人沿焊縫前進(jìn)，并通過(guò)傳感器上的伺服電機(jī)調(diào)整攝像機(jī)的取像方位，同時(shí)定時(shí)記錄用焊縫偏差值修正后機(jī)器人坐標(biāo)值以及用焊縫角度修正后伺服電機(jī)的角度值，生成焊縫在機(jī)器人基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)以及攝像機(jī)在合適取像方位時(shí)伺服電機(jī)的角度值。當(dāng)機(jī)器人沿焊縫走完一遍后，主控計(jì)算機(jī)控制機(jī)器人回到焊縫起點(diǎn)，并把減光和濾光片移到攝像機(jī)的前方，開(kāi)始沿焊縫焊接。用此方法過(guò)對(duì)低碳鋼曲線焊縫和鍛鋁曲線焊縫進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明該方法具有很高的實(shí)用價(jià)值。
以下對(duì)本發(fā)明方法作進(jìn)一步說(shuō)明，步驟如下(1)據(jù)“五點(diǎn)標(biāo)定法”對(duì)焊接機(jī)器人控制點(diǎn)(焊槍尖端點(diǎn))進(jìn)行精確標(biāo)定。
(2)對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的標(biāo)定。為簡(jiǎn)化所研究問(wèn)題的難度，又不失實(shí)用性，在跟蹤時(shí)工件將固定水平工作臺(tái)上，焊槍與工件垂直。另外鎢極尖與工件間的距離保持在5mm左右。在此基礎(chǔ)上對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的標(biāo)定，標(biāo)定槍尖點(diǎn)在圖像上的位置點(diǎn)，單位為象素。標(biāo)定在槍尖附近圖像縱軸方向上單位象素對(duì)應(yīng)的真實(shí)尺寸值，單位為毫米每象素。以及標(biāo)定傳感器中伺服電機(jī)的單位角度值所對(duì)應(yīng)圖像中的角度。
(3)對(duì)槍尖前方一小段圖像進(jìn)行處理，獲得焊縫的中心線，并進(jìn)行特征提取，求取焊縫偏差和焊縫角度。此外根據(jù)每楨圖像處理后的特征判斷焊縫是否結(jié)束。圖像處理主要過(guò)程為濾波、自動(dòng)閾值二值化、細(xì)化。當(dāng)進(jìn)行送絲時(shí)需要在二值化前在圖像中去除焊絲所成的像。特征提取主要是對(duì)焊縫中心線進(jìn)行直線擬合，求取該直線在圖像縱軸方向上與槍尖點(diǎn)的距離，即焊縫偏差，規(guī)定槍尖點(diǎn)在焊縫下方時(shí)偏差為正；求取槍尖點(diǎn)處直線與圖像橫軸的夾角，即焊縫角度，規(guī)定槍尖點(diǎn)右面的一段焊縫斜向上時(shí)角度為正，斜向下時(shí)角度為負(fù)。一幅圖像處理和特征提取完成后，直接進(jìn)行下一幅圖像的處理。
(4)根據(jù)焊縫偏差和角度，按偏差和角度的大小確定各自的步長(zhǎng)，以增量的方式發(fā)送給機(jī)器人控制器，控制機(jī)器人沿焊縫運(yùn)動(dòng)及調(diào)整攝像機(jī)的取像方位。循環(huán)發(fā)送增量消除偏差并調(diào)整攝像機(jī)角度后，讀取圖像處理和特征提取的結(jié)果進(jìn)行下一次控制。同時(shí)，從機(jī)器人控制器讀出機(jī)器人的位置值以及傳感器中的伺服電機(jī)的角度值，記錄用焊縫偏差值修正后機(jī)器人坐標(biāo)值以及用焊縫角度修正后伺服電機(jī)的角度值。
(5)步驟(3)、(4)同時(shí)運(yùn)行，步驟(4)按步驟(3)的結(jié)果控制機(jī)器人，直到焊縫結(jié)束或手動(dòng)停止跟蹤。
(6)根據(jù)第一個(gè)記錄的坐標(biāo)值，控制機(jī)器人回到焊縫的起始點(diǎn)，準(zhǔn)備焊接。
如果在傳感器上放置半導(dǎo)體激光器，利用三角測(cè)量法獲得焊縫的高度信息，自主跟蹤三維曲線焊縫。
本發(fā)明應(yīng)用在焊接機(jī)器人上，能夠?qū)崿F(xiàn)焊縫的自主跟蹤，自動(dòng)生成焊縫在機(jī)器人基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)?？梢允购附訖C(jī)器人擺脫傳統(tǒng)的示教工作模式，直接應(yīng)用自主跟蹤生成的焊縫坐標(biāo)進(jìn)行焊接，這對(duì)于提高小批量焊接生產(chǎn)的生產(chǎn)率和焊接質(zhì)量具有很大的意義，而且特別適合極限環(huán)境(核電站、太空等)下的焊接。使用本發(fā)明可以生成曲線焊縫的坐標(biāo)，且焊縫曲線可以是閉合的，這使得本發(fā)明適合大型閉合曲線焊縫的焊接。此外使用本發(fā)明為在焊接曲線焊縫時(shí)進(jìn)行利用被動(dòng)視覺(jué)進(jìn)行熔透控制提供了便利，因?yàn)槭褂帽景l(fā)明對(duì)攝像機(jī)的取像位置規(guī)劃后，焊接時(shí)熔池在攝像機(jī)中所成的像的方位基本不變。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明方法作進(jìn)一步的理解，實(shí)施例采用的焊接機(jī)器人伺服雙目視覺(jué)傳感器包括伺服電機(jī)、同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)、兩個(gè)小型CCD攝像機(jī)、氣動(dòng)系統(tǒng)、減光和濾光系統(tǒng)、內(nèi)外兩個(gè)空心軸、端蓋及各種支架。同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)包括小齒輪、同步帶和大齒輪，氣動(dòng)系統(tǒng)包括一個(gè)電磁氣閥和兩個(gè)氣缸。減光及濾光系統(tǒng)包括減光鏡片、濾光鏡片以及鏡片支架、連桿及滑桿和支架。其特點(diǎn)是CCD攝像機(jī)可繞焊槍作可控角度旋轉(zhuǎn)以保持需要的取像方位以及自動(dòng)加載或移開(kāi)濾光片和減光片。傳感器上的伺服電機(jī)作為機(jī)器人的外部軸受機(jī)器人的控制器管理，軟件接口為主控計(jì)算機(jī)通過(guò)向機(jī)器人發(fā)送增量數(shù)據(jù)，控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和CCD攝像機(jī)繞焊槍轉(zhuǎn)動(dòng)，且可以讀取機(jī)器人的位姿值和傳感器上伺服電機(jī)的角度值，控制周期為16mm。主控計(jì)算機(jī)和機(jī)器人控制器之間采用CAN總線進(jìn)行通訊。CCD攝像機(jī)的鏡頭焦距為4.8mm。
跟蹤時(shí)，規(guī)定在焊縫起點(diǎn)處，CCD攝像機(jī)位于y軸的正方向上，機(jī)器人控制焊槍在基坐標(biāo)系y軸方向上，先沿正方向運(yùn)動(dòng)。
步驟(1)，利用工業(yè)機(jī)器人提供的工具坐標(biāo)標(biāo)定功能，對(duì)焊接機(jī)器人控制點(diǎn)(焊槍尖端點(diǎn))進(jìn)行精確標(biāo)定。
步驟(2)，在跟蹤時(shí)工件將固定水平工作臺(tái)上，焊槍與工件垂直，鎢極尖與工件間的距離保持在5mm，在此基礎(chǔ)上對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的標(biāo)定，標(biāo)定槍尖點(diǎn)在圖像上的位置點(diǎn)，標(biāo)定在槍尖附近圖像縱軸方向上單位象素對(duì)應(yīng)的真實(shí)尺寸值，以及標(biāo)定傳感器中伺服電機(jī)的單位角度值所對(duì)應(yīng)圖像中的角度。標(biāo)定后，標(biāo)定結(jié)果寫進(jìn)程序中。
步驟(3)，用圖像采集卡，把CCD攝像機(jī)的圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像，循環(huán)采集到內(nèi)存中的圖像大小為300×400象素。在該圖像中圖像處理的區(qū)域?yàn)闃尲恻c(diǎn)前方一小段焊縫的圖像，大小為140×140象素，獲得焊縫的中心線，并進(jìn)行特征提取，求取焊縫偏差和焊縫角度，根據(jù)每楨圖像處理后的特征判斷焊縫是否結(jié)束。把處理區(qū)域的圖像和未處理區(qū)域的圖像一起顯示，這樣可以直觀的顯示跟蹤的效果。
步驟(4)，根據(jù)焊縫偏差和角度，以增量的方式發(fā)送給機(jī)器人控制器，控制機(jī)器人的基本策略是當(dāng)焊縫偏差為零時(shí)，使機(jī)器人沿焊縫方向以恒定的速度V前進(jìn)，當(dāng)有偏差時(shí)，機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，在機(jī)器人基坐標(biāo)系的x軸方向上，以速度Vx0消除焊縫偏差在x軸方向上的分量，焊縫偏差的方向與x軸的夾角由傳感器中伺服電機(jī)的角度確定。為了提高消除偏差的速度與精度，當(dāng)偏差在x軸上的分量較大時(shí)，把Vx0設(shè)定為較大值；當(dāng)較小時(shí)，把Vx0設(shè)定為較小值。根據(jù)焊縫角度調(diào)整攝像機(jī)的角度使焊縫角度調(diào)整到±5°范圍內(nèi)，角度的步長(zhǎng)同樣采用當(dāng)焊縫較大時(shí)，把步長(zhǎng)設(shè)定為較大值的原則。
步驟(5)，(3)(4)同時(shí)運(yùn)行，步驟(4)按步驟(3)的結(jié)果控制機(jī)器人，直到焊縫結(jié)束和手動(dòng)停在跟蹤；步驟(6)，根據(jù)第一點(diǎn)記錄點(diǎn)的坐標(biāo)值，控制機(jī)器人回到焊縫的起始點(diǎn)，準(zhǔn)備焊接。
本發(fā)明方法中的步驟(3)、(4)、(5)、(6)，均在主控計(jì)算機(jī)中用編程的方式實(shí)現(xiàn)。在步驟(4)中記錄用焊縫偏差值修正后機(jī)器人坐標(biāo)值以及用焊縫角度修正后伺服電機(jī)的角度值采用多媒體定時(shí)器技術(shù)，以200ms為時(shí)間間隔定時(shí)記錄。步驟(5)中的步驟(3)和步驟(4)同時(shí)運(yùn)行，在編程中采用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
以本發(fā)明的方法，對(duì)低碳鋼和鍛鋁的對(duì)接“S”型焊縫進(jìn)行跟蹤試驗(yàn)，縫隙寬度為1mm，生成的焊縫坐標(biāo)值與實(shí)際焊縫坐標(biāo)值的偏差小于0.3mm，焊縫在圖像中與橫軸的角度小于2°，選用大焦距的鏡頭可以進(jìn)一步提高精度。該方法實(shí)用性好，獲得的焊縫坐標(biāo)精度高。
當(dāng)使用攝像機(jī)位置不能運(yùn)動(dòng)的一般傳感器時(shí)，只要在本發(fā)明方法中稍作改動(dòng)，在步驟(2)中加上焊槍的軸線與攝像機(jī)的軸線在同一平面上且該平面與機(jī)器人基坐標(biāo)系的x軸垂直的限定，并在(4)中不對(duì)傳感器的伺服電機(jī)進(jìn)行控。使用本方法也能自主跟蹤一些曲線焊縫。
權(quán)利要求
1.一種焊縫自主跟蹤方法，其特征在于，在自然光下，使用焊縫斜前方CCD攝像機(jī)，持續(xù)獲取槍尖前方一小段焊縫的圖像，在主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理獲取槍尖與焊縫間的偏差以及這小段焊縫的角度信息，根據(jù)這些信息控制機(jī)器人沿焊縫前進(jìn)，并通過(guò)傳感器上的伺服電機(jī)調(diào)整攝像機(jī)的取像方位，同時(shí)定時(shí)記錄用焊縫偏差值修正后機(jī)器人坐標(biāo)值以及用焊縫角度修正后伺服電機(jī)的角度值，生成焊縫在機(jī)器人基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)以及攝像機(jī)在需要取像方位時(shí)伺服電機(jī)的角度值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊縫自主跟蹤方法，其特征是，通過(guò)步驟對(duì)其作進(jìn)一步限定(1)據(jù)“五點(diǎn)標(biāo)定法”對(duì)焊接機(jī)器人控制點(diǎn)即焊槍尖端點(diǎn)進(jìn)行精確標(biāo)定；(2)對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的標(biāo)定包括標(biāo)定槍尖點(diǎn)在圖像上的位置點(diǎn)，在槍尖附近圖像縱軸方向上單位象素對(duì)應(yīng)的真實(shí)尺寸值，以及傳感器中伺服電機(jī)的單位角度值所對(duì)應(yīng)圖像中的角度；(3)對(duì)焊縫前方一小段圖像進(jìn)行處理，獲得焊縫的中心線，并進(jìn)行特征提取，求取焊縫偏差和焊縫角度，此外根據(jù)每楨圖像處理后的特征判斷焊縫是否結(jié)束；(4)根據(jù)焊縫偏差和角度，以增量的方式發(fā)送給機(jī)器人控制器，控制機(jī)器人沿焊縫運(yùn)動(dòng)及調(diào)整攝像機(jī)的取像方位，并從機(jī)器人控制器讀出機(jī)器人的位置值以及傳感器中的伺服電機(jī)的角度值，記錄用焊縫偏差值修正后機(jī)器人坐標(biāo)值以及用焊縫角度修正后伺服電機(jī)的角度值；(5)步驟(3)(4)同時(shí)運(yùn)行，步驟(4)按步驟(3)的結(jié)果控制機(jī)器人，直到焊縫結(jié)束和手動(dòng)停在跟蹤；(6)根據(jù)第一點(diǎn)記錄點(diǎn)的坐標(biāo)值，控制機(jī)器人回到焊縫的起始點(diǎn)，準(zhǔn)備焊接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊縫自主跟蹤方法，其特征是，或者在傳感器上放置半導(dǎo)體激光器，利用三角測(cè)量法獲得焊縫的高度信息，自主跟蹤三維曲線焊縫。
全文摘要
一種焊接技術(shù)領(lǐng)域的焊縫自主跟蹤方法，在自然光下，使用焊縫斜前方CCD攝像機(jī)，持續(xù)獲取槍尖前方一小段焊縫的圖像，在主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理獲取槍尖與焊縫間的偏差以及這小段焊縫的角度信息，根據(jù)這些信息控制機(jī)器人沿焊縫前進(jìn)，并通過(guò)傳感器上的伺服電機(jī)調(diào)整攝像機(jī)的取像方位，同時(shí)定時(shí)記錄用焊縫偏差值修正后機(jī)器人坐標(biāo)值以及用焊縫角度修正后伺服電機(jī)的角度值，生成焊縫在機(jī)器人基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)以及攝像機(jī)在需要取像方位時(shí)伺服電機(jī)的角度值。本發(fā)明能夠自動(dòng)的生成曲線焊縫或折線焊縫在機(jī)器人基坐標(biāo)系下坐標(biāo)，且焊縫曲線可以是閉合的，另外能夠在焊接時(shí)自動(dòng)的把CCD攝像機(jī)調(diào)整到合適的取像位置，具有很高的實(shí)用價(jià)值。
文檔編號(hào)B25J13/00GK1600488SQ20041006732
公開(kāi)日2005年3月30日 申請(qǐng)日期2004年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月21日
發(fā)明者周律, 林濤, 陳善本, 陳文杰, 陳希章 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)