跟蹤焊縫位置的焊炬位移控制系統(tǒng)本發(fā)明是申請?zhí)枮?01510036997.0、申請日為2015年1月24日、發(fā)明名稱為“跟蹤焊縫位置的焊炬位移控制系統(tǒng)”的專利的分案申請。技術領域本發(fā)明涉及焊接監(jiān)控領域，尤其涉及一種跟蹤焊縫位置的焊炬位移控制系統(tǒng)。

背景技術：
焊接，也稱作熔接、镕接，是一種以加熱、高溫或者高壓的方式接合金屬或其他熱塑性材料如塑料的制造工藝及技術。焊接一般通過下列三種途徑達成接合的目的：(1)加熱欲接合之工件使之局部熔化形成熔池，熔池冷卻凝固后便接合，必要時可加入熔填物輔助；(2)單獨加熱熔點較低的焊料，無需熔化工件本身，借焊料的毛細作用連接工件(如軟釬焊、硬焊)；(3)在相當于或低于工件熔點的溫度下輔以高壓、疊合擠塑或振動等使兩工件間相互滲透接合(如鍛焊、固態(tài)焊接)。目前的焊接操作一般是人工方式進行，焊接人員帶上防護面罩，手持焊炬，即焊槍，憑借肉眼觀察焊接工件上的焊接縫隙線，將焊炬放置在所述焊接縫隙線位置上執(zhí)行焊接，這種人工焊接的方式存在以下弊端：(1)由于焊接條件經(jīng)常改變，例如強烈的弧光輻射、高溫、煙塵等，會導致焊接人員的動作變形，使得焊炬偏離焊縫，導致焊接質量下降；(2)人工焊接的方式工作效率低下，容易給焊接人員帶來嚴重的人身傷害。因此，需要一種新的焊接控制方式，能夠替代人工焊接的模式，采用機器自動跟蹤焊縫，將焊炬自適應地移動到焊縫位置以實施焊接，從而達到提高焊接精度和效率，避免造成人員事故的效果。

技術實現(xiàn)要素：
為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種跟蹤焊縫位置的焊炬位移控制系統(tǒng)，引入焊炬定位系統(tǒng)和圖像識別系統(tǒng)對焊炬的位置和焊縫的位置進行準確確定，基于焊炬的位置和焊縫的位置之間的差異確定焊炬驅動信號的內容，從而移動焊炬到達正確的焊接位置執(zhí)行焊接，提高焊接控制的自動化水平。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種跟蹤焊縫位置的焊炬位移控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括CCD攝像頭、圖像采集卡、圖像處理器、嵌入式處理器和焊炬驅動器，所述CCD攝像頭用于拍攝待焊接設備的焊件圖像，所述圖像采集卡與所述CCD攝像頭連接，用于對所述焊件圖像執(zhí)行圖像預處理操作，輸出預處理圖像，所述圖像處理器對所述預處理圖像執(zhí)行焊縫位置識別操作，輸出焊縫中心線位置，所述嵌入式處理器與所述圖像處理器和所述焊炬驅動器分別連接，基于所述焊縫中心線位置向所述焊炬驅動器發(fā)出焊炬驅動信號，所述焊炬驅動信號用于驅動焊炬移動。更具體地，在所述跟蹤焊縫位置的焊炬位移控制系統(tǒng)中，還包括：焊炬，采用氧氣和中低壓乙炔作為焊接熱源，對待焊接設備進行焊接，焊接處為待焊接設備中的焊縫中心線位置；焊炬位置傳感器，包括電磁式接近開關，用于實時確定焊炬的當前位置；攝像光源，設置在所述CCD攝像頭上，為所述CCD攝像頭的拍攝提供照明，所述攝像光源的光源強度與所述CCD攝像頭周圍環(huán)境的亮度成反比；存儲器，用于預先存儲二值化閾值和黑點數(shù)量閾值，還用于預先存儲標定線上限灰度閾值和標定線下限灰度閾值，所述二值化閾值在0-255之間，所述二值化閾值用于將灰度化圖像處理為二值化圖像，所述標定線上限灰度閾值和所述標定線下限灰度閾值用于將圖像中的標定線和背景分離，標定線在被拍攝目標上的位置為已知數(shù)據(jù)；顯示器，與嵌入式處理器連接，用于顯示復合圖像；所述圖像采集卡包括對比度增強器件、中值濾波器件和灰度化處理器件，所述對比度增強器件與所述CCD攝像頭連接，用于將所述焊件圖像執(zhí)行對比度增強處理，輸出增強焊件圖像，所述中值濾波器件與所述對比度增強器件連接，基于3×3像素矩陣的中值濾波窗口對所述增強焊件圖像執(zhí)行中值濾波，輸出濾波焊件圖像，所述灰度化處理器件與所述中值濾波器件連接，對所述濾波焊件圖像執(zhí)行灰度化處理，輸出所述預處理圖像，所述對比度增強器件、所述中值濾波器件和所述灰度化處理器件集成在一塊FPGA芯片上；所述圖像處理器與所述存儲器和所述圖像采集卡分別連接，所述圖像處理器包括焊縫檢測器件、標定線識別器件和焊縫位置確定器件，所述焊縫檢測器件與所述灰度化處理器件和所述存儲器連接，基于所述二值化閾值將所述預處理圖像處理為二值化焊件圖像，所述焊縫檢測器件對所述二值化焊件圖像的每一列像素進行檢測，如果一列像素中黑點像素的數(shù)量大于等于所述黑點數(shù)量閾值，則該列像素為焊縫像素列，針對每條焊縫像素列，所述焊縫檢測器件對所述二值化焊件圖像中與這條焊縫像素列垂直的每一行像素進行檢測，檢測出其中黑點像素最多的一行像素，將檢測出的像素行與這條焊縫像素列的交點作為焊縫中心點，將所有的焊縫像素列的焊縫中心點組成焊縫中心線，所述標定線識別器件與所述灰度化處理器件和所述存儲器連接，將所述預處理圖像中灰度值在所述標定線上限灰度閾值和所述標定線下限灰度閾值之間的像素識別并組成標定線圖案，所述焊縫位置確定器件與所述焊縫檢測器件和所述標定線識別器件分別連接，測量所述焊縫中心線與所述標定線圖案的相對位置，基于所述相對位置和所述標定線在所述待焊接設備上的已知位置確定焊縫中心線位置，所述焊縫檢測器件、所述標定線識別器件和所述焊縫位置確定器件分別采用不同的FPGA芯片來實現(xiàn)；所述嵌入式處理器與所述焊炬位置傳感器、所述焊縫位置確定器件和所述焊炬驅動器分別連接，基于所述焊縫中心線位置和所述焊炬的當前位置確定焊炬位移，并將焊炬位移包括在所述焊炬驅動信號以發(fā)送給所述焊炬驅動器，所述焊炬驅動器基于所述焊炬驅動信號驅動所述焊炬按照所述焊炬位移移動，所述嵌入式處理器還與所述CCD攝像頭、所述焊縫檢測器件和所述標定線識別器件分別連接，將所述標定線圖案、所述焊縫中心線復合到所述焊件圖像上以組成復合圖像；其中，所述二值化閾值用于將灰度化圖像處理為二值化圖像包括，將所述二值化閾值與灰度化圖像中的每一個像素的灰度值比較，灰度值小于所述二值化閾值的像素，用0表示該像素的像素值，該像素為黑點，灰度值大于等于所述二值化閾值的像素，用1表示該像素的像素值，該像素為白點。更具體地，在所述跟蹤焊縫位置的焊炬位移控制系統(tǒng)中，還包括：無線收發(fā)接口，用于與遠端的焊接監(jiān)控平臺建立雙向通信鏈路連接，以接收所述焊接監(jiān)控平臺發(fā)送的控制指令。更具體地，在所述跟蹤焊縫位置的焊炬位移控制系統(tǒng)中，所述無線收發(fā)接口還與所述嵌入式處理器連接，以將所述復合圖像無線發(fā)送給所述焊接監(jiān)控平臺。更具體地，在所述跟蹤焊縫位置的焊炬位移控制系統(tǒng)中，所述無線收發(fā)接口還包括編碼器，以在將所述復合圖像無線發(fā)送給所述焊接監(jiān)控平臺之前，對所述復合圖像執(zhí)行壓縮編碼。更具體地，在所述跟蹤焊縫位置的焊炬位移控制系統(tǒng)中，所述壓縮編碼采用的編碼標準是MPEG-2或MPEG-4。附圖說明以下將結合附圖對本發(fā)明的實施方案進行描述，其中：圖1為根據(jù)本發(fā)明實施方案示出的跟蹤焊縫位置的焊炬位移控制系統(tǒng)的結構方框圖。具體實施方式下面將參照附圖對本發(fā)明的跟蹤焊縫位置的焊炬位移控制系統(tǒng)的實施方案進行詳細說明。根據(jù)具體的焊接工藝，焊接可細分為氣焊、電阻焊、電弧焊、感應焊接及激光焊接等其他特殊焊接。焊接的能量來源有很多種，包括氣體焰、電弧、激光、電子束、摩擦和超聲波等。除了在工廠中使用外，焊接還可以在多種環(huán)境下進行，如野外、水下和太空。然而，無論采取何種焊接方式，無論在何處，焊接都可能給操作者帶來危險，所以在進行焊接時必須采取適當?shù)姆雷o措施。焊接給人體可能造成的傷害包括燒傷、觸電、視力損害、吸入有毒氣體、紫外線照射過度等。同時由于人工操作的特殊性，以及人工操作容易受外界因素的影響，人工焊接的效率較低，而且，每一個焊接工人的焊接培訓力度和焊炬經(jīng)驗參差不一，導致他們的焊接質量也不統(tǒng)一。由此可見，現(xiàn)有技術中的人工焊接模式存在諸多弊端，為了保障焊接質量的可靠性，需要采取機器焊接的方式替代人工焊接，這要求焊接機器能夠自行實時檢測出焊縫的位置和焊炬的位置，確定二者的偏差，以偏差為控制基礎，控制焊炬移動到焊縫位置進行焊接。即，對于焊縫的自動跟蹤系統(tǒng)已經(jīng)成為目前焊接領域研究的重點之一。本發(fā)明搭建了一種跟蹤焊縫位置的焊炬位移控制系統(tǒng)，通過焊炬定位傳感器實時確定焊炬的當前位置，通過有針對性的圖像采集和處理技術完成對焊縫中心線位置的檢測，并進一步采用焊炬驅動器以基于焊接位置和焊縫位置的偏差，驅動焊炬移動到焊縫位置進行焊接，整個過程不需要人工操作，提高了焊接的效率和質量。圖1為根據(jù)本發(fā)明實施方案示出的跟蹤焊縫位置的焊炬位移控制系統(tǒng)的結構方框圖，所述控制系統(tǒng)包括：CCD攝像頭1、圖像采集卡2、圖像處理器3、嵌入式處理器4、焊炬驅動器5和供電設備6，所述嵌入式處理器4與所述CCD攝像頭1、所述圖像采集卡2、所述圖像處理器3、所述焊炬驅動器5和所述供電設備6分別連接，所述圖像采集卡2與所述CCD攝像頭1和所述圖像處理器3分別連接。其中，所述CCD攝像頭1用于拍攝待焊接設備的焊件圖像，所述圖像采集卡2用于對所述焊件圖像執(zhí)行圖像預處理操作，輸出預處理圖像，所述圖像處理器3對所述預處理圖像執(zhí)行焊縫位置識別操作，輸出焊縫中心線位置，所述嵌入式處理器4基于所述焊縫中心線位置向所述焊炬驅動器5發(fā)出焊炬驅動信號，所述焊炬驅動信號用于驅動焊炬移動，所述供電設備6用于為所述控制系統(tǒng)提供電力供應。接著，繼續(xù)對本發(fā)明的跟蹤焊縫位置的焊炬位移控制系統(tǒng)的具體結構進行進一步的說明。所述控制系統(tǒng)還包括：焊炬，采用氧氣和中低壓乙炔作為焊接熱源，對待焊接設備進行焊接，焊接處為待焊接設備中的焊縫中心線位置。所述控制系統(tǒng)還包括：焊炬位置傳感器，包括電磁式接近開關，用于實時確定焊炬的當前位置。所述控制系統(tǒng)還包括：攝像光源，設置在所述CCD攝像頭1上，為所述CCD攝像頭1的拍攝提供照明，所述攝像光源的光源強度與所述CCD攝像頭1周圍環(huán)境的亮度成反比。所述控制系統(tǒng)還包括：存儲器，用于預先存儲二值化閾值和黑點數(shù)量閾值，還用于預先存儲標定線上限灰度閾值和標定線下限灰度閾值，所述二值化閾值在0-255之間，所述二值化閾值用于將灰度化圖像處理為二值化圖像，所述標定線上限灰度閾值和所述標定線下限灰度閾值用于將圖像中的標定線和背景分離，標定線在被拍攝目標上的位置為已知數(shù)據(jù)。所述控制系統(tǒng)還包括：顯示器，與嵌入式處理器4連接，用于顯示復合圖像。所述圖像采集卡2包括對比度增強器件、中值濾波器件和灰度化處理器件，所述對比度增強器件與所述CCD攝像頭1連接，用于將所述焊件圖像執(zhí)行對比度增強處理，輸出增強焊件圖像，所述中值濾波器件與所述對比度增強器件連接，基于3×3像素矩陣的中值濾波窗口對所述增強焊件圖像執(zhí)行中值濾波，輸出濾波焊件圖像，所述灰度化處理器件與所述中值濾波器件連接，對所述濾波焊件圖像執(zhí)行灰度化處理，輸出所述預處理圖像，所述對比度增強器件、所述中值濾波器件和所述灰度化處理器件集成在一塊FPGA芯片上。所述圖像處理器3與所述存儲器和所述圖像采集卡2分別連接，所述圖像處理器3包括焊縫檢測器件、標定線識別器件和焊縫位置確定器件，所述焊縫檢測器件與所述灰度化處理器件和所述存儲器連接，基于所述二值化閾值將所述預處理圖像處理為二值化焊件圖像，所述焊縫檢測器件對所述二值化焊件圖像的每一列像素進行檢測，如果一列像素中黑點像素的數(shù)量大于等于所述黑點數(shù)量閾值，則該列像素為焊縫像素列，針對每條焊縫像素列，所述焊縫檢測器件對所述二值化焊件圖像中與這條焊縫像素列垂直的每一行像素進行檢測，檢測出其中黑點像素最多的一行像素，將檢測出的像素行與這條焊縫像素列的交點作為焊縫中心點，將所有的焊縫像素列的焊縫中心點組成焊縫中心線。所述標定線識別器件與所述灰度化處理器件和所述存儲器連接，將所述預處理圖像中灰度值在所述標定線上限灰度閾值和所述標定線下限灰度閾值之間的像素識別并組成標定線圖案，所述焊縫位置確定器件與所述焊縫檢測器件和所述標定線識別器件分別連接，測量所述焊縫中心線與所述標定線圖案的相對位置，基于所述相對位置和所述標定線在所述待焊接設備上的已知位置確定焊縫中心線位置，所述焊縫檢測器件、所述標定線識別器件和所述焊縫位置確定器件分別采用不同的FPGA芯片來實現(xiàn)。所述嵌入式處理器4與所述焊炬位置傳感器、所述焊縫位置確定器件和所述焊炬驅動器5分別連接，基于所述焊縫中心線位置和所述焊炬的當前位置確定焊炬位移，并將焊炬位移包括在所述焊炬驅動信號以發(fā)送給所述焊炬驅動器5，所述焊炬驅動器5基于所述焊炬驅動信號驅動所述焊炬按照所述焊炬位移移動。所述嵌入式處理器4還與所述CCD攝像頭1、所述焊縫檢測器件和所述標定線識別器件分別連接，將所述標定線圖案、所述焊縫中心線復合到所述焊件圖像上以組成復合圖像。其中，所述二值化閾值用于將灰度化圖像處理為二值化圖像包括，將所述二值化閾值與灰度化圖像中的每一個像素的灰度值比較，灰度值小于所述二值化閾值的像素，用0表示該像素的像素值，該像素為黑點，灰度值大于等于所述二值化閾值的像素，用1表示該像素的像素值，該像素為白點。其中，所述控制系統(tǒng)中還可以包括：無線收發(fā)接口，用于與遠端的焊接監(jiān)控平臺建立雙向通信鏈路連接，以接收所述焊接監(jiān)控平臺發(fā)送的控制指令，所述無線收發(fā)接口還可以與所述嵌入式處理器4連接，以將所述復合圖像無線發(fā)送給所述焊接監(jiān)控平臺，所述無線收發(fā)接口還可以包括編碼器，以在將所述復合圖像無線發(fā)送給所述焊接監(jiān)控平臺之前，對所述復合圖像執(zhí)行壓縮編碼，可選擇地，所述壓縮編碼采用的編碼標準是MPEG-2或MPEG-4。另外，圖像編碼指的是，在滿足一定保真度的要求下，對圖像數(shù)據(jù)的進行變換、編碼和壓縮，去除多余數(shù)據(jù)減少表示數(shù)字圖像時需要的數(shù)據(jù)量，以便于圖像的存儲和傳輸。即以較少的數(shù)據(jù)量有損或無損地表示原來的像素矩陣的技術。圖像壓縮編碼可分為兩類：一類壓縮是可逆的，即從壓縮后的數(shù)據(jù)可以完全恢復原來的圖像，信息沒有損失，稱為無損壓縮編碼；另一類壓縮是不可逆的，即從壓縮后的數(shù)據(jù)無法完全恢復原來的圖像，信息有一定損失，稱為有損壓縮編碼。另外，MPEG標準主要有以下五個，MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7及MPEG-21等。MPEG專家組建于1988年，專門負責為CD建立視頻和音頻標準，而成員都是為視頻、音頻及系統(tǒng)領域的技術專家。及后，他們成功將聲音和影像的記錄脫離了傳統(tǒng)的模擬方式，建立了ISO/IEC11172壓縮編碼標準，并制定出MPEG-格式，令視聽傳播方面進入了數(shù)碼化時代。因此，大家現(xiàn)時泛指的MPEG-X版本，就是由ISO(InternationalOrganizationforStandardization)所制定而發(fā)布的視頻、音頻、數(shù)據(jù)的壓縮標準。MPEG標準的視頻壓縮編碼技術主要利用了具有運動補償?shù)膸g壓縮編碼技術以減小時間冗余度，利用DCT技術以減小圖像的空間冗余度，利用熵編碼則在信息表示方面減小了統(tǒng)計冗余度。這幾種技術的綜合運用，大大增強了壓縮性能。采用本發(fā)明的跟蹤焊縫位置的焊炬位移控制系統(tǒng)，針對現(xiàn)有焊炬控制方式過于依賴人工而導致焊接精度不高、容易造成人員傷害的技術問題，引入機器焊接模式來替代人工焊接模式，該機器焊接模式能夠精確識別出焊縫的中心軌跡，并能夠根據(jù)焊縫的中心軌跡調整焊炬的當前位置，從而在提高焊接控制系統(tǒng)自動化水平的同時，保障了焊接的可靠性?？梢岳斫獾氖?，雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，然而上述實施例并非用以限定本發(fā)明。對于任何熟悉本領域的技術人員而言，在不脫離本發(fā)明技術方案范圍情況下，都可利用上述揭示的技術內容對本發(fā)明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案保護的范圍內。