專利名稱：鉑金拉絲漏板板嘴弧焊機(jī)器人的顯微視覺(jué)伺服系統(tǒng)及方法
發(fā)明的名稱本發(fā)明涉及玻璃纖維鉑金拉絲漏板加工制作技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種鉑金拉絲漏板板嘴弧焊機(jī)器人的顯微視覺(jué)伺服系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
鉑金拉絲漏板是玻璃纖維池窯拉絲作業(yè)的核心部件，是確保池窯拉絲產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的關(guān)鍵。非熔化極的、非填料的焊接方法(如鎢極弧焊、激光焊、等離子焊)是當(dāng)前拉絲漏板加工制作中實(shí)現(xiàn)板嘴連接的主要方式，其中又以直流正接的、非填料的鎢極弧焊工藝最為常用。但由于池窯鉑金拉絲漏板和漏嘴本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和板嘴弧焊連接的工藝要求、以及焊接過(guò)程中的熱變形因素，使得這些池窯鉑金拉絲漏板板嘴弧焊連接工藝難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)依賴手工操作。
池窯鉑金拉絲漏板具有以下特點(diǎn)尺寸小(長(zhǎng)度≤450mm，寬度≤70mm)，厚度薄(≤1.8mm)；材質(zhì)為鉑銠合金，價(jià)格昂貴；漏嘴多(800～2400個(gè)以上)，分布密度高。
漏嘴尺寸小(外徑φD2.3～3.5mm、內(nèi)徑φd1.6～2.0mm)，壁厚b較薄(b＝0.2～0.7mm)，長(zhǎng)度L短(L＝5～6mm)。
漏嘴與漏板之間的連接強(qiáng)度和氣密性是對(duì)池窯拉絲漏板加工制作中板嘴連接工藝的核心要求，是確保拉絲漏板使用壽命和拉絲產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。盡管目前有兩種池窯拉絲漏板板嘴連接工藝，即整體沖壓工藝和焊接工藝，但當(dāng)前在玻璃纖維池窯拉絲用鉑金漏板制作中，實(shí)現(xiàn)板嘴連接的主流方式是焊接工藝。
所謂整體沖壓工藝就是在鉑金底板上，利用整體漏板模具直接沖壓拉伸出漏嘴，實(shí)現(xiàn)板、嘴一體。其優(yōu)點(diǎn)是便于實(shí)現(xiàn)漏板加工中板嘴連接的自動(dòng)化生產(chǎn)，但存在以下顯著缺點(diǎn)1)直接沖壓拉伸出的漏嘴材質(zhì)疏松，機(jī)械強(qiáng)度低，使用壽命短；2)沖壓拉伸過(guò)程中常常出現(xiàn)個(gè)別漏嘴拉斷、開(kāi)裂現(xiàn)象，直接造成整體底板報(bào)廢，浪費(fèi)嚴(yán)重；3)漏嘴在漏板上排列非常緊密，單個(gè)漏嘴沖壓模具空間非常狹窄，對(duì)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工精度和材質(zhì)要求極高；4)模具通用性差，很難滿足不同規(guī)格的漏板加工制作需要。
焊接工藝則是先用不同的工藝方法獨(dú)立完成漏板底板和漏嘴的加工制作，然后將漏嘴通過(guò)過(guò)盈配合預(yù)裝到漏板底板上，最后用焊接方式實(shí)現(xiàn)漏嘴與漏板底板的連接，即板嘴焊接。因此，為了將完成某個(gè)漏嘴與漏板底板的連接，需要對(duì)板嘴結(jié)合處(即漏嘴外圓)進(jìn)行焊接。也就是說(shuō)，針對(duì)每個(gè)漏嘴的焊縫是漏嘴的整個(gè)外圓。焊接工藝的優(yōu)點(diǎn)是1)漏板底板加工和漏嘴加工彼此獨(dú)立，能滿足整個(gè)拉絲漏板對(duì)漏板底板和漏嘴的不同要求，從而有效克服了整體沖壓工藝的諸多弊端；2)板嘴連接強(qiáng)度和連接氣密性則通過(guò)獨(dú)立的焊接工藝來(lái)保證。
但是，拉絲漏板產(chǎn)品對(duì)板嘴連接強(qiáng)度和連接氣密性的高要求對(duì)實(shí)現(xiàn)板嘴連接的焊接工藝提出了很大的挑戰(zhàn)。具體體現(xiàn)在1)漏嘴尺寸小，焊縫跟蹤精度要求高(≤0.1mm)；同時(shí)由于漏板底板和漏嘴均為材質(zhì)價(jià)格非常昂貴的鉑銠合金，因此焊接工藝方面只能選擇弧焊、激光焊、等離子焊等非熔化極的、非填料的焊接方法；2)漏板底板薄，實(shí)現(xiàn)板嘴連接的焊接熔深要求達(dá)到底板厚度的80％。如1.5mm厚的漏板底板要求實(shí)現(xiàn)板嘴連接的焊接熔深達(dá)到1.2mm。對(duì)焊接熔深的要求導(dǎo)致弧焊成了最合適的選擇。因?yàn)榕c弧焊相比，激光焊和等離子焊盡管具有熱量更為集中、焊接精度更高的優(yōu)點(diǎn)，但其最大的缺點(diǎn)是熔深小，通常只能達(dá)到0.6mm左右，不能滿足漏板加工制作對(duì)板嘴連接深度的要求。另外激光焊和等離子焊設(shè)備昂貴。
3)對(duì)焊接過(guò)程中的焊接速度和焊接電流的控制非常高，否則很容易導(dǎo)致欠焊或者過(guò)焊。欠焊則熔深不夠，影響連接強(qiáng)度和連接氣密性；過(guò)焊則導(dǎo)致整個(gè)漏板報(bào)廢。因?yàn)槁┌宀馁|(zhì)為鉑銠合金這種貴金屬，比重很大，稍有過(guò)焊就導(dǎo)致合金熔滴成塊滴落，導(dǎo)致漏板被焊穿。
4)漏板上漏嘴分布密度很高。不管采用何種焊接方式，都將導(dǎo)致漏板底板焊接發(fā)熱量很大，導(dǎo)致漏板熱變形。盡管玻璃纖維池窯拉絲漏板對(duì)漏板本身的尺寸精度要求不高，可以接受焊接熱變形造成的尺寸誤差。但板嘴焊接對(duì)漏板造成的熱變形為拉絲漏板加工制作中實(shí)現(xiàn)板嘴焊接的自動(dòng)化帶來(lái)了極大的困難。實(shí)際測(cè)試表明，采用弧焊方式將尺寸為450mm×70mm的漏板在板嘴焊接完成后其最終變形將達(dá)到長(zhǎng)度伸長(zhǎng)6～8mm，相當(dāng)于偏移2～3個(gè)漏嘴位置，寬度收縮1～2mm。更主要的是漏板熱變形程度與焊接工藝、焊接路徑、環(huán)境溫度、通風(fēng)條件、冷卻手段等緊密相關(guān)，而熱變形的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律難以準(zhǔn)確量化，因此到目前為止，拉絲漏板加工制作中的板嘴焊接均采用手工弧焊，不能應(yīng)用通常的焊接機(jī)器人等自動(dòng)化焊接設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)板嘴焊接過(guò)程的自動(dòng)化。
通過(guò)手工弧焊來(lái)完成板嘴焊接，勞動(dòng)強(qiáng)度大，焊接質(zhì)量一致性差，廢品率高，對(duì)焊工的技能要求很高，合格焊工的培訓(xùn)周期很長(zhǎng)。
在玻璃纖維拉絲漏板的人工板嘴焊接過(guò)程中，工人的手、腳、眼、腦的作用分別如下眼1)判斷引弧是否成功、測(cè)量弧長(zhǎng)，判斷是否意外熄弧。2)定位引弧位置和焊接起始點(diǎn)，測(cè)量焊縫的位置和走向。
手根據(jù)大腦的指令實(shí)現(xiàn)焊槍的移動(dòng)和焊縫跟隨。
腳根據(jù)大腦的指令控制焊接電流；比如，當(dāng)通過(guò)眼睛測(cè)量發(fā)現(xiàn)弧長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，熔深過(guò)大，大腦發(fā)出抬腳減小焊接電流的指令。
腦作為控制中樞，根據(jù)眼這個(gè)最重要的傳感器的信息反饋以及大腦中儲(chǔ)存的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)控制手腳的動(dòng)作。
玻璃纖維拉絲漏板的人工板嘴焊接就是通過(guò)操作工人這個(gè)超級(jí)智能體的手、腳、眼、大腦的有機(jī)配合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。用機(jī)器人取代焊工實(shí)現(xiàn)拉絲漏板板嘴自動(dòng)焊接的具體途徑是●用機(jī)械手來(lái)實(shí)現(xiàn)人的手和腳的運(yùn)動(dòng)輸出功能；●用機(jī)器視覺(jué)來(lái)取代人眼的視覺(jué)功能；●用電腦來(lái)取代人腦實(shí)現(xiàn)人腦的知識(shí)庫(kù)、經(jīng)驗(yàn)庫(kù)和控制決策功能。
其中，如何用機(jī)器視覺(jué)來(lái)取代人眼的視覺(jué)功能是用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)鉑金拉絲漏板板嘴弧焊連接自動(dòng)化的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種鉑金拉絲漏板板嘴弧焊機(jī)器人的顯微視覺(jué)伺服系統(tǒng)及方法，以解決以下技術(shù)難點(diǎn)1)顯微視覺(jué)漏嘴中心快速定位技術(shù)對(duì)顯微視覺(jué)系統(tǒng)視場(chǎng)中成像的漏嘴實(shí)現(xiàn)其中心的快速定位；2)視覺(jué)伺服技術(shù)將顯微視覺(jué)的漏嘴中心快速定位結(jié)果與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)合，構(gòu)成基于顯微視覺(jué)漏嘴中心快速定位技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)，即視覺(jué)伺服，將漏嘴中心最終成像在顯微視覺(jué)的視場(chǎng)中心，實(shí)現(xiàn)漏嘴中心的精確定位，使得機(jī)器人能自動(dòng)適應(yīng)漏板的焊接過(guò)程熱變形，實(shí)現(xiàn)精確的焊縫跟蹤。
一種鉑金拉絲漏板板嘴弧焊機(jī)器人的顯微視覺(jué)伺服系統(tǒng)，其特征在于主要由視覺(jué)照明光源，顯微鏡頭、成像器件、視頻采集模塊與視頻處理計(jì)算機(jī)組成。
一種鉑金拉絲漏板板嘴弧焊機(jī)器人的顯微視覺(jué)伺服方法，其特征在于包括以下內(nèi)容(1)、在焊接一組漏嘴前，顯微視覺(jué)伺服系統(tǒng)先對(duì)該組漏嘴中的每個(gè)漏嘴的中心進(jìn)行定位，計(jì)算出該組漏嘴在漏板上的實(shí)際物理位置信息A、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)將顯微視覺(jué)系統(tǒng)在空間上移動(dòng)到待定位漏嘴的上方，保證待定位漏嘴能在顯微視覺(jué)系統(tǒng)的成像區(qū)域內(nèi)完整成像，此時(shí)顯微視覺(jué)系統(tǒng)停止運(yùn)動(dòng)，采集漏嘴圖像，然后對(duì)漏嘴圖像進(jìn)行識(shí)別，得出二維圖像空間內(nèi)的漏嘴中心位置信息，其中在二維圖像空間內(nèi)定位漏嘴中心的算法如下a)、掃描整個(gè)漏嘴圖像，計(jì)算出漏嘴圖像的灰度平均值，以此灰度平均值的0.8-1.0倍作為灰度基準(zhǔn)閾值，掃描圖像的每個(gè)像素，進(jìn)行漏嘴圖像的二值化處理，實(shí)現(xiàn)漏嘴圖像從灰度空間到二值空間的轉(zhuǎn)換，具體辦法是如某個(gè)像素的灰度值小于灰度基準(zhǔn)閾值，則該像素值設(shè)為0，反之設(shè)為1；b)、從水平方向掃描經(jīng)上一步處理得到的圖像，當(dāng)連續(xù)的1值像素的個(gè)數(shù)小于長(zhǎng)度基準(zhǔn)閾值時(shí)，則將這些1值像素的值設(shè)為0；c)、從垂直方向掃描經(jīng)上一步處理得到的圖像，當(dāng)連續(xù)的1值像素的個(gè)數(shù)小于長(zhǎng)度基準(zhǔn)閾值時(shí)，則將這些1值像素的值設(shè)為0；d)、從右下方45度方向掃描經(jīng)上一步處理得到的圖像，當(dāng)連續(xù)的1值像素的個(gè)數(shù)小于長(zhǎng)度基準(zhǔn)閾值時(shí)，則將這些1值像素的值設(shè)為0；e)、從左下方45度方向掃描經(jīng)上一步處理得到的圖像，當(dāng)連續(xù)的1值像素的個(gè)數(shù)小于長(zhǎng)度基準(zhǔn)閾值時(shí)，則將這些1值像素的值設(shè)為0；f)、至此得到一個(gè)與漏嘴內(nèi)圓同心、邊長(zhǎng)為長(zhǎng)度基準(zhǔn)閾值的由1值像素組成的正八邊形，求取該正八邊形的中心即為該漏嘴在二維圖像空間內(nèi)的中心；B、憑借運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的位置信息將二維圖像空間內(nèi)的漏嘴中心轉(zhuǎn)換為漏嘴中心在漏板平面內(nèi)的真實(shí)物理位置，實(shí)現(xiàn)漏嘴中心的實(shí)時(shí)顯微視覺(jué)粗定位；C、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與顯微視覺(jué)定位系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)顯微視覺(jué)系統(tǒng)的粗定位結(jié)果調(diào)節(jié)其運(yùn)動(dòng)輸出，直到通過(guò)實(shí)時(shí)圖像識(shí)別出來(lái)的二維圖像空間內(nèi)的漏嘴中心與視覺(jué)系統(tǒng)的成像區(qū)域的中心兩者完全重合，以最終得到該漏嘴中心的精確位置信息，即漏嘴中心的實(shí)時(shí)顯微視覺(jué)精定位；(2)、其中長(zhǎng)度基準(zhǔn)閾值由操作人員在進(jìn)行機(jī)器人顯微視覺(jué)系統(tǒng)標(biāo)定過(guò)程中給定，其值取漏嘴內(nèi)圓半徑的0.4-1.0所對(duì)應(yīng)的像素個(gè)數(shù)；(3)、在實(shí)際焊接一組漏嘴的過(guò)程中，顯微視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際定位的漏嘴中心精確位置信息來(lái)確定焊縫軌跡。
由于玻璃纖維鉑金拉絲漏板板嘴弧焊連接對(duì)焊縫跟蹤精度(即漏嘴中心定位精度)的要求比較高，焊接過(guò)程中漏板本身存在比較大的熱變形，以及顯微視覺(jué)系統(tǒng)本身存在成像誤差，因此本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了基于顯微視覺(jué)的漏嘴中心快速定位技術(shù)，并與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)合，構(gòu)成基于顯微視覺(jué)漏嘴中心快速定位技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)漏嘴中心與顯微視覺(jué)的視場(chǎng)中心的完全重合，完成漏嘴中心的精確定位，即漏嘴中心的顯微視覺(jué)伺服定位方法。由于漏嘴中心粗定位方法不僅有效減小了漏嘴圖像的成像噪聲，而且定位過(guò)程簡(jiǎn)單快速，不牽涉到任何復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，從而確保能很好地為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)提供漏嘴中心定位的實(shí)時(shí)反饋信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)漏嘴中心的顯微視覺(jué)伺服精定位，滿足鉑金拉絲漏板板嘴弧焊連接對(duì)焊縫跟蹤精度的要求。利用本發(fā)明的顯微視覺(jué)伺服系統(tǒng)及方法，可以實(shí)現(xiàn)漏嘴中心的精確定位，從而精確地確定出引弧位置和焊接起始點(diǎn)、以及焊縫的位置和走向。該系統(tǒng)和方法可應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)玻璃纖維鉑金拉絲漏板板嘴焊接自動(dòng)化的機(jī)器人或設(shè)備領(lǐng)域。


圖1800孔鉑金拉絲漏板漏嘴布局2鉑金拉絲漏板板嘴弧焊連接機(jī)器人系統(tǒng)框3顯微視覺(jué)系統(tǒng)布局中標(biāo)號(hào)名稱1.底板，2.加強(qiáng)筋分布線，3.漏嘴A，4.漏嘴B，5.漏嘴，6.工作臺(tái)，7.漏板，8.視覺(jué)照明光源，9.顯微鏡頭，10.成像器件。
具體實(shí)施例方式
圖1是800孔鉑金拉絲漏板漏嘴布局圖。
根據(jù)圖2所示，玻璃纖維池窯鉑金拉絲漏板板嘴弧焊機(jī)器人由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、焊接機(jī)械手、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、顯微視覺(jué)系統(tǒng)、弧況監(jiān)控系統(tǒng)、焊接電流檢測(cè)系統(tǒng)、以及焊接電源、水冷裝置、氬氣瓶組成。其中，通過(guò)對(duì)鉑金拉絲漏板人工板嘴弧焊連接過(guò)程中的人眼視覺(jué)功能的分析，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)鉑金拉絲漏板板嘴自動(dòng)弧焊連接的機(jī)器人必須具備以下機(jī)器視覺(jué)功能1)大尺寸范圍的普通機(jī)器視覺(jué)功能，用來(lái)判斷引弧是否成功、測(cè)量弧長(zhǎng)、判斷是否意外熄??；2)用于漏嘴中心定位的顯微機(jī)器視覺(jué)功能，從而確定引弧位置和焊接起始點(diǎn)、測(cè)量焊縫的位置和走向。因?yàn)槁┳斐叽绾苄?，故定位漏嘴中心需要采用顯微機(jī)器視覺(jué)，即顯微視覺(jué)。也就是說(shuō)，本機(jī)器人需采用兩套機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，即普通機(jī)器視覺(jué)和顯微視覺(jué)。
根據(jù)圖3所示，本發(fā)明的鉑金拉絲漏板板嘴弧焊機(jī)器人的顯微視覺(jué)伺服系統(tǒng)主要由視覺(jué)照明光源8，顯微鏡頭9、成像器件10、視頻采集模塊與視頻處理計(jì)算機(jī)組成，其中一、視覺(jué)照明光源由于鉑金拉絲漏板采用鉑銠合金制作，表面光潔度較高，而且焊接過(guò)程中由于漏板發(fā)熱變色，導(dǎo)致漏板的光學(xué)特性發(fā)生復(fù)雜的變化。這些因素對(duì)成像照明光源提出了苛刻的要求。本發(fā)明選用機(jī)器視覺(jué)專用的、能使金屬表面邊界線成像比較突出的低角度杯形藍(lán)色LED光源對(duì)漏板進(jìn)行面光照明，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明其綜合照明效果較好。為確保穩(wěn)定的光照效果，照明光源應(yīng)采用紋波較小的模擬型(非開(kāi)關(guān)型)線性電源供電。
二、顯微鏡頭由于鉑金拉絲漏板板嘴焊接中的漏嘴孔徑φd較小(1.6～2.0mm)，壁厚b較薄(0.2～0.7mm)，要實(shí)現(xiàn)漏嘴中心的準(zhǔn)確定位，普通機(jī)器視覺(jué)不能勝任，必須采用顯微機(jī)器視覺(jué)。本發(fā)明選用X3顯微鏡頭，即用放大倍數(shù)為3的顯微鏡頭將目標(biāo)物(一個(gè)完整的漏嘴外圓)放大并成像到一個(gè)完整的視場(chǎng)。鏡頭安裝在CCD攝像頭的前端，焦距手動(dòng)調(diào)節(jié)。為確保漏嘴中心定位精度，顯微鏡頭的影像畸變應(yīng)盡量小。
三、成像器件選用CCD或者CMOS兩種類型的成像器件均可。其核心指標(biāo)是成像器件的分辨率，是影響漏嘴中心定位精度的決定因素。本顯微視覺(jué)子系統(tǒng)選用1/2″靶面的CCD，分辨率為768*576。這樣，如果一個(gè)漏嘴成像在其中心2/3尺寸范圍內(nèi)，則成像尺寸達(dá)到384*384。即使以最大的漏嘴外徑3.5mm計(jì)算，則理論定位精度可達(dá)到3.5/384＝0.009mm。試驗(yàn)表明，漏嘴中心平均定位精度為0.01mm，可以滿足板嘴弧焊連接的工藝要求。
四、視頻采集模塊與視頻處理計(jì)算機(jī)視頻處理計(jì)算機(jī)可選用基于PC架構(gòu)或者PC-104架構(gòu)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，當(dāng)然也可以是其它嵌入式實(shí)現(xiàn)形式。視頻采集模塊則根據(jù)視頻處理計(jì)算機(jī)類型相應(yīng)選擇或自制。本系統(tǒng)中，采用一臺(tái)基于PC的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)來(lái)完成視頻處理和整個(gè)機(jī)器人的控制，視頻采集模塊則選用基于PC的圖像采集卡。
五、漏嘴中心定位與顯微視覺(jué)伺服軟件本發(fā)明的顯微視覺(jué)伺服體現(xiàn)在兩個(gè)方面一是漏嘴中心定位過(guò)程本身就是基于漏嘴中心識(shí)別的視覺(jué)伺服過(guò)程，屬于全閉環(huán)的視覺(jué)伺服；二是機(jī)器人根據(jù)顯微視覺(jué)對(duì)一個(gè)漏嘴組中所有漏嘴中心的精確定位結(jié)果來(lái)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)輸出，實(shí)現(xiàn)焊縫的自動(dòng)跟隨控制，一次完成該組漏嘴的板嘴弧焊連接，屬于半閉環(huán)的視覺(jué)伺服。
顯微視覺(jué)系統(tǒng)軸線垂直于漏板底板平面，在空間上與焊槍平行安裝，其在三維笛卡兒空間的移動(dòng)則通過(guò)焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在焊接一組漏嘴前，顯微視覺(jué)伺服系統(tǒng)對(duì)該組漏嘴中的每個(gè)漏嘴中心進(jìn)行定位。具體過(guò)程是首先，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)將顯微視覺(jué)系統(tǒng)在空間上移動(dòng)到待定位漏嘴的上方，保證待定位漏嘴能在顯微視覺(jué)系統(tǒng)的成像區(qū)域內(nèi)完整成像；然后，通過(guò)圖像識(shí)別軟件在二維圖像空間內(nèi)定位漏嘴中心；再后，憑借運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的位置信息就能將二維圖像空間內(nèi)的漏嘴中心轉(zhuǎn)換為漏嘴中心在漏板平面內(nèi)的物理位置，實(shí)現(xiàn)漏嘴中心的實(shí)時(shí)顯微視覺(jué)粗定位。最后，由于顯微視覺(jué)定位系統(tǒng)與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)全閉環(huán)系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)顯微視覺(jué)系統(tǒng)的定位結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)其運(yùn)動(dòng)輸出，直到通過(guò)實(shí)時(shí)圖像識(shí)別軟件識(shí)別出來(lái)的二維圖像空間內(nèi)的漏嘴中心與視覺(jué)系統(tǒng)的成像區(qū)域的中心兩者完全重合。因此，漏嘴中心定位的過(guò)程本身就是基于漏嘴中心識(shí)別的視覺(jué)伺服過(guò)程，其最大定位精度對(duì)應(yīng)視覺(jué)成像系統(tǒng)的一個(gè)像素。
之所以在漏嘴中心定位過(guò)程中也要采用視覺(jué)伺服的方法，是因?yàn)閺娘@微鏡頭制造的角度，任何顯微鏡頭本身都存在一定的影像畸變，但鏡頭中心區(qū)域的影像畸變通常是最小的。因此，在漏嘴中心定位過(guò)程中采用視覺(jué)伺服將最大程度地提高漏嘴中心定位精度。
應(yīng)該說(shuō)明的是，如何保證運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能將顯微視覺(jué)系統(tǒng)真正移動(dòng)到指定的待定位的漏嘴上方，以確保該漏嘴能完整地成像系統(tǒng)成像空間內(nèi)成像呢？因?yàn)槁┌宓暮附訜嶙冃问莻€(gè)漸變的過(guò)程，而在焊接每組漏嘴前，機(jī)器人將對(duì)該組漏嘴內(nèi)的每個(gè)漏嘴進(jìn)行中心定位，從而立即折算出漏板上所有漏嘴的近似實(shí)際物理位置。也就是說(shuō)，漏板上所有漏嘴的近似實(shí)際物理位置將在焊接每組漏嘴前進(jìn)行一次更新。這樣就確保了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總是能將指定漏嘴完整地成像在視覺(jué)系統(tǒng)成像空間內(nèi)。
六、其它輔助硬件由于鉑金拉絲漏板板嘴弧焊連接過(guò)程中存在強(qiáng)烈的弧光輻射，如果成像器件直接或暴露在這種強(qiáng)弧光下，將立即導(dǎo)致成像器件損壞。因此，必須對(duì)成像器件采取保護(hù)措施，具體辦法是在焊槍組件上增加弧光遮擋屏，避免弧光對(duì)成像器件的直接輻射；同時(shí)制作一種用焊接專用黑玻璃制成的杯形罩將顯微鏡頭和成像器件罩起來(lái)，進(jìn)一步減小弧光對(duì)成像器件的輻射影響。
下面以一具體例子說(shuō)明鉑金拉絲漏板板嘴弧焊機(jī)器人的顯微視覺(jué)伺服系統(tǒng)的具體工作方法
(1)、在焊接一組漏嘴前，顯微視覺(jué)伺服系統(tǒng)先對(duì)該組漏嘴中的每個(gè)漏嘴的中心進(jìn)行定位，計(jì)算出該組漏嘴在漏板上的實(shí)際物理位置信息A、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)將顯微視覺(jué)系統(tǒng)在空間上移動(dòng)到待定位漏嘴的上方，保證待定位漏嘴能在顯微視覺(jué)系統(tǒng)的成像區(qū)域內(nèi)完整成像。此時(shí)顯微視覺(jué)系統(tǒng)停止運(yùn)動(dòng)，對(duì)待定位漏嘴連續(xù)成像三次，將所拍攝的三幅圖像疊加并進(jìn)行算術(shù)平均取整(去除隨機(jī)噪聲)，完成漏嘴圖像的采集，然后對(duì)漏嘴圖像進(jìn)行識(shí)別，得出二維圖像空間內(nèi)的漏嘴中心位置信息，其中在二維圖像空間內(nèi)定位漏嘴中心的算法如下a)掃描整個(gè)漏嘴圖像，計(jì)算出漏嘴圖像的灰度平均值。以此灰度平均值作為灰度基準(zhǔn)閾值，掃描圖像的每個(gè)像素，進(jìn)行漏嘴圖像的二值化處理，實(shí)現(xiàn)漏嘴圖像從灰度空間到二值空間的轉(zhuǎn)換。具體辦法是如某個(gè)像素的灰度值小于灰度基準(zhǔn)閾值，則該像素值設(shè)為0，反之設(shè)為1；以8×8點(diǎn)陣灰度圖像為例，其灰度基準(zhǔn)閾值＝7707/(8*8)＝120；

相應(yīng)的8×8二值圖像如下

b)從水平方向掃描經(jīng)上一步處理得到的圖像，當(dāng)連續(xù)的1值像素的個(gè)數(shù)小于長(zhǎng)度基準(zhǔn)閾值時(shí)，則將這些1值像素的值設(shè)為0；若長(zhǎng)度基準(zhǔn)閾值為2，則上述8×8二值圖像經(jīng)處理后結(jié)果如下

c)從垂直方向掃描經(jīng)上一步處理得到的圖像，當(dāng)連續(xù)的1值像素的個(gè)數(shù)小于長(zhǎng)度基準(zhǔn)閾值時(shí)，則將這些1值像素的值設(shè)為0；若長(zhǎng)度基準(zhǔn)閾值為2，則上述8×8二值圖像經(jīng)處理后結(jié)果如下

d)從右下方45度方向掃描經(jīng)上一步處理得到的圖像，當(dāng)連續(xù)的1值像素的個(gè)數(shù)小于長(zhǎng)度基準(zhǔn)閾值時(shí)，則將這些1值像素的值設(shè)為0；若長(zhǎng)度基準(zhǔn)閾值為2，則上述8×8二值圖像經(jīng)處理后結(jié)果如下

e)從左下方45度方向掃描經(jīng)上一步處理得到的圖像，當(dāng)連續(xù)的1值像素的個(gè)數(shù)小于長(zhǎng)度基準(zhǔn)閾值時(shí)，則將這些1值像素的值設(shè)為0；若長(zhǎng)度基準(zhǔn)閾值為2，則上述8×8二值圖像經(jīng)處理后結(jié)果如下

f)至此得到一個(gè)與漏嘴內(nèi)圓同心、邊長(zhǎng)(以象素個(gè)數(shù)表示)近似為長(zhǎng)度基準(zhǔn)閾值的由1值像素組成的正八邊形，求取該正八邊形的中心即為該漏嘴在二維圖像空間內(nèi)的中心；B、憑借運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的位置信息將二維圖像空間內(nèi)的漏嘴中心轉(zhuǎn)換為漏嘴中心在漏板平面內(nèi)的真實(shí)物理位置，實(shí)現(xiàn)漏嘴中心的實(shí)時(shí)顯微視覺(jué)粗定位；C、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與顯微視覺(jué)定位系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)顯微視覺(jué)系統(tǒng)的粗定位結(jié)果調(diào)節(jié)其運(yùn)動(dòng)輸出，直到通過(guò)實(shí)時(shí)圖像識(shí)別出來(lái)的二維圖像空間內(nèi)的漏嘴中心與視覺(jué)系統(tǒng)的成像區(qū)域的中心兩者完全重合，以最終得到該漏嘴中心的精確位置信息，即漏嘴中心的實(shí)時(shí)顯微視覺(jué)精定位；(2)、在實(shí)際焊接一組漏嘴的過(guò)程中，顯微視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際定位的漏嘴中心位置來(lái)確定焊縫軌跡；(3)、長(zhǎng)度基準(zhǔn)閾值由操作人員在進(jìn)行機(jī)器人顯微視覺(jué)系統(tǒng)標(biāo)定過(guò)程中給定，其值取漏嘴內(nèi)圓半徑的2/3所對(duì)應(yīng)的像素個(gè)數(shù)。
其他說(shuō)明當(dāng)然，以上第b)步驟-e)步驟的目的是去除成像噪聲，特別是漏嘴內(nèi)圓的邊緣成像噪聲，且第b)步驟-e)步驟的順序是可以交換的。
權(quán)利要求
1.一種鉑金拉絲漏板板嘴弧焊機(jī)器人的顯微視覺(jué)伺服系統(tǒng)，其特征在于主要由視覺(jué)照明光源，顯微鏡頭、成像器件、視頻采集模塊與視頻處理計(jì)算機(jī)組成。
2.一種鉑金拉絲漏板板嘴弧焊機(jī)器人的顯微視覺(jué)伺服方法，其特征在于包括以下內(nèi)容(1)、在焊接一組漏嘴前，顯微視覺(jué)伺服系統(tǒng)先對(duì)該組漏嘴中的每個(gè)漏嘴的中心進(jìn)行定位，計(jì)算出該組漏嘴在漏板上的實(shí)際物理位置信息A、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)將顯微視覺(jué)系統(tǒng)在空間上移動(dòng)到待定位漏嘴的上方，保證待定位漏嘴能在顯微視覺(jué)系統(tǒng)的成像區(qū)域內(nèi)完整成像，此時(shí)顯微視覺(jué)系統(tǒng)停止運(yùn)動(dòng)，采集漏嘴圖像，然后對(duì)漏嘴圖像進(jìn)行識(shí)別，得出二維圖像空間內(nèi)的漏嘴中心位置信息，其中在二維圖像空間內(nèi)定位漏嘴中心的算法如下a)掃描整個(gè)漏嘴圖像，計(jì)算出漏嘴圖像的灰度平均值，以此灰度平均值的0.8-1.0倍作為灰度基準(zhǔn)閾值，掃描圖像的每個(gè)像素，進(jìn)行漏嘴圖像的二值化處理，實(shí)現(xiàn)漏嘴圖像從灰度空間到二值空間的轉(zhuǎn)換，具體辦法是如某個(gè)像素的灰度值小于灰度基準(zhǔn)閾值，則該像素值設(shè)為0，反之設(shè)為1；b)從水平方向掃描經(jīng)上一步處理得到的圖像，當(dāng)連續(xù)的1值像素的個(gè)數(shù)小于長(zhǎng)度基準(zhǔn)閾值時(shí)，則將這些1值像素的值設(shè)為0；c)從垂直方向掃描經(jīng)上一步處理得到的圖像，當(dāng)連續(xù)的1值像素的個(gè)數(shù)小于長(zhǎng)度基準(zhǔn)閾值時(shí)，則將這些1值像素的值設(shè)為0；d)從右下方45度方向掃描經(jīng)上一步處理得到的圖像，當(dāng)連續(xù)的1值像素的個(gè)數(shù)小于長(zhǎng)度基準(zhǔn)閾值時(shí)，則將這些1值像素的值設(shè)為0；e)從左下方45度方向掃描經(jīng)上一步處理得到的圖像，當(dāng)連續(xù)的1值像素的個(gè)數(shù)小于長(zhǎng)度基準(zhǔn)閾值時(shí)，則將這些1值像素的值設(shè)為0；f)至此得到一個(gè)與漏嘴內(nèi)圓同心、邊長(zhǎng)為長(zhǎng)度基準(zhǔn)閾值的由1值像素組成的正八邊形，求取該正八邊形的中心即為該漏嘴在二維圖像空間內(nèi)的中心；B、憑借運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的位置信息將二維圖像空間內(nèi)的漏嘴中心轉(zhuǎn)換為漏嘴中心在漏板平面內(nèi)的真實(shí)物理位置，實(shí)現(xiàn)漏嘴中心的實(shí)時(shí)顯微視覺(jué)粗定位；C、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與顯微視覺(jué)定位系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)顯微視覺(jué)系統(tǒng)的粗定位結(jié)果調(diào)節(jié)其運(yùn)動(dòng)輸出，直到通過(guò)實(shí)時(shí)圖像識(shí)別出來(lái)的二維圖像空間內(nèi)的漏嘴中心與視覺(jué)系統(tǒng)的成像區(qū)域的中心兩者完全重合，以最終得到該漏嘴中心的精確位置信息，即漏嘴中心的實(shí)時(shí)顯微視覺(jué)精定位；(2)、其中長(zhǎng)度基準(zhǔn)閾值由操作人員在進(jìn)行機(jī)器人顯微視覺(jué)系統(tǒng)標(biāo)定過(guò)程中給定，其值取漏嘴內(nèi)圓半徑的0.4-1.0所對(duì)應(yīng)的像素個(gè)數(shù)；(3)、在實(shí)際焊接一組漏嘴的過(guò)程中，顯微視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際定位的漏嘴中心精確位置信息來(lái)確定焊縫軌跡。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鉑金拉絲漏板板嘴弧焊機(jī)器人的顯微視覺(jué)伺服方法，其特征在于在對(duì)待定位漏嘴進(jìn)行圖像采集時(shí)，采用連續(xù)三次成像，并將所采集的三幅圖像疊加后進(jìn)行算術(shù)平均取整以去除隨機(jī)噪聲的方法完成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鉑金拉絲漏板板嘴弧焊機(jī)器人的顯微視覺(jué)伺服方法，其特征在于所述的長(zhǎng)度基準(zhǔn)閾值取漏嘴內(nèi)圓半徑的0.75所對(duì)應(yīng)的像素個(gè)數(shù)。
全文摘要
一種鉑金拉絲漏板板嘴弧焊機(jī)器人的顯微視覺(jué)伺服系統(tǒng)及方法，屬于玻璃纖維鉑金拉絲漏板加工制作技術(shù)領(lǐng)域。顯微視覺(jué)伺服系統(tǒng)由視覺(jué)照明光源，顯微鏡頭、成像器件、視頻采集模塊與視頻處理計(jì)算機(jī)組成。顯微視覺(jué)伺服方法實(shí)現(xiàn)漏嘴中心的精確定位，使得機(jī)器人能自動(dòng)適應(yīng)漏板的焊接過(guò)程熱變形，實(shí)現(xiàn)精確的焊縫跟蹤，包括漏嘴中心的顯微視覺(jué)快速定位方法和視覺(jué)伺服方法。漏嘴中心快速定位方法實(shí)現(xiàn)漏嘴中心粗定位，容噪能力強(qiáng)，定位過(guò)程簡(jiǎn)單快速，不牽涉到復(fù)雜運(yùn)算，為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)提供漏嘴中心位置的實(shí)時(shí)反饋信息，實(shí)現(xiàn)漏嘴中心的顯微視覺(jué)伺服精定位。
文檔編號(hào)B25J19/02GK101081455SQ20071002360
公開(kāi)日2007年12月5日 申請(qǐng)日期2007年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月11日
發(fā)明者李橋梁, 楊興無(wú), 劉誠(chéng) 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué), 中材科技股份有限公司