本發(fā)明涉及焊接領(lǐng)域，尤其涉及一種穩(wěn)定的精密視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

高速MAG焊在船舶、軌道交通、海工裝備、核電等大型裝備制造中有著廣泛的應(yīng)用，高速MAG焊精密焊縫跟蹤是實現(xiàn)該類大型裝備實現(xiàn)智能焊接的一項關(guān)鍵技術(shù)。視覺焊縫跟技術(shù)具有獲取信息全面、無接觸、進(jìn)度高、相應(yīng)快等等優(yōu)點，在激光焊、TIG焊、MAG焊的焊縫跟蹤中有一定的工業(yè)應(yīng)用。

為減少焊接過程中弧光對成像的干擾，目前主要采用基于結(jié)構(gòu)光輔助式模式：在熔池前區(qū)一定距離的待焊焊縫上投射線結(jié)構(gòu)光，相機(jī)獲取被待焊焊縫坡口調(diào)制后的結(jié)構(gòu)光圖像，經(jīng)過圖像處理獲取感興趣特征參數(shù)，結(jié)合相機(jī)成像參數(shù)得到焊縫軌跡。然而，焊接過程中存在熱變形、磁力偏吹、焊絲彎曲等因素，這種超前焊縫跟蹤方式使得焊接過程中發(fā)生焊偏。為消除這些因素帶來的超前誤差，部分研究工作者采用優(yōu)化成像的方式減少結(jié)構(gòu)光與熔池之間的距離，但弧光干擾嚴(yán)重，后期圖像處理復(fù)雜，穩(wěn)定性差；另一部分研究者采用高動態(tài)相機(jī)直接對熔池及其前區(qū)焊縫成像，但在高速MAG焊中能獲取的焊縫較短，難以及時計算出偏離量引導(dǎo)焊槍運(yùn)動。因此，結(jié)合高速MAG研究出一套精密的復(fù)合式視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)具有重要的應(yīng)用價值。

鑒于上述缺陷，本發(fā)明創(chuàng)作者經(jīng)過長時間的研究和實踐終于獲得了本發(fā)明。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案在于，提供一種穩(wěn)定的精密視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)，包括安裝于移動平臺上的焊槍、激光器、雙靶面成像裝置、處理器和控制器；所述激光器，用于采用結(jié)構(gòu)光投射在熔池前區(qū)相連的待焊裝配縫周圍；所述雙靶面成像裝置，包括第一相機(jī)和第二相機(jī)，所述雙靶面成像裝置用于在同一時刻，利用其內(nèi)的兩個相機(jī)在不同成像參數(shù)下采集焊區(qū)高動態(tài)范圍的圖像信號；所述處理器，分別與所述控制器、雙靶面成像裝置相連，一方面，所述處理器對所述雙靶面成像裝置采集到的被待焊裝配縫調(diào)制后的結(jié)構(gòu)光圖像進(jìn)行處理，并將處理信息傳輸給所述控制器，在線粗略的規(guī)劃移動平臺的運(yùn)動軌跡；另一方面，所述處理器對所述雙靶面成像裝置采集到熔池圖像、被待焊裝配縫調(diào)制后的結(jié)構(gòu)光圖像進(jìn)行融合，并獲得成像特征參數(shù)，同時所述處理器依據(jù)所述激光器、雙靶面成像裝置、待焊裝配縫之間的相對位姿參數(shù)，換算出熔池中心相對所述待焊裝配縫的偏離量，實時獲得所述焊槍的空間位姿偏離參數(shù)，傳輸給所述控制器，精細(xì)調(diào)整所述焊槍的相對空間位姿。

進(jìn)一步，所述激光器采用四條線結(jié)構(gòu)光投射在熔池前區(qū)相連的待焊裝配縫周圍，且相鄰線結(jié)構(gòu)光兩兩垂直，形成矩形。

進(jìn)一步，所述雙靶面成像裝置還包括半反光透鏡，所述第一相機(jī)和第二相機(jī)成90^。設(shè)置且所述半反光透鏡設(shè)置于所述第一相機(jī)和第二相機(jī)的角平分線上。

進(jìn)一步，在所述第一相機(jī)和所述第二相機(jī)的透光方向上設(shè)有濾光結(jié)構(gòu)，且所述濾光結(jié)構(gòu)設(shè)置于所述半反光透鏡的上方，所述濾光結(jié)構(gòu)用于濾去部分波段的弧光干擾。

進(jìn)一步，在所述第一相機(jī)和所述第二相機(jī)的透光方向上還設(shè)有減光結(jié)構(gòu)，且所述減光結(jié)構(gòu)設(shè)置于所述半反光透鏡的上方，所述減光結(jié)構(gòu)用于減少光亮的進(jìn)入。

進(jìn)一步，固定所述雙靶面成像裝置的安裝底板上設(shè)有滑槽或滑道，所述雙靶面成像裝置中的相機(jī)安裝盒能夠相對所述滑槽或滑道的任意一位置移動。

進(jìn)一步，所述相機(jī)安裝盒通過緊固件固定于所述安裝底板上。

進(jìn)一步，在所述雙靶面成像裝置的底部設(shè)有阻隔鏡片，用于阻擋焊接過程中的焊渣對所述半反半透鏡、第一相機(jī)和第二相機(jī)的損害。

與現(xiàn)有技術(shù)比較本發(fā)明的有益效果在于：1、本發(fā)明的視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)，采用對所述移動平臺粗調(diào)整與對所述焊槍精細(xì)調(diào)整的同時，結(jié)合在精密調(diào)整焊槍的過程中，引入所述激光器發(fā)射結(jié)構(gòu)光于熔池前區(qū)相連的待焊裝配縫處，使得采集圖像在弧光影響下圖像中的感興趣特征較為穩(wěn)定，在一定程度上抵抗了弧光閃爍對成像質(zhì)量的影響，使焊縫跟蹤系統(tǒng)在焊接過程中更加穩(wěn)定、更加精密；2、在所述第一相機(jī)和所述第二相機(jī)的透光方向上設(shè)有濾光結(jié)構(gòu)，用于濾去部分波段的弧光干擾，使成像效果更好；3、在所述安裝底板上設(shè)有滑槽或滑道，雙靶面成像裝置中的相機(jī)安裝盒能夠在所述滑槽或滑道的任意一位置移動，在實際應(yīng)用中，根據(jù)不同的焊接工藝來調(diào)整所述第一相機(jī)或所述第二相機(jī)的位置，獲得合理的成像區(qū)域；4、在所述雙靶面成像裝置的底部設(shè)有阻隔鏡片，用于阻擋焊接過程中的焊渣對所述第一相機(jī)、第二相機(jī)和半反半透鏡造成的損害。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種穩(wěn)定的精密視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明雙靶面成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明雙靶面成像裝置采集的成像結(jié)果；

圖4為本發(fā)明圖像融合的工作原理圖；

圖5為本發(fā)明固定雙靶面成像裝置的安裝底板的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明實施例六中雙靶面成像參數(shù)的確定原理圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明上述的和另外的技術(shù)特征和優(yōu)點作更詳細(xì)的說明。

實施例一

請參閱圖1，其為本發(fā)明一種穩(wěn)定的精密視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1，一種穩(wěn)定的精密視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)，包括焊槍1、控制器2、激光器3、雙靶面成像裝置4和處理器5，所述焊槍1、控制器2、激光器3、雙靶面成像裝置4和處理器5安裝于移動平臺6上，其中，所述控制器2和處理器5不限于安裝在移動平臺6上，只需保證控制器2和處理器5與其它各部件之間連接即可。

所述激光器3，用于采用結(jié)構(gòu)光31投射在熔池7前區(qū)相連的待焊裝配縫8的周圍；所述雙靶面成像裝置4，包括第一相機(jī)41和第二相機(jī)42,所述雙靶面成像裝置4用于在同一時刻，利用其內(nèi)的兩個相機(jī)在不同成像參數(shù)下采集焊區(qū)高動態(tài)范圍的圖像信號；所述處理器5，分別與所述控制器2和雙靶面成像裝置4相連，一方面，所述處理器5對所述雙靶面成像裝置4采集到的被待焊裝配縫調(diào)制后的結(jié)構(gòu)光圖像進(jìn)行處理，并將處理信息傳輸給所述控制器2，在線粗略的規(guī)劃移動平臺的運(yùn)動軌跡，另一方面，所述處理器5對所述雙靶面成像裝置4采集到熔池圖像、被待焊裝配縫調(diào)制后的結(jié)構(gòu)光圖像進(jìn)行融合，同時所述處理器5依據(jù)所述激光器3、雙靶面成像裝置4、待焊裝配縫8之間的相對位姿參數(shù)，換算出熔池7的中心相對所述待焊裝配縫8的偏離量，實時獲得所述焊槍1的空間位姿偏離參數(shù)，傳輸給所述控制器2，精細(xì)調(diào)整所述焊槍1的相對空間位姿。

上述所述激光器3可以采用多條線結(jié)構(gòu)光31投射在熔池7前區(qū)相連的待焊裝配縫8的周圍，形成四邊形、五邊形以及其他的多邊形，如圖1所示，本實施例中，優(yōu)選所述激光器3采用四條線結(jié)構(gòu)光31投射在熔池前區(qū)相連的待焊裝配縫8的周圍，且相鄰線結(jié)構(gòu)光31兩兩垂直，形成矩形，這樣設(shè)置，有利于加快所述處理器5對所述線結(jié)構(gòu)光特征的提取速率。

本發(fā)明的視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)，采用對所述移動平臺6粗調(diào)整與對所述焊槍1精細(xì)調(diào)整的同時，結(jié)合在精密調(diào)整焊槍的過程中，引入所述激光器3發(fā)射結(jié)構(gòu)光31于熔池前區(qū)相連的待焊裝配縫8處，使得采集圖像在弧光影響下圖像中的感興趣特征較為穩(wěn)定，在一定程度上抵抗了弧光閃爍對成像質(zhì)量的影響，使焊縫跟蹤系統(tǒng)在焊接過程中更加穩(wěn)定、更加精密。

請參閱圖2，其為本發(fā)明雙靶面成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖2所示，一種雙靶面成像裝置4，包括第一相機(jī)41、第二相機(jī)42、半反光透鏡43以及相機(jī)安裝盒44，相機(jī)安裝盒44固定于安裝底板45上，所述第一相機(jī)41和所述第二相機(jī)42分別固定在各自對應(yīng)的所述相機(jī)安裝盒44內(nèi)，所述第一相機(jī)41和第二相機(jī)42成90^。設(shè)置且所述半反光透鏡43設(shè)置于所述第一相機(jī)41和第二相機(jī)42的角平分線上。

在所述第一相機(jī)41和所述第二相機(jī)42的成像參數(shù)確定后，在同一時刻，利用所述第一相機(jī)41和所述第二相機(jī)42對所述熔池7和熔池7前區(qū)相連的待焊裝配縫8進(jìn)行成像，如圖2所示，待監(jiān)測目標(biāo)反射的光到達(dá)半反半透鏡43，一部分光線411直接透過所述半反光透鏡43，在所述第一相機(jī)41中成像，一部分光線421被所述半反光透鏡43反射后，在所述第二相機(jī)42中成像，同一時刻在兩個相機(jī)中獲得兩幅圖像，在所述第一相機(jī)41和所述第二相機(jī)42獲得的成像結(jié)果如圖3所示，所述第一相機(jī)41中，所述熔池7所在的區(qū)域呈現(xiàn)白茫茫的一片，熔池7前區(qū)相連的待焊裝配縫8清晰可見，且所述待焊裝配縫8較長，在所述第二相機(jī)42中，所述熔池7的形貌清晰可見，所述熔池7前區(qū)相連的待焊裝配縫8隱約可以看到很短的一部分。

在此基礎(chǔ)上，所述處理器5采用圖像融合技術(shù)，利用同時獲取地兩幅圖源中冗余、互補(bǔ)信息進(jìn)行融合，得到更適合于計算機(jī)處理的圖像，其中，圖像融合的工作原理如圖4所示，定義A為亮度較大的目標(biāo)體1，即熔池7的區(qū)域，定義B為亮度較小的目標(biāo)體2，即熔池7前區(qū)相連的待焊裝配縫8。

如圖4所示，首先對所述第一相機(jī)41和所述第二相機(jī)42獲取的圖像b，c進(jìn)行處理，分別提取感興趣特征A、B，如圖d,e所示；其次，依據(jù)所述第一相機(jī)41的成像特點及圖像配準(zhǔn)的方法對感興趣特征B做空間變換，如圖f所示，將感興趣特征B轉(zhuǎn)換到所述第二相機(jī)42的圖像坐標(biāo)系中，如圖g所示；接著，基于數(shù)組運(yùn)算的方式對圖e的圖幅進(jìn)行調(diào)整，維持了圖e與圖g對應(yīng)數(shù)組大小一致性，便于后期的融合計算；最后，依據(jù)并行融合算法，將感興趣特征B，A融合到圖i中，獲得圖像成像參數(shù)，為實現(xiàn)焊接過程中焊槍運(yùn)動軌跡時候糾偏提供依據(jù)。

實施例二

如上所述的一種穩(wěn)定的精密視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)，本實施例與其不同之處在于，如圖2所示，在所述雙靶面成像裝置4的底部設(shè)有阻隔鏡片46，用于阻擋焊接過程中的焊渣對所述第一相機(jī)41、所述第二相機(jī)42和所述半反光透鏡43造成的損害，其中，所述阻隔鏡片46的材質(zhì)要求待監(jiān)測目標(biāo)反射的光能夠穿過所述阻隔鏡片46到達(dá)所述半反光透鏡43，以免影響成像效果。

實施例三

如上所述的一種穩(wěn)定的精密視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)，本實施例與其不同之處在于，如圖2所示，在所述第一相機(jī)41和所述第二相機(jī)42的透光方向上設(shè)有濾光結(jié)構(gòu)47，且所述濾光結(jié)構(gòu)47設(shè)置于所述半反光透鏡43的上方，所述濾光結(jié)構(gòu)47用于濾去部分波段的弧光干擾。

進(jìn)一步，在所述第一相機(jī)41和/或所述第二相機(jī)42的透光方向上還設(shè)有減光結(jié)構(gòu)48，且所述減光結(jié)構(gòu)48設(shè)置于所述半反光透鏡43的上方，所述減光結(jié)構(gòu)48用于減少光亮進(jìn)入所述第一相機(jī)41和/或所述第二相機(jī)42，獲得合理的曝光量。是否需要設(shè)置所述減光結(jié)構(gòu)48需根據(jù)所述第一相機(jī)41或所述第二相機(jī)42成像的實際情況決定，如圖3所示，本實施例中，在所述第一相機(jī)41的透光方向上依次設(shè)有濾光結(jié)構(gòu)47和減光結(jié)構(gòu)48，在所述第二相機(jī)42的透光方向上只設(shè)有濾光結(jié)構(gòu)47，以達(dá)到較佳的成像效果。

其中，所述濾光結(jié)構(gòu)47和減光結(jié)構(gòu)48的設(shè)置順序并沒有限制，可以使光路先通過所述濾光結(jié)構(gòu)47，后通過所述減光結(jié)構(gòu)48，也可以使光路先通過所述減光結(jié)構(gòu)48，再通過所述濾光結(jié)構(gòu)47。

實施例四

如上所述的一種穩(wěn)定的精密視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)，本實施例與其不同之處在于，如圖5所示，在所述安裝底板45上設(shè)有滑槽451或滑道451，所述相機(jī)安裝盒44能夠在所述滑槽451或滑道451的任意一位置移動。

本實施例中，所述相機(jī)安裝盒44通過緊固件固定于所述滑槽451或滑道451上，所述緊固件包括螺絲491和螺母492，所述螺絲491穿過所述相機(jī)安裝盒44和所述滑槽451或滑道451，用所述螺母492鎖緊。在實際應(yīng)用中，根據(jù)不同的焊接工藝，調(diào)整所述第一相機(jī)41或所述第二相機(jī)42的位置，獲得合理的成像區(qū)域。調(diào)整時，只需將所述螺母492松開，將所述螺絲491相對所述滑槽451或滑道451移動到指定位置，最后將所述螺母492鎖緊即可，其中，所述緊固件的結(jié)構(gòu)不僅僅限于此，還可以是其他鎖緊的結(jié)構(gòu)。

實施例五

如上所述的一種穩(wěn)定的精密視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)的跟蹤方法為：

(1)確定雙靶面成像參數(shù)：建立激光器3、弧光和自然光在復(fù)合光照條件下的復(fù)合光照模型并采用試驗測試修正，結(jié)合成像過程中兩個相機(jī)的響應(yīng)函數(shù)，采用數(shù)值模擬的方式，結(jié)合獲得熔池7及其前區(qū)待焊裝配縫8在弧光亮、暗時沿著待焊裝配縫方向的光強(qiáng)動態(tài)比分布，并結(jié)合相機(jī)自身的光強(qiáng)動態(tài)比參數(shù)和感興趣參數(shù)確定雙靶面成像裝置中兩個相機(jī)視場中心的相對距離和視場的大小參數(shù)；

(2)所述激光器3發(fā)射結(jié)構(gòu)光31投射在熔池7前區(qū)相連的待焊裝配縫8的周圍；

(3)待焊裝配縫處反射的光在兩個成像參數(shù)不同的相機(jī)中成像，同一時刻獲得兩幅圖像，所述處理器5對采集到的被待焊裝配縫8調(diào)制后的結(jié)構(gòu)光圖像進(jìn)行處理，并將處理信息傳輸給所述控制器2，在線粗略的規(guī)劃移動平臺的運(yùn)動軌跡；

(4)所述處理器5對所述雙靶面成像裝置4采集到的熔池圖像、被待焊裝配縫8調(diào)制后的結(jié)構(gòu)光圖像進(jìn)行融合，并獲得成像特征參數(shù)，同時所述處理器5依據(jù)所述激光器3、雙靶面成像裝置4、待焊裝配縫8之間的相對位姿，換算出熔池7的中心相對所述待焊裝配縫8的偏離量，實時獲得所述焊槍1的空間位姿偏離參數(shù)，傳輸給所述控制器2，精細(xì)調(diào)整所述焊槍1的相對空間位姿，保證焊槍以適當(dāng)?shù)淖藨B(tài)沿著待焊裝配縫8施焊。上述所述步驟(1)中，兩個所述相機(jī)成90^。設(shè)置且半反光透鏡43設(shè)置于兩個所述相機(jī)的角平分線上，這樣，會使成像效果更好。

上述所述步驟(2)中，所述激光器采用四條結(jié)構(gòu)光31投射在熔池前區(qū)相連的待焊裝配縫8的周圍，且相鄰結(jié)構(gòu)光31兩兩垂直，形成矩形，這樣設(shè)置，有利于加快在后期所述處理器5對所述結(jié)構(gòu)光特征的提取速率，使焊接更加精密。

實施例六

如上所述的一種穩(wěn)定的精密視覺焊縫跟蹤方法，本實施例與其不同之處，在于，上述所述步驟(1)中，在兩個所述相機(jī)的透光方向上分別設(shè)置參數(shù)不同的濾光結(jié)構(gòu)，用于減少弧光的干擾。

在確定成像參數(shù)時，需結(jié)合成像過程中濾光結(jié)構(gòu)的響應(yīng)函數(shù)，參數(shù)的具體確定過程如圖6所示：首先，以無窮遠(yuǎn)處光照為基準(zhǔn)，建立弧光、熔池、激光器、自然光照下沿待焊裝配縫方向(熔池處為距離原點)的光強(qiáng)動態(tài)比分布模型(結(jié)合試驗進(jìn)行修正)并進(jìn)行模擬計算，其光強(qiáng)動態(tài)比分布如圖6a所示；其次，根據(jù)光譜分析結(jié)果可知，在MAG焊中，650nm時候弧光影響最弱，故選擇650nm，帶寬為50nm的濾光結(jié)構(gòu)進(jìn)行，建立濾光后的光照動態(tài)比模型并進(jìn)行數(shù)值模擬計算，其光強(qiáng)動態(tài)比分布如圖6b所示；最后，結(jié)合相機(jī)光譜相應(yīng)函數(shù)，得到濾光后的光照在相機(jī)成像面中的分布函數(shù)，如圖6c所示，再結(jié)合相機(jī)固有動態(tài)比，感興趣特征所在區(qū)域，調(diào)整輔助激光線的位置、相機(jī)的視場大小、雙靶面成像視場的中心距離等參數(shù)，在感興趣特征一直在視場的前提下保證在整個焊接過程中的光照動態(tài)比都不超過相機(jī)的固有動態(tài)比。

實施例七

如上所述的一種穩(wěn)定的精密視覺焊縫跟蹤方法，本實施例與其不同之處，在于，上述所述步驟(1)中，在兩個所述相機(jī)的透光方向上分別設(shè)置參數(shù)不同的減光結(jié)構(gòu)，用于減少光亮的進(jìn)入，獲得合理的曝光量。

采用數(shù)學(xué)建模及數(shù)值模擬相結(jié)合的方式確定雙靶面成像參數(shù)時，也需結(jié)合減光結(jié)構(gòu)的相應(yīng)參數(shù)。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明方法的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和補(bǔ)充，這些改進(jìn)和補(bǔ)充也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。