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焊縫進(jìn)行示教，這一點在小批量生產(chǎn)時尤為明顯。另一方面示教的機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，焊接質(zhì)量會下降。因此，依靠視覺自動的生成焊縫坐標(biāo)具有重要的意義，能夠提高生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量，并有助于提高機器人弧焊的智能化水平。
經(jīng)對現(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》(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別方法。采用了模糊控制方法，設(shè)計了機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跟蹤的優(yōu)點。但也有如下的不足，需要提前示教一條直線軌跡，且因為只在焊接時調(diào)整焊槍，調(diào)整過程會反映到焊道中去，會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，使其能夠自動的生成曲線焊縫或折線焊縫在機器人基坐標(biāo)系下坐標(biāo)，且焊縫曲線可以是閉合的，另外能夠在焊接時自動的把CCD攝像機調(diào)整到合適的取像位置，具有很高的實用價值。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明在自然光下，在把焊槍導(dǎo)引到焊縫的起始點后，使用焊縫斜前方CCD攝像機，不斷的獲取槍尖前方一小段焊縫的圖像，在主控計算機進(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)這些信息控制機器人沿焊縫前進(jìn)，并通過傳感器上的伺服電機調(diào)整攝像機的取像方位，同時定時記錄用焊縫偏差值修正后機器人坐標(biāo)值以及用焊縫角度修正后伺服電機的角度值，生成焊縫在機器人基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)以及攝像機在合適取像方位時伺服電機的角度值。當(dāng)機器人沿焊縫走完一遍后，主控計算機控制機器人回到焊縫起點，并把減光和濾光片移到攝像機的前方，開始沿焊縫焊接。用此方法過對低碳鋼曲線焊縫和鍛鋁曲線焊縫進(jìn)行試驗，結(jié)果表明該方法具有很高的實用價值。
以下對本發(fā)明方法作進(jìn)一步說明，步驟如下(1)據(jù)“五點標(biāo)定法”對焊接機器人控制點(焊槍尖端點)進(jìn)行精確標(biāo)定。
(2)對攝像機進(jìn)行簡單的標(biāo)定。為簡化所研究問題的難度，又不失實用性，在跟蹤時工件將固定水平工作臺上，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)上對攝像機進(jìn)行簡單的標(biāo)定，標(biāo)定槍尖點在圖像上的位置點，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應(yīng)的真實尺寸值，單位為毫米每象素。以及標(biāo)定傳感器中伺服電機的單位角度值所對應(yīng)圖像中的角度。
(3)對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。圖像處理主要過程為濾波、自動閾值二值化、細(xì)化。當(dāng)進(jìn)行送絲時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的距離，即焊縫偏差，規(guī)定槍尖點在焊縫下方時偏差為正；求取槍尖點處直線與圖像橫軸的夾角，即焊縫角度，規(guī)定槍尖點右面的一段焊縫斜向上時角度為正，斜向下時角度為負(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，以增量的方式發(fā)送給機器人控制器，控制機器人沿焊縫運動及調(diào)整攝像機的取像方位。循環(huán)發(fā)送增量消除偏差并調(diào)整攝像機角度后，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，從機器人控制器讀出機器人的位置值以及傳感器中的伺服電機的角度值，記錄用焊縫偏差值修正后機器人坐標(biāo)值以及用焊縫角度修正后伺服電機的角度值。
(5)步驟(3)、(4)同時運行，步驟(4)按步驟(3)的結(jié)果控制機器人，直到焊縫結(jié)束或手動停止跟蹤。
(6)根據(jù)第一個記錄的坐標(biāo)值，控制機器人回到焊縫的起始點，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)用在焊接機器人上，能夠?qū)崿F(xiàn)焊縫的自主跟蹤，自動生成焊縫在機器人基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)?？梢允购附訖C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進(jìn)行利用被動視覺進(jìn)行熔透控制提供了便利，因為使用本發(fā)明對攝像機的取像位置規(guī)劃后，焊接時熔池在攝像機中所成的像的方位基本不變。
具體實施例方式
以下結(jié)合實施例對本發(fā)明方法作進(jìn)一步的理解，實施例采用的焊接機器人伺服雙目視覺傳感器包括伺服電機、同步帶傳動系統(tǒng)、兩個小型CCD攝像機、氣動系統(tǒng)、減光和濾光系統(tǒng)、內(nèi)外兩個空心軸、端蓋及各種支架。同步帶傳動系統(tǒng)包括小齒輪、同步帶和大齒輪，氣動系統(tǒng)包括一個電磁氣閥和兩個氣缸。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。其特點是CCD攝像機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加載或移開濾光片和減光片。傳感器上的伺服電機作為機器人的外部軸受機器人的控制器管理，軟件接口為主控計算機通過向機器人發(fā)送增量數(shù)據(jù)，控制機器人運動和CCD攝像機繞焊槍轉(zhuǎn)動，且可以讀取機器人的位姿值和傳感器上伺服電機的角度值，控制周期為16mm。主控計算機和機器人控制器之間采用CAN總線進(jìn)行通訊。CCD攝像機的鏡頭焦距為4.8mm。
跟蹤時，規(guī)定在焊縫起點處，CCD攝像機位于y軸的正方向上，機器人控制焊槍在基坐標(biāo)系y軸方向上，先沿正方向運動。
步驟(1)，利用工業(yè)機器人提供的工具坐標(biāo)標(biāo)定功能，對焊接機器人控制點(焊槍尖端點)進(jìn)行精確標(biāo)定。
步驟(2)，在跟蹤時工件將固定水平工作臺上，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)上對攝像機進(jìn)行簡單的標(biāo)定，標(biāo)定槍尖點在圖像上的位置點，標(biāo)定在槍尖附近圖像縱軸方向上單位象素對應(yīng)的真實尺寸值，以及標(biāo)定傳感器中伺服電機的單位角度值所對應(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)域為槍尖點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)送給機器人控制器，控制機器人的基本策略是當(dāng)焊縫偏差為零時，使機器人沿焊縫方向以恒定的速度V前進(jìn)，當(dāng)有偏差時，機器人向前運動的同時，在機器人基坐標(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，把Vx0設(shè)定為較大值；當(dāng)較小時，把Vx0設(shè)定為較小值。根據(jù)焊縫角度調(diào)整攝像機的角度使焊縫角度調(diào)整到±5°范圍內(nèi)，角度的步長同樣采用當(dāng)焊縫較大時，把步長設(shè)定為較大值的原則。
步驟(5)，(3)(4)同時運行，步驟(4)按步驟(3)的結(jié)果控制機器人，直到焊縫結(jié)束和手動停在跟蹤；步驟(6)，根據(jù)第一點記錄點的坐標(biāo)值，控制機器人回到焊縫的起始點，準(zhǔn)備焊接。
本發(fā)明方法中的步驟(3)、(4)、(5)、(6)，均在主控計算機中用編程的方式實現(xiàn)。在步驟(4)中記錄用焊縫偏差值修正后機器人坐標(biāo)值以及用焊縫角度修正后伺服電機的角度值采用多媒體定時器技術(shù)，以200ms為時間間隔定時記錄。步驟(5)中的步驟(3)和步驟(4)同時運行，在編程中采用多線程技術(shù)實現(xiàn)。
以本發(fā)明的方法，對低碳鋼和鍛鋁的對接“S”型焊縫進(jìn)行跟蹤試驗，縫隙寬度為1mm，生成的焊縫坐標(biāo)值與實際焊縫坐標(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。該方法實用性好，獲得的焊縫坐標(biāo)精度高。
當(dāng)使用攝像機位置不能運動的一般傳感器時，只要在本發(fā)明方法中稍作改動，在步驟(2)中加上焊槍的軸線與攝像機的軸線在同一平面上且該平面與機器人基坐標(biāo)系的x軸垂直的限定，并在(4)中不對傳感器的伺服電機進(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，持續(xù)獲取槍尖前方一小段焊縫的圖像，在主控計算機進(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)這些信息控制機器人沿焊縫前進(jìn)，并通過傳感器上的伺服電機調(diào)整攝像機的取像方位，同時定時記錄用焊縫偏差值修正后機器人坐標(biāo)值以及用焊縫角度修正后伺服電機的角度值，生成焊縫在機器人基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)以及攝像機在需要取像方位時伺服電機的角度值。
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，通過步驟對其作進(jìn)一步限定(1)據(jù)“五點標(biāo)定法”對焊接機器人控制點即焊槍尖端點進(jìn)行精確標(biāo)定；(2)對攝像機進(jìn)行簡單的標(biāo)定包括標(biāo)定槍尖點在圖像上的位置點，在槍尖附近圖像縱軸方向上單位象素對應(yīng)的真實尺寸值，以及傳感器中伺服電機的單位角度值所對應(yīng)圖像中的角度；(3)對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)送給機器人控制器，控制機器人沿焊縫運動及調(diào)整攝像機的取像方位，并從機器人控制器讀出機器人的位置值以及傳感器中的伺服電機的角度值，記錄用焊縫偏差值修正后機器人坐標(biāo)值以及用焊縫角度修正后伺服電機的角度值；(5)步驟(3)(4)同時運行，步驟(4)按步驟(3)的結(jié)果控制機器人，直到焊縫結(jié)束和手動停在跟蹤；(6)根據(jù)第一點記錄點的坐標(biāo)值，控制機器人回到焊縫的起始點，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，持續(xù)獲取槍尖前方一小段焊縫的圖像，在主控計算機進(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)這些信息控制機器人沿焊縫前進(jìn)，并通過傳感器上的伺服電機調(diào)整攝像機的取像方位，同時定時記錄用焊縫偏差值修正后機器人坐標(biāo)值以及用焊縫角度修正后伺服電機的角度值，生成焊縫在機器人基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)以及攝像機在需要取像方位時伺服電機的角度值。本發(fā)明能夠自動的生成曲線焊縫或折線焊縫在機器人基坐標(biāo)系下坐標(biāo)，且焊縫曲線可以是閉合的，另外能夠在焊接時自動的把CCD攝像機調(diào)整到合適的取像位置，具有很高的實用價值。
文檔編號B25J13/00GK1600488SQ20041006732
公開日2005年3月30日 申請日期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 申請人:上海交通大學(xué)